不同年龄寰枢椎椎弓根的数字化测量

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.26.020

摘要/Abstract

摘要：

背景：CT重建技术能够提供寰枢椎内部结构的数字化模型，并利用相关软件在模型上进行手术设计及相关参数的测量，为椎弓根螺钉的安全、有效置入提供可靠数据。
目的：综述寰枢椎数字化测量的研究进展，为椎弓根螺钉技术在寰枢椎疾患治疗应用中提供理论依据。
方法：应用计算机检索1994至2012年 PubMed数据库、维普数据库及万方数据库中有关CT重建在寰枢椎椎弓根测量中应用的文献。中文检索词为寰椎椎弓根，枢椎椎弓根，计算机辅助设计，数字化，成人，儿童。英文检索词为atlas pedicle，axis pedicle，digitization，computer-aided design，children。初检得到110篇文献，40篇文献最终进入结果分析。
结果与结论：应用CT重建技术可获得清晰的颈椎图像，应用现代数字技术直接建立椎弓根进钉通道，根据通道的位置来确定螺钉的定位点、进钉方向及长度，该方法更直接更具体更精确，能够为临床个体化置钉提供指导。国内外对成人寰枢椎椎弓根的研究已经获得了许多重要的科学数据，但关于儿童寰枢椎椎弓根研究的报道较少见。相信随着医学技术的发展和对儿童寰枢椎椎弓根进行较精准的数字化测量，儿童寰枢椎椎弓根螺钉固定技术将更加安全、准确。

关键词: 骨关节植入物, 骨与关节综述, 寰椎, 枢椎, 椎弓根, 峡部, 数字化, 三维重建, 计算机辅助设计, 儿童, 椎弓根高度, 椎弓根宽度

Abstract:

BACKGROUND: The CT reconstruction technique can provide the digital model of the internal structure of atlas and axis and it can also use the related software to perform surgery design and measurement of relevant parameters in the model. At the same time, it can provide reliable data for pedicle screw placement security and effectively.
OBJECTIVE: To summary the progress of digital measurement of atlas and axis pedicle, in order to provide a theoretical basis for the treatment of atlas and axis disorders with pedicle screw technology.
METHODS: A computer-based online search was performed in PubMed database, VIP database and Wanfang database from 1994 to 2012 for the literatures about the application of CT reconstruction in the measurement of atlas and axis pedicle. The Chinese key words were “atlas pedicle, axis pedicle, computer-aided design, digitization, adult, children” and the English key words were “atlas pedicle, axis pedicle, digitization, computer-aided design, children”. A total of 110 literatures were obtained after the initial search, and finally 40 literatures were included for the final review.
RESULTS AND CONCLUSION: CT reconstruction technique could obtain a clear image of the cervical spine, and the pedicle screw entrance channel was established with the modern digital technology, then the positioning point, direction and length of screw entrance were determined according to the position of the channel. The method was considered to be more direct, specific and more accurate, and can provide guidance for individual placement of screw in clinic. The domestic and international researches on the adult atlas and axis pedicle have obtained many important scientific data, and the researches on children atlas and axis pedicle are rare. With the development of medical technology and the accurate digital measurement of children atlas and axis pedicle, children atlas and axis pedicle fixation technique will be more secure and accurate.

Key words: bone and joint implants, review of bone and joint implants, atlas, axis, pedicle, isthmus, digitization, three-dimensional reconstruction, computer-aided design, children, pedicle height, pedicle width

中图分类号:

R318

吴春立，张沛. 不同年龄寰枢椎椎弓根的数字化测量[J]. 中国组织工程研究, doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2013.26.020.

Wu Chun-li, Zhang Pei. Digital measurement of atlas and axis pedicles with different ages[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2013.26.020.

