基于數(shù)字三維技術(shù)確定腰4/5椎弓根螺釘進釘點的精確性

武世勛，劉時璋，凌 鳴，段降龍，孫正明，史紀元

（陜西省人民醫(yī)院：1.骨科；2.普外科，陜西西安 710068）

椎弓根螺釘?shù)木珳手萌胧敲课患怪饪漆t(yī)師的基本功。目前已有的椎弓根螺釘置釘方法繁多，如徒手法、C臂X線定位法、計算機導航置入法等，其中徒手法是脊柱內(nèi)固定手術(shù)中最常應用的技術(shù)，進釘方法包括人字嵴法、Roy-camille法、Magerl法、Krag法、Weinstein法等[1]，進釘軌跡以盡量減少關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)破壞、且接近或在椎弓根中軸線上進釘最為理想。椎弓根進釘點偏外，容易突破椎弓根及椎體外側(cè)壁骨皮質(zhì)，導致內(nèi)固定失敗，甚至傷及周圍軟組織；進釘點偏內(nèi)，容易突破椎弓根內(nèi)側(cè)壁骨皮質(zhì)，損傷脊髓及脊神經(jīng)根，造成相應感覺運動障礙、腦脊液漏等嚴重后果。不同椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)后椎體的生物力學特性研究結(jié)果提示：單平面螺釘?shù)纳锪W穩(wěn)定性、抗疲勞性優(yōu)于單軸椎弓根螺釘及萬向椎弓根螺釘[2]。腰椎椎弓根副突是指導椎弓根螺釘進入點的一致且可靠的標志[3]。臨床工作中，椎弓根退變性旋轉(zhuǎn)、發(fā)育畸形等情況經(jīng)常存在，導致椎弓根螺釘置入存在較大的失誤率（高達15.7%）[4]。因此，術(shù)中如何有效提高椎弓根螺釘置入的精準度是臨床醫(yī)師一直關(guān)注的話題。

近年來，隨著計算機技術(shù)和影像學技術(shù)的大力發(fā)展，使得精準醫(yī)療被臨床醫(yī)師更加重視。本文首次利用數(shù)字三維成像技術(shù)模擬椎弓根的真實釘?shù)兰笆中g(shù)置釘技術(shù)，比較Weinstein法、人字嵴法、Magerl法進釘點的精確性。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)采集與脊柱仿真模型的建立

本研究采用64排SOMATOM Definition Flash雙源CT機（Siemens Healthineers,Forchheim,Germany）對志愿者行全腰椎掃描。設置掃描參數(shù)：120 kV、205.50 mAs，層厚1 mm，獲得336層大小為512 px×512 px圖像，將其數(shù)據(jù)以DICOM格式保存，并導入Mimics 17.0軟件（Materialise,Leuven,Belgium），用“Thresholding”和“region growing”模塊提取感興趣區(qū)域后，利用calulate 3D from mask功能生成椎體三維模型。將模型以STL格式導入Geomagic Studio 12逆向工程軟件，用移動面板的對象移動器進行坐標標準化，導出結(jié)果為STL格式文件，導入Mimics 17.0軟件的3matic軟件測量（圖1）。本研究計算機配置：Windows 7-64位操作系統(tǒng)，處理器Intel(R)Core（TM）i7-4600，運行內(nèi)存8GB，256 SSD硬盤。

1.2 研究對象的納入標準

收集我院門診及住院部患者的正常腰椎CT掃描數(shù)據(jù)6例，排除標準：①患者腰椎有嚴重退變、增生改變；②有先天性或后天性骨性畸形者；③腰椎骨折、骨質(zhì)疏松、腫瘤、結(jié)核等椎體破壞者。

1.3 人字嵴法進釘點的確定

在椎體模型的后面觀，選取椎弓根峽部嵴與乳突副突嵴交點為人字嵴頂點[5]（圖1A）。

1.4 Weinstein法進釘點的確定

Weinstein法定義為上關(guān)節(jié)突的外下角，稱為上關(guān)節(jié)突的頸部[6]。在椎體模型的后面觀，按照定義確定（圖1A）。

1.5 Mager l進釘點[7]

在椎體后面觀模式下，平行于橫突在其上緣及下緣分別建立平面，取兩平面的中平面（平面0），建立垂直于電腦屏幕及地面的平面（平面1），并使其經(jīng)過下位椎體的上關(guān)節(jié)突外緣，計算平面0與平面1的交互線，計算此交互線在腰椎上的投影點，為Magerl法進釘點（圖1B）。

圖1 人字嵴法、Weinstein法和Magerl法進釘點的確定Fig.1 Determination of the entry point for herringbone vertex method,Weinstein and Magerl methods

