基于数字技术的国人下腰椎椎弓根螺钉置钉角度特征

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.35.027

中国组织工程研究 ›› 2015, Vol. 19 ›› Issue (35): 5723-5727.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2015.35.027

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基于数字技术的国人下腰椎椎弓根螺钉置钉角度特征

王海洲，李宏伟，王爽，纪楠，王帅

解放军第202医院骨科，辽宁省沈阳市 110003

收稿日期:2015-08-01 出版日期:2015-08-27 发布日期:2015-08-27
通讯作者: 李宏伟，主任医师，硕士生导师，解放军第202医院，辽宁省沈阳市 110003
作者简介:王海洲，男，1965年生，甘肃省兰州市人，汉族，1987年解放军第四军医大学毕业，副主任医师，主要从事脊柱退行性疾病研究。并列第一作者：王爽，男，1979年生，辽宁省海城市人，汉族，2012年中国医科大学毕业，硕士，主治医师，主要从事脊柱外科及数字骨科研究。
基金资助:
解放军第202医院课题项目(2013K14)

Characteristics of lower lumbar pedicle screw angle in Chinese population using digital technology

Wang Hai-zhou, Li Hong-wei, Wang Shuang, Ji Nan, Wang Shuai

Department of Orthopedics, People’s Liberation Army No. 202 Hospital, Shenyang 110003, Liaoning Province, China

Received:2015-08-01 Online:2015-08-27 Published:2015-08-27
Contact: Li Hong-wei, Chief physician, Master’s supervisor, Department of Orthopedics, People’s Liberation Army No. 202 Hospital, Shenyang 110003, Liaoning Province, China
About author:Wang Hai-zhou, Associate chief physician, Department of Orthopedics, People’s Liberation Army No. 202 Hospital, Shenyang 110003, Liaoning Province, China Wang Shuang, Master, Attending physician, Department of Orthopedics, People’s Liberation Army No. 202 Hospital, Shenyang 110003, Liaoning Province, China Wang Hai-zhou and Wang Shuang contributed equally to this article.
Supported by:
the People’s Liberation Army No. 202 Hospital Project, No. 2013K14

摘要/Abstract

摘要：

背景：椎弓根螺钉内固定是目前脊柱手术的主流术式，置钉安全性的关键是使螺钉通过椎弓根中心，置钉角度是决定修复质量的关键因素，以往文献中确定置钉角度多以患者躯体作为参照物，容易被体位等因素干扰。
目的：应用数字技术以椎体局部解剖标志为参照物对下腰椎椎弓根螺钉置钉角度进行测量。
方法：选取100例患者的3D-CT资料，将第4，5腰椎进行三维重建后利用数字技术进行模拟手术，实现最佳位置置钉。完成模拟置钉操作以后，对椎弓根螺钉的角度进行测量，以螺钉中线与棘突中线所在平面的夹角作为冠状位角度，以螺钉中线与椎体上表面所在平面的夹角作为矢状位角度。
结果与结论：测量结果表明，各角度均较以往文献中所介绍的角度大，考虑为选取参照标志不同所致。各角度值的标准差也较大，说明椎弓根解剖差异较大，因此应注重个体化置钉。这种以单个椎体的解剖标志作为定位参考的方法可以最大程度避免体位的干扰，与术前三维重建等数字技术相结合，更符合个体化置钉的要求，能有效提高置钉的准确性。

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

关键词: 植入物, 脊柱植入物, 骨螺钉, 脊柱, 腰椎, 三维成像, 内固定器械

Abstract:

