骨科数字三维重建技术辅助胸腰椎椎弓根螺钉置钉的准确性

中国组织工程研究 第21卷 第3期 2017–01–28出版

Chinese Journal of Tissue Engineering Research January 28, 2017 Vol.21, No.3

ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH

373 ·研究原著·

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陈路遥，男，1980年生，广西壮族自治区百色市人，主治医师，主要从事脊柱创伤骨科研究。

中图分类号:R318 文献标识码:B 文章编号:2095-4344 (2017)03-00373-05 稿件接受：2016-12-02

Chen Lu-yao, Attending physician, Department of Spinal Trauma Orthopedics, Zhongshan City Xiaolan Town People’s Hospital, Zhongshan 528415, Guangdong Province, China

骨科数字三维重建技术辅助胸腰椎椎弓根螺钉置钉的准确性

陈路遥，胡世锵，王小平，吴纬伟，韦展图，黄 俭(中山市小榄镇人民医院脊柱创伤骨科，广东省中山市 528415)

引用本文：陈路遥，胡世锵，王小平，吴纬伟，韦展图，黄俭. 骨科数字三维重建技术辅助胸腰椎椎弓根螺钉置钉的准确性[J].中国组

织工程研究，2017，21(3):373-377.

DOI:10.3969/j.issn.2095-4344.2017.03.009 ORCID: 0000-0001-5901-7809(陈路遥)

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文题释义：

三维数字化：运用三维工具(软件或仪器)来实现模型的虚拟创建、修改、完善、分析等一系列的数字化操作，从而达到用户的目的。通过人工获取物品的外形数据，将获得的数据信息进行加工拼接，以建模的方式加以整理，将各个孤立单视角三维数字模型无缝集成，经过贴图、渲染处理以后，形成三维数据文件。三维数字模型与二维数字模型类似，都要具备最基本的空间数据处理能力。相比于二维数字模型，三维数据模型具有更多优势。

数字骨科学的研究主要包括3个方面：①数字骨科解剖学，是通过计算机技术将人体骨与软组织等解剖结构数字化，从而获得可以看得见的、动态的、能够调控的虚拟人体形态，是医学解剖学与计算机技术、信息技术相结合的成果。骨科数字化解剖可以让使用者自由地观察、移动、旋转和生成解剖结构，更加快捷地学习和掌握解剖信息，充分展示个性化解剖特征；②数字骨科手术学，通过建立骨骼及相关软组织病变骨折、骨病等三维模型，可以直观、动态地观察、分析骨折和骨病情况。同时利用计算机技术建立虚拟的骨科手术器械库，进行手术设计、手术模拟，并将手术方案应用于实际手术，加以验证，不断完善和充实数据库；③骨科虚拟教学，建立骨科虚拟仿真系统，使练习者沉浸于虚拟的场景内，通过视、触、嗅、听等手段了解和学习各种手术实际操作，可应用于手术操作教学、培训和手术规划等。与传统的手术训练相比，具有不会对患者造成伤害、可重复等优点。

摘要

背景：随着近年来更精密的影像学仪器的出现，骨科术前检查变得更清晰、准确，借助三维重建技术势必能提高椎弓根钉置入的准确性。

目的：探讨数字化三维重建技术辅助胸腰椎椎弓根钉置入的准确性和安全性。

方法：收集因脊柱疾病行椎弓根内固定的患者200例，随机分为2组，一组采用传统解剖标志法结合术中透视定位置入椎弓根螺钉(徒手置钉组)，一组利用数字化三维重建技术辅助置入胸椎椎弓根钉(辅助置钉组)。通过对比虚拟置钉前后的脊柱数字化模型，记录完成钉道准备时间、手术出血量、置钉准确率、椎弓根神经血管损伤情况。

