CT三維重建建立腰椎椎弓根螺釘分析模型.pdf

1、引言 椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)因其良好的生物力學(xué)性能已成為最常用的脊柱內(nèi)固定方法之一。因椎弓根毗鄰結(jié)構(gòu)解剖復(fù)雜而重要，手術(shù)置釘難度較大，與之相關(guān)的手術(shù)并發(fā)癥時(shí)有發(fā)生。螺釘植入位置不佳，又可引起內(nèi)固定系統(tǒng)強(qiáng)度下降甚至失效，影響手術(shù)療效。手術(shù)成功的關(guān)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。因此，關(guān)于椎弓根螺釘植入定位導(dǎo)向技術(shù)的研究成為影響手術(shù)置釘成功率的重要因素。既往的研究重在對(duì)人群總體共性的發(fā)現(xiàn)，其結(jié)論的普遍性與臨床

2、應(yīng)用要求個(gè)體化的特殊性之間存在矛盾，如何做到個(gè)體化，如何使個(gè)體化成為不需昂貴計(jì)算機(jī)手術(shù)導(dǎo)航設(shè)備即能實(shí)現(xiàn)的實(shí)用技術(shù)。是本實(shí)驗(yàn)萌生的初衷。本實(shí)驗(yàn)利用現(xiàn)代影像技術(shù)如多排螺旋CT可以精確顯示脊柱細(xì)微結(jié)構(gòu)的特性，結(jié)合日漸成熟的圖像三維重建技術(shù)，尋求通過影像學(xué)研究建立個(gè)體化椎弓根螺釘分析模型的可能；并對(duì)男女各30例64層螺旋CT掃描腰椎影像資料進(jìn)行三維重建，利用本分析模型分析不同腰椎節(jié)段椎弓根螺釘不同方向允許偏差的最大角度，相應(yīng)進(jìn)釘點(diǎn)的變化。在此基

3、礎(chǔ)上確定最佳螺釘徑線，測(cè)量其水平面進(jìn)釘角(transverse section angle TSA)，矢狀面進(jìn)釘角(sagitalseetion angle SSA)，釘?shù)篱L度，最佳進(jìn)釘點(diǎn)的位置。與同類研究相比較，本研究在研究內(nèi)容及分析的指標(biāo)方面更加全面細(xì)致，臨床實(shí)用性更突出。可以為臨床提供較好的個(gè)體化術(shù)前虛擬置釘方案。提高手術(shù)安全性和準(zhǔn)確性，減少并發(fā)癥的出現(xiàn)，提高遠(yuǎn)期療效。 第一部分腰椎CT影像三維重建建立椎弓根螺釘分析模型目

4、的通過對(duì)腰椎CT影像資料的分析測(cè)量，結(jié)合三維重建與矢量分析軟件，探索CT三維重建建立腰椎椎弓根螺釘分析模型的方法，為椎弓根螺釘內(nèi)固定的科研和臨床提供方法支持。 方法 1．1材料：珠江醫(yī)院影像科飛利浦64層螺旋CT掃描腰椎影像資料1例，30歲，男性。掃描層厚1mm，間隔0.5mm。包括完整L1至L5椎體及全部附件結(jié)構(gòu)，無椎體椎弓毀損、嚴(yán)重畸形等導(dǎo)致局部解剖結(jié)構(gòu)難以辨認(rèn)，無腰椎手術(shù)史。計(jì)算機(jī)配置：CUP 1.5GHz；內(nèi)存5

5、12MB：操作系統(tǒng)Windows XP Profession SP21．2方法： 1．2．1腰椎CT影像資料導(dǎo)入Mimics8.1軟件： 利用Philips Mxliteview version 1.22軟件確定腰椎影像資料單個(gè)椎體節(jié)段所對(duì)應(yīng)的起止層數(shù)及相應(yīng)文件編號(hào)，以單個(gè)椎體為單位將其影像資料導(dǎo)入Mimics8.1軟件。 1．2．2確定椎弓根中心點(diǎn)C： 在Mimics8.1程序中分別找到雙側(cè)椎弓根最狹窄

6、處平面椎弓根中心點(diǎn)C并標(biāo)記，后續(xù)創(chuàng)建的各螺釘模型均通過該點(diǎn)。 1．2．3創(chuàng)建通過椎弓根中心點(diǎn)C的初始螺釘，確定椎弓根螺釘長度、直徑： 利用Mimics8.1軟件自帶的3D建模功能創(chuàng)建通過椎弓根中心點(diǎn)C的圓柱體代表初始螺釘，標(biāo)準(zhǔn)為目測(cè)下盡量與椎弓根軸心共線。釘長以初始螺釘釘尖所在水平面圖像中釘尖距椎體前壁皮質(zhì)骨內(nèi)緣6mm為準(zhǔn)，直徑等于或稍大于雙側(cè)椎弓根中心點(diǎn)平面中較小一側(cè)椎弓根松質(zhì)骨部分的橫徑，雙側(cè)螺釘取相同直徑。

