腰椎椎弓根螺钉置入内固定前三维测量的临床应用

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.39.009

摘要/Abstract

摘要：

背景：椎弓根是连接椎体与椎板之间最坚强的骨性结构，通过椎弓根进行螺钉固定为重建脊柱稳定提供了可靠的力学基础。
目的：对腰椎椎弓根的三维模拟进钉的测量参数进行分析，提高椎弓根螺钉内固定临床应用的准确性和稳定性。
方法：分析椎弓根螺钉治疗脊柱(L₁-L₅ )相关疾病患者的原始CT资料，利用Mimics软件建立三维多平面重建成像模型，通过Mimics软件对腰椎行三维重建并预测钉长、直径、水平面角及矢状面角度，并与临床置钉内固定后实际数据进行统计学比较。
结果与结论：病例分析可见内固定后置钉位置及长度均良好，未出现螺钉偏移、断裂等。内固定前模拟预测的椎弓根螺钉长、直径及水平面角与螺钉内固定后实际数据的差异无显著性意义(P > 0.05)，只有部分节段矢状面角度模拟值小于实际测量值(P < 0.05)。说明通过Mimics软件对腰椎进行三维重建模拟置钉并制定置钉参数，能比较精确的指导内固定中实际置钉，提高椎弓根螺钉的置钉安全。

关键词: 骨关节植入物, 脊柱植入物, 三维重建, 椎弓根螺钉, 水平面角, 矢状面角度, 模拟置钉, 置钉参数, 内固定, 腰椎

Abstract:

BACKGROUND: Pedicle is the strongest bone structure for the connection between vertebrae and lamina, and the screw fixation through pedicle can provide reliable mechanical basis for the reconstruction of spinal stabilization.
OBJECTIVE: To analyzed the three-dimensional analogue measurement parameters of lumbar pedicle, in order to improve the accuracy and stability of the clinical application of pedicle screw fixation.
METHODS: The original CT data of the spine (L₁-L₅) related diseases patients who treated with pedicle screw were analyzed, and the three-dimensional multiplanar reconstruction imaging model was established with Mimics software. By the using of the Mimics software, the lumbar three-dimensional construction was conducted, and the screw length, diameter, transverse section angle and sagittal section angle were predicted, and then statistically compared with the actual data of the patient postoperative.
RESULTS AND CONCLUSION: Case analysis showed that the position and the length of the screw were good without screw offset and fracture after internal fixation. There were no significant differences in the screw length, diameter, transverse section angle and sagittal section angle between the preoperative predicted parameters and the actual parameter after fixation (P > 0.05), while the sagittal section angle of partial segments were smaller than the actual measure value (P < 0.05). The lumbar three-dimensional reconstruction and simulation of pedicle screws placement through Mimics software can precisely guide the actual screw placement and improve the safety of pedicle screws placement.

Key words: bone and bones, spinal diseases, lumbar vertebrae, internal fixators, computer simulation, software design

中图分类号:

R318

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图/表（结果） 6

2.1 内固定前模拟和内固定后实际置钉长度的比较 实际进钉的长度要比Mimics软件三维重建模拟进钉值大一些，但两者比较，差异无显著性意义(P > 0.05)，见表1。

2.2 内固定前模拟和内固定后实际置钉直径的比较 实际进钉的直径和Mimics软件三维重建模拟进钉值比较，差异无显著性意义(P > 0.05)，见表2。证明模拟测量值比较精准。

2.3 内固定前模拟和内固定后实际置钉的水平面角的比较 实际进钉的水平面角和Mimics软件三维重建模拟进钉值比较，差异无显著性意义(P > 0.05)，见表3。

2.4 内固定前模拟和内固定后实际置钉的矢状面角度的比较见表4。

模拟进钉的矢状面角度，在L₁，L₃，L₅测量值比实际测量值小，差异存在显著性意义(P < 0.05)。可能由于矢状面角度在计算机上难以达到预测标准。L₂，L₄测量值，2者的差异无显著性意义(P > 0.05)。

2.5 不良反应 所有患者均未出现螺钉偏移、断裂等，无明显不良反应，置钉位置及长度等均良好。

2.6 椎弓根螺钉置入内固定前三维测量的研究概况 实验分析了椎弓根螺钉置入内固定前三维测量的研究概况，结果发现虽然不同研究所用软件、椎体范围、检测指标不尽相同，但均得出了建立了数字三维模型,进行椎弓根螺钉置入手术模拟，可为术中实施椎弓根螺钉置入提供较精确个体化数据依据的结论，见表5。

