Mimics软件模拟置钉在腰椎关节突重度退变椎弓根螺钉内固定中的应用

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.17.022

摘要/Abstract

摘要：

背景：目前腰椎椎弓根螺钉置入为脊柱外科非常成熟的一项技术，临床上有多种术中确定进钉点、进钉方向的方法。但腰椎关节突重度退变患者由于手术区域骨赘增生严重，顺利准确置钉有一定难度。

目的：观察腰椎关节突关节重度退变患者修复术前应用Mimics软件模拟置钉对椎弓根螺钉置入内固定效果的影响。

方法：将78例需要行腰椎椎弓根螺钉置入单节段内固定且治疗前CT、MR评估为腰椎关节突重度退变的患者纳入研究，随机分为两组，模拟置钉组39例，对照组39例，两组共置入312枚椎弓根螺钉。模拟置钉组术前对需要置钉的椎体使用Mimics软件行3D重建，并在拟置钉椎体模拟椎弓根螺钉，在3D影像上观察椎弓根螺钉进钉点与周围骨性标志的关系并测量进钉的角度和深度，术中参考观察和测量的结果进行椎弓根螺钉置入。对照组采用传统方式置入椎弓根螺钉。治疗后均行X射线、CT检查对椎弓根螺钉置入准确性进行评估。

结果与结论：模拟置钉组置入椎弓根螺钉后均未发生相关并发症，置钉后复查156枚螺钉中153枚位于椎弓根内，置钉正确率显著高于对照组(98.1%，88.5%，χ²=11.49，P < 0.05)。且模拟置钉组手术时间、出血量及患者放射线暴露时间少于对照组，差异均有显著性意义(P < 0.05)。提示需要行腰椎椎弓根螺钉置入内固定的患者中，腰椎关节突关节退变占相当大的比例，而关节突的退变使进钉点解剖标志难以辨别，给螺钉置入带来很大的难度。Mimics软件模拟置钉可辅助腰椎关节突重度退变患者修复术中椎弓根螺钉的正确置入，降低相关并发症，减少手术时间及出血量，减少患者放射线暴露时间。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

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关键词: 植入物, 数字化骨科, 腰椎, 关节突重度退变, Mimics软件, 模拟置钉, 椎弓根螺钉, 内固定, 并发症, 置钉准确性

Abstract:

BACKGROUND: Lumbar pedicle screw placement technique is a very mature technology in spinal surgery. There are many methods for determining the screw entry points and direction in the clinic. However, for patients with severe lumbar facet degeneration, severe osteophytosis can be found in the surgical area. Smooth and accurate screw placement has some difficulties.

OBJECTIVE: To observe the effects of screw placement simulation using Mimics software on pedicle screw fixation before repair of severe lumbar facet joint degeneration.

METHODS: A total of 78 cases of severe lumbar zygapophysial degeneration evaluated by CT and MR, who received single-segment lumbar pedicle screw fixation, were enrolled in this study. They were randomly divided into two groups, including simulation screw group (n=39) and control group (n=39). Totally 312 pedicle screws were implanted in the two groups. In the simulation screw group, Mimics software was used to perform 3D reconstruction before surgery and to simulate vertebral pedicle screw operation. In the 3D images, screw entry points and surrounding bony landmarks of pedicle screw were observed. The angle and depth of screw placement were measured. During the operation, pedicle screw placement was conducted in accordance with above results of observation and measurement. In the control group, pedicle screw was implanted according to the conventional method. After treatment, an X-ray CT examination was performed in the evaluation of the accuracy of pedicle screw placement.

RESULTS AND CONCLUSION: No postoperative complication occurred in the simulation screw group. 153 of 156 screws were located in vertebral pedicle in the postoperative examination. The correct rate of screw placement was significantly higher in the simulation screw group than in the control group (98.1%, 88.5%, χ²=11.49, P < 0.05). The operation time, amount of bleeding and radiation exposure time were significantly shorter in the simulation screw group than in the control group (P < 0.05). These findings indicate that the lumbar facet joint degeneration accounted for a large proportion in patients with lumbar pedicle screw fixation. Facet joint degeneration increases the difficulties on distinguishing anatomical landmarks of insertion point, which brings a great difficulty for screw placement. The simulation of Mimics software in screw placement can improve accuracy in pedicle screw fixation in patients with severe lumbar facet joint degeneration, reduce complications, operation time, amount of bleeding, and radiation exposure time.

