脊柱虛擬手術(shù)系統(tǒng)輔助下頸椎椎弓根置釘準(zhǔn)確性評價(jià)

結(jié)果表明，椎弓根螺釘固定在脊柱中具有良好的生物力學(xué)性[1和2]，但下腰椎椎弓根螺釘固定的風(fēng)險(xiǎn)較大[3和4]。其難點(diǎn)在于椎弓根變異較大[5、6],通用的形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)在置釘時僅可作為大體參考[5、7],個體化置釘才是應(yīng)對椎弓根變異、提高置釘準(zhǔn)確性、降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的理想方法。研究[8～11]表明多層螺旋CT(multi-spiralCT,MSCT)3D技術(shù)可對脊柱進(jìn)行精確顯示。但CT3D工作站在脊柱疾病診療過程中存在交互性和便捷性的不足。自2007年始,國內(nèi)學(xué)者何飛與北京航空航天大學(xué)合作研發(fā)了脊柱虛擬手術(shù)系統(tǒng)(spinalvirtualsurgerysystem,SVSS),該系統(tǒng)在個人電腦(PC)上實(shí)現(xiàn)了脊柱3D重建、旋轉(zhuǎn)、切骨與測量。2009年6月～2011年6月利用該系統(tǒng)輔助行下頸椎經(jīng)椎弓根螺釘固定,與2007年5月～2009年11月采用MSCT指導(dǎo)開展的此類手術(shù)病例的螺釘穿破率進(jìn)行對比,觀察該系統(tǒng)在輔助椎弓根置釘準(zhǔn)確性上與MSCT3D工作站的差異。1數(shù)據(jù)和方法1.1msct三維重建方法本研究共27例患者,男17例,女10例。SVSS三維重建技術(shù)輔助下頸椎椎弓根螺釘固定手術(shù)組(A組):10例,男4例,女6例;年齡18～56歲,平均44.6歲。病因:Chiari畸形4例,C4/5創(chuàng)傷不穩(wěn)2例,C4/5骨折脫位2例,C4～C6水平軟骨肉瘤1例,C4～C5后凸畸形1例。共置釘50枚,分布節(jié)段:C310枚,C420枚,C514枚,C64枚,C72枚。MSCT三維重建指導(dǎo)手術(shù)組(B組):17例,男13例,女4例;年齡19～69歲,平均41.5歲。病因:外傷11例,Chiari畸形3例,頸椎結(jié)核2例,神經(jīng)鞘膜瘤1例。共置釘76枚,分布節(jié)段:C318枚,C424枚,C518枚,C610枚,C76枚。1.2svss系統(tǒng)方法MX8000型64層MSCT及SGI02Workstation4.01隨機(jī)工作站(Philips公司,美國),脊柱手術(shù)模擬系統(tǒng)(SVSS)及個人電腦圖形工作站(DELLPRECISIONM6300,intelcore22.8G,4G,512M)。SVSS系統(tǒng)借鑒了MSCT工作站VR和MPR技術(shù),以CT、MRI等采集的數(shù)據(jù)為信息源,以VC6.0為開發(fā)環(huán)境,用C++語言結(jié)合可視化軟件開發(fā)包,建立基于PC環(huán)境的可視化脊柱手術(shù)專用虛擬系統(tǒng)。系統(tǒng)操作界面(圖1)設(shè)置5個窗口:1個3D觀察調(diào)整窗口,3個2D定位窗口及1個2D測量窗口。觀察調(diào)整窗口確定興趣目標(biāo),去除非目標(biāo)區(qū),測量切割平面的各項(xiàng)參數(shù);定位窗口(包括軸位、矢狀位、冠狀位窗口)上,調(diào)動任一窗口位置,其他兩個窗口將隨之調(diào)至相同參數(shù)的剖面,而測量窗口亦跟隨作相應(yīng)變化,可最大限度地減少測量誤差。