数字骨科技术在寰枢椎螺钉置入中的应用

王华文 高延征(河南省人民医院骨科 河南郑州 450003)



数字骨科技术在寰枢椎螺钉置入中的应用

王华文 高延征
(河南省人民医院骨科 河南郑州 450003)

【关键词】数字骨科;寰枢椎螺钉置入;计算机辅助技术

近年来,随着计算机信息技术的快速发展,数字骨科技术已广泛应用于骨科临床,凭其可视化､精确性､实时定位等优势,逐渐得到医学相关研究者的重视,本文就数字骨科技术应用于寰枢椎螺钉置入的研究进展进行综述｡

1 数字骨科定义与优势

1.1 定义 数字骨科是计算机科学与骨科学紧密结合的一门新型数字化医学学科,是以骨科为基础,计算机图像技术为辅助,涉及到人体解剖学､立体几何学､生物力学､材料学､信息学､电子学､机械工程学等领域的交叉学科[1]｡数字骨科技术包括医学影像处理､三维虚拟仿真､可视化技术､有限元技术(finite element analysis,FEN)､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､快速成型技术(rapid prototyping,RP)､逆向工程技术､术中导航与机器人辅助技术等[2]｡

1.2 优势 数字骨科技术已广泛应用于骨科临床各个分学科,相比于二维影像学资料,数字化影像学资料更具有优势:①CAD技术处理CT､MRI平扫数据行多平面､三维重建平扫部位,立体化显示平扫部位解剖结构;②快速成型技术､逆向工程技术可行3D模型打印与导航模板的打印,应用手术过程中,提高了置入螺钉的准确性与安全性;③术中导航与机器人辅助技术可术中实时监测螺钉置入过程,确保螺钉的安全置入[3-5]｡

2 寰枢椎螺钉置入

颅颈交界区(CVJ)疾病手术治疗主要包括寰枕融合､寰枢椎融合､前路经口寰枢椎融合等技术,以上手术方式均应用椎弓根螺钉､椎板螺钉､侧块螺钉等固定作为融合支点｡术前行CT､MRI平扫评估神经脊髓压迫情况､寰枢椎发育情况,手术计划拟定,术中常规C-臂定位,徒手进行螺钉置入,但术者需具有丰富的手术经验,螺钉的置入易进入椎管导致脊髓损伤或椎动脉损伤等｡谭明生等[6]报道寰枢椎植入84枚椎弓根螺钉,其中4枚穿破椎动脉孔｡研究表明寰枢椎螺钉置入易发生相关并发症｡寰枢椎螺钉置入的关键是充分显露手术视野､准确定位进钉点､正确掌握横断面置钉角(transverse screw angle,TSA)和矢状面置钉角(sagital screw angle,SSA)角度等[7]｡数字骨科技术作为寰枢椎螺钉置入的一项辅助技术,减少了螺钉置入失败的客观因素｡

3 数字骨科在寰枢椎置钉的应用概况

3.1 CT平扫及图像处理 CT平扫是CVJ疾病常用影像学评估资料,CT平扫数据及多平面重建(MRP)､表面遮盖三维重组图像(SSD)､最大密度投影(MIP)､容积重建(VR)等图像处理技术已应用于临床｡研究表明C2椎板螺钉置入要求椎板内横径不小于3.5 mm｡Saetia等[8]通过CT平扫数据测量了200例正常C2椎板内横径､外横径､椎板长度参数,评价寰枢椎手术

前行CT平扫的必要性｡MRP､SSD､VR技术可将三维重建寰枢椎并二维联系矢状位､冠状位､轴位显示解剖结构,为数字化测量寰枢椎椎弓根､椎板宽度提供可视化､立体画的信息[9]｡郝定均等[10]通过多平面三维重建技术测量150例正常寰椎椎弓根形态及解剖学数据,并给予分型探讨其临床应用意义,提出按寰椎椎动脉处骨质高度的分型,可以较好地指导寰椎后路“椎弓根"及侧块螺钉固定技术､螺钉直径的选择｡应用CT三维重建技术可以更好显示寰枢椎图像,寰枢椎椎弓根的研究国内外已经有很多重要的数据,但儿童的研究甚少,需要进一步研究[11]｡