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Key words: Lumbar Vertebrae, Bone Nails, Internal Fixators, Postoperative Complications

中图分类号:

R318

步国强，毛仲轩. Mimics软件模拟置钉在腰椎关节突重度退变椎弓根螺钉内固定中的应用[J]. 中国组织工程研究, 2015, 19(17): 2745-2751.

Bu Guo-qiang, Mao Zhong-xuan. Mimics simulation software for screw placement in pedicle screw fixation for treating severe lumbar facet joint degeneration[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2015, 19(17): 2745-2751.

图/表（结果） 4

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引言

随着社会老龄化的发展，腰椎管狭窄症、退变性腰椎滑脱等腰椎退变性疾病日益增多，其中相当一部分需要行融合内固定手术。手术中椎弓根螺钉的正确置入非常重要，关系着手术效果及并发症的出现，错误的置入椎弓根螺钉甚至可能引起不可挽救的后果，严重的影响预后^[1]。腰椎弓根螺钉置入技术作为一项非常成熟的技术，自1959年Boucher^[2]首先将椎弓根螺钉应用于腰椎融合以来，出现了多种置钉方法，如Weinstein法、Roy-Camille法等^[3-4]。这些方法均需要术中置钉区骨性解剖标志相对清晰，同时结合术中的X射线影像才能够确定进钉点。而腰椎退变增生严重，尤其是关节突周围重度增生的患者，其关节突内聚、骨赘形成、解剖结构紊乱^[5]，进钉点周围解剖结构往往在术中不易辨认，给置钉带来难度。为了辨认进钉点，常常需要更充分的显露手术野，从而使得手术时间延长，出血量增加。而且对于增生严重的病例仅凭经验进行徒手置钉，很难做到一次性置钉成功，反复的调整穿刺椎弓根增加了手术时间和术中失血的同时也使得钉道变大变松，影响螺钉的把持力。而多次的透视定位，则增加了患者及手术者的放射暴露时间。有时因置钉困难而采用先打开椎管探查到椎弓根后再直视下置钉的方法，虽然也能够顺利的完成置钉，但这种方法并不符合大多数脊柱外科医生的操作习惯且往往这种方法出血量较多。为提高椎弓根螺钉置入准确性，出现了多种辅助置钉技术。其中术中导航技术在椎弓根螺钉内固定手术中有着较大的优势。但目前术中导航系统仍较昂贵，在国内难以大范围普及，基层医院鲜有配备。

随着医学技术的发展，螺旋CT得到了广泛应用，其扫描后可根据需要利用3D重建软件行多角度、多平面的三维图像的重建，重建图像立体感强、清晰、逼真，可以从任何角度观察手术区域的骨性结构，从而为手术操作提供解剖学依据，也对制定正确的治疗方案或选择手术方法将有重要的参考价值^[6]。Mimics是一套高度整合而且易用的3D图像生成及编辑处理软件^[7]，它能充分利用螺旋CT获得的原始数据，建立3D模型并进行编辑，然后输出通用的计算机辅助设计、有限元分析、快速成型格式，可以在计算机上进行大规模数据的转换处理。

文章通过应用Mimics三维重建软件利用术前常规的螺旋CT扫描数据在计算机上重建病变节段的3D模型图像，并模拟椎弓根螺钉的置入，辅助术中准确的找到椎弓根螺钉的进钉点并确定进钉角度，从而达到缩短手术时间、减少出血量和术中放射暴露，并尽可能避免相关并发症的出现。

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材料方法

设计：随机对照试验。

时间及地点：于2013年10月至2014年10月在菏泽市立医院脊柱外科完成。

对象：

纳入标准：①腰椎管狭窄症或退变性腰椎滑脱症。②符合腰椎管减压融合内固定指征。③按照Fujiwara等^[8]标准关节突关节退变严重程度为3级。④实验室检查、心电图、胸片等辅助检查结果正常，能耐受手术。⑤患者对治疗及试验方案知情同意，且得到医院伦理委员会批准。

