基于数字三维技术确定腰4/5椎弓根螺钉进钉点的精确性

武世勋，刘时璋，凌 鸣，段降龙，孙正明，史纪元

（陕西省人民医院：1.骨科；2.普外科，陕西西安 710068）

椎弓根螺钉的精准置入是每位脊柱外科医师的基本功。目前已有的椎弓根螺钉置钉方法繁多，如徒手法、C臂X线定位法、计算机导航置入法等，其中徒手法是脊柱内固定手术中最常应用的技术，进钉方法包括人字嵴法、Roy-camille法、Magerl法、Krag法、Weinstein法等[1]，进钉轨迹以尽量减少关节突关节破坏、且接近或在椎弓根中轴线上进钉最为理想。椎弓根进钉点偏外，容易突破椎弓根及椎体外侧壁骨皮质，导致内固定失败，甚至伤及周围软组织；进钉点偏内，容易突破椎弓根内侧壁骨皮质，损伤脊髓及脊神经根，造成相应感觉运动障碍、脑脊液漏等严重后果。不同椎弓根螺钉内固定术后椎体的生物力学特性研究结果提示：单平面螺钉的生物力学稳定性、抗疲劳性优于单轴椎弓根螺钉及万向椎弓根螺钉[2]。腰椎椎弓根副突是指导椎弓根螺钉进入点的一致且可靠的标志[3]。临床工作中，椎弓根退变性旋转、发育畸形等情况经常存在，导致椎弓根螺钉置入存在较大的失误率（高达15.7%）[4]。因此，术中如何有效提高椎弓根螺钉置入的精准度是临床医师一直关注的话题。

近年来，随着计算机技术和影像学技术的大力发展，使得精准医疗被临床医师更加重视。本文首次利用数字三维成像技术模拟椎弓根的真实钉道及手术置钉技术，比较Weinstein法、人字嵴法、Magerl法进钉点的精确性。

1 资料与方法

1.1 数据采集与脊柱仿真模型的建立

本研究采用64排SOMATOM Definition Flash双源CT机（Siemens Healthineers,Forchheim,Germany）对志愿者行全腰椎扫描。设置扫描参数：120 kV、205.50 mAs，层厚1 mm，获得336层大小为512 px×512 px图像，将其数据以DICOM格式保存，并导入Mimics 17.0软件（Materialise,Leuven,Belgium），用“Thresholding”和“region growing”模块提取感兴趣区域后，利用calulate 3D from mask功能生成椎体三维模型。将模型以STL格式导入Geomagic Studio 12逆向工程软件，用移动面板的对象移动器进行坐标标准化，导出结果为STL格式文件，导入Mimics 17.0软件的3matic软件测量（图1）。本研究计算机配置：Windows 7-64位操作系统，处理器Intel(R)Core（TM）i7-4600，运行内存8GB，256 SSD硬盘。

1.2 研究对象的纳入标准

收集我院门诊及住院部患者的正常腰椎CT扫描数据6例，排除标准：①患者腰椎有严重退变、增生改变；②有先天性或后天性骨性畸形者；③腰椎骨折、骨质疏松、肿瘤、结核等椎体破坏者。

1.3 人字嵴法进钉点的确定

在椎体模型的后面观，选取椎弓根峡部嵴与乳突副突嵴交点为人字嵴顶点[5]（图1A）。

1.4 Weinstein法进钉点的确定

Weinstein法定义为上关节突的外下角，称为上关节突的颈部[6]。在椎体模型的后面观，按照定义确定（图1A）。

1.5 Mager l进钉点[7]

在椎体后面观模式下，平行于横突在其上缘及下缘分别建立平面，取两平面的中平面（平面0），建立垂直于电脑屏幕及地面的平面（平面1），并使其经过下位椎体的上关节突外缘，计算平面0与平面1的交互线，计算此交互线在腰椎上的投影点，为Magerl法进钉点（图1B）。

图1 人字嵴法、Weinstein法和Magerl法进钉点的确定Fig.1 Determination of the entry point for herringbone vertex method,Weinstein and Magerl methods

1.6 椎弓根中点的确定

在椎体模型上面观，于椎弓根与椎体交界处任选3点，建立平面，用平面切割椎弓根后，计算求得切割面的中点，为椎弓根中点（图2A）。

1.7 真实钉道及进钉点的建立

在椎体模型上面观，选椎弓根内外缘弧形线切点的连线，旋转平面1使之垂直于此连线，建立平面2，平移平面0与平面2均经过椎弓根中点，并算出平面0与平面2的交线，为真实钉道轨迹（图2B），此线与椎体交点为真实进钉点（图2C）。

图2 真实进钉点及真实钉道轨迹的建立方法Fig.2 Establishment method of real entry point and path

1.8 各模拟进钉点到真实进钉点的距离测量

确定人字嵴顶点、Weinstein法、Magerl法及真实进钉点后，在椎体模型后面观，分别计算人字嵴顶点、Weinstein法、Magerl法进钉点到真实进钉点的最短距离（图3A）。

