数字技术在脊柱外科的应用临床数字骨科（二）

王智运，尹庆水，夏 虹，吴增晖，陆 声，王建华，万 磊

继续教育

数字技术在脊柱外科的应用临床数字骨科（二）

王智运，尹庆水，夏 虹，吴增晖，陆 声，王建华，万 磊

数字骨科学；脊柱外科

计算机重建技术、数字化影像学处理技术、三维（three-dimensional，3D）仿真虚拟技术、计算机辅助设计（computer aided design，CAD）与计算机辅助制造（computer aided manufacturing，CAM）技术、人体骨骼快速建模和快速成型（rapid prototyping，RP）技术、计算机辅助手术导航技术、机器人辅助手术技术等数字技术的快速发展，为骨科疾病临床诊断的准确及时、临床治疗的精确有效以及医疗质量和安全的保障提高提供了强有力的技术支持，也为相关的疗效预测和基础研究开拓了新天地。作为骨科领域中所涉及解剖结构最为复杂的脊柱外科，尤其受益于数字技术的飞速发展。现将脊柱外科领域运用的主要数字技术介绍如下。

1 数字技术在脊柱外科的应用

1.1 术前影像学图形处理和三维建模技术

在传统的脊柱外科诊疗过程中，临床医师主要通过术前X线片、二维CT及MRI对患者病情进行判断。但由于脊柱本身解剖结构的复杂性，加之各种疾病导致的畸形、骨折、脱位、结构破坏等各种因素，使得临床医师对该类疾病的术前判断缺乏较为明确直观的了解。对于复杂脊柱伤病而言，建立患处的三维重建模型，可以使术者在术前即形成较为立体的概念，有助于了解和掌握患处的立体结构和细节（图1），并依此制定手术策略，明确手术的具体方案，从而使术者能在手术设计时更大限度地提高复位和固定效果，有效保护术区周围的重要组织和器官，降低手术风险。

在整个脊柱外科手术中，上颈段解剖关系最为复杂，毗邻的重要神经、血管最多，因此，以往曾被视为“手术禁区”。对于严重的颅颈交界区畸形，寰枢椎骨折、脱位等疾患，既往对术前脱位程度、畸形程度以及瘢痕、骨痂位置的影像学评估难以对脱位、畸形和脊髓受压程度有明确直观的了解，其手术操作的准确性和安全性令人堪虞。而在CT扫描的基础上进行三维建模，不仅可以提供较为全面、直观、立体的骨骼和血管的大体情况，还可以使术者在计算机上通过各个角度和不同层面来侧面观察局部的细节情况，为实现该区复杂伤病数字化精准手术的实施提供良好的参考依据（图2，3）。

图1 脊柱的三维重建与X线片比照结果

对于目前脊柱外科的热点问题——脊柱侧弯和后凸畸形来说，由于属于冠状面、矢状面和水平面的三维立体畸形，单纯的X线片、CT或MRI均无法清晰显示脊柱侧弯的三维畸形。运用全脊柱三维建模技术可以辅助术者正确了解和掌握脊柱畸形的立体结构和细节，进而指导手术策略的制定，对提高矫形手术成功率、避免术中并发症具有非常重要的意义。

图2 对患儿颈椎扫描数据进行三维重建

图3 Hangman骨折的三维重建模型 3A侧面观 3B下面观

1.2 术前手术规划及模拟手术技术

计算机辅助手术规划是指根据术前获取的医学图像建立患体的三维模型，利用计算机技术进行手术方案的思考和仿真，是目前计算机技术与临床医学结合最为密切的研究领域之一。具体的手术规划包括：在三维模型上对患体进行尺寸、面积和体积测量；确定手术路径、组织的切割与移位；确定组织间、组织与手术器械间的位置关系等，在此基础上制定手术方案，并利用后续的个性化医疗辅具或术中导航技术，使临床中该手术方案得以精确完整地实现。

对复杂的脊柱畸形个体进行三维建模之后，通过对3D模型进行旋转、平移等操作，结合观察轴位、冠状位及矢状位二维图像，可以方便地从任意角度和方向观察脊柱畸形的立体情况并测量相关数据（包括侧凸、后凸、旋转畸形的程度、范围以及包含的节段；各椎体及附件的相邻关系、形态；椎弓根的横径、矢状径；与脊柱相邻的骨性结构如胸廓、骨盆的毗邻关系和变形情况等），同时可以更全面、清晰地了解脊柱畸形的整体和细节，从而有助于确定矫形融合节段、选择合适长度和直径的椎弓根螺钉以及判断椎弓根螺钉的进钉点、角度和方向等（图4，5）。

