椎弓根平面CT扫描数字解剖学技术在腰椎术前规划中的应用

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2017.19.017

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

椎弓根平面CT扫描：将扫描线定位于椎弓根，并与椎弓根钉的矢状面倾斜角度一致，所获得的扫描图像可真实反映椎弓根螺钉钉道的解剖结构，有利于进行术前规划、发现解剖变异，提高置钉成功率并降低并发症的发生率。

数字解剖学：应用数字技术进行解剖学资料的获取、观察、测量、分析的方法，能通过详尽的术前规划降低手术并发症的发生率。

摘要

背景：椎弓根螺钉被广泛应用于脊柱内固定手术，与螺钉误置相关的并发症时有发生，常规影像学检查资料不能提供钉道的准确情况，椎弓根平面CT扫描则有助于直接观察椎弓根螺钉的钉道。

目的：利用数字技术探讨椎弓根平面CT扫描在腰椎手术术前规划中应用价值。

方法：在136例患者腰椎椎弓根平面CT图像上应用数字技术确定最佳置钉位置，测量可置入的椎弓根螺钉的长度、椎弓根最狭处宽度、椎弓根螺钉与标准矢状面和棘突的夹角，比较各测量值双侧差别，以及椎弓根螺钉与矢状面、棘突夹角的差别。

结果与结论：①各腰椎的椎弓根螺钉长度双侧差异无显著性意义(P > 0.05)；②L₁和L₄双侧椎弓根宽度差异有显著性意义(P < 0.05)；③椎弓根与标准矢状面的夹角各腰椎左右两侧差异无显著性意义(P > 0.05)；④椎弓根与棘突的夹角各腰椎左右两侧差异无显著性意义(P > 0.05)；⑤综上，椎弓根平面CT扫描能准确反映患者椎弓根解剖情况，有助于术前规划，腰椎椎弓根解剖变异较大，置钉时应在良好的术前规划基础上充分考虑个体化因素。

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: 0000-0003-3571-8840(王爽)

关键词: 骨科植入物, 数字化骨科, 腰椎, 椎弓根螺钉, 局部解剖学, 骨螺丝, 辽宁省自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: Pedicle screws are widely used in spinal internal fixation, while complications related to screw mistaken placement can be found occasionally. Conventional imaging examination cannot provide the accurate situation of the nail, and the nail path can be directly revealed on CT.

OBJECTIVE: To discuss the application of CT scanning in the preoperative planning of lumbar spine surgery using digital technology.

METHODS: 136 patients were enrolled, and digital technology was used to determine the best nailing track on planar CT images. Then the length of the pedicle screws, width of the pedicle, angle between pedicle screws and standard sagittal plane, and angle between pedicle screw and spinous process as well as sagittal plane were measured. The difference in measured values on each side was compared. Also, the difference in angle between pedicle screw and sagittal plane and spinous process was compared.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) There was no significant difference in the length of pedicle screw in both sides (P > 0.05). (2) There was significant difference in the width of pedicle screw at L₁ and L₄of two sides (P < 0.05). (3) The angle between pedicle screw and standard sagittal plane at each level bilaterally did not differ significantly (P > 0.05). (4) The angle between pedicle screw and spinous process at each level bilaterally did not differ significantly (P > 0.05). (5) To conclude, pedicle CT scanning can accurately reflect patients’ pedicle anatomic situation, which can help surgeons to design an appropriate scheme. Moreover, the anatomical variations of lumbar spine are remarkable, so pedicle screw insertion should be planned individuality.

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: Lumbar Vertebrae, Bone Nails, Anatomy, Regional, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

王爽，李宏伟，王海洲，于卓力，水岩，王帅，纪楠. 椎弓根平面CT扫描数字解剖学技术在腰椎术前规划中的应用[J]. 中国组织工程研究, 2017, 21(19): 3057-3062.

Wang Shuang, Li Hong-wei, Wang Hai-zhou, Yu Zhuo-li, Shui Yan, Wang Shuai, Ji Nan. CT scanning applied in the preoperative planning of lumbar spine surgeries[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2017, 21(19): 3057-3062.

