剪纸拼接与PS软件设计截骨矫正强直性脊柱炎后凸畸形的对比

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2017.07.014

中国组织工程研究 ›› 2017, Vol. 21 ›› Issue (7): 1057-1063.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2017.07.014

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剪纸拼接与PS软件设计截骨矫正强直性脊柱炎后凸畸形的对比

王飞¹，刘志斌¹，陶惠人²，张建华¹，李长红¹，曹强³，郑军⁴，刘延雄¹，屈晓鹏¹

延安大学附属医院，¹脊柱外科，³胸外科，⁴麻醉科，陕西省延安市 716000；²西安交通大学第一附属医院骨科，陕西省西安市 710000

修回日期:2017-01-21 出版日期:2017-03-08 发布日期:2017-04-11
作者简介:王飞，男，1980年生，陕西省延安市人，汉族，徐州医学院毕业，硕士，副主任医师，主要从事脊柱外科、数字骨科方面的研究。
基金资助:
陕西省科技攻关项目(2015SF-115)

Clinical efficacy of preoperative osteotomy designs using paper-cut technology versus photoshop software for ankylosing spondylitis with kyphosis

Wang Fei¹, Liu Zhi-bin¹, Tao Hui-ren², Zhang Jian-hua¹, Li Chang-hong¹, Cao Qiang³, Zheng Jun⁴, Liu Yan-xiong¹, Qu Xiao-peng¹

¹Department of Spinal Surgery, ³Department of Thoracic Surgery, ⁴Department of Anesthesia, Yan’an University Affiliated Hospital, Yan’an 716000, Shaanxi Province, China; ²Department of Orthopedics, the First Affiliated Hospital of Xi’an Jiao Tong University, Xi’an 710000, Shaanxi Province, China

Revised:2017-01-21 Online:2017-03-08 Published:2017-04-11
About author:Wang Fei, Master, Associate chief physician, Department of Spinal Surgery, Yan’an University Affiliated Hospital, Yan’an 716000, Shaanxi Province, China
Supported by:
the Key Technologies Research & Development Program of Shaanxi Province, No. 2015SF-115

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

胸腰椎后凸畸形：是强直性脊柱炎晚期的一个严重并发症，而截骨手术矫形是治疗该畸形的主要手段，目前报道过的术前截骨设计方法多种多样，这些方法均有一定程度偏差及条件限制，不能被广泛认可和应用。

PS软件设计截骨矫正胸腰椎后凸畸形：作者自主设计了一种应用Photoshop软件进行术前截骨角度精确计算和截骨模拟的方法，可以精确的恢复脊柱矢状面平衡以及水平视角，有效避免矫正过度或者矫正不足，获得了优良的临床效果。

摘要

背景：强直性脊柱炎胸腰椎后凸畸形的术前截骨设计方法多种多样，但是均有一定误差和局限性，尚无一种便捷、精确、能被广泛接受的方法。

目的：比较剪纸拼接和Photoshop(PS)软件两种术前截骨设计对强直性脊柱炎后凸畸形的矫形效果。

方法：纳入2009年6月至2015年1月于延安大学附属医院脊柱外科行截骨矫形的39例强直性脊柱炎合并胸腰椎后凸畸形患者，随机分为2组，剪纸拼接组19例采用传统剪纸拼接术前截骨设计，PS组20例采用PS软件行术前截骨设计。所有病例随访12-40个月，对比两组患者术后截骨角度误差和末次随访的矫形效果。

结果与结论：①PS组的截骨角度误差显著小于剪纸拼接组(P < 0.05)；②2组末次随访时脊柱骨盆关键矢状位参数(矢状位垂直轴、全脊柱后凸角、骨盆倾斜角)差异均有显著性意义(P < 0.05)，PS组显著优于剪纸拼接组；③PS组末次随访的Oswestry功能障碍指数和SRS-22评分显著优于剪纸拼接组，差异有显著性意义(P < 0.05) ，但末次随访时2组目测类比评分差异无显著性意义(P > 0.05)；④综上，对比传统剪纸拼接截骨设计，PS软件截骨设计具有更小的截骨角度误差和更好的术后脊柱矢状面平衡，能够指导手术医师精准的完成截骨手术，更精确的恢复脊柱矢状面平衡以及水平视角，有效避免矫正过度或者矫正不足。

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
ORCID: 0000-0002-8593-507X(王飞)

关键词: 骨科植入物, 脊柱植入物, 强直性脊柱炎, 胸腰椎后凸畸形, 矫形, Photoshop 软件, 术前截骨设计, 剪纸拼接

Abstract:

BACKGROUND: There are various kinds of design methods about preoperative osteotomy of ankylosing spondylitis with kyphosis, but each has their own errors and limitations. A convenient, precise and available method needs to be developed.