2.7 典型病例分析 患者男，35岁，L₃椎体外伤性骨折，入院，患者选择腰椎内固定手术治疗，按照实验前Mimics软件三维辅助测量后指导进钉，排除偏移，内固定位置精准，经椎弓根螺钉内固定前后影像学表现，见图2。患者术后疗效显著，置钉位置及长度均良好，未出现螺钉偏移、断裂等，无不良反应。

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引言

材料方法

设计：数字化测量。

时间及地点：实验于2010年3月至2013年4月在解放军第180医院完成。

对象：20例腰椎椎弓根螺钉内固定的患者，年龄24-47岁，平均35岁，男女各10例。病例中腰椎间盘突出症伴椎管狭窄症10例、椎体外伤造成压缩或骨折5例和腰椎不稳伴椎管狭窄症5例。患者身高和体质量符合国人正常分布区间标准^[7]。共98个椎弓根进行螺钉内固定，L₁椎弓根12个，L₂椎弓根14个，L₃椎弓根18个，L₄椎弓根22个，L₅椎弓根32个。患者对实验方案知情同意，数据的再利用未涉及研究对象的利益损失，符合解放军第180医院医学伦理学标准。

诊断标准： ①有急慢性腰痛病史，有或无下肢放射痛，伴或不伴有间歇性跛行，有相应的体征。②影像学检查明确有腰椎间盘突出、椎管狭窄、椎体不稳及压缩或爆裂性骨折。

纳入标准： ①患者住院期间已行手术治疗。②手术前后均行CT扫描。③术后CT扫描显示所置椎弓根螺钉长度及位置按Andrew椎弓根螺钉位置分级标准全部为Ⅰ级^[2-3]，即椎弓根螺钉未突破椎弓根皮质。

排除标准： ①术后未行CT扫描的病例。②术后CT扫描显示置入椎弓根螺钉长度及位置按Andrew椎弓根螺钉位置分级标准为Ⅱ级(突破皮质且≤2 mm)、Ⅲ级(突破皮质且>2 mm)。

材料：

方法：

螺旋CT扫描：采用Philip16层螺旋CT对已选定的研究对象进行螺旋扫描及断层图像处理。扫描时患者取仰卧位，保持扫描断面与身体长轴垂直。扫描参数如下：扫描获取对脊柱下胸段标本(L₁-L₅)，层厚1.25 mm，球管电压200 Ma/120 kV，每层为512×512象素，每象素点为0.93 mm。

三维重建：行CT扫描获取Dicom格式数据后，导入TOSHIBA笔记本电脑中的Mimics12.0软件中，采用阈值分割技术，提取骨的默认阈值设置(H值最小226，最大2 513)，获得腰椎的原始蒙板，通过区域增长技术，对初始阈值分割蒙板上彼此不相连接的分割区域进一步细分亚组，生成新的蒙板，并进行编辑及适当修改，基于蒙板进行3D模型计算^[8]，同时设置相关三维重建参数来对重建的三维模型进行优化，完成目标椎体的三维重建，清楚直观地再现骨结构的三维形态，见图1。

模拟置钉及相关参数测量：运用Mimics医学计算机辅助设计模块，结合上述3D模型，设计虚拟椎弓根螺钉，按照Weinstein法^[9]置钉，计算机调式螺钉长度、直径、角度。完成虚拟制定后，通过Mimics医学软件的测量工具，对各参数进行测量。

临床置钉：结合前期虚拟实验并按照Weinstein法置钉^[10]，在患者临床手术中适当调整螺钉的长度、直径、水平面植入角度(水平面角度)及矢状面植入角度(矢状面角度)，使螺钉与椎弓根轴线相吻合，以80%的骨-螺钉通道长度为植入深度，直径设计以保证各方向、部位均不穿破椎弓根骨皮质，同时符合最大化利用椎弓根的横径的原则。

主要观察指标：三维重建后模拟侧量及实际置钉后测量该椎弓根螺钉的长度、直径及置钉水平面角和矢状面角度的比较。

统计学分析：采用SPSS 13.0软件进行分析，内固定前后各节段各参数的比较符合配对资料t 检验的要求，数据以x(_)±s表示。P < 0.05为差异有显著性意义。

