腰椎椎管的解剖、三維重建及可視化研究.pdf

1、目的和意義：
　　 目前脊柱疾病呈現(xiàn)多元化,腰腿痛是威脅中、老年人的主要健康問題之一。一般認(rèn)為腰椎退行性改變(如椎間盤突出、椎管狹窄、腰椎不穩(wěn)等)所造成的脊神經(jīng)根和脊神經(jīng)節(jié)急、慢性損傷是導(dǎo)致腰腿疼痛的主要原因。此外,脊柱腰段是人體脊柱負(fù)載最大、運(yùn)動(dòng)幅度較大的區(qū)域,該區(qū)域小關(guān)節(jié)、韌帶、筋膜、血管、神經(jīng)配布復(fù)雜,是較易發(fā)生增生性或退行性變的部位,骨、韌帶、筋膜的病變常累及毗鄰血管、神經(jīng),導(dǎo)致腰腿痛。通過計(jì)算機(jī)斷層掃描(Compute

2、r tomography,CT)、核磁共振成像(Magnetic resonance imaging,MRI)、大體解剖、斷面解剖、手術(shù)路徑的可視化來觀察和測量椎間盤、腰神經(jīng)根、手術(shù)路徑毗鄰關(guān)系,擬尋找最佳的手術(shù)入路,探明手術(shù)并發(fā)癥的解剖學(xué)基礎(chǔ),建立可視化手術(shù)的早期模型就顯得尤為重要。因此,對(duì)脊柱腰段主要結(jié)構(gòu)及其毗鄰關(guān)系進(jìn)行斷面解剖學(xué)、影像學(xué)和三維可視化研究,闡明腰椎各主要解剖結(jié)構(gòu)的形態(tài)結(jié)構(gòu)規(guī)律和空間位置關(guān)系,將有助于腰椎、腰椎間盤疾病

3、的診斷和治療,也為脊柱顯微外科手術(shù)提供了相關(guān)的導(dǎo)航信息。本研究從脊柱顯微外科手術(shù)應(yīng)用角度出發(fā),采用斷面解剖與多排螺旋CT(Multi-slice computed tomography,MSCT)影像對(duì)照的方法,觀測了腰椎及毗鄰結(jié)構(gòu),并在此基礎(chǔ)上運(yùn)用Materialise公司的交互式醫(yī)學(xué)圖像控制系統(tǒng)(Materialise's Interactive MedicalImage Control System,Mimics)10.0醫(yī)學(xué)三維

4、重建軟件重建脊柱腰段的可視化三維動(dòng)態(tài)模型,旨為進(jìn)一步開展脊柱的有限元分析和虛擬仿真手術(shù)奠定基礎(chǔ)。
　　 材料與方法：
　　 1采用30具(男性18具,女性12具)外觀正常成人脊柱腰段橫斷面標(biāo)本及8具(男性4具,女性4具)矢狀斷面標(biāo)本對(duì)腰椎相關(guān)解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行斷面解剖學(xué)觀測,并采集相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。
　　 2隨機(jī)抽選100例(男性57例,女性43例)無明顯腰骶部疾患正常成人,采用GE LightSpeed64層螺旋

5、CT行腰骶部平掃,掃描參數(shù):管電壓100～120 kV,管電流250～300 mA;球管轉(zhuǎn)速0.4s/r,螺距0.531/0.969,矩陣512×512,掃描層厚5 mm,重建層厚0.625 mm,重建間隔0.625 mm,利用CT自帶的GEADW4.2工作站對(duì)脊柱腰段進(jìn)行三維重建,觀測脊柱腰段的相關(guān)解剖結(jié)構(gòu),采集相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,并結(jié)合斷面標(biāo)本所測結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。
　　 3選用1例64-MSCT的脊柱腰段平掃數(shù)據(jù),利用M

6、imics醫(yī)學(xué)三維重建軟件,重建脊柱腰段的可視化三維動(dòng)態(tài)模型。再利用Ansys有限元軟件對(duì)模型進(jìn)行有限元分析,達(dá)到仿真虛擬手術(shù)。
　　 結(jié)果：
　　 第一部分脊柱腰段的大體形態(tài)學(xué)及CT研究
　　 解剖標(biāo)本與CT研究中,椎體橫、矢徑,以及椎孔橫徑存在性別差異(男性＞女性,P＜0.05),但椎孔矢徑無性差,而不同椎體間椎孔矢徑存在差異,不同椎體的橫、矢徑存在顯著差異(P＜0.05);脊椎指數(shù)均＜1:4.5,且存在性別

7、差異(男性＞女性,P＜0.05),不同腰椎間有顯著性差異;椎弓根橫徑、OE徑均存在性別差異(男性＞女性,P＜0.05),不同椎體的該兩徑值存在顯著差異(P＜0.05),但該兩徑值的側(cè)差無顯著性差異(P＞0.05);Z角在不同腰椎間存在顯著性差異(P＜0.05),但無性差、側(cè)差(P＞0.05);腰椎椎板夾角變化較大(70°～90°);CT測量顯示椎弓根高度、椎間孔前后徑、椎間孔上下徑均存在性差,但椎板厚度無性差。解剖組與CT組各數(shù)據(jù)值表現(xiàn)

8、趨勢基本一致。
　　 斷面標(biāo)本L3～L5側(cè)隱窩矢徑(經(jīng)椎間盤)分別為(7.43±0.52)、(7.34±0.77)、(6.78±0.58)mm,無性差;CT掃描腰椎3～5側(cè)隱窩矢徑(經(jīng)椎間盤)存在性差,男性分別為(7.05±1.19)、(6.25±0.94)、(6.98±1.30)mm;女性為(7.53±1.37)、(7.05±1.14)、(7.35±1.39)mm;側(cè)隱窩及其相關(guān)結(jié)構(gòu)的數(shù)值在斷面及CT表現(xiàn)趨勢基本一致;在斷面和