图4 在计算机上模拟寰枢椎的进钉点和进钉通道

图5 椎弓根的横径和矢状径测量

以往脊柱矫形截骨的设计往往采用制作纸样的原始方式来进行，通过在纸样上进行裁剪来决定手术截骨的节段及截骨块的大小，这种费时费力的方式目前已被计算机模拟手术技术所替代。在脊柱三维模型建立成功后，可以在计算机上进行虚拟截骨手术，包括确定截骨平面和截骨角度等步骤，可即时获知截骨的效果图样，并可在计算机上随意更改、调整直至获得术者及患者均满意的效果图样，并依此进行手术，以获得满意的实际效果（图6）。

1.3 CAD-RP技术

CAD-RP技术是在人体解剖结构三维建模的基础上，采用相应处理软件转换生成数控加工命令，并将加工材料层层固化或堆积，并经激光烧结，叠加生成实物的三维CAD模型，最后制造出1∶1的人体骨骼立体实物模件。

经过三维建模后的脊柱解剖信息始终只是存留于电脑中的数据，而CAD-RP技术可以实现这些结构的实体化，将深不可及、形状复杂的解剖结构以实物模型的方式再现于临床医师面前。在脊柱外科领域，CAD-RP技术具有以下优点：（1）术者根据模型可以更加形象地认识患者骨骼结构的空间特征，准确直观地了解脊柱畸形、脱位的各种信息，方便进行手术设计，模拟置钉操作等；（2）可以在实物模型上进行置钉等手术预操作，减少并发症的发生（图7～9）；（3）制作模型与病变脊柱的形态、尺寸完全吻合，因此可将模型带入手术室，为术中操作提供参考；（4）便于和患者及其家属进行良好有效的沟通，改善医患关系。

1.4 数字化置钉导向模板技术

图6 计算机辅助下进行手术截骨设计手术方案，并预计矫形手术后的效果

数字化置钉导向模板技术是在获得脊柱三维建模的基础上，利用计算机设计出用于术中置钉的导向模板，并采用RP技术将其打印成为实体的方法。该技术制造出的模板能契合患者的骨性结构，引导术者准确置入螺钉，较之传统的眼-手配合的置钉方法具有操作简便、定位精确的优势。以UG Imageware软件为例，具体方法是：首先在Amira 3.1平台上重建脊柱的数字解剖表面模型；然后应用Imageware软件对数字模型进行定量分析与设计，根据最大螺钉通道半径大小和螺钉规格选择合适螺钉，得到该方向椎弓根通道及其最大螺钉通道在椎板的定位区、进钉轴范围及最佳中心轴；最后利用RP技术将模型和模板的实物模型同时制作出来（图10）。制作成功后先在体外将模板和椎体贴合，进行模拟置钉操作，在证实模板导向的准确性后，将模板消毒以备术中辅助置钉之用。

图7 颅脊交界区三维数字化模型实物

图8 模拟C2椎弓根螺钉的进钉操作

图9 脊柱侧凸的3D模型、RP模型以及术前的模拟置钉

图10 个体化导航模板的拟合与制作 10A螺钉最佳进钉通道和反向模板的拟合 10B计算机辅助设计的个体化导航模板 10C在三维重建模型上观察定位导向孔与椎弓根对应的准确性 10D采用RP技术制作出的个体化导航模板

具体而言，对于复杂的寰枢椎脱位，设计并制作椎弓根置钉导向模板，在手术中可直接应用置钉导向模板钻孔（图11），使复杂手术简单化、精确化，保证了手术的安全性和有效性。对于置钉难度较高的胸椎手术来说，采用数字化导向模板技术辅助置钉，准确率高，操作简单安全，消毒方便；同时，单椎体设计的模板不会因术中体位变化、相邻椎体间发生相对移动而导致定位失败。

1.5 计算机辅助脊柱外科手术技术

计算机辅助脊柱手术导航系统（computer aided spine surgery navigation system，CASSNS）是一种利用图像信息结合和立体定位系统对人体肌肉骨骼解剖结构进行显示和定位，并将重构的三维图像与手术器械跟踪技术相结合而组成的脊柱外科手术规划、仿真和导航系统。

