三维重建可视化系统可增强下颈椎椎弓根钉置入的准确性

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.17.012

中国组织工程研究 ›› 2016, Vol. 20 ›› Issue (17): 2519-2525.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2016.17.012

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三维重建可视化系统可增强下颈椎椎弓根钉置入的准确性

刘博¹，孙永强²，王同明¹，杨中杰¹，史大鹏³

河南省中医院，1放射科，2骨科，河南省郑州市 450002；3河南省人民医院医学影像中心，河南省郑州市 450002

收稿日期:2016-03-06 出版日期:2016-04-22 发布日期:2016-04-22
通讯作者: 史大鹏，教授，主任医师，博士生导师，河南省人民医院医学影像中心，河南省郑州市 450002
作者简介:刘博，女，1972年生，2010年郑州大学毕业，硕士，主治医生，主要从事骨骼肌肉系统影像诊断方面的研究。
基金资助:
河南省科技攻关计划项目(132102310159)

Three-dimensional reconstruction visualization system enhances the accuracy of lower cervical pedicle screw implantation

Liu Bo¹, Sun Yong-qiang², Wang Tong-ming¹, Yang Zhong-jie¹, Shi Da-peng³

1Department of Radiology, 2Department of Orthopedics, Henan Province Hospital of Traditional Chinese Medicine, Zhengzhou 450002, Henan Province, China; 3Medical Imaging Center, Henan Provincial People’s Hospital, Zhengzhou 450002, Henan Province, China

Received:2016-03-06 Online:2016-04-22 Published:2016-04-22
Contact: Shi Da-peng, Professor, Chief physician, Doctoral supervisor, Medical Imaging Center, Henan Provincial People’s Hospital, Zhengzhou 450002, Henan Province, China
About author:Liu Bo, Master, Attending physician, Department of Radiology, Henan Province Hospital of Traditional Chinese Medicine, Zhengzhou 450002, Henan Province, China
Supported by:
the Science and Technology Project of Henan Province, No. 132102310159

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

三维重建可视化系统：手术之前对患者进行CT扫描，获得相关椎体的数据，并利用三维重建技术，获得椎体的三维模型。然后利用一定的工程软件，结合不同患者的实际情况，对不同螺钉的具体进钉方向和进钉通道等予以明确，实现对手术路径和置钉相关参数的模拟，提高置钉的准确性。

椎弓根钉置入：当患者因脊柱压缩性骨折、爆裂骨折等情况需要手术处理时，可以通过微创经皮椎弓根钉置入进行治疗。临床进行颈椎椎弓根螺钉置入可以采用3种方法，包括解剖定位法、椎板开窗椎弓根探查法及计算机导航定位法等。

背景：椎弓根钉置入是多种下颈椎疾病修复的一种常用方法。用三维重建可视化系统可以提高置钉的准确性，有利于改善患者的预后。

目的：探讨下颈椎椎弓根钉置入过程中应用三维重建可视化系统对置钉准确性的影响。

方法：回顾性分析89例创伤后颈椎脱位均接受下颈椎椎弓根钉置入治疗的患者，按照导航方式分为2组，对照组46例予以C臂X射线透视二维导航，观察组43例予以三维重建可视化系统导航。观察两组术中置钉时间，评价置钉准确率。置钉后随访12个月，记录不良事件发生情况，并进行比较。

结果与结论：①术中置钉时间：观察组时间短于对照组，但经比较差异无显著性意义(P > 0.05)；②置钉准确率：观察组无三类置钉病例，置钉准确率为93%(40/43)；对照组有2例为三类置钉病例，置钉准确率为81%(37/46)，经比较观察组的置钉准确率显著高于对照组(P < 0.05)；③术后随访：所有患者均未出现神经组织损伤椎动脉、血管、脊髓等并发症。经X射线、CT复查，两组置入的螺钉均处于稳定状态，未出现断钉和松动等不良事件；④结果表明：在下颈椎椎弓根钉置入过程中辅助三维重建可视化系统导航可以有效提高置钉的准确率，且不会增加术中置钉时间或者导致各种术后不良事件的出现，是一种安全有效的导航方式。
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: 0000-0002-0625-5843(刘博)

关键词: 骨科植入物, 脊柱植入物, 三维重建, 可视化系统, 下颈椎, 椎弓根钉置入术, 外科手术, 图像引导, 准确性

Abstract:

BACKGROUND: Pedicle screw implantation is a common method to repair many kinds of diseases of the lower cervical spine. Three-dimensional (3D) reconstruction visualization system can be used in order to improve the accuracy of the implant and improve the prognosis.