排除标准：①为便于对照研究，将需多节段固定的患者予以排除。②合并严重的骨质疏松。③存在有严重的全身性疾病或其他的手术禁忌证者。

按以上标准选择菏泽市立医院2013年10月至2014年10月收治的腰椎退变性疾病患者共78例纳入本研究，按随机数字表法分为2组。

模拟置钉组39例，其中腰椎管狭窄症24例，退变性腰椎滑脱15例；病变节段：L₃_-₄3例、L₄_-₅ 21例、L₅-S₁ 15例；男23例，女16例；年龄(65.4±10.3)岁。对照组39例，其中腰椎管狭窄症21例，退变性腰椎滑脱18例；病变节段：L₃_-₄ 2例、L₄_-₅ 20例、L₅-S₁ 17例；男26例，女13例；年龄(67.5±8.6)岁。本研究所有患者手术均由同一手术团队完成。

材料：椎弓根钉棒系统为常州华森医疗器械有限公司产品，均为钛合金材质，具有良好的组织相容性。

方法：

腰椎3D数字模型的建立及椎弓根螺钉模拟置入：所有患者修复术前均应用GE公司的64排螺旋CT行腰椎CT扫描。其中模拟置钉组术前进行腰椎3D数字模型的建立并在数字模型上模拟置入椎弓根螺钉。具体方法如下：从医院PACS系统上将CT数据以DICOM格式保存到电脑磁盘上，将DICOM格式的源文件导入Mimics 16.0软件；通过设定骨窗阈值(CT：2 261 385)进行阈值分割锁定骨骼为重建目标，重建腰椎的3D数字模型；应用软件提供的切割工具剔除肋骨、无关节段椎体及伪影，仅保留手术节段2个椎体及上下相邻结构；运用Mimics软件中的MedCAD模块，在腰椎3D数字模型上设计绘制圆柱体进行模拟椎弓根螺钉，调整螺钉的长度(可适当延长圆柱体穿破椎体前方，便于观察螺钉方位)、直径(略小于椎弓根直径)、水平面置入角度及矢状面置入角度，并在矢状位、冠状位及水平位窗口进行微调使模拟置入的螺钉与椎弓根轴线吻合位于最佳位置。同样的办法在数字化模型上模拟其他椎弓根螺钉的置入。

对建立的椎体数字模型及模拟置入的椎弓根螺钉进行观察和测量：首先激活软件的“measurement 工具栏”，选择长度测量工具测量螺钉的直径；选择长度测量工具测量螺钉通道的长度(通常术中所选的椎弓根螺钉长度为螺钉通道长度减去5 mm)；选择角度测量工具测量螺钉的水平面置入角度、矢状面置入角度。然后为便于更精确的观察椎弓根螺钉进钉点的位置，使用MedCAD模块在模拟螺钉进定点处绘制一圆点，并将模拟的螺钉隐藏，以免模拟的螺钉遮挡进钉点处的解剖结构。观察精确的进钉点与周围结构的关系，尤其是与横突上下缘、峡部嵴等不易受退变影响解剖位置较恒定结构的关系，以及进钉点与小关节间隙以及周围有一定特征性的骨赘之间的关系，从而较直观的构建出进钉点的“定位图”。为便于术中置钉时参考以上观察、测量的结果，可以使用软件的“File”菜单中的“Save/Print Screenshot”将最佳视角保存为图片，并进行打印。模拟置钉过程见图1。

