3～6岁儿童寰枢椎椎弓根在3D打印技术下的测量研究

田苡任，任 强，周 湘，甄 磊，郑美娜，张 放*

(1.河北省儿童医院骨科，河北 石家庄 050031；2.河北省儿童医院质控办，河北 石家庄 050031)

目前成人寰枢椎“椎弓根”螺钉固定技术作为治疗寰枢椎病变最常用手术固定方式之一已被全世界广泛认可[1]，但是该固定方式是否适用于学龄前期儿童尚无明确报道，其最主要原因是缺乏该年龄段寰枢椎详细解剖学数据。尽管国内外学者不断的进行成人寰枢椎“椎弓根”的探讨研究，并且留下了大量可靠测量数据[2]。但是由于学龄前期儿童寰枢椎解剖发育的特殊性，单纯应用成人寰枢椎数据作为参考将极大增加手术风险。 3D打印技术通过与医学影像学技术相结合，可模拟出三维人体结构模型，临床上可通过模型进行详细术前讨论及手术方案制定[3]。CT扫描是医学3D打印最常用成像方式，它具有非侵入性、高准确性、快速成型性，通过3D打印机按1∶1等比例打印出人体模型，可在模型上进行术前操作模拟及相关数据测量。本研究通过对40例学龄前期儿童进行寰枢椎CT扫描，并应用3D Slicer建立寰枢椎模型，通过对模型寰枢椎“椎弓根”进行数据测量，为学龄前期儿童寰枢椎脱位，上颈椎畸形、肿瘤等疾病手术治疗提供解剖学理论依据。

1 资 料 与 方 法

1.1一般资料 收集2020年1—11月期间在河北省儿童医院行寰枢椎CT检查的学龄前期儿童的影像学资料，排除寰枢椎骨折、畸形、肿瘤及感染性疾病等，排除既往寰枢椎手术病史者，选取其中40例儿童，按年龄分为A组(3～<4岁)、B组(4～<5岁)，C组(5～<6岁)、D组(6～<7岁)各10例，其中男女比例1∶1。本研究经医院伦理委员会批准。儿童及家属知情同意并签署知情同意书。

1.2方法 40例患儿均由河北省儿童医院CT室应用的东芝64排螺旋CT扫描，并将扫描后影像学资料导入3D Slicer中建立出寰枢椎模型，运用3D Slicer中测量工具进行相关数据测量。测量方法，参考韩镜明等[4]、林斌等[5]、曹正霖等[6]关于寰枢椎相关结构测量方法，为了提高精确性，每一项指标重复测量3次，取3次平均值为最终结果。

1.3测量指标 首先重建寰枢椎图像(图1)，测量①椎弓根高(pedicle height，PH)：临床上常将寰椎(C1)椎动脉沟处后弓上下骨皮质间的距离作为寰椎(C1)椎弓根高(图2)。常将枢椎(C2)上下关节突之间的骨皮质间的距离作为枢椎(C2)椎弓根高(图3)。②椎弓根宽(pediele width，PW):临床上常将椎动脉沟处的后弓当做寰椎(C1)的椎弓根，其宽度为此处内外侧皮质外缘间的最短距离(图4)。枢椎(C2)的椎弓根为上下关节突关节之间连接的区域，其宽度为该区域内外侧皮质外缘间的最短直线距离(图5)。③椎弓根通道全长(the entirelength of pedicle osseous channel，PL):寰椎(C1)椎弓根全长应为椎动脉沟处骨皮质到椎体前缘骨皮质间的距离(图4)。枢椎(C2)椎弓根全长应为上下关节突关节之间骨皮质到椎体前缘骨皮质之间距离(图5)。通常表示螺钉通过的路径长度。

1.4统计学方法 应用SPSS 13.0统计软件进行数据分析。计量资料采用配对t检验，单因素方差分析(One-way ANOVA)和SNK-q检验。P<0.05为差异有统计学意义。

图1 3D重建后寰枢椎图像Figure 1 3D reconstruction of the atlantoaxis图2 寰椎椎弓根高Figure 2 Height of atlas pedicle图3 枢椎椎弓根高Figure 3 Height of axis pedicle图4 寰椎椎弓根宽度和通道全长Figure 4 Width and channel length of atlas pedicle图5 枢椎椎弓根宽度和通道全长

2 结 果

根据测量数据表明，寰枢椎椎弓根长度、宽度以及高度测量指标均随年龄增长呈递增趋势，为D组>C组>B组>A组。并且各组之间男女比较差异无统计学意义(P>0.05) ，C1椎弓根宽(左)与C1椎弓根宽(右)差异无统计学意义，C2椎弓根宽(左)与C1椎弓根宽(右)差异无统计学意义。见表1、2。故各个年龄组数据对比分析时可合并处理。