OBJECTIVE: To investigate the effect of 3D reconstruction visualization system on the accuracy of cervical pedicle screw implantation.

METHODS: The clinical data of 89 patients with cervical spine dislocation, who underwent cervical pedicle screw implantation, were analyzed retrospectively. Patients were divided into control group (46 cases) and observation group (43 cases) according to the navigation method. Patients in the control group underwent C arm X ray two dimensional navigation. Patients in the observation group underwent three-dimensional reconstruction visualization system navigation. Intraoperative placement time was observed, and the accuracy of screw placement was assessed in both groups. The cases were followed up for 12 months, and the adverse events were recorded and compared.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) Intraoperative implantation time was shorter in the observation group than in the control group, but no significant difference was found (P > 0.05). (2) Accuracy rate: There were no three types of nail cases in the observation group, and the accuracy rate was 93% (40/43). In the control group, two cases affected three types of nailing, and the accuracy rate was 81% (37/46). The accuracy rate was significantly higher in the observation group than in the control group (P < 0.05). (3) Postoperative follow-up: None suffered from nerve tissue injury to vertebral artery, blood vessel and spinal cord. The screws of the two groups were in stable condition, without screw breakage or loosening. (4) Results suggested that in lower cervical pedicle nail implantation, 3D reconstruction navigation system can effectively improve the accuracy of screw placement, and does not increase nailing time or lead to adverse events. It is a safe and effective navigation mode.
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: Cervical Vertebrae, Dislocations, Bone Nails, Follow-Up Studies, Tissue Engineering

刘博，孙永强，王同明，杨中杰，史大鹏. 三维重建可视化系统可增强下颈椎椎弓根钉置入的准确性[J]. 中国组织工程研究, 2016, 20(17): 2519-2525.

Liu Bo, Sun Yong-qiang, Wang Tong-ming, Yang Zhong-jie, Shi Da-peng. Three-dimensional reconstruction visualization system enhances the accuracy of lower cervical pedicle screw implantation[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2016, 20(17): 2519-2525.

图/表（结果） 5

2.1 参与者数量分析按意向性处理，89例患者全部进入结果分析，无脱落。术后随访12个月，入组的89例患者均顺利完成随访，随访率为100%，试验流程见图2。

2.2 基线资料比较对两组患者的性别、年龄、病程以及受伤原因等基线资料进行统计学比较，P均>0.05，具体结果见表2。

2.3 两组患者术中平均置钉时间比较在术中平均置钉时间方面，观察组时间短于对照组，但经比较差异无显著性意义(P > 0.05)，见表3。

2.4 两组患者置钉准确率比较对两组的置钉准确情况进行统计，可得不同置钉级别分布情况见表4。经统计发现，观察组无三类置钉病例，置钉准确率为93%(40/43)；对照组有2例为三类置钉病例，置钉准确率为81%(37/46)，经比较观察组的置钉准确率显著高于对照组(P < 0.05)。

2.5 不良事件两组患者均顺利完成椎弓根螺钉置入，经术后随访，所有患者均未出现神经组织损伤椎动脉、血管、脊髓等并发症。经X射线、CT复查，两组置入的螺钉均处于稳定状态，未出现断钉和松动等不良事件。

2.6 典型病例女性患者，35岁，外伤后颈部疼痛，常规诊治后仍感颈部疼痛，遂到本院骨科就诊。经脊柱外科检查，显示其C₂齿状突基底部骨折并移位，需要接受手术治疗。术前颈椎CT三维重建及MRI显示齿状突基底部骨折并明显移位(见图3A)，术中予以三维重建可视化系统导航进行椎弓根螺钉置入，建立颈椎三维模型(见图3B)，对椎弓根进钉通道进行模拟分析(见图3C)，并完成手术。手术顺利完成，术后康复良好，四肢活动如常。随访12个月，经颈椎X射线片复查，显示骨折已复位，螺钉位置良好(见图3D)，经颈椎CT检查位置准确无误(见图3E)。

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引言

材料方法

1.1 设计对比观察试验。

1.2 时间及地点于2014年8月至2015年9月在河南省中医院完成。

1.3 材料试验过程中使用的椎弓根螺钉均由美国 Blackstone Medical Inc提供，商品名：Spinal Fixation System。产品包括螺钉、垫片以及锁定帽和横向连接器。产品采用Ti6Al4V钛合金制成，非灭菌包装。经测试具有良好的机械强度和生物相容性，无细胞毒性和血液毒性。产品标准：进口产品注册标准YZB/ USA0168-2006《椎弓根螺钉系统》。椎弓根螺钉系统见图1。

