三维重建技术在上胸椎和颈椎椎弓根螺钉植入的临床应用

宁金沛，陀泳华，覃求，梁柱德，韦武，李泉，何恩谋，潘式新

(1.广西梧州市红十字会医院骨一科，广西 梧州 543200；2.广西梧州市红十字会医院CT室，广西 梧州 543200)

经椎弓根螺钉内固定技术是脊柱外科发展的重要里程碑。随着经椎弓根螺钉内固定技术的推广应用，如何提高经椎弓根内固定的安全性和有效性是临床医师所关注的重要问题。尤其上胸椎和颈椎的椎弓根相对细小，周围毗邻脊髓、主动脉、椎动脉、肺等重要器官，且椎弓根形态在个体上的差异和椎体旋转等因素，造成上胸椎和颈椎椎弓根螺钉植入的困难和危险性增大[1]。我科自2013年1月至11月对12 例需行椎弓根钉固定的患者术前通过Mimics三维重建技术进行椎弓根置钉的评估，对置钉参数和通道进行个体化测量，并应用于术中指导置钉，提高置钉的准确性和安全性，取得良好的效果，现报告如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料 本组病例12 例，其中男5 例，女7 例；年龄25～74 岁，平均47 岁。临床诊断、手术方式、植入椎弓根螺钉数见表1。

1.2 术前建模及相关数据的测量 所有病例需手术的目标椎均行螺旋CT扫描(德国SIMENS EMOTION 16)，扫描参数：层厚3 mm，电流220 mA，电压120 kV。扫描后CT室医师以Dicom格式导出相关数据并刻录成光盘交给手术组医师。手术组医师用Mimics软件对目标椎进行三维重建及相关数据的个体化测量，即术前椎弓根螺钉置钉通道的个体化设计。将CT的Dicom数据导入Mimics 10.1软件，选取骨组织中密度窗，进行目标椎体的三维重建，观察目标椎体的双侧椎弓根情况。在三维图像上确定进针点，以红色圆点标记E点(参考王东来等[2]方法标记)，构建一圆柱体模型模拟椎弓根螺钉(其长度和直径可设定)，调整圆柱体轴线与标记点吻合，寻求椎弓根螺钉的最佳进钉通道。确定每枚螺钉最佳进针通道后，利用软件测量技术，参考庞小平等[3]方法，根据其所在位置分别测量每个椎弓根的螺钉通道长度及椎弓根宽度及高度、椎弓根轴线长度、椎弓根的α角和β角以及α角安全范围，确定每枚植入螺钉的直径和长度(所选的椎弓根螺钉长度为螺钉最大通道长度减去5 mm，选用的螺钉直径为椎弓根宽度的80%左右)以及螺钉在横断面和矢状面的倾斜角度。

表1 12 例患者基本情况比较

寰椎椎弓根的建模及测量见图1；枢椎椎弓根的建模及测量见图2；下位颈椎及上位胸椎椎弓根的建模及测量见图3(T2例示)。

1.3 个体化三维重建模型的术中应用 患者取俯卧位，头部置于脊柱手术架的“U”形头架上，用胶布固定头部及肩部，上胸椎手术时双上肢往下牵拉固定，以便于术中透视，术前C型臂机辅助定位，标记好目标椎的椎弓根体表投影。常规后路手术切口，剥离两侧椎旁肌达关节突外侧，充分暴露椎板、横突后部、棘突，根据术前设计找出目标椎的“E”点，并作为进钉点，按术前设计的进钉方向进行开孔。在C1、C2椎弓根置钉过程中，采用开孔器开孔(直径为2.0 mm)，顺着设计好的进针点和进针方向在进钉点钻深约10 mm的进针通道，过程中用C型臂X线机透视校准，必要时调整进针方向。然后使用直径2 mm的椎弓根探子确定四壁为光滑连续的骨质，用比植入螺钉小1 mm的丝锥攻丝，再次用球形探针确定四壁为光滑连续的骨质，缓慢旋入术前设计好的螺钉。在下颈椎和上胸椎椎弓根置钉中用直径为2.5 mm的开孔器开孔，其他同上述步骤，螺钉上完后用C型臂X线机验证置钉的准确性，然后按照预定方案安装钛棒进行固定。

a 标记进针点，构建一圆柱体虚拟椎弓根螺钉，植入C1椎弓根内 b 测定的C1椎弓根管的宽度

c 测定的C1椎弓根轴线长度 d 测定的C1的α角 e 测定的C1的β角

图1寰椎椎弓根的建模及测量

a 标记进针点，构建一圆柱体虚拟椎弓根螺钉，植入C2椎弓根内 b 测定的C2椎弓根管的宽度

c 测定的C2椎弓根轴线长度 d 测定的C2的α角 e 测定的C2的β角

图2枢椎椎弓根的建模及测量

a 标记进针点，构建一圆柱体虚拟椎弓根螺钉，植入T2椎弓根内 b 测定的T2椎弓根管的宽度

c 测定的T2椎弓根轴线长度 d 测定的T2的α角 e 测定的T2的β角

图3下位颈椎及上位胸椎椎弓根的建模及测量

1.4 评价方法 记录所有患者术中和术后出现的血管、神经、内脏损伤等并发症，术后拍摄X线片及CT轴位断层扫描，评价螺钉在椎弓根内的位置，记录所有穿破椎弓根壁的螺钉数目、方向及测量穿透距离。