2.1不同年龄组间C1椎弓根宽度、高度以及通道全长的数据测量结果 寰椎椎弓根宽度、高度、通道全长均随年龄增长呈递增趋势，其中D组>C组>B组>A组，且各组间差异有统计学意义(P<0.05)。寰椎椎弓根宽度/高度比值均大于1.0，表明寰椎椎弓根冠状面呈扁椭圆形，所以限制置入寰椎椎弓根螺钉直径的指标为寰椎高度。见表3。

2.2不同年龄组间C2椎弓根宽度、高度以及通道全长的数据测量结果 枢椎椎弓根宽度、高度、通道全长均随年龄增长呈递增趋势，其中D组>C组>B组>A组，且各组间差异有统计学意义(P<0.05)。枢椎椎弓根宽度/高度比值均小于1.0，表明枢椎椎弓根冠状面呈长椭圆形，所以限制置入枢椎椎弓根螺钉直径的指标为枢椎宽度。见表3。

2.3不同年龄组寰椎、枢椎椎弓根宽度、高度、长度之间比较 同年龄组中，寰椎椎弓根宽均大于枢椎椎弓根宽度，且差异有统计学意义(P<0.05)。寰椎椎弓根高均小于枢椎椎弓根高度，且差异有统计学意义(P<0.05)。见表3。寰椎椎弓根通道全长均大于枢椎椎弓根通道全长，差异有统计学意义(P<0.05)。见表4。

表1 不同性别之间的C1各变量差异比较 Table 1 Comparison of gender differences in variables

表2 不同性别之间的C2各变量差异比较Table 2 Comparison of C2 variables between different genders

表3 不同年龄组的椎弓根宽和高的差异比较Table 3 Comparison of pedicle width and height in different age groups

表4 不同年龄组的椎弓根全长比较Table 4 Comparison of pedicle length in different age groups

3 讨 论

近些年来，由于医疗技术水平不断提高，人们对儿童寰枢椎相关疾病越来越关注。枕寰枢复合体(C0～C1～C2)的结构非常复杂，其运动取决于骨的形态和关节突位置，并受周围韧带和关节囊的约束。它由枕寰关节(C0～C1)与寰枢关节(C1～C2)复合体组成，这两部分结构紧密连接，其运动也是耦合的。寰枕关节是稳定的中心，寰枢关节是活动的中心，也是不稳定的中心。寰枢关节是人体活动性最大的关节。学龄前期作为人类一生中两个快速生长期之一，在快速生长阶段其寰枢椎形态学和生物力学变化较为剧烈，其与成人存在较大差异。学龄前期儿童由于其骨骼发育尚未成熟，关节突关节发育不完全，关节浅，活动度大，且学龄前期儿童头部占比较大，寰枢椎关节囊、韧带较松驰，加之学龄前期儿童对危险识别能力差，对自身保护能力有限，故较易发生寰枢椎损伤导致不稳[7]。加之先天性寰枢椎发育异常、炎症、肿瘤，导致寰枢椎不稳或脱位越来越常见。并且随着CT及MRI等影像学广泛运用于临床，使人们对学龄前期儿童寰枢椎疾病的认识得到了极大的提升。以往颅椎区的手术被称为“手术的禁区”是脊柱外科风险最大、难度最高的手术部位。 尤其对于儿童，手术操作空间小、儿童脊柱骨骼发育未成熟，内固定置钉难度大，置钉过程中随时有损伤脊髓及椎动脉的风险。手术也可能加重脊髓的损伤，造成患儿瘫痪甚至呼吸系统并发症导致死亡。以往学龄前期儿童寰枢椎疾病由于医疗技术水平及内固定研发的限制，多采用非手术治疗，但效果欠佳，因此临床上迫切的需要找到有效治疗方式。寰枢椎“椎弓根”螺钉目前为成人寰枢椎疾病常用固定手段，但在学龄前期儿童上应用暂未得到广泛应用，其最主要原因为学龄前期儿童寰枢椎椎弓根解剖形态研究不足，故对学龄前期儿童寰枢椎椎弓根相关数据的测量是非常有必要的。