三维重建可视化导航指导颈椎椎弓根钉置入试验中使用的仪器和软件：
仪器和软件	来源
螺旋CT机	GE公司
三维重建软件 Amira 3.1	澳大利亚Visage Imaging
UG Imageware 12.0	微软公司

1.4 对象纳入89例创伤后颈椎脱位患者，其中男50例，女39例；年龄20-51岁，平均(49.25±10.15)岁。受伤原因统计：车祸伤60例，摔伤20例，其他伤9例。病程1-12个月，平均(3.15±1.25)个月。

纳入标准：①符合手术指征者。②无合并神经症状者。③对手术相关情况知情且签署同意书，自愿受试者。

排除标准：①不符合手术指证者。②同时参加其他临床研究者。③身体一般情况差，有重大内科疾病或脏器功能衰竭者。

89例患者按随机数字表法分为2组，均实施下经颈椎椎弓根螺钉置入治疗，观察组43例予以三维重建可视化系统导航，对照组46例予以C臂X射线透视二维导航。对两组患者的各项基线资料进行统计学比较，差异均无显著性意义(P > 0.05)。

1.5 方法两组手术均由同一组骨科医师负责完成。

观察组修复方法：置钉前按照手术体位利用螺旋CT机对患者置钉节段进行三维扫描，收集采集的数据，并在术前导入影像工作站，利用三维重建软件 Amira 3.1对手术椎体进行模拟，并制定详细的手术计划。按照三维重建图像，在虚拟情况下对手术椎体表面进行匹配点标记。术中对患者实施常规全麻，患者取俯卧位，颈椎保持中立位。

手术采用后正中入路，对拟手术节段后方结构予以充分显露，直至双侧小关节突外侧缘。在清楚显露之后，对定位椎体后部于导航模板进行妥善吻合，通过导航孔，利用手钻对螺钉通道进行探查。明确不同螺钉的具体位置之后，将相应长度的椎弓根螺钉置入其中，利用C臂透视了解螺钉置入效果，待确定达到满意置入效果之后结束手术。

对照组修复方法：患者取俯卧位，常规做切口对患椎及其相邻椎体棘突和关节突等予以充分显露。在相邻椎体棘突上稳固固定参考架，利用C臂X射线机对置钉节段椎体进行透视，获得正侧位片。

将数据信息传至导航工作站，在显示屏上显示进行模拟。并利用虚拟二维X射线片上进行导航，对进钉点和角度予以确定，并在引导下置入椎弓根螺钉。利用C臂透视了解螺钉置入效果，待确定达到满意置入效果之后结束手术。

1.6 主要观察指标

1.6.1 术中置钉时间从棘突上安装参考架开始，记录最后一个椎弓根钉置入结束的整个过程所用的时间。本次研究过程中，仅对两组的置钉时间进行计算，排除椎管减压、连接钉棒系统等时间。

1.6.2 置钉准确率置钉后对两组患者均实施经椎弓根螺钉平扫，观察螺钉置情况，并观察患者是够出现各种相关并发症，椎弓根螺钉置钉准确情况分类标准见表1。统计时，将一类置钉情况均视为准确置钉，并计算置钉准确率。

1.6.3 不良事件发生情况包括神经组织损伤椎动脉、血管、脊髓以及断钉、松动等。

1.7 统计学分析对研究过程中获得的数据进行收集和统计学处理，利用SPSS 19.0软件完成数据处理。计量资料均予以x(_)±s表示，并予以t 检验，置钉准确率等计数资料均予以χ²检验，并利用率(%)进行表示。计算P值，P < 0.05为差异有显著性意义。

讨论

临床治疗多种颈椎疾病的时候，需要实施椎弓根螺钉置入治疗，螺钉置入的准确性会对治疗效果产生极大的影响^[10-12]。以枢椎为例，枢椎(C₂)齿状突骨折Anderson 2型是不稳定的容易发生骨折不愈合的骨折，一旦发生将导致寰枢椎(C₁_，2)之间不稳，随时可能发生高位颈髓损伤，出现高位截瘫、呼吸循环衰竭、死亡^[13-16]。经齿状突螺钉固定，仅仅用1枚螺钉穿过枢椎椎体及齿状突进行固定，保留C₁_-2之间的活动度，尤其保留了颈椎的旋转功能可达到最好的治疗效果。但因齿状突本身较细，手术中又不能直视下操作，稍有不慎就会损伤脊髓，严重者当场死亡。