1.6 椎弓根中點的確定

在椎體模型上面觀，于椎弓根與椎體交界處任選3點，建立平面，用平面切割椎弓根后，計算求得切割面的中點，為椎弓根中點（圖2A）。

1.7 真實釘?shù)兰斑M釘點的建立

在椎體模型上面觀，選椎弓根內(nèi)外緣弧形線切點的連線，旋轉(zhuǎn)平面1使之垂直于此連線，建立平面2，平移平面0與平面2均經(jīng)過椎弓根中點，并算出平面0與平面2的交線，為真實釘?shù)儡壽E（圖2B），此線與椎體交點為真實進釘點（圖2C）。

圖2 真實進釘點及真實釘?shù)儡壽E的建立方法Fig.2 Establishment method of real entry point and path

1.8 各模擬進釘點到真實進釘點的距離測量

確定人字嵴頂點、Weinstein法、Magerl法及真實進釘點后，在椎體模型后面觀，分別計算人字嵴頂點、Weinstein法、Magerl法進釘點到真實進釘點的最短距離（圖3A）。

1.9 各種進釘方法的外展角

在椎體模型上面觀，計算平面1與平面2的夾角，為真實外展角。利用軟件兩點法建立人字嵴釘?shù)?、Weinstein法釘?shù)?、Magerl法釘?shù)?，復制平?，用旋轉(zhuǎn)功能建立經(jīng)過人字嵴釘?shù)?、Weinstein法釘?shù)?、Magerl法釘?shù)赖钠矫?，分別計算各平面與平面1的夾角，即人字嵴法、Weinstein法、Magerl法的外展角（圖3B）。

圖3 測量方法示意圖Fig.3 Schematic diagram of the measurement method

1.10 統(tǒng)計學處理

本研究所有椎體測量包含左右側(cè)，每個椎體均由一位骨科醫(yī)師重復測量3次，所有數(shù)據(jù)均使用SPSS 17.0統(tǒng)計軟件包進行分析。檢驗數(shù)據(jù)正態(tài)性與組間方差齊性，若數(shù)據(jù)正態(tài)且方差齊，左右側(cè)椎弓根兩組數(shù)據(jù)用配對t檢驗，三組數(shù)據(jù)用完全隨機設計方差分析（檢驗統(tǒng)計量為F），且結(jié)果以均數(shù)±標準誤（xˉ±SEM）表示，多個樣本平均數(shù)之間的差異用LSD多重比較法檢驗；若三組數(shù)據(jù)非正態(tài)或方差不齊，則用Kruskal-WallisH非參數(shù)檢驗（檢驗統(tǒng)計量為χ2），組間兩兩比較用兩獨立樣本Mann-Whitney檢驗法。所有統(tǒng)計學檢驗均為雙側(cè)檢驗，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié) 果

2.1 腰4左右側(cè)椎弓根進釘點的比較

腰4椎體右側(cè)真-Weinstein距離顯著大于左側(cè)，分析結(jié)果有統(tǒng)計學差異（t=3.706，P=0.002）。腰4椎體右側(cè)真-Magerl距離顯著大于左側(cè)，分析結(jié)果有統(tǒng)計學差異（t=2.989，P=0.005）。而腰4椎體右側(cè)的真-人字嵴、真實外展角、Weinstein外展角、人字嵴外展角、Magerl外展角與左側(cè)比較均無明顯差別（表1）。

2.2 腰4進釘點到真實進釘點距離、外展角的組間比較

腰4右側(cè)距離測量結(jié)果顯示，Weinstein法、人字嵴法、Magerl法進釘點到真實進釘點的距離有統(tǒng)計學差異（F=5.049，P=0.01），組間比較發(fā)現(xiàn)真-Weinstein距離顯著小于真-人字嵴法距離（P=0.003）。腰4左側(cè)距離測量結(jié)果，Weinstein法、人字嵴、Magerl法到真實進釘點的距離有統(tǒng)計學差異（F=12.120，P＜0.001），組間比較發(fā)現(xiàn)真-Weinstein距離、真-Magerl距離均顯著小于真-人字嵴法距離（P＜0.001，圖4A，表1）。

腰4右側(cè)外展角測量結(jié)果顯示，Weinstein外展角、人字嵴外展角、Magerl外展角與真實外展角的差異具有統(tǒng)計意義（χ2=42.548，P＜0.001），進一步采用兩獨立樣本Mann-Whitney檢驗法比較發(fā)現(xiàn)，真實外展角與Weinstein外展角、人字嵴外展角的差異有統(tǒng)計學意義（P均＜0.001），真實外展角與Magerl外展角之間有統(tǒng)計學差異（P=0.037），Weinstein外展角與人字嵴外展角之間有統(tǒng)計學差異（P＜0.001），人字嵴外展角與Magerl外展角之間均有統(tǒng)計學差異（P＜0.001，表1）。