OBJECTIVE: To compare the clinical efficacy of two different preoperative osteotomy designs using paper-cut and photoshop software for ankylosing spondylitis with kyphosis.

METHODS: Thirty-nine patients suffering ankylosing spondylitis with kyphosis undergoing osteotomy in the Department of Spinal Surgery, Affiliated Hospital of Yan’an University between June 2009 and January 2015 were enrolled, and randomly allotted to paper-cut (n=19) and photoshop (n=20) groups, followed by the preoperative osteotomy design, respectively. All patients were followed for 12-40 months to compare the postoperative osteotomy angle error and correction efficacy at the last follow-up between groups.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) The postoperative osteotomy angle error in the photoshop group was significantly smaller than that in the paper-cut group (P < 0.05). (2) At the last follow-up, the key parameters of sagittal spine and pelvis (sagittal vertical axis, Cobb angle and pelvic tilt) showed significant differences between groups (P < 0.05). (3) The Oswestry disability index and Scoliosis Research Society-22 questionnaire scores in the photoshop group were significantly superior to those in the paper-cut group at the last follow-up (P < 0.05), while the visual analog scale scores did not differ significantly between groups (P > 0.05). (4) To conclude, compared with the osteotomy design using traditional paper-cut splice, the photoshop software can achieve a smaller osteotomy angle error and better postoperative balance of spinal sagittal plane, thus providing precise osteotomy for surgeons to obtain proper correction.

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: Spondylitis, Ankylosing, Kyphosis, Osteotomy, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

王飞，刘志斌，陶惠人，张建华，李长红，曹强，郑军，刘延雄，屈晓鹏. 剪纸拼接与PS软件设计截骨矫正强直性脊柱炎后凸畸形的对比[J]. 中国组织工程研究, 2017, 21(7): 1057-1063.

Wang Fei, Liu Zhi-bin, Tao Hui-ren, Zhang Jian-hua, Li Chang-hong, Cao Qiang, Zheng Jun, Liu Yan-xiong, Qu Xiao-peng. Clinical efficacy of preoperative osteotomy designs using paper-cut technology versus photoshop software for ankylosing spondylitis with kyphosis[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2017, 21(7): 1057-1063.

图/表（结果） 3

2.1 参与者数量分析 纳入41例强直性脊柱炎合并后凸畸形患者，其中1例失去随访，1例患者死于其他疾病，其余39例随机分组，剪纸拼接组19例，PS组20例。2组分组流程图见图3。

2.2 一般资料 PS组20例患者中，均为单个椎体截骨(L₃ 12例，L₄ 4例，L₂ 4例)；14例截骨角度选择为PS软件模拟计算的截骨角度，6例截骨角度根据患者的颌眉角度及个人生活习惯进行了修正。剪纸拼接组19例患者中均为单个椎体截骨(L₁2例，L₂5例，L₃9例，L₄3例)，截骨角度由拓印的纸片进行裁剪拼接和术者经验结合所确定。

将2组中的年龄、性别及代表术前脊柱后凸畸形程度的矢状位垂直轴与全脊柱后凸角度参数进行统计学对比(表1)，结果表明2组以上指标差异均无显著性意义(P > 0.05)，确定2组数据术后结果有可对比性。

2.3 影像学测量及临床功能评分结果 如表1所示，2组术前的脊柱骨盆的关键矢状面参数(矢状位垂直轴、全脊柱后凸角、骨盆倾斜角)以及颌眉角与术后1周、末次随访时对比，差异均有显著性意义(P < 0.01)，而术后1周和末次随访相比差异无显著性意义(P > 0.05)，表明2组患者均获得了一定的矫形效果。对比2组末次随访时脊柱骨盆关键矢状位参数(矢状位垂直轴、全脊柱后凸角、骨盆倾斜角)差异均有显著性意义(P < 0.05)，表明PS组术后的矢状位垂直轴、全脊柱后凸角以及骨盆倾斜角值更接近理想脊柱骨盆矢状面参数(骨盆倾斜角<20°、矢状位垂直轴<5 cm)^[26]。

2组术前的目测类比评分、ODI以及SRS-22量表总分与术后1周、末次随访时对比，差异均有显著性意义(P < 0.01)，而术后1周和末次随访相比差异无显著性意义(P > 0.05)，表明2组患者术后功能均有明显改善；而PS组末次随访的ODI 和SRS-22评分要显著优于剪纸拼接组，差异有显著性意义(P < 0.05) ，末次随访时2组目测类比评分差异无显著性意义(P > 0.05)。