3.2 3D模型与导航模板 3D模型打印是应用CAD与CAM或者RP技术结合,将计算机设计模型打印出,RP技术较CAM技术更具有优势,CAD/RP技术已广泛应用骨科临床｡尹庆水等[7]通过CAD/RP技术,将CT原始数据导入Simpleware软件行模拟螺钉置入,导出寰枢椎模型与手术辅助模板并打印出其模型,在手术过程中应用手术辅助模板,利用导航模板给予13 例CVJ疾患成功手术治疗｡在CAD/RP设计导航模板的过程中,3D模型的建立､RP过程中STL数据精确输出､机器材料等因素影响导航模板的准确性[12]｡Mizutani等[13]打印出15例风湿性寰枢椎患者的全颈椎3D模型,术前在模型上行手术操作,实际手术中植入钉棒与模板相同,手术成功,无术后相关并发症｡Hu等[14]用32具尸体解剖通过寰枢椎3D模型及C2椎板螺钉导航模板打印应用,评价其准确性,3D导航模板可提高手术成功率,减少手术并发症｡导航模板的应用必须与寰枢椎手术解剖骨性表面吻合固定,才能使螺钉准确置入｡

3.3 计算机辅助导航系统 计算机辅助导航系统(computer assisted navigation system,CANs)指利用空间定位技术确定手术部位的组织结构坐标,并精确跟踪手术器械位置变化的计算机手术辅助系统[1]｡目前应用于临床的导航系统主要包括术前CT影像成像导航､术中X线2D成像导航､术中Iso-成像导航､术中O型臂成像导航4种类型[15]｡注册技术是CANs的关键因素,因此需要选择合适的注册点和注册方法,术前CT平扫图像和术中CT､2D或者3D图像透视,计算机虚拟与手术实现匹配[16]｡Atia等[17]回顾性分析了7例儿童寰枢椎疾病患者通过O型臂3D术中影像导航技术行椎弓根或侧块螺钉置入,均成功置入螺钉,无相关手术并发症｡研究者通过ISO-C导航系统引导C2的椎板螺钉的置入,术后CT平扫显示螺钉准确置入[18]｡Takahashi等[19]认为影响导航系统可安全应用于风湿性患者关节不稳,但是螺钉穿孔的发病率不会完全消失｡图像引导虚拟与现实匹配过程中,由于寰枢椎活动置匹配误差,研究表明CT导航有1 mm偏移,3D导航因系统误差有0.5 mm偏移[20]｡CANs作为一项辅助技术,其临床应用不能过于注重图像数据,手术现实中的情况更应该注重｡相对于徒手螺钉置入,该技术的优点为实时三维计算机化反馈到螺钉放置期间,计算机化的三维解剖结构有利于螺钉的准确置入｡一项研究表明未应用CANs技术引导C2椎弓根螺钉植入,必须要求掌握熟练的外科手术技能及患者的选择才能避免椎动脉损伤的出现,而CANs可减少其发病率[21]｡

3.4 脊柱导航辅助机器人技术 脊柱导航辅助机器人系统由光学跟踪系统,导航和规划系统,以及配备有六自由度､转矩传感器手术机器人组成[4]｡张春霖等[22]研究开发一种利用计算机脊柱计算机导航辅助机器人寰枢椎椎弓根螺钉双置入法,在干燥寰枢椎标本上可保证螺钉双置入,由于寰枢椎结构的复杂,该研究方法尚未应用于临床｡一项回顾性研究分析表明脊柱导航机器人系统成本高,脊柱椎弓根螺钉置入的风险高,还需要进一步的研究认证[5]｡

4 数字骨科技术应用的展望

医学事业的发展离不开信息技术的辅助,计算机技术迅速发展带动骨科学的发展,数字骨科技术越来越广泛应用于骨科临床,辅助传统手术,减少术中手术意外､手术并发症｡CAD/CAM/RP制作寰枢椎导航模板假体,CANs与计算机辅助机器人技术术中实时监测,引导手术进行,减少了手术时间､术中出血,提高了手术成功率｡数字骨科技术已广泛应用于骨科临床,在寰枢椎螺钉置入的临床实践中起到了巨大作用,但仍需进一步研究,比如减少应用成本､学习曲线､简单化等｡

参考文献

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·案例报道·

通讯作者:高延征,E-mail:doctorgao63@163.com｡

【中图分类号】R 653

doi:10.3969/j.issn.1004-437X.2016.01.040