数字化技术在脊柱后凸截骨矫形术中的应用

王东海(综述)，霍洪军(审校)

(1.内蒙古医科大学研究生学院，呼和浩特 010030;2.内蒙古医科大学第二附属医院胸腰椎脊柱外科，呼和浩特 010030)



数字化技术在脊柱后凸截骨矫形术中的应用

王东海1△(综述)，霍洪军2※(审校)

(1.内蒙古医科大学研究生学院，呼和浩特 010030;2.内蒙古医科大学第二附属医院胸腰椎脊柱外科，呼和浩特 010030)

20 世纪末，数字化医学开始兴起，并迅猛发展，现已广泛用于疾病的诊断与治疗。随着疾病诊疗中精准化、微创化、个体化理念的形成，作为骨科领域中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。脊柱后凸的截骨矫形治疗一直被公认为脊柱外科的难点，数字化技术在脊柱后凸截骨矫形术中的手术设计、风险评估及预后判断等方面应用前景广泛。现将数字化技术在脊柱后凸截骨矫形术中的应用综述如下。

1数字化与脊柱后凸及截骨矫形术的概述

1.1数字化医学、数字化骨科学数字化，就是将许多复杂多变的信息转变为可以度量的数字、数据，再根据这些数字、数据建立适当的数字化模型，把它们转变为一系列二进制代码，引入计算机内部，然后进行统一处理。20世纪后期，随着信息技术和医学科学的相互交叉和综合发展，在计算机里整合人体断面数据后重建成数字化人体三维立体结构图像从而构成人体数字信息研究平台的技术越来越成熟，一门新的学科——数字化医学逐渐兴起，并成为一项世界前沿性研究[1]。Pomero等[2]研究表明，数字化医学已广泛用于疾病的诊断以及外科手术方案的选择。基于数字医学和“数字解剖学”的发展，国内学者于2007年首次提出了“数字骨科学”的概念[3]。数字骨科学是一门以骨科为基础，计算机图像处理技术为辅助，骨科临床与计算机技术紧密结合的新型数字化医学学科。数字骨科技术在医学影像处理、三维重建与可视化技术、计算机辅助设计(computer aided design，CAD)、计算机辅助制造(computer aided manufacturing，CAM)、有限元分析技术(finite element analysis，FEA)、快速成形技术(rapid protyping，RP)、手术导航与机器人辅助技术等方面展示了良好的前景[4]。

1.2脊柱后凸概述脊柱后凸为脊柱畸形之一，脊柱畸形包括脊柱侧凸、脊柱前凸和脊柱后凸。脊柱后凸指由各种原因引起的脊柱向后的异常凸起，使脊柱本身及其附属组织解剖形态改变的一种疾患。重度脊柱后凸多表现为多平面畸形，可引起脊椎前后柱结构广泛僵硬，发生脊柱三维畸形，导致脊柱的稳定性严重失衡，可影响美观以及脊柱和心肺的功能，导致疼痛、自卑心理等严重伴发症状，最终出现迟发型瘫痪，严重影响患者的生活、生存质量。

1.2.1分类可分为非固定性畸形与固定性畸形。非固定性畸形，如姿势性驼背，因肌肉力弱所致后凸或代偿腰前凸加大的胸后凸畸形；固定性畸形：休门病、强直性脊柱炎(最多见)、老年性骨质疏松等所致后凸、先天性后方半椎体以及结核或创伤等所致畸形。

1.2.2治疗脊柱后凸的非手术治疗：①全身疗法，包括全身支持疗法和病因治疗；②局部疗法，采取有效方法预防脊柱后凸畸形的发生和发展，如改良Risser石膏背心矫形，此法原来用于矫正脊柱侧弯，但若将合页放在背侧，而腹侧做楔形截除，则可使躯干逐渐伸直，可用来矫正脊柱后凸。脊柱后凸的手术治疗：脊柱后凸截骨矫形术并非病因治疗，所以术前必须治疗原发病，患者病情平稳、畸形固定后方可行手术治疗。