PS组所有病例的术前计划截骨角度与术后实际的截骨角度非常接近，2组数据差异无显著性意义；而剪纸拼接组术前计划截骨角度与术后实际的截骨角度差异有显著性意义(P > 0.05)。对比2组的截骨角度误差(术前计划截骨角度和术后实际截骨角度差值的绝对值)，数据结果显示PS组的截骨角度误差显著小于剪纸拼接组(P < 0.05，表2)。

2.4 典型病例 男性强直性脊柱炎后凸畸形患者，35岁，术前应用PS软件进行截骨模拟设计，见图4。

2.5 不良事件 PS组术后1例患者出现脑脊液露，术中予以缝合修补，术后出现脑脊液漏，术后予以头低较高位，术后1周拔除引流管；2组各出现1例术后下肢肌力下降和部分皮肤感觉减退，予以营养神经药物及高压氧治疗后逐渐缓解。

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引言

材料方法

1.1 设计 随机对照试验。

1.2 时间及地点 于2009年6月至2015年1月在延安大学附属医院脊柱外科完成。

1.3 材料 ①美敦力进口或威高国产脊柱后路螺钉及连接棒，其材质为钛合金，具有良好的抗氧化性及抗腐蚀性；经前期大量试验证明具有较好的临床效果及生物相容性；②CAGE融合器由美敦力公司(进口)和威高公司(国产)提供，主要为聚醚醚酮；③同种异体骨环购自山西奥瑞公司。

1.4 对象 纳入延安大学附属医院2009年6月至2015年1月行截骨矫形的41例强直性脊柱炎合并后凸畸形患者，均采用改良的椎弓根闭合截骨方式进行截骨矫形手术治疗(图1)，单一截骨部位均选择在L₁-L₄平面，所有患者中1例失去随访，1例患者死于其他疾病，其余患者随访12-40个月。39例患者按随机数字表法分为2组，剪纸拼接组19例采用剪纸拼接术前截骨设计，男15例，女4例，年龄22-53岁，平均32.6岁；PS组20例采用PS软件行术前截骨设计，男16例，女4例，年龄23-50岁，平均34.2岁。

纳入标准：①下腰背痛和晨僵持续3个月以上，活动后改善，休息不能缓解并伴有骶髂关节炎；②腰椎前屈、后伸和侧弯3个方向活动受限，同时伴有骶髂关节炎；③胸廓活动度低于相应年龄和性别的正常人，且同时伴有骶髂关节炎；④患者外观具有明显的胸腰椎后凸畸形，头颈前倾，不能正常直视；X射线片可见脊柱“竹节样”改变，腰椎前凸弧度变小甚至反曲，胸椎后凸弧度增加。

排除标准：①其他原因引起的脊椎后凸畸形；②椎间盘突出及创伤等原因引起的腰椎及下肢活动障碍。

1.5 方法

1.5.1 PS组术前截骨设计方法将术前站立位全脊柱侧位X射线片原始数据以img格式导出，并转换为1∶1 标准jpg格式图片，导入PS软件进行截骨模拟和计算。

截骨角度计算：理想脊柱矢状面平衡为C₇铅垂线通过骶骨后上缘，即矢状位垂直轴值为0。根据Yang等^[20]提出的脊柱失衡角度计算原理，使用PS软件进行截骨角度计算和模拟。详细步骤见(图2)。Suk等^[21]研究认为截骨术后颌眉角度在-10°-10°为理想范围，大于10°为矫正不足；小于-10°出现矫正过度，所以最终截骨角度的确定，需要参考每个患者的颌眉角进行修正，在尽可能恢复矢状面平衡的情况下保证颌眉角度在-10°-10°的范围之内，这在作者之前的文章有过详细概述^[19]。

截骨平面的确定：通过PS软件应用以上截骨角度计算方法，分别将截骨顶点置于L₂-L₄进行模拟截骨，选择恢复矢状面平衡需要截骨角度最小的椎体作为截骨平面。

1.5.2 剪纸拼接组术前截骨设计方法常规于X射线片手工测量术前脊柱、骨盆相关矢状面参数，将患者术前站立全脊柱侧位片按1∶1拓印成纸样，在纸页上测量脊柱矢状面各部位的Cobb角，通过在纸样上进行模拟截骨矫正，动态观察矫正效果，从而确定最终的截骨部位和截骨角度。通过测量截骨后方的的截骨宽度，来定位手术截骨位置和范围。

