下頸椎后路經(jīng)椎弓根固定的個性化導航模板研發(fā)及其置釘準確性分析.pdf

1、引言：
　　 下頸椎椎弓根螺釘內固定系統(tǒng)因其良好的生物力學性能已成為最常用的下頸椎脊柱內固定方法之一。因下頸椎椎弓根毗鄰結構解剖復雜而重要，手術置釘難度較大，與之相關的手術并發(fā)癥時有發(fā)生。即便是具有一定經(jīng)驗的醫(yī)生也難以完全避免并發(fā)癥的發(fā)生。如果螺釘植入位置不佳，不僅引起內固定系統(tǒng)強度下降甚至失效，更著影響手術療效。手術成功的關鍵在于植入螺釘必須按照椎弓根長軸軸線通過這一狹小骨性管道。結合三維重建技術，我們利用三維重建軟件，使椎弓

2、根螺釘通道可視化。目前遇到的困難是不同個體的下頸椎存在著差異，難以做到統(tǒng)一化置釘。依據(jù)病人具體的情況進行個性化置釘是未來的發(fā)展方向。最近幾年快速成型技術的快速發(fā)展，為脊柱外科的發(fā)展開辟了新的道路。我們依據(jù)三維重建技術，快速成型技術和逆向工程原理，設計并制作個性化的導航模板，術前可以依據(jù)建好的椎體三維模型，使椎弓根螺釘通道可視化，設計制作好帶有虛擬克氏針通道可以觀察椎弓根四壁是否發(fā)生穿孔;術后置入實物克氏針;經(jīng)再次CT掃描并三維重建后，我

3、們對椎體進行配準，對比實物克氏針與虛擬克氏針，而后進行三維空間比對，研究實物克氏針與虛擬克氏針的三維空間位移變化，以及角度變化。進而評價我們所設計的導航模板的精確性和應用的科學性。
　　 目的：
　　 利用逆向工程原理和快速成型技術以及CT三維重建技術制作出個性化的導航模板，輔助下頸椎后路經(jīng)椎弓根克氏針置入;采用標本實驗的方法評價導航模板輔助克氏針置入的精確性以及可行性。對術前虛擬設計的克氏針和術后實物克氏針進行配準，計

4、算出三維空間角度變化和空間位移的大小，以此評價導航模板的精確性。
　　 方法：
　　 1、材料:選取福爾馬林浸泡的的新鮮頸椎(C3-C7)尸體標本4具，男性標本2具，女性標本2具;所有標本術前均通過肉眼觀察及影像學篩選，以排除腫瘤、骨折、結核等病變。標本包括頸椎(C3-C7)后部、側方的軟組織。
　　 2、方法:
　　 2.1、掃描標本獲得下頸椎CT圖像資料:
　　 對4具標本進行術前64排螺旋C

5、T掃描，掃描條件:電壓120kV，電流150mA，層厚0.5mm，矩陣512×512。將掃描的CT斷層數(shù)據(jù)以DICOM格式進行儲存.
　　 2.2、下頸椎CT圖像資料導入Mimics10.01軟件:
　　 將以DICOM格式進行儲存的CT斷層數(shù)據(jù)，導入到三維重建軟件Mimics10.01(MaterialiseCompany，比利時)中，進行下頸椎三維模型圖像的分割重建，獲得單個下頸椎圖像，并且對每個椎體圖像數(shù)據(jù)進行編碼

6、，以STL格式儲存以備用。
　　 2.3、確定下頸椎椎弓根峽部:
　　 將單個椎體數(shù)據(jù)（STL格式）導入到GeomagicStudio（Geomagic公司，美國）中，以橫突平分線為基準線，在垂直方向上尋找平分椎體的矢狀線，從而找到椎弓根軸線;沿著椎弓根軸線方向，利用‘創(chuàng)建特征’功能尋找到椎弓根最大內接圓直徑最小的部位，即是椎弓根峽部。同時保留椎弓根峽部內接圓曲線，椎弓根峽部最大內接圓曲線以wrp格式儲存，備用。

7、　　 2.4、設計導航模板螺釘定位桿:
　　 在Geomagic中，利用‘創(chuàng)建特征’功能尋找到椎弓根峽部的最大內接圓，最大內接圓以IGS的方式進行儲存;把最大內接圓數(shù)據(jù)輸入到UG中，沿椎弓根軸線方向，設計出直徑為2mm的導航模板克氏針定位桿。對左右兩側的2mm虛擬克氏針進行布爾運算，而后再與椎體進行布爾運算，設計出帶有克氏針通道的椎體三維模型。
　　 2.5、設計制作下頸椎三維模型:
　　 將帶有克氏針虛擬通道

