胸椎椎弓根进钉通道随外偏角变化的数字解剖学研究

李严兵，谢 叻，陆 声，周小兵，王爱平，张韶辉，陈志强，欧阳钧，钟世镇

椎弓根与椎体、椎板之间成一定的三维空间角度，利用外在的解剖标志结构不仅可以较为准确地观测其点与点之间的距离如椎弓根纵径、横径，还可对线与线之间的角度进行精确测量，从而确定进钉点位置[1-7]。但由于椎骨的不规则性以及解剖结构变异导致定位的模糊性，因此只能通过大样本量来减小误差，结果较为粗略，且人工测量难以实现对椎弓根的多角度动态分析。在可视化环境下将数字化技术应用于上述研究，可以对椎弓根的各项参数与进钉通道的变化规律进行动态三维测量和分析，精确掌握不同节段椎骨椎弓根进钉通道大小、长度与方向之间的变化关系，进一步了解和比较其内在特点，为临床应用提供精确的解剖学依据。

1 资料与方法

1.1 获取CT扫描数据

1 例23岁健康成人男性胸腹部CT（美国GE Medical Systems/LightSpeed 16）连续扫描数据集。扫描条件：电压120 kV，电流150 mA，层厚1.25 mm，512×512矩阵。

1.2 测量随胸椎椎弓根外偏角变化的进钉通道相关数据

应用Mimics 10.01三维重建胸椎数字解剖模型，导入UG Imageware 12.0。定位目标对象三维参照坐标，确定椎骨正中矢状切面和经椎弓根中部水平面为正交平面，0º水平面为0º头尾偏角参考平面，正中矢状切面为0º内外偏角参考平面。分别导入T2～T12椎骨模型，确定头尾偏角为0º不变，分析各胸椎左右椎弓根外偏角分别为0º～40º（间隔为5º）共18个方向的椎弓根进钉最大螺钉直径和通道长度的变化规律。

1.3 统计学分析

计量资料采用均数±标准差描述。

2 结果

2.1 T2～T12左右椎弓根进钉通道内切圆半径的变化规律

通过对胸椎椎弓根进钉通道内切圆半径的统计结果（表1，表2，图1）分析：在胸椎T2～T12节段之间，T7内切圆半径最小，各节段内切圆半径均数在2.3～4.5 mm之间，左2.4～4.5 mm，右2.3～4.0 mm；胸椎T2～T12角度之间，各角度内切圆半径均数在2.3～3.5 mm之间，左2.5～3.5 mm，右2.3～3.5 mm，其中0º～20º之间内切圆半径均数分别为：左3.4～3.5 mm，右3.3～3.5 mm，相差0.1～0.2 mm。内切圆半径随着角度的增大先逐渐增大而后又逐渐减小。胸椎不同节段、不同水平面角的内切圆半径各不相同，部分节段的内切圆半径在左右侧别之间存在差异。

表1 T2～T12椎弓根进钉通道内切圆半径（mm，±s）

表1 T2～T12椎弓根进钉通道内切圆半径（mm，±s）

节段T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11T12左 右3.8±0.44.0±0.22.6±0.33.1±0.32.5±0.42.9±0.52.8±0.42.3±0.42.7±0.42.5±0.62.4±0.52.3±0.52.6±0.52.5±0.33.3±0.33.0±0.44.1±0.33.9±0.44.5±0.63.9±0.74.2±0.63.9±0.8

表2 T2～T12椎弓根不同水平面角进钉通道内切圆半径（mm，±s）

表2 T2～T12椎弓根不同水平面角进钉通道内切圆半径（mm，±s）

角度左 右0º3.4±0.93.5±0.85º3.5±0.83.5±0.810º3.5±0.83.5±0.715º3.5±0.83.4±0.720º3.4±0.83.3±0.725º3.3±0.83.1±0.730º3.0±0.82.9±0.735º2.8±0.82.6±0.740º2.5±0.82.3±0.8

图1 T2～T12左右侧椎弓根进钉通道内切圆半径随水平面角变化规律

图2 T2～T12左右侧椎弓根进钉通道长度随水平面角变化规律

2.2 T2～T12左右椎弓根进钉通道长度变化规律

通过对胸椎椎弓根进钉通道长度的统计结果（表3，表4，图2）分析：在胸椎T2～T12节段之间，各节段通道长度均数在26.9～47.8 mm之间，左26.9～47.8 mm，右29.5～45.3 mm，T2最小，T9最大；胸椎T2～T12角度之间，各角度通道长度均数在23.1～53.2 mm之间，左23.1～52.8 mm，右24.8～53.2 mm，其中0º～20º之间通道长度分别为：左23.1～39.7 mm，右24.8～41.6 mm。胸椎椎弓根通道长度随着角度的增大而增大，胸椎不同节段、不同水平面角的通道长度各不相同，部分节段的通道长度在左右侧别之间存在差异。