结果与结论：①徒手置钉组、辅助置钉组椎弓根螺钉置入准确率分别为85%和99%，两组一次性置入成功率分别为80%和95%，置钉优良率分别为86%和96%，差异无显著性意义(均P > 0.05)；②徒手置钉组完成钉道准备时间为(5.87±1.34) min ，置钉出血量为(10.08±7.58) mL ；辅助置钉组完成钉道准备时间为(3.91±2.28) min ，置钉出血量为(18.31±8.56) mL ，两项指标组间比较差异有显著性意义(P < 0.05)；③徒手置钉组神经损伤6例，血管损伤8例；辅助置钉组神经损伤0例，血管损伤1例，两组神经、血管损伤情况比较差异有显著性意义(P < 0.05)；④结果表明，数字化三维重建技术辅助胸腰椎椎弓根钉置入的准确性高、置钉安全。 关键词：

骨科植入物；数字化骨科；数字三维重建技术；胸腰椎；椎弓根螺钉；徒手置钉 主题词：

成像，三维；胸椎；腰椎；内固定器；组织工程 基金资助：

2016年中山市卫生和计划生育局医学科研项目(2016J145)

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Accuracy of digital orthopedic three-dimensional reconstruction for thoracolumbar pedicle screw placement

Chen Lu-yao, Hu Shi-qiang, Wang Xiao-ping, Wu Wei-wei, Wei Zhan-tu, Huang Jian (Department of Spinal Trauma Orthopedics, Zhongshan City Xiaolan Town People’s Hospital, Zhongshan 528415, Guangdong Province, China )

Abstract

BACKGROUND: With the emergence of more sophisticated imaging instruments in recent years, orthopedic preoperative examination becomes more clear and accurate. With the help of three-dimensional reconstruction technology, it is bound to improve the accuracy of pedicle screw placement.

OBJECTIVE: To investigate the accuracy and safety of digital three-dimensional reconstruction technique in the placement of thoracolumbar pedicle screw.

METHODS: 200 cases of pedicle screw fixation were collected and randomly pided into two groups. One group was treated with traditional anatomical landmarks combined with intraoperative fluoroscopic fixation of pedicle screws. Assisted thoracic pedicle screws were implanted with digital three-dimensional reconstruction technique. Preparation time, the amount of bleeding, accuracy of pedicle screw placement, and neurovascular injury of pedicle were recorded by comparing the preoperative and postoperative spine digital models of the pre-and post-virtual spine.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) The accuracy rate of pedicle screw placement was 85% and 99% in the nail-hand nail group and the auxiliary nail group respectively, and the success rate of one-time placement was 80% and 95%; the excellent and good rates of placement were 86% and 96%, respectively (P > 0.05). (2) The preparation time of nail channel was (5.87±1.34) minutes and the volume of blood loss during nailing was (10.08±7.58) mL in the nail-hand nailing group. The preparation time of nail channel was (3.91±2.28) minutes and the volume of blood loss during nailing was (18.31±8.56) mL in the auxiliary nail group. There was significant difference between the two groups (P < 0.05). (3) Nerve injury occurred in six cases, and vascular injury in eight cases in the nail-hand nailing group. Nerve injury occurred in 0 case, and vascular injury in one case in the auxiliary nail group. There were significant differences in nerve and vascular injuries between the two groups (P < 0.05). (4) These results confirm that the accuracy and safety of digital three-dimensional reconstruction technique in the treatment of thoracolumbar pedicle screw placement are high. Subject headings: Imaging, Three-Dimensional; Thoracic Vertebrae; Lumbar Vertebrae; Internal Fixators; Tissue Engineering

Funding: the Medical Scientific Research Project of Health and Family Planning Bureau of Zhongshan City in 2016, No.2016J145

Cite this article: Chen LY, Hu SQ, Wang XP, Wu WW, Wei ZT, Huang J. Accuracy of digital orthopedic

three-dimensional reconstruction for thoracolumbar pedicle screw placement. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2017;21(3):373-377.