修复方法：所有患者均采用俯卧位，腹部悬空。常规消毒，铺无菌巾，以手术节段为中心作后正中切口剥离椎旁肌显露相应节段的椎板、关节突及横突根部。模拟置钉组在显露充分后，观察术中拟置钉区域的“地形地貌”，对照术前模拟置钉进钉点位置，尤其是要注意横突上下缘、峡部嵴等不易受退变影响解剖位置较恒定的结构，这些结构能够常常可作为进钉点定位的参照物，从而确定进钉点。进钉点确定后，按照术前模拟置钉的每枚螺钉的水平面置入角度和矢状面置入角度及进钉深度，置入椎弓根螺钉，C型臂透视评估椎弓根螺钉的位置和深度。对照组采用传统的人字嵴顶点定位法结合Weinstein等定位法确定进钉点^[3^，^9]，对于因退变使得辨认进钉点非常困难的，则先行椎管减压，打开椎管探查到椎弓根后直视下定位进钉点。定位椎弓根进钉点后，按传统椎弓根置入方式在C型臂透视辅助下置入椎弓根螺钉。模拟置钉组和对照组在置入椎弓根螺钉后均根据需要行椎间盘切除、椎管减压、椎间植骨，连接内固定装置，必要时行撑开、提拉复位等操作。冲洗伤口并清点器械后逐层关闭切口，切口内常规放置引流管1根。并记录手术时间、术中出血量和放射线暴露时间。

治疗后处理：治疗后检测患者生命体征，给予抗生素预防感染，应用脱水、营养神经药物。引流管于24-48 h后拔除。拔除引流管后如无明显腰痛时开始直腿抬高训练。治疗后1周在硬质腰围保护下进行床旁康复锻炼。治疗后患者均摄腰椎正侧位、腰椎CT平扫进一步评估椎弓根螺钉的位置、植骨和椎管减压情况。

主要观察指标：所有患者治疗后复查腰椎正侧位及腰椎CT平扫，结合X射线片、CT评估椎弓根螺钉置入准确性。

根据Youkilis等^[10]的椎弓根螺钉位置分级标准评估椎弓根螺钉置入准确性：椎弓螺钉完全在椎弓根内为0级；椎弓螺钉涉及椎弓皮质为Ⅰ级；突破皮质，小于2 mm为Ⅱ级；大于2 mm为Ⅲ级(见图2)。

统计学分析：采用SPSS 12.0软件进行统计学处理，计量资料采用x(_)±s表示，均数比较采用t 检验，计数资料率的比较采用χ²检验。P < 0.05认为差异有显著性意义。

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讨论

自1959年Boucher^[2]首先将椎弓根螺钉应用于腰椎融合以来，因其具有优越的生物力学特性而被广泛的应用于脊柱外科内固定手术中。准确的置入椎弓根螺钉对于手术的成功至关重要。传统的椎弓根螺钉置入方法可归结为3大类：①横突关节突定位法，如Weinstein法、Roy-Camille法、Magerl法等^[3-4^，^11]。②人字嵴顶点定位法^[9^，^12]。③棘突定位法^[13-14]。这些方法均需要术中置钉区骨性解剖标志相对清晰，同时结合术中的X射线影像才能够确定进钉点。但是对于腰椎退变的患者，常常表现为关节突周围骨赘增生严重^[15-16]，其进钉点周围解剖结构往往在术中不易辨认，给置钉带来难度。由于椎体、椎弓根周围毗邻许多重要结构，错误的置钉，有可能导致神经根、硬膜囊甚至椎体前方大血管的损伤^[17-18]，引发严重的并发症。而且螺钉位置不当使得复位固定作用减弱，影响内固定的力学特性^[19]。

另一方面解剖结构不清的情况下为了辨认进钉点，常常需要更多的显露手术野，从而使得手术时间延长，出血量增加。而且对于增生严重的病例仅凭经验进行徒手置钉，很难做到一次性置钉成功，反复的定位拧钉增加了手术时间和术中失血的同时也使得钉道变大变松，影响螺钉的把持力。而多次的透视定位，则增加了患者的放射暴露时间。有时因置钉困难而采用先行减压打开椎管探查到椎弓根后再直视下置钉的方法，虽然也能够顺利的完成置钉，但一方面这种方法并不符合大多数脊柱外科医生的操作习惯，另一方面据作者观察先减压后置钉往往出血量较多，本研究对照组几例出血量超过400 mL的病例均为这种情况。