2.3 椎弓根轴线与冠状面相交形成一不规则的椎弓根投影区，在此投影区可作内切圆，并判断椎弓根螺钉最大直径，图3为T2～T12左右椎弓根通道不同外偏角方向正投影区内边界及其内切圆。

图3 T2～T12在不同水平面角椎弓根通道投影内边界、内切圆

表3 T2～T12椎弓根进钉通道长度（mm，x-± s）

表4 T2～T12不同水平面角椎弓根进钉通道长度（mm，±s）

表4 T2～T12不同水平面角椎弓根进钉通道长度（mm，±s）

角度左右0º23.1±5.124.8±4.85º26.8±5.429.7±4.410º31.5±5.534.7±4.715º36.0±6.338.2±4.520º39.7±6.141.6±5.825º42.9±6.343.8±5.330º45.1±7.846.6±6.235º51.2±7.751.4±7.040º52.8±8.053.2±7.9

图4 T7不同水平面角椎弓根通道外侧平移

2.4 椎弓根通道可以进行三维显示，图4为T7不同外偏角方向左右椎弓根进钉通道。

3 讨论

3.1 胸椎不同水平面角进钉通道的特征

众多研究表明，应用数字技术三维重建脊柱各部胸椎模型，通过椎弓根进钉通道分析方法获得胸椎不同节段、不同角度通道内切圆和通道长度的统计数据，进而分析各参数之间的内在联系，有助于形象、直观、动态地对椎弓根各节段进钉通道大小的变化规律进行多角度三维定量分析和比较[8-10]。从本研究的结果分析，胸椎各节段椎弓根进钉通道变化具有共同的特征，即通道长度随角度的增大而增大(分析原因可能与椎体边界呈圆弧形有关，当达到一定角度时通道将经过椎体中部到达椎体对侧)，内切圆半径的大小随着角度的增大逐渐增大而后又逐渐减小。结合图1，3和4可以看出，T2～T12从 0º～40º各节段内切圆变化各有不同，其变化规律与各节段椎弓根、椎体之间呈不同角度相关。通过这一变化规律重点观察各节段内切圆最大值对应的角度，可以从不同侧面显示椎弓根内切圆的大小变化特征，清晰反映其变化过程。图3，4更加直观，能够准确地获得各角度最大螺钉大小、位置，充分体现了三维数字技术的优点和个体化特征。统计资料亦显示，部分节段的通道长度、内切圆半径在左右侧别之间存在差异，提示临床上需要根据各节段的具体情况进行具体分析，由于椎弓根内固定是双侧固定技术，因此应充分考虑不同侧别通道长度和螺钉大小的不同。

通过对胸椎椎弓根进钉通道数据的统计结果进行分析，综合考虑内切圆半径与通道长度两方面因素，T2～T12左右侧0º～20º水平面角之间是内切圆半径相对较大而通道长度相对较短的进钉区域，25º～40º则相反。

我们认为，椎弓根中部水平面的确定能够更直接、准确地显示椎骨的位置，尤其是在椎体出现楔形改变、缺失及其他畸形改变的情况下，故本组研究的三维参照坐标选择以椎骨正中矢状切面和经椎弓根中部水平面为0º正交平面。

3.2 应用研究分析

椎弓根作为重要的手术通道，钻孔置钉时手术器械和内置物不允许突破其外表面，以免伤及毗邻的神经血管等重要组织或器官，因此准确把握该通道的三维空间特点和规律是确保手术成功的前提[8]。通过我们对进钉通道的数字化模拟分析，发现通道与角度变化是密切相关的，在一定角度范围内，任何一个三维方向的椎弓根内部空间均对应着一个正投影通道，只是随着角度的不同通道参数亦发生相应的变化，因此在一定角度范围内选择进钉点需要将点与通道中心轴相对应，这种对应是由通道的参数特征所决定的，如果不遵循具体情况具体分析的客观实际，就会出现偏差，这也是实际应用中最难把握的问题。临床医生在实际应用中提出了个体化原则，但我们认为，在对患者施行个体化方案时如何将点、方向与进钉通道相互对应更为重要，也更需加以重视[11-12]。需要指出的是，本研究仅仅选择一定范围内的方向角度，并未对所有角度进行测量和分析，仅从理论上分析推断，椎弓根内部空间投影沿着0º水平面改变其内外偏角大小，在最大的内外水平角其投影区、通道长度均为零。此外，本研究只对1例健康成人的解剖学数据进行测量，分析胸椎椎弓根通道在水平面角的变化特征，其在矢状面的变化特征有待进一步研究；应用数字技术方法研究不同人群的共同规律也是今后需要深入探讨的课题之一。

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