1983年Denis[8]提出的脊柱三柱理论已得到国内外学者广泛认可，并极大促进了脊柱外科的发展。该理论同样适用于婴幼儿。脊柱前柱由前纵韧带，前1/2椎体、椎间盘、纤维环构成。脊柱中柱由后1/2椎体、椎间盘、纤维环以及后纵韧带和椎管构成。脊柱后柱由关节突关节、椎板、黄韧带、棘间和棘上韧带构成。脊柱的稳定性主要由三柱稳定组成。椎弓根螺钉通过椎弓根进行三柱固定，使脊柱获得绝对稳定。其优点主要为内固定把持力大，固定牢固，力学分布合理等，其缺点为椎弓根入口隐秘、范围小，并被椎板骨皮质掩盖；椎弓根通道狭窄，椎弓根钉置入过程中易穿出通道造成不可逆神经、血管损伤。故应用椎弓根螺钉固定，需熟练掌握椎弓根椎板处投影、椎弓根通道走行及周边组织的详细解剖情况。寰枢椎为颈椎第1、2节，为枕颈过渡椎，其解剖形态较为特殊。国内外对于成人寰枢椎解剖学研究较为详细，并且通过这些研究数据进行寰枢椎椎弓根螺钉固定获得极大成功，目前寰枢椎椎弓根螺钉已经成为成人寰枢椎疾病常用固定手段。但是儿童不是缩小版成人。故成人寰枢椎解剖数据无法直接应用于儿童患者。学龄前期儿童属于儿童极为特殊的时期，其成长速度快，变异大，其周边解剖关系复杂，并且有关学龄前期儿童寰枢椎椎弓根解剖学和数字化测量研究在国内外尚处于空白。

3D打印技术是由多方位平扫物体获得的数字化文件为基础，通过逐层堆积黏合材料的方式构建实体物质的技术。该技术由1990年美国麻省理工学院的Sachs等[9]首次提出。20世纪90年代以来，该技术取得了飞速发展。2003年美国南卡罗纳大学的Mironov等[10-11]提出生物组织器官3D打印的概念。它不同于传统制造工业的减材特性，而是通过逐层堆积制作而出，又称为增材制造。它的核心思想为以数字化3D模型为基础，对物体进行数字化分层，得到每层的二维加工路径等信息，利用合适的材料和工艺，通过自动化控制技术，沿着设定路径逐层打印，最终累积成三维物体。它具有个性化程度高、模型精度高、材料利用率高和成型速度快等特点。由于它的增材制造及“三高一快”的特点，3D打印将作为决定未来经济和人类生活的颠覆性技术之一[12]。该研究就是利用3D打印技术这些优势特点打印出每个患儿自身寰枢椎等比例大小模型，再通过测量模型寰枢椎椎弓根解剖学数据来间接反映真实寰枢椎椎弓根数据资料。

学龄前期为人体快速生长期之一，所以寰枢椎在形态学上变化较为剧烈。但通过本研究结果表明，寰枢椎椎弓根宽度、高度及长度均随年龄增长呈递增趋势，且与侧别和男女无相关性。寰椎PW/PH比值均>1.0，表示椎弓根宽度大于高度，但随年龄增长无明显变化，这表明限制植入寰椎椎弓根螺钉直径的为寰椎高度。枢椎PW/PH比值均<1.0，表示椎弓根高度大于宽度，但随年龄增长无明显变化，这表明限制植入枢椎椎弓根螺钉直径的为枢椎宽度。目前对于寰枢椎螺钉的直径在其椎弓根中的占比为多少，螺钉最为安全、稳定，尚未达到一致。目前比较公认的观点为，马向阳等[13]通过多次实验表明:当寰椎椎弓根的高度值<4.0 mm时，不适合置入3.5 mm直径的椎弓根螺钉。陈立言等[14]表示，当螺钉直径为枢椎椎弓根宽度的80%～90%比较安全、稳定。但是Suk等[15]则提出不同观点，他表明儿童颈椎骨质结构具有的延展性和韧性，即使椎弓根螺钉进入时螺纹破坏一部分椎弓根通道皮质，也不会造成明显不良后果，所以椎弓根螺钉直径最大可达椎弓根限制值的115%。本研究结果显示，学龄前期儿童寰椎椎弓根高度均>4.0 mm，学龄前期儿童枢椎椎弓根宽度均>3.5 mm，因此通过上述观点可以表明3～6岁学龄前期儿童寰枢椎椎弓根均可被置入直径为3.5 mm的螺钉。螺钉长度由椎弓根长度决定。有学者研究表明，椎弓根螺钉置入钉道长度的80%，螺钉在椎弓根中的生物力学比较坚固[16]。结合本研究测量数据可得知，学龄前期儿童的寰椎椎弓根螺钉理论上可置入长度为18～22 mm。枢椎椎弓根螺钉理论上可置入长度为15～18 mm。

综上所述，3～6岁学龄前期儿童寰枢椎应用椎弓根螺钉固定是可行的。但是由于儿童寰枢椎椎弓根整体细小，形态多变，通道走行复杂，周边毗邻重要神经、血管。故行学龄前期儿童寰枢椎椎弓根螺钉固定时，需详细了解患者椎弓根解剖结构、螺钉进钉点定位、螺钉进入方向角度等众多问题。3D打印技术作为一项革新的技术，不仅仅只能用于椎弓根数据的测量，还可以利用三维模型进行模拟螺钉置入过程，可极大提高学龄前期儿童椎弓根螺钉置入精确性和安全性。目前，3D打印技术已广泛应用于医学各个领域，其个性化、精准化的特点极大推进了医学的发展，为人类健康事业提供广阔空间。