7、 1．2．4創(chuàng)建內(nèi)、外，內(nèi)上、外上進(jìn)釘方向的椎弓根螺釘模型： 在AutoCAD2006軟件中測(cè)量椎弓根中心點(diǎn)和同側(cè)初始螺釘釘尖兩點(diǎn)間距離R，規(guī)定后續(xù)創(chuàng)建各不同進(jìn)釘角度螺釘時(shí)椎弓根中心點(diǎn)至其釘尖部分長度均為R。在Mimics8.1程序中以左右椎弓根中心點(diǎn)為圓心，其對(duì)應(yīng)R為半徑創(chuàng)建球模型，在初始椎弓根螺釘釘尖與上下終板平行平面中選取球與椎體外緣交點(diǎn)作為外側(cè)螺釘釘尖點(diǎn)，選取雙側(cè)球交點(diǎn)作為內(nèi)側(cè)螺釘釘尖點(diǎn)。內(nèi)外側(cè)螺釘釘尖點(diǎn)以椎弓根中心點(diǎn)為

8、頂點(diǎn)形成的夾角即為椎弓根螺釘內(nèi)外夾角，在上終板平面選取球與上終板外緣交點(diǎn)作為外上方螺釘釘尖點(diǎn)，選取雙側(cè)球交點(diǎn)作為內(nèi)上方螺釘釘尖點(diǎn)。內(nèi)上方、外上方螺釘釘尖點(diǎn)以椎弓根中心點(diǎn)為頂點(diǎn)形成的夾角即為椎弓根螺釘上方夾角。采用上述輔助定位后如遇椎弓根部穿破情況則需要手動(dòng)調(diào)整螺釘以使螺釘剛好與原穿破側(cè)椎弓根骨壁相切。 1．2．5創(chuàng)建下側(cè)進(jìn)釘方向的椎弓根螺釘模型： 在AutoCAD2006程序中將椎弓根螺釘內(nèi)外夾角、上方夾角兩等分，由同側(cè)

9、兩等分點(diǎn)與椎弓根中心點(diǎn)共同創(chuàng)建一平面，依該平面與同側(cè)球在下終板平面交點(diǎn)創(chuàng)建下方螺釘模型。上方夾角等分點(diǎn)與下方螺釘模型釘尖點(diǎn)以椎弓根中心點(diǎn)為頂點(diǎn)形成的夾角即為椎弓根螺釘上下夾角。 結(jié)果 本例腰1至腰5椎體均成功創(chuàng)建椎弓根螺釘分析模型。椎弓根中心點(diǎn)定位并無困難，螺釘手動(dòng)調(diào)節(jié)困難不大。初始螺釘與最佳螺釘比較進(jìn)釘方向基本一致，說明初始螺釘創(chuàng)建滿意。結(jié)合本實(shí)驗(yàn)第二部分創(chuàng)建椎弓根螺釘分析模型經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其中外側(cè)、外上方、內(nèi)上方螺釘利用

10、球模型定位幾乎均未發(fā)生椎弓根骨壁穿破情況，既螺釘穿破椎體前尚不能危及椎弓根，提示在此三方向上，椎體的解剖數(shù)據(jù)對(duì)置釘?shù)挠绊懘笥谧倒慕馄蕯?shù)據(jù)。而內(nèi)側(cè)螺釘穿破椎弓根情況稍多、下方螺釘穿破椎弓根情況較多，尤其是隨著腰椎節(jié)段下降，穿破例數(shù)和穿破程度均呈增加趨勢(shì)。提示在此兩方向上，椎弓根的解剖數(shù)據(jù)對(duì)置釘?shù)挠绊懘笥谧刁w的解剖數(shù)據(jù)。也反映了椎弓根橢圓形橫斷面長軸逐漸由豎直轉(zhuǎn)為內(nèi)上到外下方向?qū)Υ┐讨冕數(shù)挠绊憽?結(jié)論 本研究方法將CT薄

11、層掃描圖像與三維重建軟件、矢量分析軟件相結(jié)合，使得椎骨細(xì)微解剖變化顯示更清晰，測(cè)量精度提升。本模型可以成功創(chuàng)建各不同進(jìn)釘角度螺釘并確定最佳螺釘，對(duì)臨床手術(shù)置釘和椎弓根螺釘內(nèi)固定的科研均有實(shí)際意義。本模型不足之處在于無法模擬實(shí)際手術(shù)置釘時(shí)椎弓根骨壁變形對(duì)數(shù)據(jù)的影響，無法模擬松質(zhì)骨與密質(zhì)骨界面對(duì)穿刺置釘?shù)挠绊?，有待進(jìn)一步完善。 第二部分運(yùn)用本模型分析60例CT資料的分析結(jié)果 目的 驗(yàn)證本方法的有效性，測(cè)量腰椎椎弓根螺