1.3脊柱后凸截骨矫形术脊柱后凸，尤其是Cobb角>75°的重度脊柱后凸畸形，多须进行手术干预。Rajasekaran等[5]认为，脊柱三柱截骨矫形手术治疗脊柱后凸畸形可取得较好的疗效；Kuklo等[6]提出，涉及脊柱前、中、后柱的三柱截骨术式可达到冠状面矫形、矢状面恢复生理曲度以及轴位消除旋转的目的，手术效果较好。临床中使用的三柱截骨手术方式主要有以下4种[7]。①经椎弓根楔形截骨(pedicle subtraction osteotomy，PSO)的技术较为成熟，因而目前在国内应用较广泛。脊柱矢状面失平衡10～12 cm，并伴有尖锐的甚至角状后凸的部分节段性脊柱融合患者是其最佳适应证。②全脊椎截骨术(vertebral column resection，VCR)与单纯后路脊椎截骨术(posterior vertebral column resection，PVCR)。传统的VCR采用前后路联合术式完全切除畸形变的椎体，按需重建前柱，可同时矫正冠状面和矢状面畸形。VCR的适应证：胸椎的角状后凸；1型冠状面失衡的先天性后凸；矢状面失衡伴2型冠状面失衡；腰5椎体重度滑脱、半椎体。2002年，有学者在VCR的基础上提出了PVCR，单纯后路缩短了手术时间、减少了术中出血，手术损伤小，且手术并发症较VCR少[8]。Hamzaoglu等[9]报道应用PVCR治疗102例患者，术后冠状面矫正率为62%，矢状面平衡恢复良好。Lenke等[10]应用PVCR治疗了35例重度脊柱侧后凸畸形，术中平均出血691 mL，术后平均矫正率为51%～60%。③脊柱去松质骨截骨术(vertebral column decancellation，VCD)是在VCR的基础上发展而来，其将PVCR、蛋壳技术以及脊柱肿瘤整体切除技术的优点进行了融合。VCD的适应证与VCR类似。王岩等[11]报道了32例重度畸形患者采用VCD治疗，术后矫正率为61%，仅4例出现并发症。 ④后路多节段椎体截骨术(posterior multilevel vertebral osteotomy，PMVO)是一种有别于VCR的单纯后路多节段椎体截骨术，其是于2009年由Suh等[12]首先提出的。Modi等[13]报道13例重度脊柱侧后凸患者采用PMVO治疗，术后冠状面矫正率为54.3%，矢状面平衡恢复良好。

2在脊柱后凸截骨矫形治疗的数字化技术应用

正常脊柱的解剖结构本身就很复杂，脊柱后凸畸形后，解剖结构及其与周围组织、脏器的毗邻关系更是发生了较大的变化，导致手术的难度和风险大大增加[14]。这就要求临床医师在术前对患者的椎体、椎弓根、椎管、脊髓、周围重要器官、软组织等各种参数有充分、详细的了解，准确掌握畸形的具体病变情况，提前做好手术计划和准备[15-16]。重度脊柱后凸多伴不同程度的侧凸，畸形属于冠状面、矢状面和水平面的三维立体畸形，三维重建技术能以CT和磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)等的影像学资料为根据，通过计算机软件一次性扫描重建较大范围所需脊柱的图像资料；数字化重建病变脊柱的三维立体模型可以更直观、准确地反映脊柱后凸的三维立体结构，帮助临床医师形成较为立体的概念，对脊柱后凸做出详细的诊断，并依此制订术前规划[17]。应用数字化术前规划，虚拟截骨可以在术前直观地显示各个部位截骨后的矫形效果，为手术者及其团队选择不同的术式方案、截骨手术的截骨平面及每个节段的截骨量提供了直观的参考。因此，数字化在脊柱后凸畸形诊疗中的应用已成为研究的热点，临床医师已经开始广泛研究其价值[18]。