讨论

椎弓根螺钉优良的三维矫形和固定功能有赖于椎弓根皮质结构的完整，因此，螺钉的植入要求准确贯穿椎弓根轴心线，螺钉的入钉点和在矢状位、水平位的进钉方向是关键，定位不准或进钉方向的偏差均可导致钉道偏离椎弓根中轴或穿出椎弓根。因此，为了尽量避免出现不良置钉，改进椎弓根螺钉的进钉点、进钉方向成为了重要的方法。目前，常用的置钉方法Roy-Cmille法、Weinstein法、Magerl法、Krag法及人字嵴顶点法等^[20-21]。对置钉深度，各种置钉方法的观点也不一致。
椎弓根螺钉完全不同于一般骨螺钉，植入螺钉必须位于三维空间中惟一的一个正确通道上，即按照正确的矢状角和水平面角，沿着椎弓根的长轴穿过椎弓根这一狭小的骨性管道。而通常椎弓根的直径很小，仅刚好能容纳螺钉，因此对椎弓根螺钉植入技术的要求比一般螺钉植入严格得多。计算机导航可提高椎弓根螺钉置入的准确性，解剖学数字化测量为椎弓根螺钉置入的准确性起了非常重要的作用，获取个体化椎弓根螺钉置入相关数据^[22-23] ，可提高螺钉固定的安全度和精确性。
从上胸椎到下胸椎，随着横突在椎体上的位置下移及椎弓根矢状径的增大，椎弓根后缘中点与相应横突根部的关系也发生着规律性变化。椎体钉横行贯穿椎体，而在确定椎体钉长度后，其置钉位置和方向又会是影响固定效果的关键因素。根据Kaneda、饶书城等的操作描述，椎体钉的理想置钉位置应该是^[24] ：螺钉不进入椎管，平行于相应椎体上下软骨终板、脊柱的冠状面，钉尖恰好穿透对侧骨皮质，所以椎体横径的大小决定椎体钉的长度。如果椎体钉过长，可损伤对侧组织器官，椎体钉太短，则达不到对侧的骨皮质，影响矫形力量和内固定效果。
胸椎椎弓根明显小于腰椎，加之胸椎椎管相对狭小，初期制约了椎弓根螺钉技术在胸椎的使用。为提高椎弓根螺钉技术的准确度，国内外学者对进钉点及进钉方向进行较多的研究。随着临床研究的不断深入椎弓根螺钉的进钉点的确定也有多种方法：①Roy-Camille首先提出以胸椎横突中轴线与关节突关节中线交点为进钉点的方法。②Vaccam研究发现T₄-T₉椎弓根中心位于横突上缘而不在横突中轴线上，与 Suk等结果一致^[8] ，提倡采用横突基底上缘为进钉点。③直视下植入法。④Ebraheim通过影像学研究，指出不同节段胸椎其进钉部位也存在一定的差异。⑤Magerl与Roy-Camille的观点相似，提倡以横突中轴线与关节突外缘连线的交点为进钉点。Louis倡导的方法为不同节段采用不同的进钉点，T₃以上在上位胸椎下关节突下3 mm和关节突外缘内 3 mm；T₄-T₁₀位于关节突外缘更内侧一些。还有很多学者，关于如何进钉均各有主张。但上述研究均证明如果在术前对拟置钉椎体椎弓根进行CT扫描并摄胸椎X线侧位片，测量前述相应参数值，将对进钉点及进钉角度的选择大有裨益。
随着三维重建技术在脊柱外科中的应用越来越广泛及深入，其局限性则越来越显现出来，计算机三维导航系统通过行螺旋 CT 检查及图像三维重建，得到胸椎标本的三维图像，通过旋转和切割进行图像处理并测量，模拟出拟置钉椎体的椎弓根形态，根据 CT 测量得到的椎弓根实际投照点进行调整，即横断面上椎弓根轴线与矢状位上椎弓根轴线的交点，在确定进钉点时选择下关节突为参照物，选用合适直径的螺钉进行植钉^[25-30] ，该技术为大家带来了希望，但目前，这一技术尚不完善，价格昂贵，有待于相关专业密切配合，共同研究开发。尽管存在很大的局限性，但其在脊柱外科中的意义是不可取代的，为脊柱外科相关疾病的诊治带来了新的技术，相信会克服那些缺点，在临床应用中有着广阔的、不可估量的发展前景。随着生物医学工程、计算机图像三维重建软件、分子影像、生物芯片等技术的飞速发展，脊柱、脊髓、椎间盘、脊神经等分子水平三维图像定位、重建与显示将会成为可能，从而对脊柱疾患诊断与治疗将产生更深远的影响。