图/表（结果） 1

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引言

材料方法

1.1 设计 回顾性影像学资料测量试验。

1.2 时间及地点 于2016年6至8月在解放军第202医院骨科完成。

1.3 材料 文中使用的椎弓根螺钉内固定系统，由椎弓根螺钉、钛棒、螺塞、横连组成，通过常规切口置入体内，可对腰椎椎体起到固定及复位作用，各部分内固定物材质均为钛合金，耐腐蚀性及强度较好，且组织相容性好，不会被腐蚀或出现毒副反应。

1.4 对象 选取2015年1至12月在解放军第202医院骨科行腰椎手术的患者142例。

纳入标准：因腰椎间盘突出症、腰椎管狭窄症、腰椎滑脱等疾病或腰椎骨折等外伤拟行椎弓根钉棒系统内固定手术。

排除标准：①既往有腰椎手术史；②存在先天性畸形；③合并腰椎肿瘤、结核等可导致椎体解剖结构异常者；④骨折或病变严重的椎体。

所有患者在术前进行椎弓根层面CT扫描，扫描层厚设为3 mm，螺距为0.844，矩阵521×521，管电流250 mA，管电压120 kV，扫描线平行于腰椎上终板(图1)，扫描范围为椎弓根上下边界之间，由2名脊柱外科高年资主治医师、2名放射影像科主治医师对影像学结果进行独立阅片及测量。

1.5 方法 在本院PACS系统中调取患者资料，并利用系统自带功能进行观察、绘制图像和测量，通过观察确定目标层面，即确定进钉点矢状面位置，然后在该平面图像于关节突顶点略偏外处选定为进钉点，绘制通过该点并通过椎弓根横截面中点的直线做为最佳进钉通道，以该直线进钉点至椎体前缘皮质的距离做为椎弓根螺钉的长度，该直线通过的椎弓根最狭窄处的垂线做为椎弓根横截面宽度(图2)，该直线与标准矢状面和棘突的夹角分别定义为根棘角和根中角(图3)。

1.6 主要观察指标 比较各腰椎指标双侧数值是否存在差异。

1.7 统计学分析 采用SPSS 19.0(IBM公司，美国)软件对数据进行整理和分析。

测量得到的各椎体的椎弓根长度、宽度、高度、进钉角度均以计量数据表示，计算其平均值及分布区间的规律；对各腰椎左右两侧的测量值进行配对t 检验以确定其是否存在差异。

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 椎弓根螺钉内固定术的优势以及可能的并发症 以椎弓根螺钉为基础的后路钉棒系统是目前脊柱外科内固定手术的主流内固定物，其优势在于由后路置入，对脊柱前部结构影响小，对后柱、中柱可产生良好的固定作用，与前路手术相比显露范围有限，通过钉棒系统的结合，可产生良好的三维固定效果，力学稳定性好，另外，螺钉完全由骨性结构中通过，既保证了良好的固定效果，又能避免对周围结构的损伤。

与此同时，也应看到，椎弓根螺钉内固定手术存在一定风险，除螺钉材质相关风险外，术中或术后并发症多与螺钉误置有关，即螺钉未放置于最佳位置，如螺钉破出骨壁，会降低内固定系统的固定效果^[5-6]，破出骨壁的螺钉还会激惹、损伤周围结构，如神经根、血管等，甚至可能伤及椎管内的硬膜囊导致严重后果，另外，有研究表明，即使在未出现临床症状的患者中，螺钉误置的现象仍隐性存在^[7]。

3.2 现有置钉技术及其误差来源 目前，椎弓根螺钉的置钉手段仍以术中透视辅助下徒手置钉为主^[8-9]，在长期的实用和摸索中不同研究者提出了多种有助于提高置钉准确性的技术，虽方法各异，但均强调术前仔细观察影像学资料，注重术中置钉角度的即时调整以及术者手感；近年来，部分机构开始采用导航技术置钉^[10-13]，但也有研究表明，在常规脊柱手术中，导航技术并未比传统技术显示出优势^[14-16]，且有可能使患者和术者接受不必要的放射线照射^[17]。

因此，至少在现阶段，透视辅助下徒手置钉仍是最为常用的椎弓根螺钉置入方式^[18-19]，前述各种辅助技术目前存在应用限制，如硬件要求高、术前准备时间长、操作步骤繁琐、对术者技术要求高等^[20-21]，在常规手术中开展有一定制约，但对特殊患者如复杂畸形或解剖结构严重变异的病例来说，这些辅助技术则具有独特的优势，能帮助术者正确置钉，降低术中并发症^[22]。

分析现有置钉技术，作者认为，导致置钉失误的因素主要来自两个方面：①现有置钉技术的定位方法，尤其是倾斜角度的确定多以标准解剖面为参考，表述为内收或外展等，此种定位多以标准矢状面为参考，受术中体位影响极大，如能改变参照物，以棘突等同椎体解剖标志为参考，可显著消除此种误差；②现有置钉技术的关键数据多来自国外的研究成果，不能完全符合中国人脊柱的解剖特征，在这方面，尚无以中国人为研究对象的大样本研究。

