三维重建腰椎椎弓根螺钉置入的精确性

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.13.008

中国组织工程研究 ›› 2013, Vol. 17 ›› Issue (13): 2333-2338.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2013.13.008

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三维重建腰椎椎弓根螺钉置入的精确性

杨波，方世兵，尹飚，宋磊，王簕，万盛钰，谢景开

广州医学院第三附属医院骨科，广东省广州市 510150

收稿日期:2012-07-19 修回日期:2012-09-18 出版日期:2013-03-26 发布日期:2013-03-26
通讯作者: 方世兵，在读硕士，广州医学院第三附属医院骨科，广东省广州市 510150 fangshibing@yahoo.com.cn
作者简介:杨波☆，男，1965年生，四川省遂宁市人，汉族，2002年中山大学毕业，博士，教授，主要从事脊柱外科研究。
基金资助:
2008年广东省科技计划项目(2008A 030201015)；广州市科学技术经费项目( 2011J4100052)。

Accuracy of pedicle screw placement based on three-dimensional lumbar reconstruction

Yang Bo, Fang Shi-bing, Yin Biao, Song Lei, Wang Le, Wan Sheng-yu, Xie Jing-kai

Department of Orthopedics, the Third Affiliated Hospital of Guangzhou Medical University, Guangzhou 510150, Guangdong Province, China

Received:2012-07-19 Revised:2012-09-18 Online:2013-03-26 Published:2013-03-26
Contact: Fang Shi-bing, Studying for master’s degree, Department of Orthopedics, the Third Affiliated Hospital of Guangzhou Medical University, Guangzhou 510150, Guangdong Province, China fangshibing@yahoo.com.cn
About author:Yang Bo☆, Doctor, Professor, Department of Orthopedics, the Third Affiliated Hospital of Guangzhou Medical University, Guangzhou 510150, Guangdong Province, China

摘要/Abstract

摘要：

背景：三维重建技术已经广泛应用于椎弓根螺钉置入前规划，但是就其预测参数的准确性目前尚未见直接的分析与报道。
目的：基于CT三维重建技术应用于临床，对腰椎椎弓根螺钉置入前指导作用的精确性作初步分析。
方法：在Mimics软件下，随机对30例行腰椎椎弓根螺钉内固定的患者共136个椎弓根行内固定前CT三维重建，并通过内固定前模拟模块预测钉长、直径、水平面角及矢状面角度并与内固定后实际数据进行统计学比较。
结果与结论：内固定前通过Mimics软件对腰椎行三维重建，设计最佳钉道并模拟置钉，预测椎弓根螺钉长、直径、水平面角及矢状面角度与通过C型臂及内固定中导航系统等方式置钉后实际数据的差异无显著性意义(P > 0.05)，并且内固定后行CT扫描见置钉位置及长度均良好。说明通过Mimics软件对腰椎进行三维重建模拟置钉并制定置钉参数，能比较精确的指导内固定中实际置钉，提高椎弓根螺钉的置钉安全。

关键词: 骨关节植入物, 脊柱植入物, 三维重建, 椎弓根螺钉, 精确性, 腰椎, 水平面角, 矢状面角度, 模拟置钉, 置钉参数, 内固定, 省级基金, 骨关节植入物图片文章

Abstract:

BACKGROUND: The three-dimensional reconstruction techniques have been widely used in preoperative planning of pedicle screw placement, but the direct accuracy analysis of the forecast parameters has not yet been reported.
OBJECTIVE: To analyze the accuracy of three-dimensional reconstruction based on computerized tomography in the application of lumbar pedicle screw placement.
METHODS: By the using of the Mimics software, we selected 136 lumbar pedicles to perform the preoperative three-dimensional reconstruction, which were randomly selected from 30 patients treated with pedicle screw fixation. By the simulation modules of Mimics, the length, diameter, transverse section angle and sagital section angle were preoperatively predicted. Then, the data were statistically compared with the actual data of the patients postoperatively.
RESULTS AND CONCLUSION: Through the three-dimensional lumbar reconstruction preoperatively by Mimics software, the best channel of pedicle screw placement was designed and the placement of the screw was simulated. The length, diameter, transverse section angle and sagital section angle of preoperative predicted pedicle screw were pre-measured. There was no significant difference of the data when compared with the actual data obtained from the C-arm and intra-fixation navigation system after placement (P > 0.05). The postoperative actual location and length of pedicle screws were excellent from CT scans. Through the preoperative three-dimensional lumbar reconstruction by Mimics software, the parameters of simulating pedicle screw placement can precisely guide and improve the safety of pedicle screws placement.