2 结 果

CT扫描Dicom数据导入Mimics 10.1软件，可以重建置钉目标椎的三维图像，图像清晰，可在任意角度观察。构建一柱体模拟椎弓根螺钉，虚拟椎弓根螺钉的植入，可供术前设计、测量螺钉植入钉道参数。

根据术前设计植入的50枚上胸椎和颈椎椎弓根螺钉中，螺钉完全在椎弓根内为47枚，螺钉穿出椎弓根壁小于2 mm的为3枚，无椎弓根上、下方穿破的螺钉。椎弓根壁非故意穿破率为6%，置钉准确率为94%；螺钉位置可接受率为100%。无一例出现与螺钉植入有关的血管、神经、内脏等并发症。典型病例为一50 岁男性患者，枢椎齿状突骨折，行寰枢椎椎弓根钉内固定术，手术前后影像学资料见图4～6。

图4 术前CT示齿状突骨折

图5 术后侧位DR片示螺钉位置良好

3 讨 论

3.1 上胸椎和颈椎椎弓根螺钉现有植钉方法存在的不足上胸椎和颈椎椎弓根周径相对细小，椎弓根横径、水平面角及椎弓根螺钉通道等钉道参数具有较大的变异，不同个体、不同节段水平显著不同，加之周围毗邻脊髓、主动脉、肺、椎动脉等结构，造成椎弓根螺钉植入困难和危险性大，尤其是在上胸椎和颈椎畸形的患者，由于同时存在椎弓根变异、椎体旋转等因素，椎弓根钉的植入更具有挑战性。为降低手术风险，国内外学者提出了多种置钉方法，如局部解剖定位法、椎板开窗法、漏斗技术、导航技术等[4，5]。其中，局部解剖定位法置钉成功率低；椎板开窗法置钉成功率有所提高，但关节突受力点破坏，降低了内固定效果；漏斗技术对术者个人技能和临床经验要求较高；导航技术增加了手术精确性，但设备昂贵，难以在基层医院推广。目前研究表明，各种传统置钉方法具有较高的椎弓根壁穿破率和一定的螺钉位置不可接受率。国内外多数文献报道传统的置钉方法，其椎弓根壁的穿破率最理想为12.5%，甚至可达72.4%[6，7]，只有少数文献报道椎弓根穿破率在10%以下[8，9]，与螺钉误置有关的神经、血管、内脏等并发症的发生率也较多。目前，人们仍在寻找并发症更少、置钉准确率更高的方法。我科在临床工作中亦有体会，在下胸椎或腰椎中，因其椎弓根横径较大，一般按解剖定位法置入椎弓根钉的成功率都很高，并发症少，但在上胸椎、颈椎椎弓根置钉时有一定的误置率。

图6 术后CT示螺钉位置良好

3.2 三维重建技术辅助置钉的可行性 Mimics软件提供强大的三维重建功能，可以将原始的CT扫描图像叠加，选取骨组织密度值，剔除软组织影，重建冠状面、矢状面、水平面图像及三维立体图像；通过Mimics三维重建的模型可以进行任意视角的旋转、缩放、伪彩色等处理，并可进行透明观察、任意切割；还能应用模拟手术工具对脊柱三维模型进行模拟椎弓根钉植入术，能更直观和详细地了解手术区域的解剖关系，可以从多个视角了解置钉位置是否准确，是否有邻近结构的损伤。国内外已有多个专家在这些方面作了大量的研究。李严兵等[10]通过三维重建得到C3～7数字模型，获得C4椎弓根在椎板表面的最大投影边界、安全区及其最佳中心轴入点位置，重建的图像可以提供各椎体三维动态解剖，可以精确定位任意方向一定直径螺钉经椎弓根三维空间通道在椎板表面的最大投影边界、安全区及其最佳中心轴入点位置，该方法可对任意三维重建颈椎模型进行定位、定量分析。庞小平等[3]通过将颈椎16排CT扫描的Dicom数据导入Mimics软件和GE后处理工作站，进行颈椎三维重建和图像处理，获得清晰的颈椎三维图像，精确地获取预置螺钉的椎弓根管宽度、轴线长度、α及β角；在颈椎椎弓根螺钉置入情况下，测量出置钉的水平角度安全范围，获取了椎弓根螺钉置入个体化数据。于海龙等[11]通过Mimics三维重建，在三维图像上构建一圆柱体来模拟椎弓根螺钉，并植入颈椎椎弓根内，然后测量各项置钉参数，为术中实施颈椎椎弓根螺钉植入提供依据，是颈椎椎弓根置入安全性研究的一种可靠方法。于海龙等[12]通过将CT扫描的骨折的胸腰段椎体Dicom数据导入Mimics软件中，进行伤椎的三维重建，可以清楚地观察到伤椎骨折情况和双侧椎弓根结构是否完整，从而决定在伤椎是否置入椎弓根短螺钉并精确测量预置的椎弓根短螺钉长度，有利于制定治疗胸腰段骨折的手术方案。Murakami等[13]利用三维重建模型研究发现C1螺钉置入时向内侧10°成角可以避免损伤颈内动脉。Klein等[14]创建了专门为进行椎弓根螺钉置入培训的模拟软件，将患者CT数据导入建立三维重建模型，使手术医生在模型上掌握螺钉置入的基本技术并且对复杂病例的螺钉置入进行训练，熟悉患者解剖结构和螺钉置入过程能够避免手术危险，提高手术的安全性。

