计算机辅助颈椎椎弓根螺钉置入参数的获取

于海龙项良碧刘军陈语曹艳

临床研究

计算机辅助颈椎椎弓根螺钉置入参数的获取

于海龙项良碧刘军陈语曹艳

目的探讨利用CT三维重建技术模拟颈椎椎弓根螺钉置入的方法，以获得预置螺钉的椎弓根三维定量解剖数据及置钉参数。方法将颈椎16排CT扫描的数据导入Mimics 8.1软件中，进行颈椎CT三维重建，在三维图像上构建一圆柱体来模拟椎弓根螺钉，并置入颈椎椎弓根内，然后测量各项置钉参数。结果应用CT三维重建技术可以获得清晰的颈椎三维图像，使用软件测量功能可精确地获取预置螺钉的椎弓根解剖数据（椎弓根宽度和轴线长度）和置钉参数（置钉的α角、β角以及置钉α角安全范围）。结论通过CT三维重建技术获取椎弓根螺钉置入个体化三维数据，为术中实施颈椎椎弓根螺钉置入提供依据，是颈椎椎弓根螺钉置入安全性研究的一种可靠方法。

颈椎；骨螺丝；图像处理，计算机辅助；成像，三维

椎弓根螺钉为脊柱手术提供了坚强的稳定性，现已广泛应用于脊柱退行性病变、脊柱失稳、腰椎滑脱症、椎体骨折和畸形、椎管狭窄以及骨转移瘤等脊柱疾病的治疗中[1]。颈椎的椎弓根细小、走行方向复杂、个体变异大，因此颈椎椎弓根螺钉的置入更容易误伤脊髓、椎动脉及神经根，导致严重并发症的发生。为了提高椎弓根螺钉置入的准确度，国内外学者进行了有关颈椎椎弓螺钉置入方法安全性的尸体标本研究[2-4]，但在不同人种、不同个体甚至同一椎体的不同侧别之间，解剖结构的差异普遍存在，因此有人认为，依据尸体标本而制定的颈椎椎弓根螺钉置钉技术是引起手术并发症的原因之一。本实验通过CT三维重建技术，建立一种可在颈椎模拟置入椎弓根螺钉的情况下测量置钉个体化参数的方法，为术中实施颈椎椎弓根螺钉置入提供依据。

1 资料与方法

1.1 获取三维重建数据

对患者颈椎进行CT扫描（美国GE MEDICAL SYSTEMS/LightSpeed16）。扫描参数：层厚3 mm，层距3 mm，球管电压120 kV，电流148 mA，将扫描数据以Dicom形式保存。

1.2 模拟颈椎椎弓根螺钉置入

将CT的Dicom数据导入Mimics 8.1软件中，选取骨组织密度值，进行三维重建；在三维图像上确定进钉点，以红色圆点标记进钉点为E点（参考王东来方法[2]标记：进钉点定位在C3～C6位于关节突背面外上象限的中点，C7位于关节突中垂线接近上关节面的下缘）；构建一圆柱体模拟椎弓根螺钉（其直径及长度可设定），调整圆柱体轴线与标记点吻合（图1）。

1.3 测量个体化螺钉解剖数据和置入参数

1.3.1 椎弓根宽度 选取椎弓根最小横径的矢状面，以椎弓根内外侧皮质骨的距离为宽度值（图2）。

1.3.2 椎弓根轴线长度 调整圆柱体轴线与椎弓根轴线吻合，测量以双侧进钉点骨皮质为起点、经椎弓根轴线至椎体前缘皮骨质的距离（图3）。

1.3.3 α角测量 经棘突、椎管、椎体中央部划一脊椎矢状面，测量圆柱体轴线与颈椎椎体矢状面之间的夹角（图4）。

1.3.4 β角测量 对圆柱体轴线与颈椎椎体上终板水平面之间的夹角进行测量（图5）。

1.3.5 α角安全范围测量 设定置入螺钉的直径为3 mm，长度为25 mm，测量α角安全范围：模拟椎弓根螺钉穿透椎弓根内侧骨壁时α角数值与模拟椎弓根螺钉穿破椎弓根或椎体外侧骨壁时α角数值的差值（图6,7）。