BACKGROUND: Pedicle screw fixation is the mainstream type of spine operation currently. The key point of the fixation is to make the screw pass through the center of pedicle. The angle of pedicle screw implantation is a key factor for repair quality. In previous literatures, angle of pedicle screw is determined according to the patient body, and is easily disturbed by factors such as position of the body.
OBJECTIVE: To determine the inserting angle of pedicle screw of lower lumbar spine taking local anatomic landmark as a reference using digital technology.
METHODS: 3D-CT data of 100 patients were selected. The fourth and fifth lumbar vertebrae received three-dimensional reconstruction, and the operation was simulated using digital technology to achieve optimal placement. After simulation, the angle of pedicle screw was measured. The angle of the planes of the midline of the screw and the midline of the spine served as coronal angle. The angle of the planes of the midline of the screw and the upper surface of the vertebral body served as sagittal angle.
RESULTS AND CONCLUSION: Measure results suggest that each angle was bigger than the angle in previous studies, which might be induced by different reference markers. Standard deviation of each angle was also big. These findings verify that the anatomical differences of pedicles were apparent. Thus, we should insert the
pedicle screws individually. Method of locating reference using anatomic landmarks of a single vertebral body can maximize to avoid interference posture. The combination with preoperative three-dimensional reconstruction is more in line with the requirements of pedicle screw, and can effectively improve the accuracy of pedicle screws.

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

Key words: Spine, Lumbar Vertebrae, Bone Nails, Imaging, Three-Dimensional, Internal Fixators

中图分类号:

R318

王海洲，李宏伟，王爽，纪楠，王帅. 基于数字技术的国人下腰椎椎弓根螺钉置钉角度特征[J]. 中国组织工程研究, 2015, 19(35): 5723-5727.

Wang Hai-zhou, Li Hong-wei, Wang Shuang, Ji Nan, Wang Shuai. Characteristics of lower lumbar pedicle screw angle in Chinese population using digital technology[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2015, 19(35): 5723-5727.

图/表（结果） 1

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引言

材料方法

1.1 设计 回顾性数字骨科学测量试验。
1.2 时间及地点 于2014年8至11月在解放军第202医院数字工作平台进行研究。
1.3 对象 在解放军第202医院放射线数据库中随机选取100例患者的腰椎3D-CT资料进行研究。
纳入标准：患者年龄18-85岁，第4，5腰椎无外伤、肿瘤、严重骨质增生等可能影响测量的解剖学因素存在。
排除标准：患者年龄小于18岁或大于85岁，经影像学检查证实第4，5腰椎存在外伤、肿瘤、严重骨质增生等情况，以及影像学资料不完整或清晰度不理想。
1.4 方法 将患者的3D-CT资料以DICOM格式输入三维重建软件MIMICS，首先进行三维重建，经图像处理，去除多余部分，仅保留第4，5腰椎作为研究对象，对其进行细化、降噪等处理以提高研究准确性。然后将预先绘制的椎弓根螺钉导入软件，对研究对象进行模拟手术置入椎弓根螺钉，通过旋转、移动等操作调整螺钉的位置，同时对骨模型进行透明化操作以便于观察。使螺钉的中线与腰椎椎弓根的中线重合，达到置钉位置的最佳效果(图1)。
完成以上模拟置钉操作以后，对椎弓根螺钉的角度进行测量，以螺钉中线与棘突中线所在平面的夹角作为冠状位角度，以螺钉中线与椎体上表面所在平面的夹角作为矢状位角度(图2)。
技术信息：研究中所选用的3D-CT数据均来自本院放射线科；所应用数字平台具体配置如下：CPU i5 M430，内存4 GB，显卡NVIDIA GeForce310M；软件：医学三维重建软件(MIMICS 14.1，Materalise，Belqium)。
主要观察指标：测量椎弓根螺钉冠状位角度及矢状位角度，计算平均角度，观察最大值、最小值的分布情况并进行分析。
1.5 统计学分析 所有测量数据的记录和处理均在SPSS软件中完成。

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

讨论

3.1 椎弓根螺钉的优势 自20世纪80年代以来，以椎弓根螺钉为基础的钉棒系统内固定逐渐成为脊柱内固定手术的主流术式^[6]，几十年来的实践证明，这一固定系统能够提供足够的固定强度，具有理想的生物力学性能，术后近期能提供足够的及时稳定性，远期植骨融合率高，可以满足各类脊柱手术的需要。正是因为这些优势，使椎弓根钉为基础的钉棒系统被广泛应用于脊柱外伤、肿瘤、退变、畸形等多种疾病的治疗^[7-11]，目前仍是脊柱外科的标准和主流术式。为了提高手术的准确性、安全性，脊柱外科医师进行了不懈的努力，但至少到目前为止，尚未出现能够替代椎弓根螺钉的理想内固定物，以椎弓根螺钉为基础的钉棒系统还将在脊柱外科的临床实践中发挥重要作用。另外，为了减少钉棒系统刚性固定所伴随的临近节段退变、干扰脊柱正常生物力学作用等不利之处，已有半刚性系统等相应改进，但这些改进的着眼点多以钉-棒连接界面、固定棒材质的弹性处理为主，其基本技术仍不能脱离椎弓根螺钉。因此，至少在目前，椎弓根螺钉的准确置入仍是外科手术技术的重要部分，也是脊柱外科医师必须掌握的手术技能。