图/表（结果） 2

2.1 寰、枢椎的应用解剖寰椎为特殊颈椎，与C₂及C₃-C₇有明显不同，无棘突、椎体及关节突，由前、后弓及两个侧块连接成环状。前弓约占寰椎的1/5，为两侧块之间的弓形板，后弓约占寰椎的2/5，从两侧块的后面连接两侧块，后弓比前弓大。前、后弓都较细，与侧块相接部位更为纤细，是力学上的薄弱环节，此处易发生骨折。寰椎不存在严格意义上的椎弓根与峡部，谭明生等^[17]学者认为寰椎椎动脉沟底部后弓骨质最薄弱，故将椎动脉沟处的后弓看作是寰椎的椎弓根。

寰椎的解剖结构特殊、毗邻关系复杂，周围有重要的神经和血管，其重要性越来越受到重视，尤其是对进针点和进针角度的选择很难判断，在术中易导致脊髓、椎动脉及颈神经根的损伤。寰椎椎弓根螺钉内固定术，也有学者称为寰椎经后弓侧块螺钉固定术即螺钉经寰椎后弓、椎动脉沟、寰椎后弓狭部到寰椎侧块内的螺钉固定技术。行螺钉内固定，手术难度及危险性较大，所需精确度较高。手术操作的关键在于进钉点的选择、进钉方向及深度的掌握。随着影像学技术的飞速发展，内固定器材不断的改进和应用，相关的寰椎应用解剖研究也不断深入。任绍东等^[5]以电子游标卡尺测量40具干燥寰椎标本的相关解剖学数据，寰椎椎弓根平均宽度为(7.75±0.95) mm，高度(5.87± 0.74) mm，进钉点在寰椎椎弓根中线的外缘(2.38± 0.46) mm处，椎动脉沟底的后弓高度(4.57± 0.53) mm，椎动脉沟底的后弓宽度(8.05±1.53) mm；寰椎椎弓根螺钉内倾角度(12.6±2.7)°，寰椎椎弓根螺钉上斜角度(5.4±0.2)°。通过对寰椎标本的观察、测量和研究，为术中定位寰椎椎弓根钉的进钉点、进钉的方向和角度提供参考。

枢椎椎体较小，椎体向上有一柱状突起，称之为齿突，齿突两侧各有圆形关节面，与寰椎下关节突构成关节。齿突原属于寰椎椎体一部分，发育中又与其分离并与枢椎融合，该部颈椎在发生和发育过程中畸形和变异较多，由此引起该区域不稳定而发生移位导致脊髓压迫^[18]。枢椎椎弓根和峡部的定义一直存在着争议^[19]。Ebraheim等^[20]提出枢椎椎弓根是位于上关节突下方和横突孔前内侧的狭长部分，峡部则是上下关节突之间的缩窄部分。Naderi等^[21]提出与此类似的观点，认为两者是独立的解剖结构，枢椎椎弓根不同于下颈椎，仅从下方可见，上方被上关节突和峡部遮盖，并与峡部相融合，可合称为“枢椎椎弓根峡部复合体”。Yarbroush等认为枢椎上下关节突之间的连接区域是椎弓根，即狭部。枢椎椎弓根螺钉的走行经下关节突、狭部，进入椎弓根最后固定于椎体，枢椎椎弓根狭部是椎弓根螺钉固定的必经通道且最狭细。

2.2 CT测量方法近年来，CT测量椎弓根钉道参数已广泛用于解剖学研究和临床手术应用。MPR是将原有的扫描数据选择出，再合成任意面的图像。它可以按各个方向重新组成图像，显示有关的解剖关系，而且所得图像清楚，这种图像可以不显示相邻体素，可信度更高。如果选面不精确，就容易导致假象或丢失病变^[22]。三维重建技术是指将螺旋CT扫描的原始数据经计算机重新处理，在x、y 轴的二维图像上对z轴(立体轴)进行投影转换及负影显示处理，进而得到重建出的立体图像。这样的图像直观并且层次分明，解剖结构清晰可见。如果只在二维图像上设计及测量钉道的相关参数，则缺乏空间立体结构位置的认识，所测平面不能保证完全经过椎弓根轴线所在平面，从而造成误差。如果单纯在三维重建所得立体结构中测量，则空间定位困难，不容易准确标定，这样测量角度及长度的可行性差。将二维和三维成像相结合进行测量，可避免上述缺点，钉道设计更加合理，测量结果更精确。目前，寰枢椎椎弓根数字化测量的方法报道不一，文献中所述的测量方法在理论上都是依据椎体椎弓根钉道的轴面进行测量，但如何准确找到椎体椎弓根轴面，却少有报道。截至目前，尚无一种能够被广为接受的、较为标准的寰枢椎椎弓根钉道参数的CT测量方法及其相关详细测量步骤。