2 结果

将CT扫描Dicom数据导入Mimics 8.1软件中，获得清晰的颈椎三维重建图像，可在任意角度上进行观察。构建一圆柱体模拟椎弓根螺钉，在置入虚拟椎弓根螺钉情况下，测量螺钉置入钉道参数，为临床医生实施椎弓根螺钉技术提供个体化解剖数据。本实验以颈5椎体为例，列举置入椎弓根螺钉的各项参数(表1)。

图1 模拟颈椎椎弓根钉置入 标记进钉点（红色圆点），构建一圆柱体（黄色）模拟椎弓根螺钉，置入颈椎弓根内

图2 测量椎弓根宽度

图3 测量椎弓根轴线长度

图4 测量椎弓根螺钉置入的α角

图5 测量椎弓根螺钉置入的β角

图6 测量椎弓根螺钉穿透内侧椎弓根管壁的α角值

图7 测量椎弓根螺钉穿透外侧椎弓根管壁的α角值

表1 颈5椎体双侧椎弓根解剖数据及置钉参数

3 讨论

经颈椎椎弓根螺钉固定技术在生物力学稳定性上明显优于其它颈椎固定方法，在颈椎多节段固定时，椎弓根螺钉的抗扭转和抗伸展稳定性尤佳。Jones等[3]比较了颈椎椎弓根螺钉和颈椎侧块螺钉的拔出力，前者明显大于后者，同时经颈椎椎弓根螺钉固定的扭转破坏力矩和前屈破坏力最大，稳定性最强。因此，经颈椎椎弓根螺钉固定技术适用于各种原因导致的严重颈椎失稳的稳定性重建及畸形的矫正。

准确地应用椎弓根螺钉技术，要掌握不同节段脊柱三维空间的解剖特点及生理弯曲，掌握每一椎弓根进入的α角及β角。椎弓根螺钉置入有3个基本要点，首先是定位，其次是定向（进钉的方向)，包括测量α角和β角，最后是置入深度。基于椎弓根的解剖特性，置入螺钉必须位于三维空间中惟一的一个正确通道上，即按照正确的α角及β角，沿着椎弓根的长轴穿过椎弓根这一狭小的骨性管道，也正是这个惟一性导致了手术的操作难度。为了提高椎弓根螺钉技术的准确性，国内外学者对椎弓根螺钉的进钉点及进钉方向进行了较多的探讨[2,4]。而近年来对椎弓根的深入研究使医师们认识到，椎弓根自身较大的变异性是不良置钉率居高不下最重要的原因之一。Panjabi等[5]通过对椎弓根三维形态及断面内部结构的研究发现，椎弓根无论在外形、方向还是内部结构上均有很大的变异性，不同个体、不同节段甚至同一节段的不同侧别都存在解剖结构上的差异。因此有学者指出这种依赖尸体标本形态测量数据而制定的置钉技术可能是引起血管、神经损伤的直接原因。有鉴于此，我们认为椎弓根螺钉置入应遵循个体化的原则，而术前三维CT测量能够很好地满足这一需要。众所周知，CT三维重建的运用对于复杂解剖结构如头颈、脊柱、骨盆、四肢的精确评价有着确切的作用[6,7]，但是仍然难以解决模拟椎弓根螺钉通过椎弓根的实际情况，以及在考虑椎弓根螺钉直径的同时测量α角安全范围等问题。Mimics软件提供了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[8]，并在三维立体图像上进行置钉定位及定向，空间立体感强，便于手术医师掌握精确的空间定位，有助于置钉成功率的提高。

术中计算机导航技术的应用可明显提高椎弓根螺钉置入的准确性。Merloz等[9]比较了52例胸腰椎椎弓根经验性徒手置钉与计算机导航技术置钉的对照结果，术后CT显示经验性徒手置钉的椎弓根穿破率高达42%，而计算机导航技术置钉的椎弓根穿破率只有8%。但计算机三维导航系统价格昂贵，难以普及，且存在一些缺点：（1）患者CT资料只能在术前获取，如术中体位变化明显，则虚拟三维图像不能真实反映三维关系，有误导手术的可能。（2）目前尚无适用于颈椎椎弓根螺钉内固定的专用导航智能工具，且术中钻探椎弓根通道时，颈椎活动度常较大，导致置钉准确性降低。Abumi等[10]报道了180例行徒手颈椎椎弓根内固定的病人，仅有6.7%穿透椎弓根皮质，由此证明，只要对置钉参数进行准确测量，术中谨慎操作，就可以有效地减少颈椎椎弓根螺钉置入并发症的发生。