图11 手术中应用置钉导向模板钻孔

近10年来，随着微创脊柱外科概念的普及以及脊柱内窥镜技术临床应用的日益广泛，使得“脊柱手术微创化是脊柱外科发展方向之一”这一观念逐步取得脊柱外科医师的共识。而在追求尽量减少脊柱结构的显露、保留结构完整性的同时，如何保证内植物的准确制导就成为了关键问题。CASSNS的出现为脊柱微创外科的发展开辟了新天地，高精度的导航条件为术者提供图像清晰、多维可视、瞬时实效、低辐射损害的内固定操作指引，使术者非常清晰地了解目前的操作状态以及下一步的定位；术者还可以在导航系统的帮助下，观察传统术野不可能显露的部位，从而实现在微术野或零术野条件下脊柱内植物的准确置入，为脊柱畸形矫正、上颈椎手术和椎体成形术等对精确度要求较高的复杂脊柱外科手术提供帮助（图12，13）。由此可见，CASSNS的应用不仅大大拓展手术治疗范围，还使临床医师可以尝试开展一些以往用传统定位手段难以操作、甚至无法完成的复杂手术。

图12 导航引导下模拟椎弓根钉进钉的路径与方向

图13导航下置入螺钉的实际影像与虚拟路径的匹配图

2 典型病例

2.1 典型病例1重度颅底凹陷

男性患者，26岁，因“摔伤致四肢乏力、行走不稳9年”入院。术前CT示重度颅底凹陷，齿突进入枕骨大孔（图14A），MRI示脊髓腹侧受压明显，小脑扁桃体下疝伴脊髓空洞（图14B）。入院诊断：颅底凹陷症，Chiari畸形（Ⅰ型）。术前应用CAD-RP技术制作颅脊交界区模型实体（图14C），在模型上模拟经口前路C2关节突螺钉进钉（图14D）。完善检查，于全麻下行经口前路齿突切除、经口寰枢椎复位钢板（transoral atlantoaxial reduction plate，TARP）复位植骨内固定术。术后CT显示，按术前设计的经口前路C2关节突螺钉位置良好（图14E），齿突完整切除（图14F）；MRI示脊髓腹侧受压完全解除，脑干脊髓角恢复正常，脊髓空洞缩小（图14G）。术后康复出院。

2.2 典型病例2儿童齿状突发育不良伴寰枢关节脱位

男性患儿，6岁，行走不稳3年，摔倒后加重2个月入院。入院后行颈椎X线片和CT检查，提示寰枢椎前脱位。CT、MRI检查提示颈脊髓有明显压迫（图15A，15B）。入院诊断：（1）先天性游离齿突伴寰枢椎脱位；（2）颈脊髓压迫伴四肢不全瘫；（3）先天性寰椎后弓发育不良。术前将CT扫描的DICOM格式数据输入工作站，在Mimics软件上建立三维仿真模型（图15C～15E），在此基础上进行TARP的选择与匹配；建立虚拟钉道，测量钉道长度等数据，以供术中参考；最后用RP技术打印出等比例的数字立体模型，供术前手术模拟及术中比照。

图14 颅底凹陷症手术前后图片 14A术前CT示齿突进入枕骨大孔 14B术前MRI示脊髓空洞，小脑扁桃体下疝，脑干脊髓角变小，脊髓腹侧受压 14C，14D模拟经口前路C2关节突螺钉的进钉 14E，14F术后CT扫描示C2关节突螺钉位置良好、齿突切除完整 14G术后MRI示脊髓受压解除，脑干脊髓角恢复正常，脊髓空洞缩小

手术时患儿取仰卧位，经鼻腔气管插管，并插入胃管。取咽后壁正中切口，将寰枢椎前方的软组织做彻底松解（图15F），用高速磨钻打磨两侧的侧块关节，制造粗糙骨面；根据术前测量提供的数据选择1枚合适的TARP，将其与等比例模型比照（图15G），然后进行寰椎侧块螺钉钉道准备，安装固定钢板；采用TARP复位钳对脱位的寰枢椎进行复位，透视下观察复位满意后置钉，遂进行植骨。术后X线片及MRI显示内固定良好，效果满意（图15H，15J）。

图15 齿突发育不良伴寰枢关节脱位患儿手术前后图片 15A，15B术前CT、MRI示颈脊髓有明显压迫 15C～15E在Mimics软件上建立三维仿真模型 15F，15G 术中彻底松解，利用术前RP实物模型进行术中比照 15H～15J术后X线片及MRI示内固定位置良好，效果满意

R68，R323.4

A

1674-666X(2011)03-0230-07

2011-08-15；

2011-09-03）

（本文编辑 白朝晖）

10.3969/j.issn.1674-666X.2011.03.016

510010广州军区广州总医院骨科医院脊柱外科

E-mail：dragon201@126.com