2.1Mimics交互式医学影像控制系统(materialise′s interactive medical image control system)软件Mimics软件是一个基于临床医学影像学，介于医学与机械领域间的逆向工程软件与计算机辅助设计软件[19]。Mimics软件具有良好的图像编辑功能，可以显示和分割图像，能够对图像的象素间距、图像层距、识别范围等相关参数进行自动设置[20-21]。虽然近年来CT与MRI技术飞速发展，医院影像中心也可以直接进行图像三维重建[22-23]，但其结果不能导入个人电脑进行进一步研究。只有通过Mimics软件，CT、MRI等断层扫描的结果才能转换成为STL格式等多种三维软件可以通用的数据格式[24]，才能实现后续的FEA、RP、CAD、CAM、虚拟现实以及计算机辅助外科计划等的研究。正是因为 Mimics 软件的这些优势，使其在医学领域的应用越来越广泛。通过Mimics软件对三维重建得到的畸形脊柱的三维立体图像进行平移、旋转等操作，并结合观察冠状位、轴位及矢状位的二维图像，可以从任意角度、任意方向以及任意平面观察脊柱后凸畸形的病变情况，可以更直观和准确地掌握后凸、侧凸、旋转畸形的程度、范围及包含的节段，并测量所要内固定椎体椎弓根的直径、方向和角度[25-26]。

2.2有限元分析有限元方法是数值计算中的一种离散化方法，是矩阵方法在结构力学和弹性力学等领域中的发展和应用[27]。Belytschko等[28]于1973年首先将有限元分析应用于脊柱生物力学研究。有限元分析是基于有限元分析软件建立有限元模型，最常见的有限元分析软件是美国ANSYS公司开发的Ansys软件[29]。有限元分析是数字医学的重要组成部分，其能够对实验条件进行控制，并模拟活体下的力学情况，对患者无任何伤害。

近年来，有限元模型在结构上加入了肌肉、韧带、小关节等组件，使其更接近于脊柱真实的解剖结构，应用有限元法分析脊柱的生物力学在一定程度上能代替生物力学实验。因此，越来越多的基础和临床工作者开始应用有限元来分析脊柱生理和病理过程中的应力分布、力学变化，以此不断改进和优化脊柱手术的设计方案[30]。应用有限元对脊柱后凸畸形进行分析，可以为临床医师提供全面、真实的畸形脊柱的原始资料，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，对提高矫形手术成功率、减少术中并发症具有非常重要的意义。

2.3RPRP技术是近年来发展起来的，在人体解剖结构三维建模的基础上，综合了计算机辅助设计、数控、激光、新材料等多门学科，应用离散堆积成型原理，最后制造出1∶1的人体骨骼立体实物模件[31]。RP技术可以实现电脑三维建模后的脊柱解剖信息数据的实体化，为临床医师提供解剖结构十分复杂的脊柱畸形的实物模型。在脊柱外科领域，RP技术具有以下优点[32]：术者可以通过人体骨骼立体实物模件更加准确、直观地了解脊柱后凸的各种信息，便于临床医师提前进行手术设计；在实物模型上进行模拟置钉等手术预操作可降低手术风险；与病变脊柱形态、尺寸完全吻合的模型可为术中操作提供参考。

2.4术前手术规划及模拟手术技术通过Mimics软件对畸形脊柱进行数字化三维建模，可以测量复杂脊柱畸形模型的尺寸、面积和体积，以此确定手术器械间与病变脊柱的位置关系，确定矫形融合节段，判断椎弓根螺钉的进钉点、角度和方向，选择合适长度和直径的椎弓根螺钉，指导手术方案的制订，精确完整地实现手术方案。在脊柱畸形三维模型建立成功后，可以在计算机软件上确定截骨平面和截骨角度等步骤后虚拟截骨手术，依照获知截骨的效果图样进行手术，可获得满意的实际效果。通过Mimics软件也可在同一病例上模拟不同的手术方案，比较不同方案的手术效果，为临床选择最佳的手术方案提供依据。