8、的下頸椎椎體模型輸入到美國三維立體打印機SpectrumZ510(ZCorp.美國)公司生產(chǎn)SpectrumZ510三維立體打印方式成型機進行打印。主要通過以下幾個步驟設計制作個性化的椎體三維模型，預備三維設備;用Zprint軟件準備好搭建過程;去除部件，初步定型。從而獲得帶有克氏針通道的椎體快速成型模型。
　　 2.6、制作導航模板:
　　 由模型組C3-C7兩側置入直徑為2mm長80mm克氏針，用調和好的牙托粉在兩枚

9、克氏針周圍進行堆積，制作模塊，待牙托粉充分凝結之后拔出克氏針，對模塊進行手工分離。從而獲得帶有克氏針通道的導航模板。
　　 3、C3-C7標本準備:
　　 取4具頸椎標本，進行準備。剔除椎板后部的軟組織，暴露椎板;切除棘間韌帶和棘上韌帶，暴露棘突。充分暴露椎體后部骨面結構，使導航模板與椎體椎板骨曲面緊貼。沿著導航導向孔置入克氏針，克氏針的直徑是2mm。雙側同時置入克氏針，共40個。
　　 3.1、二次CT掃描帶有

10、克氏針的下頸椎標本
　　 克氏針置入后，再次進行螺旋CT掃描，掃描條件相同。將掃描的CT斷層圖像導入到三維重建軟件Mimics10.01中，選取合適的骨閾值，對下頸椎圖像灰度提取，選擇合適的閾值進行三維重建（采用相同的閾值和重建技術），克氏針單獨進行圖像重建。而后以STL格式導出，備存。
　　 3.2、實際克氏針與虛擬克氏針位置數(shù)據(jù)的提取
　　 克氏針置入后，再次進行螺旋CT掃描。將掃描的CT斷層圖像導入到三維重

11、建軟件Mimics14.01中，對下頸椎進行三維重建（采用相同的閾值和重建技術），以STL格式導出。
　　 在Geomagic10.0軟件中將再次掃描的CT數(shù)據(jù)與置釘前的CT數(shù)據(jù)利用特征標志點進行3D配準，使兩者坐標系統(tǒng)一，利用Geomagic10.0中“提取特征”的功能擬合克氏針，并提取并記錄虛擬克氏針與實際克氏針在頸椎進釘點的六自由度數(shù)據(jù)，包括x、y、z軸的位移數(shù)據(jù)及x、y、z軸的旋轉數(shù)據(jù)。
　　 3.3、實際克氏針

12、與虛擬克氏針位置差值的提取
　　 重新建立坐標系，以下頸椎的長軸為Z軸，以左右方向為X軸，以前后方向為Y軸;以橫突中部所在的水平面為0°基準面，正中矢狀面所在的平面為0°基準面。在GeomagicQualify11中，同時導入術前帶有虛擬克氏針的椎體和術后帶有實物克氏針的椎體，對于術前設計好的椎體我們對虛擬克氏針采用創(chuàng)建特征功能，編輯出克氏針的軸線，以IGS格式進行備存;同樣的方式，我們對術后置入克氏針的椎體利用創(chuàng)建特征功能尋找

13、到實物克氏針的軸線，以IGS的格式進行儲存?zhèn)浞荨Ｔ谀嫦蚬こ誊浖﨨X6.0中，輸入虛擬克氏針軸線曲線以及實物克氏針軸線曲線，進行編輯。采用NX6.0中分析功能中的測量角度功能可以計算出兩條直線在不同平面的空間角度改變數(shù)值大小，同理采用測量距離功能計算出兩條直線之間的最小距離，同時可以獲得在各個平面的位移投影距離的大小。
　　 結果：
　　 應用快速成型技術和逆向工程原理，設計下頸椎個性化導航模板40個，輔助下頸椎40個克氏

14、針置入;術中發(fā)現(xiàn)每個下頸椎的導航模板與椎體椎板緊密結合，模板具有較高的匹配程度以及穩(wěn)定性。虛擬克氏針六自由度的位移參數(shù):X軸是160.046±98.479mm、Y軸是-199.976±6.703mm、Z軸是-288.941±128.153mm.旋轉參數(shù):X軸是-0.203±0.439°、Y軸是0.151±0.494°、Z軸是0.027±0.127°。實際克氏針六自由度的位移參數(shù):X軸是159.675±99.162mm、Y軸是-200.4

15、56±6.719mm、Z軸-283.472±125.079mm;旋轉參數(shù):X軸是0.277±0.317°、Y軸是0.262±0.416°、Z軸0.048±0.230°。通過配對樣本t檢驗得知，位移在X、Y、Z軸方向均無統(tǒng)計學差異，p＞0.05;角度在X、Y、Z方向均無統(tǒng)計學差異，p＞0.05。實際克氏針與虛擬克氏針之間的偏差，X軸位移偏差是1.58±0.66mm、Y軸位移偏差是1.96±0.84mm、Z軸位移偏差是2.33±1.15mm