为了更准确的完成椎弓根螺钉置入，出现了多种辅助置钉技术。其中计算机导航技术自20世纪90年代就开始应用于椎弓根螺钉的辅助置入，并随着该技术的发展完善，定位精确性越来越高，能够明显提高手术安全性并能够显著地减少术中术者的X射线辐射量，受到越来越多脊柱外科医生的认可^[20-21]。田伟等^[22]的一项研究表明，无影像学辅助下置钉优良率仅为62.5%，X射线透视辅助下置钉优良率为82.1%，而CT三维导航或Iso-C术中三维导航的置钉优良率可达100%，导航技术在椎弓根螺钉内固定手术中的优势是显而易见的。但目前术中导航系统仍较昂贵，在国内难以大范围普及，基层医院鲜有配备。而且，患者的CT资料均为术前获取，如术中体位和CT检查时体位相差较大，则重建的三维图像不能反映术中真实的三维关系，这时根据导航指示置钉则有误导手术的可能^[22]。另外，术中导航系统对患者有较大的射线损伤且其操作较繁琐，初期使用需要接受严格的操作流程和系统的训练，这点也限制了导航系统的普及^[23]。

随着数字化医疗技术的发展，利用螺旋CT数据通过3D重建软件行多角度、多平面的三维图像的重建，重建图像立体感强、清晰、逼真，可以从任何角度观察手术区域的骨性结构，从而为手术操作提供解剖学依据，也对制定正确的治疗方案或选择手术方法将有重要的参考价值^[24-26]。Mimics是一套高度整合而且易用的3D图像生成及编辑处理软件^[7]，它能充分利用螺旋CT获得的原始数据，建立3D模型并进行编辑，然后输出通用的计算机辅助设计、有限元分析、快速成型格式，可以在计算机上进行大规模数据的转换处理。

严斌等^[27]利用Mimics三维重建软件并结合3D打印技术制作椎弓根螺钉置入的3D导航模板，经过在打印腰椎标本上进行模拟置钉试验，初步验证了这种方法的可行性。但考虑到术中周围软组织对导航模板的放置有一定的影响，其可行性还需临床来验证^[28]。杨波等^[29]利用Mimics软件在术前对腰椎行三维重建，设计最佳钉道并模拟置钉，预测椎弓根螺钉长、直径、水平面角及矢状面角度与通过术中导航系统等方式置钉后实际数据的差异无显著性意义(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^[30]。

本研究通过应用Mimics三维重建软件术前在计算机上重建病变节段的3D模型图像，并模拟椎弓根螺钉的置入，在3D影像上观察椎弓根螺钉进钉点与周围骨性标志的关系并测量进钉的角度和深度，术中参考观察和测量的结果进行椎弓根螺钉置入。通过对比研究，模拟置钉组通过术前的模拟操作，对置钉区的解剖结构有着直观的认识，能够指导术中顺利的找到准确的进钉点，并根据术前测量的螺钉的长度、直径及置钉角度完成置钉，避免了过多的术野显露、过多的透视、反复的定位穿刺，从而明显的减少了手术时间、术中出血及放射线暴露时间。在置钉准确率方面，明显优于采用传统置钉方法的对照组。术前模拟置钉技术不需要增加特殊的设备，仅需要利用术前常规的螺旋CT扫描数据进行计算机辅助设计，不因此增加患者的经济负担，在基层医院有一定的应用前景。

另外，术前应用Mimics软件建立的数字化模型及模拟置钉的图像除用于术中辅助置钉外，还可以用于术前医患沟通。可以使患者更形象的了解手术的大体过程、置钉的方式、减压固定的节段、植骨的位置及每一步可能出现的风险及并发症等相关事宜^[31-37]。这样的术前沟通便于患者及其家属理解，使其切实做到知情同意^[7^，^31]。

术前模拟置钉技术也存在着一定的缺陷：术中显露骨性解剖标志需要充分的剔除关节突周围软组织，对非融合节段关节突下半的关节囊有时会有一定的破坏；虽然在确定进钉点、螺钉水平面置入角度有很大的优势，但确定矢状面置入角度时受体位变化影响较大；不能实时的监测术中置钉情况，仅作为传统椎弓根螺钉置入技术的一个辅助手段。

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