1.5.3 修复手术方法全麻下，在光导纤维引导下经鼻清醒插管，以防止体位改变过程中发生脊柱骨折及脊髓损伤。患者取俯卧位，根据后凸畸形程度将手术床折叠成适当角度，海绵垫置于腹部，避免腹部和身体其他部位悬空，手术全程应用体感诱发电位脊髓监护。C臂X射线机透视定位椎体，并在侧位图像上用X射线机自带测量工具测量截骨椎体的头侧椎体上终板与尾侧椎体下终板间的Cobb角。取腰椎后正中切口，骨膜下显露固定融合椎体的后路结构，分别在椎体头侧和尾侧至少2个节段椎体置入椎弓根螺钉。切除椎体棘突、椎板和上关节突等后部结构，根据术前确定的截骨角度、位置及范围，用骨刀凿除截骨线之上椎体、椎间盘，并处理上位椎体终板成粗糙植骨面，注意保护神经及脊髓，放置合适的椎间融合器或同种异体骨环，保证椎体前方支撑。折叠手术床缓慢复位，去除患者腹部海绵垫，见截骨部分间隙逐渐闭合，于椎间融合器后方植入切除椎板修剪后的碎骨块。然后截取2根适当长度钛棒进行预弯，采用悬臂梁技术置棒后进一步闭合截骨间隙。利用器械加压使截骨间隙逐渐闭合，根据术前透视测量的截骨椎体局部Cobb角，在透视下测量术中实际截骨角度(术中Cobb角-术前Cobb角)直至达到术前计划的截骨度数。完成截骨矫形和内固定后进行唤醒试验，明确患者双下肢活动正常后制作骨床，将切除的椎体后部结构咬碎后进行后外侧植骨融合。术毕，置引流管，逐层关闭伤口。

1.5.4 术后处理患者术后常规预防感染，引流管拔出后开始在支具保护下活动，常规应用抗骨质疏松药物。于术后1周测量术后实际截骨角度(术后截骨椎体Cobb角-术前截骨椎体Cobb角)；于术后1周及末次随访图像上用Surgimap软件测量脊柱骨盆矢状面参数(矢状位垂直轴、全脊柱后凸角、腰椎前凸角、骨盆倾斜角、骨盆入射角及颌眉角)，导出数据并保存。

1.5.5 功能评价于术前、术后1周及末次随访时采用目测类比评分、Oswestry功能障碍指数问卷表(Oswestry disability index, ODI)及脊柱侧凸研究会22项问卷(SRS-22)量表对2组患者进行功能评估^[22-25]。

疼痛目测类比评分(0-10分)：0分为无痛；3分以下：有轻微的疼痛，能忍受；4-6分：患者疼痛并影响睡眠，尚能忍受；7-10分：患者有渐强烈的疼痛，疼痛难忍，影响食欲，影响睡眠。

ODI是由10个问题组成，包括疼痛的强度、生活自理、提物、步行、坐位、站立、干扰睡眠、性生活、社会生活、旅游等10个方面的情况，如分数越高表明功能障碍越严重。

SRS-22问卷是对脊柱畸形患者生活质量的总体评估，评分越高生活质量越高。

1.6 主要观察指标 ①2组术前、术后的实际截骨角度比较；②术前、术后及末次随访2组脊柱骨盆矢状面参数及相关功能评分比较；③2截骨角度误差(术后实际截骨角度和术前计划截骨角度差值的绝对值)比较；④2组术后相关参数值比较。

1.7 统计学分析 数据以x(_)±s表示，用SPSS 18.0统计软件进行数据处理，主要观察指标①和②采用配对t 检验；指标③和④采用独立样本t 检验，按假设检验水准α=0.05判定，P < 0.05为差异有显著性意义。

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

脊柱后凸畸形矫正的根本目的是恢复脊柱矢状面力线、正常的水平视野、正常的平卧和步态以及改善外观及脏器功能。术前的设计的精确与否直接决定了术后的疗效，而术前截骨矫形设计需要考虑和涉及诸多的因素，外科医生应该在制定截骨计划时应该全面评估患者病情，包括截骨方式、截骨角度、截骨平面、脊柱、骨盆及髋膝关节的矢状面代偿和平衡、颌眉角大小、颈椎的活动范围以及患者的职业及日常生活习惯等因素进行综合设计和考量。