3.2 椎弓根螺钉相关并发症和提高置钉质量的关键因素虽然椎弓根螺钉具有难以取代的生物力学性能，在脊柱外科发挥着重要的作用，但椎弓根螺钉内固定手术也存在一定的风险，可能出现术中、术后并发症，包括重要结构如硬膜囊、神经根的损伤^[12-13]，甚至椎体前大血管损伤，或因螺钉破出椎弓根骨壁使其生物力学强度降低而影响修复效果^[14-15]。

另外，如果置钉位置不理想，也难以发挥椎弓根螺钉的性能，可能显著降低其生物力学强度，术后远期发生断钉、断棒的风险将明显增加。如患者合并骨质疏松等情况，即使钉棒系统足够坚强，也可能因位置不理想而由骨薄弱处发生切割，导致钉棒系统移位，而对神经根、硬膜囊造成激惹，甚至损伤。一旦出现此种情况，将可能使手术失败，不得不进行翻修手术^[16]，给患者造成极大痛苦。

对这些并发症进行的分析表明，绝大多数并发症的发生均与螺钉误置直接相关，因此，如何有效提高螺钉置入的准确性和安全性成为脊柱外科医师不断改进和追求的目标。

为了实现准确置钉，以提高置钉的安全性、降低并发症的发生率，应重视患者个体化解剖特点，在术前规划阶段充分认识和发现可能存在的解剖变异，根据每例患者的自身特点设计置钉角度和进钉点；在置钉进行过程中重视局部解剖结构形态，注重置钉时的手感，注意缓慢、细致置钉，及时发现异常突破感、阻碍感等异常，必要时立即停止操作，排查可能存在的问题。手术操作中数字化导航技术的应用在一定程度上有助于提高置钉的准确性和安全性^[17-19]，但此技术受限于多个方面，如设备要求高，多数单位目前尚不具备配备相关硬件、软件的条件；导航技术本身尚处于发展、完善阶段[20]，存在影像学误差、置钉点漂移、设备误差等情况^[21-22]，且导航操作所需手术步骤繁琐，可能导致手术时间延长、失血量增多、增加手术风险，进而影响患者的恢复。另外，导航技术中患者和操作的医护人员都要承受一定剂量的射线辐射^[23]，也是应该考虑的问题。

综合以上考虑，作者认为，至少在现阶段，C型臂等术中透视工具辅助下的徒手置钉技术仍是椎弓根螺钉操作技术的主流和标准，脊柱外科医师应在术前结合影像资料制定精确的置钉方案，术中以影像设备为辅助工具，并重视操作手感，结合患者局部解剖学特点完成置钉^[24]。
3.3 椎弓根解剖结构特点及现有定位技术的缺陷 解剖学研究表明，椎弓根的解剖结构复杂多变，受人种、年龄、
性别等因素的影像较大，且个体差异显著[25-27]。另外，多数脊柱疾病的发生往往存在解剖学基础，也就是说，很多需要进行脊柱手术的患者，其病变基础就是脊柱的解剖变异，此时，其椎弓根结构往往有别于常人。如脊柱骨折患者，椎体压缩骨折后发生塌陷，置钉角度必然发生变化，尤其是矢状位角度受影响极大，部分患者甚至骨折累及椎弓根等椎体附件，使原本可容纳螺钉的置钉通道失稳，不能进行常规置钉；脊柱肿瘤的患者，椎弓根往往受累，不能提供稳定螺钉的正常骨质条件；脊柱畸形、退变的患者，可能存在侧弯、旋转等多种解剖变异，使置钉通道发生变异，另外，以上各种创伤和疾病的患者，如后部结构受累，将导致进钉点定位困难，影响置钉质量。