2.3 成人寰枢椎椎弓根数字化测量的研究近年来，椎弓根螺钉内固定技术发展迅速，其具有三点固定、生物力学合理、稳定牢固等特点，已被广泛应用于脊柱内固定手术中^[23-28]。同样，也有研究总结了椎弓根作为重要的螺钉置入部位，术前掌握其二维及三维空间信息有助于螺钉正确置入，通过二维及三维重建图像能直观地显示病变椎弓根的部位、范围及局部解剖情况，正确评估病情，有利于临床治疗方案的选择。

数字骨科技术的发展为有效提高寰枢椎置钉的成功率、降低置钉风险提供了新的技术手段。通过数字骨科的建模技术，在术前可以获得患者寰枢椎的三维立体图形，并打印出等比例的实体模型为手术设计和模拟提供参考。而通过逆向工程技术的应用，在借助计算机技术寻找到最佳螺钉钉道的同时，还可以设计1个为椎弓根钉道指引方向的个性化导航模版，从而显著提高置钉准确率，降低手术风险。这与传统的椎弓根置钉技术相比，无疑是技术上的一大进步。在模版的设计制作及手术具体应用过程中也存在精度控制和把握的问题。为了提高模版的匹配精度，要求CT扫描的厚度尽量控制在1 mm左右，激光快速成型机的打印精度也应该<1 mm。这样获得的数字模型和导航模版也具有较高的平滑性和精确度，以便和术中的解剖部位获得精准匹配。另外，使用逆向工程软件设计匹配模版的匹配面时，应将冠状面和矢状面的限位接触点均纳入考虑，以获得较高的冠状面和矢状面匹配精度。在手术显露过程中，应用电刀将黏附在椎板及后弓的软组织尽量清理干净，并尽可能保留其骨性结构，获得最佳的理想匹配。在手钻钻孔之前，用高速磨钻将进钉点的骨皮质打磨后，手钻比较容易进入椎弓根松质骨内，不易发生偏移。

王建华等^[19]将术前接受薄层CT扫描的30例上颈椎疾患患者(其中男16例，女14例)的数据输入Mimic和Simpleware软件后，建立三维仿真模型，并设计最佳的椎弓根钉道，然后根据钉道设计导航模版。用激光快速成型机打印导航模版，用于手术时辅助寰枢椎椎弓根螺钉置钉。结果可见60枚寰椎椎弓根螺钉及60枚枢椎椎弓根螺钉均位于设计的椎弓根钉道内，未出现向外偏入椎动脉孔及向内偏向椎管的现象，置钉成功率达100%。所以，对于解剖变异较多的寰枢椎实施椎弓根置钉技术，可以充分发挥数字骨科的技术优势，有效提高置钉的成功率。寰枢椎的数字化导航模版技术是一种非常实用的寰枢椎椎弓根个性化置钉辅助工具。

何宏伟等^[29]利用CT重建62例患者寰椎图像，设计理想的进钉通道，测量寰椎椎弓根螺钉通道的相关骨性参数，测量内容包括寰椎椎弓根最小高度、进钉点位置、螺钉通道角度、螺钉通道最大长度、通道在椎弓根内的长度，再计算寰椎沟环变异率，为临床应用椎弓根螺钉技术提供指导。测量结果：成年男女寰椎椎弓根最小高度分别为(4.4±1.2)，(3.8±0.8) mm，其中高度≥3.0 mm占91%。成年男女进钉点位置至正中线距离分别为(21.7±1.2)，(20.8±1.3) mm；螺钉通道内倾角分别为(10.1±2.1)°，(10.3±2.6)°；螺钉通道最大长度分别为(26.9±1.8)，(26.5±1.8) mm；椎弓根内螺钉通道长度分别为(8.0±1.1)，(7.9±1.2) mm。寰椎沟环变异率为25.8%，根据寰椎沟环变异分型得出，Ⅱ-Ⅳ型后环发生率为21.0%。这表明椎弓根最小高度及Ⅱ-Ⅳ型椎动脉后环变异直接影响螺钉置入；MPR成像技术能设计理想的椎弓根螺钉置钉方案；寰椎椎弓根螺钉固定患者术前CT测量是非常必要的。

谭健等^[30]应用螺旋CT三维重建20例健康成人寰椎的椎弓根，研究寰椎椎弓根进钉通道在矢状面角(SSA)为0°时不同水平面角(TSA)方向投影的变化规律。结果显示，不同个体甚至同一个体的左右两侧椎弓根形态之间有差异。部分寰椎椎弓根进钉通道长度和内切圆半径小于椎弓根螺钉最小长度和最小半径，椎弓根进钉通道内切圆半径小于最小椎弓根螺钉半径时置钉会穿破椎弓根的皮质骨，不适合采用寰椎椎弓根螺钉内固定技术。术前用数字化技术测量寰椎椎弓根进钉通道可以实现个体化置钉。