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)測量采用螺釘標(biāo)示輔助,通過螺釘?shù)姆糯?縮小及延長,相對MSCT工作站目測法減少了人為因素;專用測量窗口可以實(shí)現(xiàn)圖像局部放大而不影響其他窗口的圖像顯示,可使測量結(jié)果更準(zhǔn)確。1.3掃描層厚2.5掃描條件:視野180mm,電壓120kV,電流200mAs,螺距0.875,掃描時間0.75s/周,矩陣512×512,掃描層厚1.3mm。重建條件:重建厚度0.6mm。1.4原始數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換MSCT容積掃描后,原始數(shù)據(jù)傳送到圖形工作站保存。A組:原始數(shù)據(jù)在工作站導(dǎo)出,格式轉(zhuǎn)換和整理,然后導(dǎo)入SVSS行三維重建;B組:原始數(shù)據(jù)直接在CT工作站行三維重建。兩系統(tǒng)都選擇容積成像(volumerendering,VR)和多平面重組成像(multi-plannarreformation,MPR)重建。1.4.2腰椎弓根軸線的交互作用軸位重建測量:調(diào)整目標(biāo)椎體的雙側(cè)椎弓根呈最寬、對稱顯示。設(shè)定椎弓根中軸線為理想釘?shù)?該線在椎板的投射點(diǎn)即為螺釘?shù)倪M(jìn)釘點(diǎn),中軸線在該椎體內(nèi)的長度即為螺釘長度;椎前與棘突后緣兩中點(diǎn)的連線為椎體中軸線,該線與椎弓根中軸線的交角即為外展角;平行于椎體平分線作雙側(cè)關(guān)節(jié)突外緣的切線,該切線到進(jìn)釘點(diǎn)的垂直距離為進(jìn)釘點(diǎn)的左、右側(cè)軸位參考坐標(biāo)值。矢狀位重建測量:沿雙側(cè)椎弓根中軸線進(jìn)行矢狀位重建,按軸位測量時的外展角先行調(diào)整軸位任意切割線,使切線的角度與外展角相等,此時的平面即為與軸位理想釘?shù)朗笭蠲姹３忠恢碌那忻?該面的椎弓根中軸線為軸位和矢狀位的同一理想釘?shù)?該線與頸椎側(cè)塊的夾角即為前傾角;該線在椎板的投射點(diǎn)為矢狀位螺釘?shù)倪M(jìn)釘點(diǎn),該點(diǎn)與側(cè)塊下關(guān)節(jié)突連線的長度即為進(jìn)釘點(diǎn)的矢狀位參考坐標(biāo)值。冠狀位重建測量:在雙側(cè)椎弓根峽部作垂直于椎弓根的冠狀面重建,觀察椎弓根橫截面形態(tài),測量雙側(cè)椎弓根的內(nèi)徑(松質(zhì)骨)的高/寬、外徑(骨皮質(zhì))的高/寬。1.5腰椎弓根根軸位/矢狀位進(jìn)釘點(diǎn)至椎體前緣距離(椎弓根軸線在該椎體內(nèi)的長度)、椎弓根外展角(椎弓根軸線與椎體平分線的夾角)、側(cè)塊邊距(椎弓根螺釘入點(diǎn)到側(cè)塊邊緣的切線距離)、椎弓根頭傾角(椎弓根軸線與側(cè)塊的夾角)、進(jìn)釘點(diǎn)至下關(guān)節(jié)突距離(入點(diǎn)至關(guān)節(jié)突下緣的距離)、椎弓根松質(zhì)骨高、寬(椎弓根峽部松質(zhì)骨的高、寬)、椎弓根高、寬(椎弓根峽部的高、寬)。1.6微創(chuàng)投影點(diǎn),輔助點(diǎn)設(shè)置選擇兩組手術(shù)均為同一組醫(yī)師進(jìn)行,C型臂X線機(jī)定位,頸后路常規(guī)正中切口,顯露目標(biāo)椎體側(cè)塊,根據(jù)術(shù)前所測參數(shù)標(biāo)識出椎弓根在側(cè)塊上的投影點(diǎn)。校準(zhǔn)水平后開路錐在該點(diǎn)開口,預(yù)設(shè)出需穿刺椎弓根的理想外展角和頭傾角。