截骨平面的选择：强直性脊柱炎胸腰椎后凸畸形的后凸顶点多位于胸椎，以胸腰段最为常见^[27-28]，所以往的截骨手术往往采用畸形顶点截骨，近年来脊柱外科医生普遍认识到：首先，胸椎截骨风险大，且同样的截骨角度在胸椎截骨导致的矢状面平衡矫正效果明显要小于腰椎截骨越靠近脊柱尾侧椎体截骨，越能获得较大的矢状面矫正^[13^，¹⁵^，^24-25^，^29]。其次，腰椎截骨可以恢复正常的腰椎生理性前凸，从而调整骨盆矢状面的平衡,使脊柱和骨盆处于一种更好的节能平衡状态^[30-36]。所以目前大多数脊柱外科医生对于强直性脊柱炎的截骨平面多主张选择于腰椎，但哪一节段腰椎为截骨最佳平面，目前尚无统一共识。本研究PS组中所有患者的截骨平面均选择在L₂-L₄，所有患者未发生严重并发症，外形及临床疗效满意，脊柱及骨盆的矢状面参数获得相对比较理想的恢复。

术后颌眉角度的大小范围是评估强直性脊柱炎胸腰椎后凸畸形矫形效果的重要指标，Suk等^[21]研究认为截骨术后颌眉角度在-10°-10°为理想范围，大于10°为矫正不足；小于-10°出现矫正过度。宋哲等^[37]对25例颈椎强直的强直性脊柱炎后凸畸形患者矫形前后进行视野相关生活质量功能及期望评分调查问卷表，结果表明颌眉角在10°-20°时，患者视野相关活动功能及满意度最高。但考虑到强直性脊柱炎后凸畸形患者颈椎往往有一定的活动范围，有时会出现矫正脊柱失衡的角度远大于需要矫正颌眉角或者需要矫正的颌眉角远大于需要矫正脊柱失衡的截骨角度，出现此类情况就需要将颈椎活动范围和患者的职业和生活习惯特点折中选择一个更合适的截骨角度，从而达到一个相对满意的临床效果。此外在测量颌眉角时，由于患者有意识性的抬头、低头使得颌眉角的测量值存在较大的波动，大部分强直性脊柱炎后凸畸形患者的颈椎往往有一定活动度，由于长时间畸形状态，颈部肌肉张力已在这种畸形状态下形成了代偿的平衡状态，所以颌眉角需在患者平时最自然位置的情况下测量，以保证截骨术后的颈椎肌肉张力状态不会发生改变，否则截骨术后即使外观效果很满意，而颈部肌肉张力状态的改变也会给患者带来颈部疼痛及疲劳适等症状，影响患者的最终疗效。

通常健康成人正常站立时躯干的重心落在髋轴上，骨盆处于中立位，无前后倾^[38-39]，而强直性脊柱炎后凸畸形患者随着脊柱结构的改变会引起骨盆及髋膝关节的代偿改变，整个躯干的重心和力线会发生改变，为适应这种改变，患者会通过髋关节过度伸展、骨盆后倾、屈膝等方式代偿，患者的骨盆后倾程度反映了脊柱的畸形程度，当后凸畸形越严重，骨盆代偿性后倾斜越明显(骨盆倾斜角值越大，骶骨倾斜角值越小)，其直立行走活动的能力越差。因此术前设计应充分将诸多代偿因素考虑在内，通过截骨手术同时改善脊柱和骨盆的失衡，能显著改善患者的脊柱关节功能，最终获得满意的疗效。髋、膝关节代偿角度可于术前拍片时通过体位调整抵消，而骨盆代偿角度目前均依靠经验确定^[40]，所以骨盆代偿截骨角度仍需进一步研究精确量化。

文章通过应用PS软件进行截骨角度计算和模拟截骨，指导外科医生于术中进行精确手术操作，降低了手术风险，精确恢复脊柱矢状面平衡及水平视角，有效避免矫正过度或矫正不足获得了满意的临床效果；对比传统的剪纸拼接加术者经验方法，无论从截骨角度的精确性、术后的脊柱骨盆和脊柱矢状面参数恢复情况，还是术后ODI和SRS-22功能评分，PS软件术前截骨设计均有显著的优势，可以为脊柱外科医生对于脊柱后凸畸形矫正提供一个直观、便捷以及精确的术前截骨设计。但考虑到PS软件仅仅是在图片上的一种操作处理，而非精确数据的模拟，对于截骨手术操作无法提供最直接的量化指导，作者目前计划应用其他专业软件对患者的CT数据进行模拟截骨设计，制作截骨导板，从而实现更精确、更便捷的截骨设计。

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

剪纸拼接与PS软件设计截骨矫正强直性脊柱炎后凸畸形的对比

Clinical efficacy of preoperative osteotomy designs using paper-cut technology versus photoshop software for ankylosing spondylitis with kyphosis

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