Key words: bone and joint implants, spinal implants, three-dimensional reconstruction, pedicle screw, accuracy, lumbar, transeverse section angle, sagital section angle, simulate pedicle screw placement, screw parameters, internal fixation, provincial grants-supported paper, photographs-containing paper of bone and joint implants

中图分类号:

R318

杨波，方世兵，尹飚，宋磊，王簕，万盛钰，谢景开. 三维重建腰椎椎弓根螺钉置入的精确性[J]. 中国组织工程研究, 2013, 17(13): 2333-2338.

Yang Bo, Fang Shi-bing, Yin Biao, Song Lei, Wang Le, Wan Sheng-yu, Xie Jing-kai. Accuracy of pedicle screw placement based on three-dimensional lumbar reconstruction[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2013, 17(13): 2333-2338.

图/表（结果） 3

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引言

材料方法

对象和方法
设计：前后对比分析、单一样本观察。
时间及地点：实验于2011年12月至2012年5月在广东省骨科矫形技术与植入材料重点实验室完成。
对象：本组病例为随机抽取2009年3月至2011年9月广州医学院第三附属医院骨科行腰椎椎弓根螺钉内固定的患者30例，其中男12例，女18例；年龄30-88岁，平均63.2岁；共136个椎弓根，其中L1椎弓根16个、L₂椎弓根20个、L₃椎弓根22个、L₄椎弓根38个及L₅椎弓根40个。病例中腰椎间盘突出症伴椎管狭窄症13例、椎体压缩或爆裂性骨折9例和腰椎不稳伴椎管狭窄症8例。
诊断标准：①有急慢性腰痛病史，有或无下肢放射痛，伴或不伴有间歇性跛行，有相应的体征。②影像学检查明确有腰椎间盘突出、椎管狭窄、椎体不稳及压缩或爆裂性骨折。
纳入标准：①患者住院期间已行手术治疗。②手术前后均行CT扫描。③术后CT扫描显示所置椎弓根螺钉长度及位置按Andrew椎弓根螺钉位置分级标准全部为Ⅰ级^[1-2]，即椎弓根螺钉未突破椎弓根皮质。
排除标准：①术后未行CT扫描的病例。②术后CT扫描显示置入椎弓根螺钉长度及位置按Andrew椎弓根螺钉位置分级标准为Ⅱ级(突破皮质且≤ 2 mm)、Ⅲ级(突破皮质且> 2 mm)。方法：
三维重建方法：病例都行术前及术后腰椎CT扫描，扫描条件：日本东芝公司64排TOSHIBA Aquilion 64 CT机，管电压120 kV，管电流200 mA，层厚0.3 mm。对其术前术后预置钉椎体行CT扫描获取Dicom格式数据后，导入个人计算机中的Mimics10.01软件中(比利时Materialise公司)，采用阈值分割技术，提取骨的默认阈值设置(H值最小226，最大2 513)，获得腰椎的原始蒙板，通过区域增长技术，对初始阈值分割蒙板上彼此不相连接的分割区域进一步细分亚组，生成新的蒙板，并进行编辑及适当修改，基于蒙板进行3D模型计算，同时设置相关三维重建参数来对重建的三维模型进行优化，完成目标椎体的三维重建。
内固定前模拟置钉及相关参数的三维测量：运用Mimics软件中的医学计算机辅助设计模块(MedCAD)，设计绘制一圆柱体虚拟椎弓根螺钉，按照Weinstein法置钉^[3]，见图1，适当调整螺钉的长度、直径、水平面植入角度(水平面角)及矢状面植入角度(矢状面角度)，使虚拟螺钉与椎弓根轴线相吻合，以80%的骨-螺钉通道长度为植入深度，直径设计以保证各方向、部位均不穿破椎弓根骨皮质，同时最大化利用椎弓根的横径为原则。

完成虚拟置钉后，对三维模型进行适当透明化处理，通过Mimics软件上的测量工具，对所设计螺钉的长度、直径、水平面角及矢状面角度进行测量，见图2，3。
内固定后三维重建及置钉优良评定：内固定后椎弓根螺钉实际钉长和直径是已知的，对内固定后CT进行三维重建，利用Mimics软件的测量工具，配合软件剖切(Clipping)功能，可以对三维模型任意平面作剖切，以观察其内部螺钉置入情况，确认椎弓根螺钉长度及位置按Andrew椎弓根螺钉位置分级标准全部为Ⅰ级^[1-2]，即椎弓根螺钉未突破椎弓根皮质，因Ⅱ级(突破皮质且≤ 2 mm)、Ⅲ级(突破皮质且>2 mm)置入为不良置钉情况，作为排除标准，不纳入统计范畴，并对符合要求的目标选取最佳剖切平面对螺钉的术后实际水平面角及矢状面角度进行测量，见图4，5。