1.9 各种进钉方法的外展角

在椎体模型上面观，计算平面1与平面2的夹角，为真实外展角。利用软件两点法建立人字嵴钉道、Weinstein法钉道、Magerl法钉道，复制平面2，用旋转功能建立经过人字嵴钉道、Weinstein法钉道、Magerl法钉道的平面，分别计算各平面与平面1的夹角，即人字嵴法、Weinstein法、Magerl法的外展角（图3B）。

图3 测量方法示意图Fig.3 Schematic diagram of the measurement method

1.10 统计学处理

本研究所有椎体测量包含左右侧，每个椎体均由一位骨科医师重复测量3次，所有数据均使用SPSS 17.0统计软件包进行分析。检验数据正态性与组间方差齐性，若数据正态且方差齐，左右侧椎弓根两组数据用配对t检验，三组数据用完全随机设计方差分析（检验统计量为F），且结果以均数±标准误（xˉ±SEM）表示，多个样本平均数之间的差异用LSD多重比较法检验；若三组数据非正态或方差不齐，则用Kruskal-WallisH非参数检验（检验统计量为χ2），组间两两比较用两独立样本Mann-Whitney检验法。所有统计学检验均为双侧检验，以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结 果

2.1 腰4左右侧椎弓根进钉点的比较

腰4椎体右侧真-Weinstein距离显著大于左侧，分析结果有统计学差异（t=3.706，P=0.002）。腰4椎体右侧真-Magerl距离显著大于左侧，分析结果有统计学差异（t=2.989，P=0.005）。而腰4椎体右侧的真-人字嵴、真实外展角、Weinstein外展角、人字嵴外展角、Magerl外展角与左侧比较均无明显差别（表1）。

2.2 腰4进钉点到真实进钉点距离、外展角的组间比较

腰4右侧距离测量结果显示，Weinstein法、人字嵴法、Magerl法进钉点到真实进钉点的距离有统计学差异（F=5.049，P=0.01），组间比较发现真-Weinstein距离显著小于真-人字嵴法距离（P=0.003）。腰4左侧距离测量结果，Weinstein法、人字嵴、Magerl法到真实进钉点的距离有统计学差异（F=12.120，P＜0.001），组间比较发现真-Weinstein距离、真-Magerl距离均显著小于真-人字嵴法距离（P＜0.001，图4A，表1）。

腰4右侧外展角测量结果显示，Weinstein外展角、人字嵴外展角、Magerl外展角与真实外展角的差异具有统计意义（χ2=42.548，P＜0.001），进一步采用两独立样本Mann-Whitney检验法比较发现，真实外展角与Weinstein外展角、人字嵴外展角的差异有统计学意义（P均＜0.001），真实外展角与Magerl外展角之间有统计学差异（P=0.037），Weinstein外展角与人字嵴外展角之间有统计学差异（P＜0.001），人字嵴外展角与Magerl外展角之间均有统计学差异（P＜0.001，表1）。

腰4左侧外展角测量结果显示，Weinstein外展角、人字嵴外展角、Magerl外展角与真实外展角的差异具有统计学意义（χ2=52.815，P＜0.001），采用两独立样本Mann-Whitney检验法比较发现，真实外展角与Weinstein外展角、人字嵴外展角、Magerl外展角的差异有统计学意义（P＜0.05），Weinstein外展角分别与人字嵴外展角、Magerl外展角之间均有统计学差异（P＜0.001和P=0.003），人字嵴外展角与Magerl外展角之间有统计学差异（P＜0.001，图4B，表1）。

表1 腰4左、右侧椎弓根的测量距离、外展角的比较Tab.1 Comparison of distance and abduction angle between left and right in L 4 pedicles （xˉ±SEM）

图4 腰4椎体的测量参数组间比较Fig.4 Comparison of measurement parameters of L 4 vertebrae among groups

2.3 腰5左右侧椎弓根进钉点的比较

腰5椎体左侧真-Weinstein、真-人字嵴距离大于右侧，差异有统计学意义（P=0.002，P=0.004）。腰5椎体右侧Weinstein外展角大于左侧（P=0.003），而腰5椎体右侧的真-Magerl、真实外展角、人字嵴外展角、Magerl外展角与左侧比较均无统计学差别（表2，图5）。

2.4 腰5进钉点到真实进钉点的距离、外展角的组间比较

腰5右侧距离测量结果显示，Weinstein法、人字嵴法、Magerl法到真实进钉点的距离有统计学差异（F=25.437，P＜0.001），组间比较发现真-Weinstein距离与真-人字嵴距离、真-Magerl距离的差异均有统计学意义（P＜0.001，P=0.005），真-人字嵴距离与真-Magerl距离的差异有统计学意义（P＜0.001），说明人字嵴顶点到真实进钉点的距离最大，Weinstein法距真实进钉点的距离最近。腰5左侧距离测量结果，Weinstein法、人字嵴、Magerl法到真实进钉点的距离有统计学差异（χ2=19.152，P＜0.001），采用两独立样本Mann-Whitney检验法组间比较发现真-Weinstein距离、真-Magerl距离均与真-人字嵴法距离的差异有统计学意义（P=0.005和P＜0.001），而真-Weinstein距离与真-Magerl距离的差异无统计学意义（P=0.171，表2，图5）。