0 引言 Introduction

椎弓根是脊柱中最坚硬的部分，经椎弓根螺钉固定显著提高了融合的效率及固定的强度，明显降低了内固定失败的可能及假关节的发生[1]。但椎弓根邻近脊髓和神经根，尤其是其内壁及下壁，任何位置不良的椎弓根螺钉都可能损伤神经从而引起严重的并发症。经椎弓根内固定手术的关键是掌握好进钉点及进钉角度，准确地将螺钉经椎弓根拧入椎体[2]。传统的椎弓根螺钉置入依赖于解剖标志辨识和术者经验，经典的后路脊柱显露技术无法直视椎弓根全部，即使有经验的脊柱外科医师也存在着置入螺钉位置不佳的可能。数字化骨科手术新方法广泛应用于脊柱外科手术、骨关节创伤治疗、韧带重建修复、骨肿瘤切除重建、骨关节严重畸形矫正等骨科各分支领域，使骨科手术更加微创和精确[3]。在数字化脊柱模型基础上发展起来的椎弓根置钉导航导板可方便地解决这一问题。徒手置钉方法仍然是目前临床上最常采用的置钉方法[4]，但是临床应用还不完善、不规范，因此寻找一个变异较小的并与椎弓根联系紧密的解剖学定位骨性标志，以便更准确地确定进钉点拧入椎弓根螺钉非常有必要[5]。近年来，计算机辅助影像导航系统用于术前制定手术计划和术中导航，在手术过程

中跟踪手术器械，帮助骨科医生更精确和更安全地进行多种复杂手术，越来越广泛的应用于临床[6]。为此，实验探讨数字化三维重建技术辅助胸椎椎弓根钉置入的准确性和安全性。

1 对象和方法 Subjects and methods

1.1 设计 前瞻性随机对照试验。

1.2 时间及地点 于2010年1月至2015年11月在中山市小榄镇人民医院完成。

1.3 对象 选取2010年1月至2015年11月在中山市小榄镇人民医院因脊柱疾病行椎弓根内固定的患者200例，其中男112例，女88例，术前常规拍摄胸腰椎正侧位X 射片，所有患者进行连续薄层CT 扫描，上传至PACS 系统，数据以Dicom 格式保存至计算机；200例患者随机分为2组，一组采用传统解剖标志法结合术中透视定位置入椎弓根螺钉(徒手置钉组)，一组利用数字化三维重建技术辅助置入胸椎椎弓根钉(辅助置钉组)。辅助置钉组100例，女45例，男55例，平均年龄(4

2.23±9.74)岁；徒手置钉组100例，女46例，男54例，平均年龄(45.86±11.86)岁；两组患者一般资料比较差异无显著性意义(P > 0.05)。

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诊断标准：参照《实用骨科学》[7]、《骨与关节损伤》[8]

对脊柱胸腰段外伤及退变性疾病进行诊断，确定需行椎弓根内固定术。

纳入标准：①年龄18-80岁；②符合诊断标准；③有明显的外伤史、节段性脊柱骨折或者脊柱退行性疾病，置入椎弓根部位为T 4到S 1；④受伤到手术未超过14 d ；⑤愿意接受临床研究，依从性强。

排除标准：①妊娠期、哺乳期，年龄< 18岁或> 80岁；②脊柱骨折伴有强直性脊柱炎；③有严重其他系统疾病和恶性肿瘤的患者；④依从性差，不愿意接受临床研究。 1.4 方法 两组患者均常规进行术前准备，麻醉方式均采用全麻，俯卧于可透视脊柱手术床上。将患者胸腰椎薄层CT 数据集合导入医学图像重建软件MIMICS 中，观察病变椎体病理结构改变。

1.4.1 辅助置钉组 设计虚拟钉道，术前规划模拟手术置钉。选择拟进行椎弓根螺钉固定的椎体，在软件MRP 界面下利用MedCAD 功能设计出虚拟椎弓根螺钉，通过调整虚拟椎弓根螺钉钉道避开血管神经脏器，使虚拟钉道走行于椎弓根、椎体骨质内，寻找出最佳钉道的位置，确定椎弓根螺钉在椎板后方的进钉点、钉道在椎弓根内的安全走行方向、所需螺钉的大小和长度。通过对比虚拟置钉术前和术后的脊柱数字化模型，在虚拟置钉前模型上标记好进钉点和钉道方向并打印出来。然后进行手术治疗，后路显露术野后，辅助置钉组患者按照术前规划设计好的椎弓根进钉点、螺钉方向和深度置入椎弓根螺钉。