主要观察指标：①虚拟置钉后，测量该虚拟椎弓根螺钉的长度、直径及置钉水平面角和矢状面角度。②实际置钉的长度、直径及置钉水平面角和矢状面角度。
统计学分析：对内固定前后各节段各参数进行正态性W检验(Shapiro-Wilk W test)P > 0.05，呈正态分布且方差齐。内固定前后各节段各参数的比较符合配对资料t 检验的要求，将内固定前数据导入SPSS 13.0 for windows进行分析。

讨论

3.1 椎弓根螺钉固定技术及其优缺点 自1963年Roy-Camille首次报告使用椎弓根螺钉钢板治疗不稳定性胸腰椎骨折以来，椎弓根螺钉因其具有独特的三维矫形和固定功能，现已广泛应用于脊柱骨折脱位、脊柱畸形、腰椎滑脱、肿瘤和脊柱不稳等疾病的治疗，是脊柱外科中发展最迅速的内固定技术之一。然而，椎弓根螺钉的不良置钉，可以带来非常严重的并发症，譬如螺钉损伤其周围的血管、神经根、脊髓及内脏等重要结构，导致手术失败^[4-6]。椎弓根螺钉植入位置不佳，也可引起固定系统强度的下降甚至失效，带来不可预知的远期并发症。

椎弓根螺钉优良的三维矫形和固定功能有赖于椎弓根皮质结构的完整，因此，螺钉的植入要求准确贯穿椎弓根轴心线，螺钉的入钉点和在矢状位、水平位的进钉方向是关键，定位不准或进钉方向的偏差均可导致钉道偏离椎弓根中轴或穿出椎弓根。因此，为了尽量避免出现不良置钉，改进椎弓根螺钉的进钉点、进钉方向成为了重要的方法。目前，常用的置钉方法Roy-Cmille法、Weinstein法、Magerl法、Krag法及人字嵴顶点法等^[7-9]。对置钉深度，各种置钉方法的观点也不一致。近年来，术中C臂X射线机及CT定位结合计算机导航技术在脊柱外科中的应用，使得椎弓根螺钉越来越精确和简便^[10-12]。

尽管各种置钉方法和深度的研究一直在不停的完善，但因不良置钉导致不同程度并发症出现的报道却屡见不鲜。那是因为椎弓根是螺钉的惟一通道，有较大的个体及节段差异性。熊传芝等^[13]就对人体椎弓根钉道参数的变异性及其相关因素进行了研究，结果显示不同个体、不同节段水平均有显著不同，同时患者体质量及身高也是影响变异性的重要因素，并建议为了提高置钉准确率，手术医生应坚持个体化原则，对每一个不同的椎弓根都进行相应的术前置钉参数进行精确的测量，以指导手术，最大限度减少不良置钉的出现。20世纪70年代，CT扫描技术的产生和发展，使得医学诊断和治疗技术取得了极大的发展，甚至通过CT图像可以对多脊柱相关疾病进行分型。毛晓芬等^[14]通过回顾性分析，研究了15例极外侧型腰椎间盘突出症患者的腰椎CT及MRI影像表现，指出CT及MRI对极外侧型腰椎间盘突出症具有重要的诊断价值，并为外科手术入路提供指导。作者也可以在CT图像上进行螺钉相关参数的测量，但CT图像是人体及其内部器官的二维断层图像，其只能表达某一截面的解剖信息，测量上也只是一个截面的数据，不能在三维立体的空间下进行测量和验证测量结果的准确性，测量结果往往误差大，指导意义明显受限，甚至术中须二次置钉以完成手术。

3.2 三维重建技术在椎弓根螺钉置入中的应用 医学图像的三维重建技术正是为突破这个局限性应运而生，并在近年来得到了快速发展。它是运用计算机图形、图像处理技术，将一系列二维CT重建为立体三维图像，可以更完整、直观、真实地再现各种组织形态及其相对位置。也就是指在特定的工作站上应用计算机软件将螺旋扫描所获得的容积数据进行后处理，重建出直观的立体图像，是通过计算机对生物组织结构的影像处理，获得三维图像并能进行定量测量的一种形态学研究技术。三维重建技术不仅可以提供人体内部结构的数字化三维模型，而且利用相关软件，还能在模型上进行手术设计和生物力学分析。柯雨洪等^[15]对21例先天性半椎体脊柱畸形患者的术前CT扫描和三维重建，设计手术方案，分析结果显示，术前三维重建对手术操作有指导作用，缩短手术时间，减少术中出血，提高手术疗效。三维重建技术在骨科中的应用不局限于脊柱外科，在其他方向应用也非常广泛。比如通过人体股骨的三维重建进行形态研究及解剖参数的测量，可以更加全面、形像地认识股骨的几何形态，能为临床医师制定手术计划提供帮助，为个体化治疗的发展奠定基础^[16-18]。