開口器開口后用開路錐穿刺逐漸制備椎弓根螺釘通道,多次探查四壁有無穿破,同時C型臂X線機(jī)透視,深度>2.0cm后攻絲,置入相應(yīng)直徑和長度的椎弓根螺釘。釘?shù)乐谱鞑僮鲿r要小心輕柔,禁止暴力。然后根據(jù)手術(shù)需要,適時安裝連接棒,隨后按病情需要進(jìn)行復(fù)位、減壓或病灶清除等操作(圖2、3)。1.7cspss法術(shù)后除常規(guī)復(fù)查頸椎6位片(正位、側(cè)位、左斜位、右斜位、前屈位及后伸位)外,并以術(shù)前相同掃描條件復(fù)查MSCT,導(dǎo)出數(shù)據(jù)在SVSS行MPR重建。軸位重建了解有否損傷椎動脈及頸髓,矢狀位重建了解有無神經(jīng)根損傷,冠狀位重建包括椎弓根峽部、椎弓根松質(zhì)骨出口和入口3個部位,以觀測螺釘是否完全位于椎弓根皮質(zhì)骨內(nèi)。如發(fā)生穿破,測量椎弓根皮質(zhì)骨外緣至螺釘外緣的切線距離,該距離為穿破螺釘?shù)拇┢浦?同時記錄穿破方向(圖4～8)。1.8螺釘穿透腰椎弓根皮質(zhì)的情況,未對周圍組織造成明顯損傷,術(shù)后螺釘位置評價(jià)參照Richter分級標(biāo)準(zhǔn),即將螺釘穿透椎弓根程度分為3級:1級,螺釘位置滿意,穿透明確存在,但螺釘穿透椎弓根皮質(zhì)<1mm,剛破壁者歸入低一級別;2級,螺釘穿透椎弓根皮質(zhì)>1mm,未對周圍組織造成明顯損傷,內(nèi)固定穩(wěn)定性良好,不需要重置;3級,螺釘穿透椎弓根皮質(zhì)>1mm,出現(xiàn)周圍血管、神經(jīng)等重要組織損傷或內(nèi)固定穩(wěn)定性差,需要進(jìn)行重置或取出。2腰椎弓根內(nèi)穿破情況A組:10例患者共置釘50枚,其中44枚(88%)完全位于椎弓根內(nèi);6枚(12%)穿破。其中1級穿破5枚(10%),2級穿破1枚(2%),無3級穿破發(fā)生。B組:17例患者共置釘76枚,其中67枚(88.16%)完全位于椎弓根內(nèi);9枚(11.84%)穿破。其中1級穿破6枚(7.89%),2級穿破3枚(3.95%),無3級穿破。兩組穿破率比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。3討論3.1治療方式的確定研究表明[8～11、14],MSCT的3D重建技術(shù)可對脊柱進(jìn)行精確測評,對脊柱疾病的定性定量診斷有重要的臨床價(jià)值。VR圖像立體直觀、層次分明,結(jié)構(gòu)容易辨認(rèn),切圖工具可以去除非目標(biāo)區(qū)的結(jié)構(gòu),顯露目標(biāo)區(qū),通過動態(tài)、任意方向的旋轉(zhuǎn)操作,可以明確判斷病變椎體的整體情況及與相鄰椎體之間的空間位置關(guān)系,還可反映椎管內(nèi)突入或游離骨塊的空間構(gòu)象和準(zhǔn)確位置,特別對于觀察椎體壓縮或爆裂的性質(zhì)和程度、脫位時上下關(guān)節(jié)的關(guān)系、移位情況等整體情況,較X線、CT和MRI的2D圖像優(yōu)勢明顯,可準(zhǔn)確地進(jìn)行個體化分析,以確定治療方式。MPR圖像骨質(zhì)邊緣對比清晰,可信度高,可對目標(biāo)椎體進(jìn)行任意剖面顯示,其三維空間構(gòu)象和切除旋轉(zhuǎn)功能相對X線片減少了偽影,消除了胸廓、肩部的遮擋,使組織結(jié)構(gòu)分辨率顯著提高,其冠狀位、矢狀位和橫切位三個剖面的立體觀測較CT平片更全面和準(zhǔn)確,這尤其利于手術(shù)前全面、個體化的評估,對手術(shù)方式的選擇、手術(shù)安全性的提高都具有重要價(jià)值。