1.4.2 徒手置钉组 徒手置钉组在显露术野后，结合术前影像学并参照术中解剖标志判断进钉点，术者根据经验准备钉道后置入螺钉。

1.5 主要观察指标 通过对比虚拟置钉前后的脊柱数字化模型，记录完成钉道准备时间、手术出血量，术中透视验证钉道安全性，置钉后复查X 射线及CT 验证钉道安全性和准确性。

按照文献标准分类将螺钉位置分成3类，CT 扫描观察螺钉在椎弓根内的位置，记录螺钉穿透椎弓根壁的位置和距离[9]

：①优：螺钉完全位于椎弓根内；②良：仅有螺钉螺纹穿透椎弓根峡部皮质(不超过螺钉直径的1/4)，不危及周围神经、血管；③差：螺钉明显穿出椎弓根峡部皮质(不超过螺钉直径的1/4)，有损伤周围神经、血管的危险。 1.6 统计学分析 采用SPSS 21.0统计分析，非正态分布资料采用中位数表示，计量资料数据正态分布资料采用x _

±s 表示。百分率的比较采用χ2检验，两组间均数的比较采用独立样本t 检验，P < 0.05为差异有显著性意义。

2 结果 Results

2.1 参与者数量分析 200例患者均进入结果分析。 2.2 两组基线资料比较 两组各项基本资料经统计学分析，差异无显著性意义(均P > 0.05)，具有可比性，见表1。

2.3 试验流程图 见图1。

2.4 一次性置入成功率、置入准确率比较 徒手置钉组、辅助置钉组椎弓根螺钉置入准确率分别为85%和99%，两组的一次性置入成功率分别为80%和95%；置钉优良率分别为86%和96%，但差异无显著性意义(均P > 0.05)。 2.5 完成钉道准备时间、平均置钉出血量比较 徒手置钉组完成钉道准备时间为(5.87±1.34) min ，置钉出血量为(10.08±7.58) mL ；辅助置钉组完成钉道准备时间为(

3.91±2.28) min ，置钉出血量为(18.31±8.56) mL ，两项指标组间比较差异有显著性意义(P < 0.05)，见表2。

2.6 两组患者椎弓根神经血管损伤情况 徒手置钉组神经损伤6例，血管损伤8例；辅助置钉组神经损伤0例，血管损伤1例，两组神经、血管损伤比较差异有显著性意义 (P < 0.05)。

3 讨论 Discussion

椎弓根是脊柱中最坚硬部分，经椎弓根螺钉固定明显降低了假关节发生及内固定失败的可能，提高了融合的效率及固定的强度。但椎弓根邻近脊髓和神经根，任何位置不良的椎弓根螺钉都可能损伤神经而引起严重并发症[10-12]。术中正

表1 两组患者基线资料比较 (n =100)

Table 1 Comparison of baseline data in both groups

项目

徒手置钉组

辅助置钉组 P 年龄(x _

±s ，岁) 45.86±11.86 42.23±9.74 > 0.05 性别(男/女，n ) 54/46 55/45 > 0.05 责任节段(n ) > 0.05 T 6-T 10 24 21 T 10-T 12 37 39 T 12-L 3

39 40 手术原因(外伤/退变，n ) 21/79

19/81

> 0.05

表2 两组完成钉道准备时间、平均置钉出血量比较 (x _

±s ，n =100) Table 2 Comparison of the preparation time of the screw channel and the average blood loss in both groups

组别 完成钉道准备时间(min) 平均置钉出血量(mL) 徒手置钉组 5.87±1.34 18.31±8.56 辅助置钉组 3.91±2.28a

10.08±7.58a

表注：与徒手置钉组相比，a P < 0.05。

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确的进钉方向及合适长度、直径的椎弓根螺钉及准确的进钉点是椎弓根内固定成功与否的关键[13]。传统的椎弓根螺钉置入技术依赖于解剖标志辨识和术者的经验，后路脊柱显露技术不能直视椎弓根，即使有经验的外科医师也可能出现置入螺钉不佳的可能。影像辅助置钉技术包括CT 三维重建辅助置钉、X 射线透视置钉，个体化导航模板置钉、计算机导航置钉等又因设备价格昂贵、辐射量大、制备个体化导向模板要求高、增加患者费用等缺点而不能普及推广[14-16]。