扫描的图像导入Mimics软件进行三维重建。Mimics软件用的是真正的数字化三维重建技术，是一种图形技术，对设备的要求比较低，一般的家用PC机就可以运行。而且可以输出多种三维软件通用的格式，以供后续的计算机辅助设计、有限元分析、虚拟现实以及计算机辅助外科计划研究使用。宋磊等^[19]通过Mimics软件对30例骨折的骶髂关节CT扫描图片进行三维重建，并用于闭合手术治疗的术前指导作用的研究，发现其对手术操作具有明确的指导作用。杜长岭等^[20]将50例正常成人双侧股骨近端CT扫描数据导入Mimics软件中进行三维重建，测量左右股骨近端的形态参数，统计分析结果显示双侧股骨内外部形态存在一定的对称性，变异小，为股骨形态的测量提供理论依据，三维重建更利于对股骨近端形态参数的测量，对临床股骨近端骨折的诊治具有重大的意义。由于Mimics与基于CT设备的三维重建技术本质上的不同，所以应用也是不一样的。设备软件开发的目的是用于临床的诊疗，而Mimics主要倾向于后续的应用，比如有限元分析、快速成形技术、计算机辅助设计、手术过程模拟等。

通过三维重建，临床医生术前可对目标椎体进行精确测量，明确该椎弓根的形态大小、是否适合置钉及螺钉的型号，直观显示病变椎弓根的部位、范围及局部解剖情况，有利于治疗方案的选择。同时，利用该软件的计算机辅助设计及手术过程模拟模块，按测量结果进行模拟置钉，完成后可以全方位、多角度进行观察和验证，同时可以对虚拟螺钉相关参数钉进行微调，以达到最优化置钉效果后最终确定相关置钉参数。于海龙等^[21]将胸腰段椎体CT扫描后的Dicom数据导入到Mimics软件中进行三维重建，可以清楚地观察其双侧椎弓根结构是否完整，并且构建圆柱体模拟置钉并测量长度，有利于手主方案的制定。而实验针对其制定的参数的精确性进行分析，得出相同节段的术前所测量的置钉参数与术后实际置钉参数的差异无显著性意义，说明通过Mimics软件对腰椎进行三维重建，模拟置钉并制定置钉参数，能比较精确的指导术中实际置钉，提高椎弓根螺钉的置钉安全。

3.3 三维重建技术存在的不足及展望 随着三维重建技术在脊柱外科中的应用越来越广泛及深入，其局限性则越来越显现出来，譬如，脊柱三维重建与真正的解剖实体之间还存在一定的误差，其空间分辩率差，重建阈值对图像质量影响较大，处理不当易造成假象，增加了后处理的时间，对计算机的储量要求也较高等。尽管存在很大的局限性，但其在脊柱外科中的意义是不可取代的，为脊柱外科相关疾病的诊治带来了新的技术，相信会克服那些缺点，在临床应用中有着广阔的、不可估量的发展前景。随着生物医学工程、计算机图像三维重建软件、分子影像、生物芯片等技术的飞速发展，脊柱、脊髓、椎间盘、脊神经等分子水平三维图像定位、重建与显示将会成为可能，从而对脊柱疾患诊断与治疗将产生更深远的影响。

基金资助：2008年广东省科技计划项目(2008A 030201015)；广州市科学技术经费项目( 2011J4100052)。
作者贡献：第一作者进行实验设计，所有作者进行资料收集，第二作者进行实施，第一作者进行实验评估，第二作者成文，第一作者审校，第一、二作者对文章负责。
利益冲突：课题未涉及任何厂家及相关雇主或其他经济组织直接或间接的经济或利益的赞助。
伦理要求：没有与相关伦理道德冲突的内容。
作者声明：文章为原创作品，数据准确，内容不涉及泄密，无一稿两投，无抄袭，无内容剽窃，无作者署名争议，无与他人课题以及专利技术的争执，内容真实，文责自负。

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