颈椎椎弓根螺钉技术因颈椎椎弓根变异较大，临近解剖结构复杂，目前国内仅少数医院得以成功开展。而利用计算机模拟椎弓根螺钉技术，能够真实准确地观察和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。本实验仅对颈椎椎弓根螺钉安全置钉的方法进行了研究，在以后的临床实验中，将进一步地对比其与传统置钉方法在置钉安全性方面的差异，以期通过研究推广颈椎椎弓根螺钉技术的临床应用。

1 Gaines RW Jr.The use of pedicle-screw internal fixation for the operative treatment of spinal disorders[J].J Bone Joint Surg Am,2000,82-A(10):1458-1476.

2 王东来,唐天驷,黄土中,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 Jones EL,Heller JG,Silcox DH,et al.Cervical pedicle screws versus lateral mass screws. Anatomic feasibility and biomechanical comparison[J].Spine,1997,22(9):977-982.

4 Abumi K,Itoh H,Taneichi H,et al.Transpediclar screw fixation for traumatic lesions of the middle and lower cervical spine:description of the techniques and preliminary report[J]. J Spinal Discord,1994,7(1):19-28.

5 Panjabi MM,O'Holleran JD,Crisco JJ 3rd,et al.Complexity of the thoracic spine pedicle anatomy[J].Euro Spine J,1997,6 (1):19-24.

6 蔡靖宇,朱庆生.不同影像学方法对肱骨近端移位骨折分型的价值[J].中华放射学杂志,2004,38(2):192-196.

7 Hasegawa K,Homma T.Morphologic evaluation and surgical simulation of ossification of the posterior longitudinal ligament using helical computed tomography with three-dimensional and multiplanar reconstruction[J].Spine,1997,22(5):537-543.

8 于海龙,雷伟,朱锦宇,等.三维CT重建模拟三种腰椎椎弓根螺钉置入方法的安全性分析[J].中国脊柱脊髓杂志,2005,15 (10):606-608.

9 Merloz P,Tonetti J,Pittet L,et al.Pedicle screw placement using image guided techniques[J].Clin Orthop Relat Res, 1998,354:39-48.

10 Abumi K,Shono Y,Ito H,et al.Complications of pedicle screw fixation in reconstructive surgery of the cervical spine [J].Spine,2000,25(8):962-969.

（本文编辑 陈娜）

Calculating parameters for inserting pedicle screws in cervical vertebrae with CT three-dimensionaltechnique

YU Hai-long,XIANG Liang-bi,LIU Jun,CHEN Yu,CAO Yan.Department of Orthopaedics,General Hospital of Shenyang Military Command,Shenyang 110016,China

XIANG Liang-bi

Objective To calculate 3D anatomic parameters of inserting pedicle screws in the cervical vertebrae by mimicking the process of inserting pedicle screws in cervical vertebrae with the CT three-dimensional reconstruction.Methods The Dicom data that calculated from scanning cervical vertebrae with 16 light-speed spiral CT were converted to Mimics 8.1 software and reconstructed into 3D cervical vertebrae.The parameters of inserting cervical pedicle screws were measured with consideration to the diameter of pedicle screw.Results The cervical 3D images were reconstructed clearly with CT three-dimensional technique.Cervical pedicle anatomic data including width and axial length were definitely measured by the software.Parameters of inserting pedicle screw such as α and β angles,and the associated,safe range of α angle were gained at the same time. Conclusions CT three-dimensional technique can be used to mimic the operation and to measure 3D anatomic parameters of cervical vertebrae.This method allows for safe insertion of the cervical pedicle screw.

Cervical vertebrae;Bone screws;Image processing,computer-assisted;Imaging,three-dimensional

R687.32,R813.3

A

1674-666X(2009)02-0084-04

10.3969/j.issn.1674-666X.2009.02.002

110016沈阳，解放军沈阳军区总医院骨科

项良碧