数字骨科技术是20世纪后期发展起来的一项由现代计算机技术和临床医学交叉发展的新技术，有良好的应用前景[17-18]。数字化骨科手术新方法广泛应用于脊柱外科手术、骨关节创伤治疗、韧带重建修复、骨肿瘤切除重建、骨关节严重畸形矫正等骨科各分支领域，使骨科手术更加微创和精确

[19]

。

数字化脊柱模型，能够将一个与人体骨骼等大的脊柱重建出来，进行手术的计划、模拟和操作。在数字化脊柱模型基础上发展起来的椎弓根置钉导航导板可方便解决这一问题[20-22]。但该项技术模板需要与相应的骨性解剖结构相贴合，才能实现准确置钉，故术中将相应椎体背侧软组织剥离干净，对骨性结构不能有任何破坏，术中导航模板不能有任何滑动、移位，才能保证其紧密贴合于相应的骨性解剖结构，其制作技术要求较高、费用也较大，因此限制了其在临床的普及推广[23-24]。

徒手置钉定位方法在临床上应用混乱，还不完善、不规范，因此寻找变异较小、更简单易行、手术创伤更小的解剖学定位标志非常有必要

[25-28]

。随着计算机技术发展，

采用计算机辅助影像学定位方法开始不断应用于临床，提高了定位的准确性[29-35]。此研究对比了数字化三维重建技术辅助胸椎椎弓根钉置入与传统方法结合术中透视定位置入椎弓根螺钉的疗效，结果显示，辅助置钉组的椎弓根螺钉置入准确率、置钉优良率均优于徒手置钉组，且平均置钉出血量、完成钉道准备时间均少于徒手置钉组，提示通过数字技术三维重建辅助置钉手术，可寻找出最佳钉道的位置，确定椎弓根螺钉在椎板后方的进钉点、所需螺钉的长度、合适直径的椎弓根螺钉以及椎弓根螺钉钉道在椎弓根内的安全走行方向。

综上所述，随着手术难度的不断提高，医生必须熟练地运用手术规划软件，建立目标部位的三维解剖模型，在计算机上设想、模拟手术方案，反复修正，做出最佳手术设计。数字骨科技术的运用，可以满足医师术前在计算机上进行手术规划，选择正确的进钉点和合适的椎弓根螺钉，按照术前规划完成置钉，避免手术中的失误，节省了手术时间，减少了术中透视，减轻了患者痛苦，值得临床推广应用。

作者贡献：资料收集以及试验设计、实施、评估为全体作者。

利益冲突：所有作者共同认可文章无相关利益冲突。 伦理问题：患者及家属签署了“知情同意书”，治疗方案获中山

市小榄镇人民医院伦理委员会批准。

文章查重：文章出版前已经过CNKI 反剽窃文献检测系统进行3次查重。

文章外审：文章经国内小同行外审专家双盲外审，符合本刊发稿宗旨。

作者声明：文章第一作者对研究和撰写的论文中出现的不端行为承担责任。论文中涉及的原始图片、数据(包括计算机数据库)记录及样本已按照有关规定保存、分享和销毁，可接受核查。

文章版权：文章出版前杂志已与全体作者授权人签署了版权相关协议。

开放获取声明：这是一篇开放获取文章，文章出版前杂志已与全体作者授权人签署了版权相关协议。根据《知识共享许可协议》“署名- 非商业性使用-相同方式共享3.0”条款，在合理引用的情况下，允许他人以非商业性目的基于原文内容编辑、调整和扩展，同时允许任何用户阅读、下载、拷贝、传递、打印、检索、超级链接该文献，并为之建立索引，用作软件的输入数据或其它任何合法用途。

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