3.3 腰椎椎弓根解剖结构特点 研究表明，椎弓根的解剖结构复杂多变，不同人种、不同民族^[23]、不同地区间都存在解剖差异^[24]，这种变异性表现在椎弓根的外形、内部结构、走行角度等多个方面^[25]。甚至在同一个体，随着年龄的增加，椎弓根的形态也会发生变异^[26]。因此，选取合适的影像学检查方法，对椎弓根解剖结构进行细致观察具有重要意义。只有在对椎弓根结构准确掌握后，才能选取易于辨认、相对恒定的局部解剖标志作为置钉参考。近年来，有研究者为提高螺钉的固定强度，尝试通过改变传统置钉路径为全皮质骨螺钉^[27-32]，取得了较好成效，这同样需建立在对腰椎椎弓根结构的准确辨别基础上。

3.4 数字技术在椎弓根螺钉手术中的应用及目前局限性 近年来，影像医学和数字技术不断进步，在进行术前规划时，术者可以通过高质量的CT图像对腰椎的解剖结构进行准确地观察和测量^[33-34]，在此基础上，还可以对目标椎体进行三维重建，进而通过数字技术在重建的模型中设计钉道^[35]，在重建后，利用软件的透明化、切割等功能，可更准确地进行观察及术前设计，甚至通过快速成型技术将目标椎体3D打印^[36]，更直观地进行观察和手术设计，或通过设计导航模块提高手术准确度^[37-38]。

这些辅助技术的引入，可以帮助手术医师更好地完成置钉，但也存在一定问题，如导板在制作时完全提取骨性结构，并不能精确重建软骨或韧带等结构，因此，理想状态下导板也应贴附于完全去除软骨和韧带的骨表面，这种理想状态在现实手术中往往难以达到，是否会因此对导板的准确性造成影响目前尚无定论；并且，根据目前的情况，很难做到在每例患者术前对其影像学资料进行三维重建或3D打印。在相当长时间内，椎弓根螺钉的置钉技术仍将以术中透视辅助下徒手置钉为主，对影像学资料进行细致的观察、准确地进行术前规划仍是决定手术成败的关键，也可以为脊柱外科医师更好地理解、利用数字技术奠定基础。

目前，腰椎手术术前常规CT检查一般为椎间隙扫描，虽可以清晰显示突出的间盘或狭窄的椎管，但不能直观、准确地反映出椎弓根螺钉钉道的情况，给手术带来一定误差。

3.5 椎弓根平面CT扫描的优势 椎弓根平面CT扫描能弥补以上常规检查方式的不足，椎弓根平面CT扫描图像将扫描线定位于椎弓根，且倾斜角度与置钉时的倾斜角度保持一致，此时可获得钉道的扫描图像，可直观地观察预置钉钉道的解剖结构，尤其是椎弓根部位的宽度、倾斜角度、可容纳螺钉的最长长度等，在此基础上，可于术前确定置钉方案，包括进钉点的位置、进钉角度等；此平面扫描还可以帮助术者观察椎弓根与棘突、椎板等局部解剖结构的关系，以利于术中利用这些局部解剖结构确定置钉方法或进行调整，有助于提高置钉成功率、降低手术并发症的发生率；此外，行椎弓根平面CT扫描能有效发现可能导致误置的解剖学变异，如椎弓根狭窄、椎间孔高跨、椎弓根倾斜角度变异等，在发现这些解剖变异后，手术医师能在术前调整置钉方案，通过个体化设计实现准确置钉。

通过以上研究，作者认为，椎弓根平面CT扫描能准确反映患者椎弓根解剖情况、可帮助术者在术前进行良好规划、实现准确置钉，具有良好的应用前景和实用性；另外，由测量结果可以看出，椎弓根各解剖学数值变异较大，在进行术前规划时应以影像学数据为参考，充分规划，以实现个体化置钉。

本研究的不足之处在于样本数量仍较少，且均为东北地区成人，代表性有限；另外，本文仅对椎弓根平面CT的图像资料进行了分析，未对此方法应用于手术后的效果进行系统分析，在接下来的研究中，拟扩大研究对象的数量，一方面采集更多椎弓根解剖学数据，另一方面将通过对图像的观察确定椎弓根解剖变异的种类和发生率；同时，拟对此方法应用于临床工作后的效果进行评估。

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