9、CT上,側(cè)隱窩矢徑(經(jīng)椎間盤)與黃韌帶厚度的相關(guān)關(guān)系無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,但與椎間盤橫徑、矢徑均呈負(fù)相關(guān)。
　　 第二部分脊柱腰段三維重建可視化及有限元研究
　　 利用CT和MRI薄層掃描數(shù)據(jù),應(yīng)用Mimics軟件建立脊柱腰段的三維可視化模型,基于CT和MRI薄層掃描數(shù)據(jù)成功重建活體脊柱腰段的三維可視化模型,具有較高的真實(shí)性和準(zhǔn)確性,并可對(duì)其形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性觀察和定量觀測。脊柱模型中骨性結(jié)構(gòu)及相關(guān)軟組織形態(tài)逼真,解剖學(xué)標(biāo)志清晰,

10、可用不同顏色、任意組合顯示,并可對(duì)模型放大、縮小、旋轉(zhuǎn)等全方位觀察。對(duì)模型進(jìn)行透明處理,可以很好的顯示骨結(jié)構(gòu)和周邊軟組織的關(guān)系。利用Mimics的仿真模塊能對(duì)模型進(jìn)行任意切割,能自動(dòng)顯示切除或未切除的脊柱腰段結(jié)構(gòu),并且可將三維模型圖像保存為BMP或JPEG格式,或錄制成AVI格式的電影輸出動(dòng)態(tài)顯示,其播放畫面清晰流暢。此外,重建的脊柱三維模型有助于教學(xué)和形態(tài)功能研究,并為進(jìn)一步開展骨關(guān)節(jié)有限元分析和虛擬仿真手術(shù)奠定基礎(chǔ)。
　　

11、主要結(jié)論：
　　 1.通過斷面標(biāo)本和64-MSCTA三維重建對(duì)脊柱腰段進(jìn)行研究,兩種方法各有利弊,互為補(bǔ)充;CT研究結(jié)果與大體標(biāo)本觀測結(jié)果基本一致,即趨勢一致,是一種可靠的臨床檢測方法,可為相關(guān)脊柱手術(shù)術(shù)前提供導(dǎo)航信息,指導(dǎo)制定合理的手術(shù)方案。
　　 2.不同性別、不同腰椎間的形態(tài)數(shù)據(jù)存在顯著差異;椎體橫、矢徑,椎孔橫、矢徑,脊柱指數(shù),椎弓板夾角均可作為診斷腰椎孔狹窄的參考指標(biāo);椎弓根螺釘選擇需結(jié)合術(shù)前影像測量。

12、　　 3.椎間盤、黃韌帶數(shù)據(jù)均可作為診斷側(cè)隱窩狹窄的參考指標(biāo);側(cè)隱窩狹窄是導(dǎo)致腰椎管狹窄的一個(gè)重要因素。側(cè)隱窩及其相關(guān)結(jié)構(gòu)的數(shù)值在斷面解剖及CT上表現(xiàn)趨勢基本一致,即CT可較好地反映側(cè)隱窩相關(guān)結(jié)構(gòu)的情況;側(cè)隱窩毗鄰結(jié)構(gòu)的病理變化均可能導(dǎo)致側(cè)隱窩狹窄。
　　 4.CT和MRI應(yīng)用于臨床后提高了側(cè)隱窩區(qū)及椎間孔病變的診斷率。在對(duì)于側(cè)隱窩及椎間孔的研究價(jià)值上CT明顯優(yōu)于MRI,因?yàn)槁菪鼵T掃描多平面容積重建(Multi-plane

13、volume reconstruction,MPVR)后處理技術(shù)有著不可比擬的優(yōu)勢:(1)MPVR可選用理想的條件使重建圖像更準(zhǔn)確地顯示側(cè)隱窩結(jié)構(gòu)及椎間孔,可以對(duì)側(cè)隱窩區(qū)域進(jìn)行連續(xù)性觀察;(2)利用導(dǎo)航定位線能夠精確定位,從不同角度采用不同的窗寬和窗位對(duì)側(cè)隱窩及椎間孔進(jìn)行觀察測量,可以對(duì)病變結(jié)構(gòu)進(jìn)行橫、矢、冠狀位以及各個(gè)斜位多角度觀察,更好地了解病變結(jié)構(gòu)的特征,了解病變結(jié)構(gòu)與腰骶神經(jīng)根之間的相互關(guān)系;進(jìn)而提高了側(cè)隱窩及椎間孔狹窄癥的診斷

14、率,同時(shí)其生成的三維實(shí)體模型輪廓平滑及結(jié)構(gòu)清晰,可真實(shí)再現(xiàn)脊柱結(jié)構(gòu)以便揭示其與臨床表現(xiàn)的內(nèi)在聯(lián)系,避免了在尸體標(biāo)本上直接測量的難度和因固定等原因產(chǎn)生的觀測誤差。本研究結(jié)果也顯示,在斷面標(biāo)本和CT上所測量的數(shù)據(jù)其變化趨勢大致相同,即CT的測量值能夠反映腰椎數(shù)值,此外CT操作簡單,圖像直觀便于測量和診斷,而且放大率極小,數(shù)值相對(duì)準(zhǔn)確。
　　 5.采用脊柱腰段CT平掃掃描數(shù)據(jù),利用Mimics軟件可以快速提取脊柱數(shù)據(jù),重建脊柱骨結(jié)構(gòu)三