何飛等用螺旋CT三維重建技術(shù)輔助胸椎椎弓根釘,其一次性成功率(75.0%)和穿破率(46.7%)優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)手術(shù)的一次性成功率(53.4%)和穿破率(60.2%)。我們利用MSCT3D技術(shù)指導(dǎo)下頸椎椎弓根置釘穿破率(8.11%)優(yōu)于Miller操作的解剖定位法(47.37%)和椎板開窗探查法(25.00%),與Abumi操作的Abumi法(6.70%)、Karaikovic操作的漏斗技術(shù)(7.10%)、譚明生操作的管道疏通法(5.20%)及田偉操作的導(dǎo)航技術(shù)(11.30%)的差異沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。目前MSCT三維重建技術(shù)被認(rèn)為是目前評價(jià)椎弓根螺釘穿破的最佳方法[14、21]。其冠狀位MPR重建圖像的優(yōu)勢不僅使金屬截面顯示最小、偽影降到最低,而且使螺釘在椎弓根各個截面及方向上的穿破情況得以全面顯示。同時,結(jié)合軸位重建了解螺釘對于脊髓及椎動脈的侵犯情況;矢狀位重建了解螺釘對于神經(jīng)根的侵犯情況,從而使螺釘穿破測量更全面和精準(zhǔn)。但MSCT3D軟件在工作站上隨CT機(jī)專用,臨床脊柱外科醫(yī)生很難利用該設(shè)備對患者的影像資料進(jìn)行詳細(xì)分析;其數(shù)據(jù)保存格式目前還無法用常見圖像軟件讀取,難以發(fā)揮設(shè)備以數(shù)字方式保存、處理圖像的優(yōu)勢等,制約了其在臨床的應(yīng)用。3.2本系統(tǒng)的優(yōu)勢臨床應(yīng)用MSCT三維技術(shù)指導(dǎo)手術(shù)17例,穿破率為11.84%,其中1級穿破7.89%,2級穿破3.95%。SVSS系統(tǒng)輔助手術(shù)10例,穿破率為12%,其中1級穿破10%,2級穿破2%。兩組間穿破率比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。這說明在本研究中,兩系統(tǒng)重建圖像的精確性及對椎弓根置釘參數(shù)測量的準(zhǔn)確性相近。臨床應(yīng)用過程中,本系統(tǒng)充分體現(xiàn)了優(yōu)良的人機(jī)交互性和操作便捷性。系統(tǒng)結(jié)合重構(gòu)算法的改進(jìn)和紋理功能增添,使三維模型呈像質(zhì)量較MSCT工作站有一定提高。系統(tǒng)使脊柱的三維重建、旋轉(zhuǎn)、切骨和測量等基本功能在個人電腦上得以虛擬實(shí)現(xiàn),擺脫了CT工作站的束縛,以方便醫(yī)療交流、醫(yī)患溝通;動態(tài)的3D圖像及伴隨切割、旋轉(zhuǎn)、虛擬置釘和測量等功能操作,可提高病情評估的全面性,減少誤診漏診;對病灶和手術(shù)相關(guān)數(shù)據(jù)測量的反復(fù)驗(yàn)證,可提高測量精度;整合MSCT采集的信息,可提高CT使用率;個體化治療設(shè)計(jì),特別是手術(shù)有客觀數(shù)據(jù)指導(dǎo),可提高手術(shù)安全性;系統(tǒng)采用3D和2D視圖交互方式,便于快速定位興趣區(qū);專職2D測量窗口和螺釘虛擬置入功能可進(jìn)一步提升測量精確性;虛擬置釘可使臨床醫(yī)生在術(shù)前進(jìn)行手術(shù)模擬演練,可增加手術(shù)醫(yī)生的信心和對手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)見,對提高手術(shù)安全有很大意