作者对需手术固定的12 例病例50个椎弓根钉术前CT薄层扫描后用Mimics软件三维重建，参照王东来法找出目标椎的入针点、参照庞小平法测出进针的方向及深度，目的是使椎弓根螺钉在横断面、冠状面和矢状面图像上，螺钉位于椎弓根的中心位置，且螺钉边缘未穿破椎弓根的内外皮质。本研究通过三维重建模型辅助植入的50枚上胸椎和颈椎椎弓根螺钉中，仅有3 例穿破椎弓根壁，完全在椎弓根内的螺钉比例为96%，全部穿破椎弓根壁的螺钉的穿破距离均小于2 mm，无与螺钉植入有关的神经、血管、内脏等并发症发生，与传统方法相比，明显优于解剖定位法和椎板开窗探查法。

因此，我们认为Mimics三维重建技术辅助椎弓根螺钉植入具有一定的可行性，置钉准确率高，螺钉可接受率高，缩短了年轻外科医生行椎弓根植入手术的学习周期，加速年轻脊柱外科医生的成长，值得在临床上推广使用。

3.3 存在不足与展望 由于使用Mimics进行三维重建时需要熟练掌握相关计算机软件以及具备脊柱外科专业知识，因此需进行专业培训，一定程度上制约了临床上的推广应用。本研究中纳入的病例数较少，我们将进一步收集相关病例，以建立有关颈椎和上胸椎椎弓根的数据库。下一步，我们将结合快速成型技术，制作个体化的上胸椎和颈椎的导航模板，并用于临床中，进一步提高手术的安全性和准确性。利用计算机模拟椎弓根螺钉技术，真实准确地观察、测量椎弓根螺钉在椎体内的情况，获取个体化解剖数据，为临床应用椎弓根螺钉技术提供指导。

参考文献：

[1]黄东生，苏培强，马若凡，等.颈椎椎弓根CT测量在椎弓根螺钉内固定中的作用[J].中国临床解剖学杂志，2004，22(2)：186-189.

[2]王东来，唐天驷，黄士中，等.下颈椎椎弓根固定的解剖学研究与临床应用[J].中华骨科杂志，1998，18(11)：659-662.

[3]庞小平，于海龙，李小龙，等.以CT三维重建技术测量颈椎椎弓根螺钉的置入参数[J].中国组织工程研究与临床康复，2010，14(9)：1555-1558.

[4]刘景堂，唐天驷，王东来，等.颈椎椎弓根螺钉内固定系统的临床应用[J].中华骨科杂志，2003，23(10)：590-594.

[5]Kotani Y，Abumi，ItoM，etal.Improved accuracy of computer-assisted cervical pedicle screw insertion[J].J Neurosurg Spine，2003，99(3)：257-263.

[6]Bergeson RK，Schwend RM，Delucia T，etal.How accurately do novice surgeons place thoracic pedical screws with the free hand technique[J].Spine，2008，33(15)：501-507.

[7]Carbone JJ，Tortolani PJ，Quartararo LG.Fluoroscopically assisted pedicle screw fixation for thoracic and thoracolumbar injuries：technique and short-term complication[J].Spine，2003，28(1)：91-97.

[8]DiSilverstre M，Parisini P，Lolli F，etal.Complications of the thoracic pedicle screws in scoliosis treatment[J].Spine，2007，32(15)：1655-1661.

[9]胡勇，谢辉，徐荣明，等.青少年脊柱侧凸患者胸椎椎弓根螺钉置入的准确性和安全性评价[J].中国脊柱脊髓杂志，2006，16(11)：820-823.

[10]李严兵，李鉴轶，万伟，等.数字技术精确定位椎板进钉区与方向轴的方法[J].中华创伤骨科杂志，2008，10(2)：124-127。[11]于海龙，雷伟，朱锦宇，等.模拟腰段椎弓根螺钉置入获取置入三维参数[J].实用放射学杂志，2006，22(2)：220-222。[12]于海龙，项良碧，刘军，等.CT三维重建技术在手术治疗胸腰段椎体骨折中应用[J].中国矫形外科杂志，2010，18(2)：157-159.

[13]Murakami S，Mizutani J，Fukuoka M，etal.Relationship between screw tmjectory of CI lateral inass scmw and internal carotid artery[J].Spine，2008，33(24)：2581-2585.

[14]Klein S，Whyne CM，Rush R，etal.CT-based patient-specific simulation software for pedicle screw insertion[J].J Spinal Disord Tech，2009，22(7)：502-506.