腰4左側(cè)外展角測量結(jié)果顯示，Weinstein外展角、人字嵴外展角、Magerl外展角與真實外展角的差異具有統(tǒng)計學意義（χ2=52.815，P＜0.001），采用兩獨立樣本Mann-Whitney檢驗法比較發(fā)現(xiàn)，真實外展角與Weinstein外展角、人字嵴外展角、Magerl外展角的差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05），Weinstein外展角分別與人字嵴外展角、Magerl外展角之間均有統(tǒng)計學差異（P＜0.001和P=0.003），人字嵴外展角與Magerl外展角之間有統(tǒng)計學差異（P＜0.001，圖4B，表1）。

表1 腰4左、右側(cè)椎弓根的測量距離、外展角的比較Tab.1 Comparison of distance and abduction angle between left and right in L 4 pedicles （xˉ±SEM）

圖4 腰4椎體的測量參數(shù)組間比較Fig.4 Comparison of measurement parameters of L 4 vertebrae among groups

2.3 腰5左右側(cè)椎弓根進釘點的比較

腰5椎體左側(cè)真-Weinstein、真-人字嵴距離大于右側(cè)，差異有統(tǒng)計學意義（P=0.002，P=0.004）。腰5椎體右側(cè)Weinstein外展角大于左側(cè)（P=0.003），而腰5椎體右側(cè)的真-Magerl、真實外展角、人字嵴外展角、Magerl外展角與左側(cè)比較均無統(tǒng)計學差別（表2，圖5）。

2.4 腰5進釘點到真實進釘點的距離、外展角的組間比較

腰5右側(cè)距離測量結(jié)果顯示，Weinstein法、人字嵴法、Magerl法到真實進釘點的距離有統(tǒng)計學差異（F=25.437，P＜0.001），組間比較發(fā)現(xiàn)真-Weinstein距離與真-人字嵴距離、真-Magerl距離的差異均有統(tǒng)計學意義（P＜0.001，P=0.005），真-人字嵴距離與真-Magerl距離的差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.001），說明人字嵴頂點到真實進釘點的距離最大，Weinstein法距真實進釘點的距離最近。腰5左側(cè)距離測量結(jié)果，Weinstein法、人字嵴、Magerl法到真實進釘點的距離有統(tǒng)計學差異（χ2=19.152，P＜0.001），采用兩獨立樣本Mann-Whitney檢驗法組間比較發(fā)現(xiàn)真-Weinstein距離、真-Magerl距離均與真-人字嵴法距離的差異有統(tǒng)計學意義（P=0.005和P＜0.001），而真-Weinstein距離與真-Magerl距離的差異無統(tǒng)計學意義（P=0.171，表2，圖5）。

圖5 腰5椎體的測量參數(shù)組間比較Fig.5 Comparison of measurement parameters of L 5 vertebrae among groups

腰5右側(cè)外展角測量結(jié)果顯示，Weinstein外展角、人字嵴外展角、Magerl外展角與真實外展角的差異具有統(tǒng)計學意義（χ2=51.114，P＜0.001），用兩獨立樣本Mann-Whitney檢驗法組間比較發(fā)現(xiàn)，真實外展角與Weinstein外展角、人字嵴外展角、Magerl外展角的差異有統(tǒng)計學意義（P均＜0.001），Weinstein外展角與人字嵴外展角之間有統(tǒng)計學意義（P＜0.001），人字嵴外展角與Magerl外展角之間有統(tǒng)計學意義（P＜0.001），Weinstein外展角與Magerl外展角無統(tǒng)計學差異（P=0.104，表2）。

表2 腰5左右側(cè)椎弓根的進釘距離及外展角比較Tab.2 Comparison of distance and abduction angle between left and right in L 5 pedicles （xˉ±SEM）

腰5左側(cè)外展角測量結(jié)果顯示，Weinstein外展角、人字嵴外展角、Magerl外展角與真實外展角的差異具有統(tǒng)計學意義（χ2=48.212，P＜0.001），用兩獨立樣本Mann-Whitney檢驗法組間比較發(fā)現(xiàn)，真實外展角與Weinstein外展角、人字嵴外展角、Magerl外展角的差異有統(tǒng)計學意義（P均＜0.001），Weinstein外展角與人字嵴外展角、Magerl外展角之間均有統(tǒng)計學意義（P＜0.001），人字嵴外展角與Magerl外展角之間有統(tǒng)計學意義（P＜0.001）。Weinstein外展角與Magerl外展角之間差異有統(tǒng)計學意義（P=0.03）。