图5 腰5椎体的测量参数组间比较Fig.5 Comparison of measurement parameters of L 5 vertebrae among groups

腰5右侧外展角测量结果显示，Weinstein外展角、人字嵴外展角、Magerl外展角与真实外展角的差异具有统计学意义（χ2=51.114，P＜0.001），用两独立样本Mann-Whitney检验法组间比较发现，真实外展角与Weinstein外展角、人字嵴外展角、Magerl外展角的差异有统计学意义（P均＜0.001），Weinstein外展角与人字嵴外展角之间有统计学意义（P＜0.001），人字嵴外展角与Magerl外展角之间有统计学意义（P＜0.001），Weinstein外展角与Magerl外展角无统计学差异（P=0.104，表2）。

表2 腰5左右侧椎弓根的进钉距离及外展角比较Tab.2 Comparison of distance and abduction angle between left and right in L 5 pedicles （xˉ±SEM）

腰5左侧外展角测量结果显示，Weinstein外展角、人字嵴外展角、Magerl外展角与真实外展角的差异具有统计学意义（χ2=48.212，P＜0.001），用两独立样本Mann-Whitney检验法组间比较发现，真实外展角与Weinstein外展角、人字嵴外展角、Magerl外展角的差异有统计学意义（P均＜0.001），Weinstein外展角与人字嵴外展角、Magerl外展角之间均有统计学意义（P＜0.001），人字嵴外展角与Magerl外展角之间有统计学意义（P＜0.001）。Weinstein外展角与Magerl外展角之间差异有统计学意义（P=0.03）。

3 讨 论

椎弓根螺钉固定技术在脊柱外科迅猛发展，使脊柱疾病的救治更有效、更简便。脊椎的形态与发育、退变、外伤、肿瘤等因素有关，导致每个椎弓根、横突、关节突关节解剖结构变异较大，因此产生了许多种椎弓根螺钉进钉方法。本研究针对这一临床现象，采用数字三维成像技术模拟椎弓根的真实钉道及手术置钉技术，比较不同置钉方法的优缺点。

与使用3D成像数据技术相比，使用2D术前规划技术导致上关节突损伤的风险更高。对透视引导的椎弓根螺钉使用更外侧和更靠下的进入点可以降低经皮椎弓根螺钉置入术后关节突关节损伤的发生率[8]。不规范的椎弓根螺钉置入增加椎弓根螺钉断裂的风险[9]。通过三维重建CT图像测量参数研究，结果发现，可将横突椎板凹、横突上嵴和椎板外缘等解剖标志作为上、中胸椎椎弓根钉进钉的参考点[10]。术后CT断层扫描结果认为，徒手置入椎弓根螺钉在治疗青少年特发性脊柱侧弯上是一种安全可靠的方法[11]。

一项尸体研究认为，胸椎上关节突底部的切迹位置基本保持不变，是引导螺钉进入椎弓根的重要解剖标志[12]。在建立的三维重建腰椎模型上寻找椎弓根轴线，制定腰椎经皮椎弓根螺钉的最佳进钉点的研究发现，在标准正位X片上，L3-L5椎弓根椭圆形投影环坐标系X轴下方10.8°～12.4°环外0.5～0.8 mm（L3、L4）或1.2～1.5 mm（L5）处进钉[13]。

本研究结果显示，腰4椎体双侧椎弓根的Weinstein法、人字嵴法到真实进钉点的距离差异不大，与关节突关节及人字嵴的恒定的解剖结果有关，Magerl法的左右差异提示可能与双侧横突位置变异有关。人字嵴法进钉点到真实进钉点的距离最大，位置靠近棘突，其外展角最小，按照常规进钉外展角置入，容易导致关节突关节破坏、螺钉破坏椎弓根内壁、进入椎管损伤脊髓及神经根可能；而Magerl法、Weinstein法接近真实进钉点，Magerl法、Weinstein法进钉点位于真实进钉点内侧，因而外展角小于真实钉道外展角。综上所述，在临床手术中，采用Weinstein法接近真实进钉点，对关节突破坏很小，上关节突位置恒定，腰4椎弓根螺钉置钉时首选Weinstein法。

腰5椎体双侧椎弓根的Weinstein法、人字嵴法到真实进钉点的距离差异明显（±2 mm），人字嵴法到真实进钉点的距离最远，靠近棘突，外展角最小，按常规外展角进钉，也有螺钉偏内、误入椎管的风险；Magerl法、Weinstein法进钉点位于真实进钉点内侧，而二者的外展角明显小于真实钉道外展角，但是Magerl法和Weinstein法外展角接近。总之，在临床手术中，腰5椎弓根螺钉置钉时，首选Weinstein法和Magerl法。

本文首次采用数字三维成像技术模拟椎弓根的真实钉道及手术置钉技术，比较了Weinstein法、人字嵴法、Magerl法在后路腰4、腰5椎弓根螺钉置入术中的精确性。结果显示，腰4椎弓根螺钉置钉时首选Weinstein法，腰5椎弓根螺钉置钉时首选Weinstein法或Magerl法，或者将二者结合考虑决定进钉点及进钉方向更安全。