郑轶等^[31]对60具成年人枢椎标本进行解剖学测量和CT测量，研究测量的解剖结构包括枢椎椎弓根进钉点至前正中线的距离、枢椎椎弓根的骨性钉道长度以及进针的外倾角和下倾角。解剖学测量的进钉点为枢椎上关节面下5.0 mm、距离前正中矢状面7.0-8.0 mm处，出针点为枢椎的滋养孔处。CT钉道测量采用图像处理软件直接测量相关数据。结果显示，解剖学测量和CT测量两种方式在测量指标上的差异均有显著性意义(P < 0.05)。分析认为，解剖学测量是运用游标卡尺的量角器在标本上进行评估，而CT测量则是使用专业图像分析系统进行测量，两组的测量方法和精确度均有所不同。解剖学测量是在标本表面进行的间接测量，而CT测量则是在矢状面CT上直接进行测量，因此认为CT测量对术中置入椎弓根螺钉具有重要的参考意义，与解剖学测量相比较，它能够更加直观准确地反映置钉的实际情况。

庞小平等^[32]应用CT三维重建技术模拟颈椎椎弓根螺钉置入，获取预置螺钉的椎弓根解剖学数据及置钉参数方法。结果显示，以CT三维重建技术能重建出清晰的颈椎三维图像，同时获得了预置螺钉的椎弓根管、轴线长度、椎弓根外倾角和下倾角的相关数据；在颈椎椎弓根螺钉置入情况下，可测得置钉水平角度安全范围。实验结果说明了通过报道方法可模拟手术过程，再进行三维测量，来获取椎弓根螺钉置入的个体化数据，为颈椎椎弓根螺钉置入的安全性提供了一种可靠地研究方法。

目前关于进钉角度，上倾5°已基本一致，但内倾多少即采用10°，15°或更大角度尚未统一，而椎弓根钉的进钉点选择位于后弓上缘下3.0-4.0 mm已达到共识。选择离中线旁开多少，由于存在个体解剖上的差异在术中较难确定。进钉点的位置偏内或者偏外能直接影响内倾角度。因此，确定理想的内倾角后进钉点在水平线上的选择也基本上能够确定。王春等^[33]通过对正常人寰椎椎弓根轴位CT扫描测量，认为选择枢椎侧块中点外2 mm做垂线与寰椎后弓上方下 3 cm处交点为进钉点，内倾15°、上倾5°置钉作为寰椎椎弓根置钉方法较为安全可靠可行。为了达到临床置钉的满意效果，术前行寰枢椎轴位CT扫描了解寰椎椎弓根可利用间隙，排除解剖变异是必要的。术中由后弓向下往侧块剥离，显露后弓与侧块的交接点，在神经剥离子保护下用磨钻开口，通过术者手感与C形臂X射线机透视监测下置钉，以确保置钉准确安全。

李涛等^[34]通过对寰椎椎弓根轴位、矢状位多平面CT重建，测量个体化改良椎弓根进钉路径数据，以期提高寰椎椎弓根置钉准确率。选取20具成人颈椎标本，男11具，女9具，年龄不详。进行螺旋CT薄层扫描多平面重建，在寰椎椎弓根轴位像上建立改良的椎弓根进钉路径，即经椎管外缘和齿突孔外缘划切线L1线，经椎动脉孔内缘画L2线平行于L1线，经L1、L2线之间中点画A线平行于L1、L2线，A线即为改良的寰椎椎弓根进钉路径，见图1，2。根据A线确定并测量椎弓根进钉点、进钉方向等个体化置钉参数。

根据测量的置钉参数在标本的寰椎椎弓根置入直径3.5 mm皮质骨螺钉。多平面CT重建后影像学测量表明，改良寰椎椎弓根进钉路径的进钉点距寰椎后结节：右侧(25.8±1.9) mm，左侧(25.7±1.8) mm，比传统的进钉点(距寰椎后结节18-20 mm)更偏外；进钉内倾角度：右侧(21.1±4.6)°，左侧(20.0±4.9)°，比传统的内倾角(0-10°)更大。20具颈椎标本共置钉40枚，置钉后行螺旋CT扫描，按照Ludwing椎弓根置钉安全标准：0级36枚(90%)，1级4枚(10%)。结果可见寰椎椎弓根多平面CT重建下建立的改良椎弓根进钉路径，能够获取进钉点、进钉角度的个体化置钉参数。该路径比传统的方法进钉点更偏外，内倾角更大，能够提高寰椎椎弓根置钉准确率。