2.5计算机辅助测量脊柱畸形Cobb角Cobb角是指导脊柱畸形治疗以及术前评估的重要指标。脊柱畸形Cobb角测量法：头侧端椎上缘的垂线与尾侧端椎下缘垂线的交角即为Cobb角。若端椎上下缘不清，可取其椎弓根上下缘的连线，然后取其垂线的交角也即为Cobb角。目前Cobb角的测量方式可以分为X线胶片测量和计算机辅助测量。国外普遍认为，计算机辅助测量Cobb角的可靠性较好[33-35]。王储等[36]认为，Mimics软件可用于数字影像学Cobb角的测量，其测量精度优于传统X线胶片测量，且重复测量可使精确度提高约3°。此外，Mimics可以数字化保存测量记录，为医疗资料的保存、回顾以及交换提供了极大的方便，较其他计算机辅助测量更有优势。

2.6其他应用Berryma等[37]认为，通过三维重建进行术前评估可减少内外径偏小或形态有变异的胸椎凸侧椎弓根螺钉误入椎管内的风险。Kukio等[38]将畸形脊柱的三维重建图像通过数字化技术切割后观察其骨性结构的改变，可以帮助确定手术需要融合的上、下端椎。三维重建技术可以在个体化、精准化了解脊柱畸形椎体的同时，发现脊髓纵裂、脊髓空洞、脊柱裂及脊膜膨出等并发病变，进一步完善对脊柱畸形与椎管内脊髓、神经关系的了解。

3展望

数字化医学一直就是国内外研究的前沿领域。个性化、精确化将会成为未来医学发展的方向，数字医学必将成为这个时代的主角。脊柱后凸截骨矫形术有很高的操作难度和较大的手术风险，数字化技术为脊柱后凸的手术设计、风险评估及预后判断提供了可靠的数据，是一种可行、可靠的评估方法。目前，数字化医学技术仍处于初始阶段，但关于脊柱后凸截骨矫形术的基础研究和临床应用研究刚起步就处于飞速发展的技术革命进程中。毫无疑问，随着数字化与脊柱外科的不断发展与创新，数字化在脊柱后凸截骨矫形治疗中的应用会越来越广泛和深入。

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摘要：脊柱后凸畸形是一类比较复杂的脊柱外科疾病，其截骨矫形治疗一直被公认为脊柱外科的难点。数字化医学作为新兴的学科和技术，发展迅速，并已在脊柱畸形的治疗中得到广泛应用，且在不断的完善和创新。在脊柱后凸截骨矫形术中应用Mimics、有限元分析、快速成形等数字化技术可以提高手术定位的精度，减少手术并发症，提高手术成功率。

关键词：脊柱后凸；截骨矫形术；数字化；术前规划

Application of Digital Technology in Vertebral Osteotomy of KyphosisWANGDong-hai1,HUOHong-jun2.(1.GraduateSchool,InnerMongoliaMedicalUniversity,Hohhot010030,China； 2.DepartmentofSpineSurgery,theSecondAffiliatedHospitalofInnerMongoliaMedicalUniversity，Hohhot010030,China)

Abstract:Kyphosis is a complicated spine disease, and its osteotomy has been recognized as a difficulty of spine surgery.Digital medicine as a new discipline and technology develops rapidly, and it has been widely used for spinal deformity with continuous improvement and innovation. In spinal deformity correction surgery,the application of Mimics,finite element analysis,rapid prototyping and other digital technology can improve the positioning accuracy, reduce the complications and improve the success rate of operation.

Key words:Digital; Kyphosis; Osteotomy; Preoperative planning

收稿日期：2014-04-30修回日期：2014-08-16编辑：辛欣

基金项目：国家自然科学基金 (81160216)；内蒙古医科大学研究生科研创新基金资助项目(S20131013205)

中图分类号：R687.31
doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.05.022

文献标识码：A

文章编号：1006-2084(2015)05-0828-04