12、釘相關(guān)數(shù)據(jù)，指導(dǎo)臨床手術(shù)。 方法 1材料與方法1．1一般資料本組60例腰椎影像資料均取自珠江醫(yī)院影像科飛利浦64層螺旋CT掃描病例，掃描層厚為1mm，掃描間距0.5mm，包括完整L1至L5椎體及全部附件結(jié)構(gòu)，排除椎體椎弓毀損、嚴(yán)重畸形等導(dǎo)致局部解剖結(jié)構(gòu)難以辨認(rèn)、腰椎手術(shù)后病例。其中男性30例，女性30例。男性病例年齡分布為29-75歲，平均45.33±14.50歲；女性病例年齡分布為21-63歲，平均43.13±13.23

13、歲。 1．2分析方法1．2．1根據(jù)第一部分創(chuàng)建椎弓根螺釘分析模型方法，在60例腰椎CT影像資料上分別創(chuàng)建各角度螺釘，標(biāo)記、測(cè)量下列指標(biāo)： 后中距：最佳進(jìn)釘點(diǎn)到同側(cè)椎弓根中心點(diǎn)間距離內(nèi)外夾角；同側(cè)內(nèi)外側(cè)螺釘釘尖點(diǎn)關(guān)于椎弓根中心點(diǎn)形成的夾角即為椎弓根螺釘內(nèi)外夾角內(nèi)外弧長：以椎弓根中心點(diǎn)為圓心，后中距為半徑，內(nèi)外夾角對(duì)應(yīng)的圓弧長度上下夾角；上方夾角等分點(diǎn)與同側(cè)下方螺釘模型釘尖點(diǎn)以椎弓根中心點(diǎn)為頂點(diǎn)形成的夾角即為椎弓根螺釘上下方

14、夾角上下弧長：以椎弓根中心點(diǎn)為圓心，后中距為半徑，上下夾角對(duì)應(yīng)的圓弧長度實(shí)驗(yàn)釘長：最佳進(jìn)釘點(diǎn)至最佳螺釘與同側(cè)球前方交點(diǎn)間距離即為實(shí)驗(yàn)釘長釘?shù)篱L：由最佳進(jìn)釘點(diǎn)至最佳出釘點(diǎn)間距離釘尾間距：左右最佳進(jìn)釘點(diǎn)間距離水平面進(jìn)釘角(trarisverse section angle TSA)；本實(shí)驗(yàn)采用左右最佳螺釘夾角的一半表示矢狀面進(jìn)釘角(sagital section angle SSA)：本實(shí)驗(yàn)采用左右最佳螺釘與上終板平面夾角的平均值表示將上述

15、指標(biāo)按對(duì)應(yīng)的病案號(hào)、性別、年齡、腰椎節(jié)段錄入spss13.0統(tǒng)計(jì)軟件。 1．2．2三維重建觀察螺釘最佳進(jìn)釘點(diǎn)的位置和各方向螺釘進(jìn)釘點(diǎn)關(guān)系，調(diào)整CT值下限閾值使椎弓后部結(jié)構(gòu)盡量顯示清晰，以利觀察。 1．3統(tǒng)計(jì)方法本實(shí)驗(yàn)采用SPSS13.0統(tǒng)計(jì)軟件。對(duì)同一椎體左右兩側(cè)椎弓根螺釘相對(duì)數(shù)據(jù)行計(jì)量資料配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，對(duì)男女組間相關(guān)數(shù)據(jù)行計(jì)量資料獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，對(duì)男女組內(nèi)不同腰椎節(jié)段間相關(guān)數(shù)據(jù)行單向方差分析及不同腰椎節(jié)段間LSD法多

16、重比較。顯著性水平設(shè)為雙側(cè)α=0.05。 結(jié)果 從男女性各項(xiàng)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可以看出： 本實(shí)驗(yàn)納入病例男女間年齡均數(shù)相近，行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，說明本研究男女組間年齡相當(dāng)，具有可比性。 腰椎各項(xiàng)指標(biāo)在節(jié)段間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。 男女兩組螺釘內(nèi)外夾角均小于上下夾角，內(nèi)外弧長均小于上下弧長，這與腰椎椎弓根橢圓形切面中橫徑小于矢狀徑的解剖特點(diǎn)相對(duì)應(yīng)；女性椎弓根螺釘內(nèi)外夾角、上下夾角大于男性，男

17、性內(nèi)外弧長、上下弧長、后中距、釘尾間距、實(shí)驗(yàn)釘長、釘?shù)篱L、螺釘直徑大于女性，差別有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。 SSA從L1到L5呈逐漸減小趨勢(shì)，L3、L4、L5之間差異無顯著性。 結(jié)論 從本部分分析結(jié)果可以看出，腰椎椎弓根螺釘多項(xiàng)指標(biāo)以L3為分界線，其上下比較的差異有顯著性。提示L3作為腰椎生理性前凸的頂椎，其上下椎體、椎弓根結(jié)構(gòu)存在差異，另外L5椎體椎弓根較為特殊，釘尾間距、TSA、最佳進(jìn)釘點(diǎn)相比其余4個(gè)節(jié)段變化明顯，在實(shí)際