郝定均等^[35]通过三维CT重建测量正常状态下寰椎“椎弓根”形态及其相关解剖学数据，对其进行分类并探讨其临床意义。选取150例正常成人志愿者，年龄18-52岁(平均32.3岁)，排除相关上颈椎疾患，尤其局部骨性增生明显者。对其寰枢椎进行螺旋CT扫描，在CT三维多平面重建下，取经枢椎下关节突中点矢状线延长线与寰椎椎动脉沟底部下2 mm处后弓的交点为A点，同时建立通过椎动脉沟底部下2 mm处的寰椎横切面图，取寰椎后弓移行为侧块处椎动脉孔内壁与椎管外壁连线的中点为B点，AB连线的延长线与寰椎前弓的交点为C点，AC连线即为寰椎椎弓根钉道，见图3。取经AC连线建立寰椎椎弓根通道的矢状面切图，见图4。

测量寰椎双侧椎弓根各主要解剖参数：寰椎椎弓根的上倾角，椎动脉沟底椎弓根厚度(H1)，寰椎椎弓根最大厚度；根据H1数值的大小分型，探讨各分型与椎弓根钉选择的相符性。结果：钉道椎动脉沟底处骨质厚度为(4.10±1.17) mm。根据H1数值的大小，以直径4.00 mm和3.50 mm的螺钉为参照，分为4型：正常型：H1>4.00 mm(92例，61.3%)；相对狭窄型：3.50 mm<H1≤4.00 mm(33例，22%)；狭窄型：3.00<H1≤3.50 mm(15例，10%)；无椎弓根型：H1≤3.00 mm (10例，6.7%)。正常寰椎椎弓高度(4.10± 1.17) mm，上倾角(8.24±1.31)°。左右两侧比较无差异(P > 0.05)。正常型和相对狭窄型建议采用“椎弓根”螺钉技术。狭窄型和无椎弓根型者采用侧块螺钉技术。可见三维CT重建能够准确提供寰椎椎弓根的解剖学形态、解剖学参数，根据寰椎椎动脉沟处骨质的高度进行分类，可以较好的指导寰椎后路“椎弓根”及侧块螺钉固定技术的选择及螺钉直径的选择。

2.4 儿童寰枢椎椎弓根数字化测量的研究儿童正处于不断生长发育阶段，不同年龄儿童寰枢椎在解剖形态、生理功能和生物力学等方面均表现出与成人不同的特征^[36]。目前，国内外医学上治疗儿童寰枢椎骨折、脱位、肿瘤及结核等疾病最常用方法依旧是椎弓根螺钉内固定技术，因此，对儿童寰枢椎椎弓根相关数据的测量是非常有必要的。有关儿童寰枢椎椎弓根内部的三维空间通道特征的数字化研究尚处于起步阶段，相关报道多为较大儿童干燥骨测量，有关幼儿、学龄前期儿童寰枢椎椎弓根内部通道特征的解剖学和数字化测量研究尚处于空白。

林斌等^[37]对20例6-8岁儿童寰枢椎椎弓根相关参数进行测量，结果显示，寰椎椎弓根高度和宽度分别为(5.26±0.44)，(6.26±0.75) mm，寰椎椎动脉沟下方的寰椎后弓的外侧1/3高度为(4.07±0.24) mm，枢椎椎弓根外缘高度和内缘高度分别为(6.86±0.48)，(6.67±0.49) mm，上缘、中缘、下缘宽度分别为(6.63± 0.61)，(5.41±0.39)，(3.71±0.30) mm。CT测量寰椎高度为(5.47±0.34) mm，宽度为(6.63± 0.54) mm；枢椎高度为(6.59±0.51) mm，宽度为(5.13±0.42) mm，寰枢椎椎弓根纵轴与正中矢状面的角度分别为(9.60±1.32)°，(27.8±2.22) °。分析认为，在6-8岁儿童寰枢椎椎弓根能够容纳直径为3.5 mm的螺钉。

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