3 討 論

椎弓根螺釘固定技術(shù)在脊柱外科迅猛發(fā)展，使脊柱疾病的救治更有效、更簡便。脊椎的形態(tài)與發(fā)育、退變、外傷、腫瘤等因素有關(guān)，導致每個椎弓根、橫突、關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)解剖結(jié)構(gòu)變異較大，因此產(chǎn)生了許多種椎弓根螺釘進釘方法。本研究針對這一臨床現(xiàn)象，采用數(shù)字三維成像技術(shù)模擬椎弓根的真實釘?shù)兰笆中g(shù)置釘技術(shù)，比較不同置釘方法的優(yōu)缺點。

與使用3D成像數(shù)據(jù)技術(shù)相比，使用2D術(shù)前規(guī)劃技術(shù)導致上關(guān)節(jié)突損傷的風險更高。對透視引導的椎弓根螺釘使用更外側(cè)和更靠下的進入點可以降低經(jīng)皮椎弓根螺釘置入術(shù)后關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)損傷的發(fā)生率[8]。不規(guī)范的椎弓根螺釘置入增加椎弓根螺釘斷裂的風險[9]。通過三維重建CT圖像測量參數(shù)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，可將橫突椎板凹、橫突上嵴和椎板外緣等解剖標志作為上、中胸椎椎弓根釘進釘?shù)膮⒖键c[10]。術(shù)后CT斷層掃描結(jié)果認為，徒手置入椎弓根螺釘在治療青少年特發(fā)性脊柱側(cè)彎上是一種安全可靠的方法[11]。

一項尸體研究認為，胸椎上關(guān)節(jié)突底部的切跡位置基本保持不變，是引導螺釘進入椎弓根的重要解剖標志[12]。在建立的三維重建腰椎模型上尋找椎弓根軸線，制定腰椎經(jīng)皮椎弓根螺釘?shù)淖罴堰M釘點的研究發(fā)現(xiàn)，在標準正位X片上，L3-L5椎弓根橢圓形投影環(huán)坐標系X軸下方10.8°～12.4°環(huán)外0.5～0.8 mm（L3、L4）或1.2～1.5 mm（L5）處進釘[13]。

本研究結(jié)果顯示，腰4椎體雙側(cè)椎弓根的Weinstein法、人字嵴法到真實進釘點的距離差異不大，與關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)及人字嵴的恒定的解剖結(jié)果有關(guān)，Magerl法的左右差異提示可能與雙側(cè)橫突位置變異有關(guān)。人字嵴法進釘點到真實進釘點的距離最大，位置靠近棘突，其外展角最小，按照常規(guī)進釘外展角置入，容易導致關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)破壞、螺釘破壞椎弓根內(nèi)壁、進入椎管損傷脊髓及神經(jīng)根可能；而Magerl法、Weinstein法接近真實進釘點，Magerl法、Weinstein法進釘點位于真實進釘點內(nèi)側(cè)，因而外展角小于真實釘?shù)劳庹菇?。綜上所述，在臨床手術(shù)中，采用Weinstein法接近真實進釘點，對關(guān)節(jié)突破壞很小，上關(guān)節(jié)突位置恒定，腰4椎弓根螺釘置釘時首選Weinstein法。

腰5椎體雙側(cè)椎弓根的Weinstein法、人字嵴法到真實進釘點的距離差異明顯（±2 mm），人字嵴法到真實進釘點的距離最遠，靠近棘突，外展角最小，按常規(guī)外展角進釘，也有螺釘偏內(nèi)、誤入椎管的風險；Magerl法、Weinstein法進釘點位于真實進釘點內(nèi)側(cè)，而二者的外展角明顯小于真實釘?shù)劳庹菇?，但是Magerl法和Weinstein法外展角接近?？傊?，在臨床手術(shù)中，腰5椎弓根螺釘置釘時，首選Weinstein法和Magerl法。

本文首次采用數(shù)字三維成像技術(shù)模擬椎弓根的真實釘?shù)兰笆中g(shù)置釘技術(shù)，比較了Weinstein法、人字嵴法、Magerl法在后路腰4、腰5椎弓根螺釘置入術(shù)中的精確性。結(jié)果顯示，腰4椎弓根螺釘置釘時首選Weinstein法，腰5椎弓根螺釘置釘時首選Weinstein法或Magerl法，或者將二者結(jié)合考慮決定進釘點及進釘方向更安全。