现有的多数椎弓根置钉技术中，在确定进钉点以后，对于进钉角度的描述往往以患者躯体的整体位置作为参考确定其在矢状面和冠状面的角度。教科书及文献中的描述也多以标准矢状位或水平位做为参考，这种定位方式受患者体位的影响极大，手术体位置放的轻度偏差即可能导致置钉角度的严重偏斜，而且这种参考方法也不能满足对侧弯、旋转畸形患者置钉时的实际情况。因此，作者认为，这种角度确定方法仅应作为手术操作时的参考，而不能刻板地执行，与之相比，切开显露后的局部解剖标志对于置钉操作的实际意义更大。

3.4 以局部解剖标志作为置钉参考的意义 基于以上原因，作者认为，在进行椎弓根螺钉内固定时，应以目标椎体的局部解剖标志作为参考，因此标志与所要置钉的椎弓根位于同一椎体，其解剖关系较为恒定，受体位等因素的干扰较小，容易获得准确的置钉角度。为此，作者选择棘突中线所在平面作为矢状面，以确定椎弓根螺钉外展角度；以椎体上下缘的平行面作为冠状面，以确定螺钉矢状面的倾斜角度。这种以单个椎体的解剖标志作为定位参考的方法可以最大程度避免体位的干扰，与术前三维重建等数字技术相结合，更符合个体化置钉的要求，能有效提高置钉的准确性，确保手术安全。

3.5 数字化技术应用于椎弓根螺钉手术设计的意义 近年来，随着以三维重建为代表的数字技术不断进展，脊柱外科医师在术前已可以方便地利用3D-CT资料重建手术椎体，以进行精确测量、置钉方案设计，甚至进行模拟手术或术前订制个体化导板^[25，28-32]。以往，脊柱外科医师仅能借助二维资料进行术前规划^[33]，置钉角度的确定难以确保精确，3D-CT资料可以在一定程度上弥补以上不足，但3D-CT资料的处理由放射线科完成，不能准确提供术者所需的层面、角度等资料，如临床医师参与3D-CT资料的重建操作，则明显提高医师和放射线医师的工作量，在多数单位难以实现。

随着数字技术的不断发展和完善，数字骨科的概念已日趋成熟^[34-36]，尤其是MIMICS等三维重建软件的出现、发展和成熟，使脊柱外科医师在术前规划时完全可以在个人电脑或科室数字化工作平台上完成所需操作。以3D-CT资料为基础的三维重建能提供所需的详细解剖学资料，在数字工作台上可以实现各种角度的观察、剖析，可以引入三维软件绘制的椎弓根螺钉进行模拟手术^[37-39]，观察各种置钉方案的实际情况，甚至对模型进行透明化操作以观察螺钉是否局部破出骨壁。利用这一技术，可以进行充分和精确的术前设计，最大限度地实现理想位置置钉，提高手术安全性。另外，掌握此种数字化技术也可进行术前三维打印，在实体资料上进行模拟手术^[40]，同时为以为今后的有限元分析等更深入的研究奠定基础。

3.6 本研究的结论和意义 根据本研究所得到的椎弓根螺钉理想置钉后的冠状位、矢状位角度均较一般文献中所介绍的角度大，作者认为形成这种差异的原因是参考标志不同，以往的方法多是以患者躯体为参考平面确定进钉角度，如前所述，容易受患者体位等多种因素干扰，而本文所利用的是局部解剖标志，在术中易于辨认，受其他因素干扰小。

从较大的标准差、差异极大的角度最大最小值来看，作者认为椎弓根解剖结构的个体差异极大，因此，脊柱外科医师应注意在术前详细阅读患者的影像学资料，以确定个体化置钉方案，另外，术中因注意以椎体的局部解剖标志为主要参照物进行置钉。

3.7 本研究的局限和不足 首先，本研究的样本数量为100例，距大样本解剖学研究的要求尚有差距；其次，本研究仅对第4，5腰椎的椎弓根螺钉角度进行了研究，对于其他椎体的置钉角度未进行测量；最后，棘突中线所在平面、椎体上下缘的确定在实际手术操作中需术者进行人为观察测定，存在产生误差的可能性。以上不足还需在下阶段更大样本的研究中不断完善。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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