目前，临床进行颈椎椎弓根螺钉置入的时候，可以采用3种方法，包括：①解剖定位法。②椎板开窗椎弓根探查法。③计算机导航定位法等^[17-22]。关于不同置入方法的准确性，众多学者进行了大量的研究，并得出不同的结论。Kramer等^[23]和Ludwig等^[24]学者利用人尸体标本进行椎弓根螺钉置入，置入过程中分别使用算机辅助导航外科系统和椎板开窗以及解剖标志3种方法。通过对不同方法的椎弓根置钉准确性的统计和比较发现，3种方法中，在严重穿破椎弓根皮质的发生率方面，算机辅助导航外科系统和椎板开窗以及解剖标志3种方法分别为11%和40%以及66%。其中，计算机辅助外科导航的准确率最高，且穿孔原因大多是因为计算机注册出错。Kotani等^[25]通过临床试验的方式，对手工钻入和导航技术的皮质穿破率进行比较。可得前者为6.7%，后者为1.2%。Steven等^[26]以目前应用较多的导航技术和Abumi方法为例进行了分析，并通过研究发现，二者在椎弓根钉置入方面的准确性差异无显著性意义。国内未东兴等^[27]学者也通过对56例胸椎损伤患者的临床研究发现，在对患者进行椎弓根螺钉置入治疗的时候，可以选择传统徒手置入以及计算机重建技术辅助置入的方式。经过不同的置入治疗之后，在置钉成功率方面，三维重建辅助组显高于传统徒手组，椎弓根穿破率则显著下降。在将三维可视化技术应用于椎体椎弓根钉置入方面，众多学者也进行了大量的研究^[28-31]。王亚明等^[32]利用成人颅-颈标本进行实验，在三维可视化图像引导下，根据个体不同情况，置入枢椎椎弓根螺钉。实验过程中一共置入16个钢针，最终的结果显示，仅有1个在方向方面出现一定的偏差，其余均精确达到理想的深度和位置。

为了研究不同方法的效果，为临床治疗方案的选择提供参考，此次试验过程中，选择分别使用C臂X射线透视二维导航和三维重建可视化系统导航方式进行椎弓根螺钉置入。手术之前，通过对患者进行CT扫描，获得相关椎体的数据，并利用三维重建技术，获得椎体的三维模型^[33-35]。然后利用一定的工程软件，结合不同患者的实际情况，对不同螺钉的具体进钉方向和进钉通道等予以明确，实现对手术路径和置钉相关参数的模拟，从而更好的掌握手术要点，提高置钉的准确性^[36-37]。研究结果显示，在术中平均置钉时间方面，观察组和对照组分别为(6.25±1.15) min和(6.55±1.05) min，观察组时间短于对照组，但经比较差异无显著性意义(P > 0.05)。可见，较之C臂X射线透视二维导航，三维重建可视化系统导航所花费的时间基本相当，并不会导致置钉时间的延长。此次研究结果还显示，对两组的置钉准确情况进行统计，经统计发现，观察组无三类置钉病例，置钉准确率为93%(40/43)，对照组有2例为三类置钉病例置钉准确率为81%(37/46)，经比较观察组的置钉准确率显著高于对照组，(P < 0.05)。结果表明，三维重建可视化系统导航具有明显的应用优势，分析出现这一结果的原因，是因为应用三维重建可视化系统导航，可以在术前制定详细的手术方案，对螺钉置入角度等进行明确。三维导航技术可提供复杂解剖结构的三维影像，提高手术精确性，减少手术并发症，从而使颈椎椎弓根置钉更加准确、直观，有效提高置钉的准确性^[38-40]。此次研究结果还显示，两组患者均顺利完成椎弓根螺钉置入，经术后随访，所有患者均未出现神经组织损伤椎动脉、血管、脊髓等并发症。经X射线、CT复查，两组置入的螺钉均处于稳定状态，未出现断钉和松动等不良情况。结果提示，三维重建可视化系统导航可以有效提高置钉的准确率，因而降低了螺钉置入的危险性，是一种安全有效的导航方式。

综上所述，作者此次研究尝试使用三维重建可视化系统导航进行颈椎椎弓根钉置入，实现了精确定位进钉，可有效提高置钉的准确率，且不会增加术中置钉时间或者导致各种术后不良事件的出现，是一种安全有效的导航方式，可以为临床颈椎椎弓根钉的置入提供了可靠的参考依据。
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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