多平面重组下颈椎椎弓根钉三维重建技术测量参数的对比研究

多平面重组下颈椎椎弓根钉三维重建技术测量参数的对比研究

目前，多层旋转ct（多功能、三维ct、msct）三维重建图表技术在脊柱精确评价方面发挥着优势。这不仅是脊柱手术前的综合评估不可或缺的检查项目，也是脊柱诊断和治疗的可靠方法之一。但MSCT工作站不是专门针对脊柱外科,而且其保存影像数据的医学图像通信标准格式目前还无法在个人电脑上用常见的图像软件读取,因此该技术在交互性和便捷性方面存在不足。脊柱虚拟手术系统(spinalvirtualsurgerysystem,SVSS)是昆明医学院第一附属医院骨科何飞博士与北京航空航天大学机械学院合作研发的与脊柱手术相关的三维可视化系统。该系统吸收了MSCT三维图像处理技术优势,并在个人电脑上实现了脊柱三维重建、旋转、切骨与测量,具有良好的交互性和便捷性,成像质量好、速度快,同时具有较好的扩展性。为探讨SVSS三维重建技术测量数据的精确性,本研究利用同一组颈椎标本测量涉及下颈椎椎弓根固定的10个相关参数,将该系统测量的相关数据与MSCT工作站所测参数进行比较。报告如下。1材料和方法1.1患者gq17具男性颈椎(C0～T1)甲醛标本,年龄16～60岁,平均38.1岁;均为非颈椎疾病死亡;由昆明医学院解剖教研室提供。MX8000型64层MSCT及SGI02随机工作站4.01(Philips公司,美国);自主研发的SVSS及图形工作站。1.2实验方法1.2.1腰椎钉道型二通道径分布(1)椎弓根测量参数。钉道方向参数:外展角,即椎弓根轴线与椎体平分线的夹角;头倾角,即椎弓根轴线与侧块的夹角。椎弓根入点坐标参数:椎弓根入点至侧块边缘的切距(X-directionentrance,XE),椎弓根入点至下关节突下缘距离(Y-directionentrance,YE)。螺钉长度参数:椎弓根入点至椎体前缘的轴位距离(totalpediclelengthofaxialview,TLa),椎弓根入点至椎体前缘的矢状位距离(totalpediclelengthofsagittalview,TLs)。螺钉直径参数:峡部皮质骨高度(pedicleheight,PH)、皮质骨宽度(pediclewidth,PW)、松质骨高度(pediclespongyheight,PSH)及松质骨宽度(pediclespongywidth,PSW)。(2)截面调谐及参数测量。轴位测量:调整目标椎体的双侧椎弓根呈最宽、对称显示,同时保持重建的横断面与双侧椎弓根中心轴线一致。该轴线即为椎弓根钉植入的理想钉道。该轴线与侧块平面的交点即为理想入点。该点至椎体前沿的钉道长度即为椎弓根轴位骨性通道全长;椎体前后缘中点连线为椎体中轴线,该线与椎弓根中轴线的交角即为外展角;入点至侧块切线的垂直距离为入点在侧块平面的横坐标(图1、2)。矢状位测量:沿双侧椎弓根中轴线进行矢状位重建,按轴位测量时的外展角先行调整轴位任意切割线,使切线的角度与外展角相等,此时的平面即为与轴位理想钉道矢状面保持一致的切面,该面的椎弓根中轴线为同一理想钉道,该线与侧块的交点即为理想入点,入点至椎体前缘的距离亦为椎弓根矢状位骨性通道全长;入点至本椎下关节突尖端的距离为入点在侧块平面的纵坐标;理想钉道与侧块的夹角,即为该钉道的头倾角(图3、4)。冠状位测量:在双侧椎弓根最窄处作垂直于椎弓根的冠状面重建,观察椎弓根横断面形态有无变异,测量双侧椎弓根PH、PW、PSH、PSW(图5、6)。以上每个参数均测量3次,取平均值作为该椎弓根的个体化植钉参数。1.3统计方法采用SPSS11.0统计软件包进行分析。数据以均数±标准差表示,组间比较采用独立样本t检验;检验水准α=0.05。2腰椎弓根检测结果7具标本共70个下颈椎椎弓根,采用SVSS测量时发现1个椎弓根缺失(C3)、4个椎弓根冠状位直径<3mm(C41个、C52个、C61个),与MSCT工作站测量结果一致;共测量椎弓根66个(包括1个冠状位直径<3mm的C5椎弓根)。统计分析发现:除C3左侧椎弓根PH、C4两侧椎弓根PW、C4右侧椎弓根PSW、C6左侧XE、C3两侧YE、C3两侧及C5左侧TLs,以及C3两侧、C5左侧、C6右侧TLa共计14组检测数据,两系统比较差异有统计学意义(P<0.05)外,其余数据差异均无统计学意义(P>0.05),见表1～7。3msct在腰椎微创病患者中的应用2009年6月-2010年3月,采用SVSS三维重建辅助下颈椎椎弓根固定手术6例。男3例,女3例;年龄18～54岁,平均32.3岁。病因:Chiari畸形1例,C3、6结核1例,C4、5创伤不稳1例,C4泪滴型骨折1例,C4～6软骨肉瘤1例,C4、5后凸畸形1例。术前将MSCT采集的患者颈椎数据导入SVSS进行VR和MPR三维重建,了解病情,选择目标椎弓根,然后个体化测量该椎弓根植钉参数。6例患者术中共指导植钉34枚。植钉节段:C310枚,C46枚,C58枚,C62枚,C78枚。术后MSCT复查发现:30枚(88.24%)完全位于椎弓根内,4枚(11.76%)穿破。参照Richter等的分级标准,1级穿破2枚(5.88%),2级穿破2枚(5.88%),无3级穿破发生。4讨论4.1虚拟技术应用虚拟手术系统是计算机技术、虚拟现实技术及图像处理技术等学科向医学领域渗透而演化出的新的应用领域,促进了外科手术逐渐向微创化、智能化方向发展。它是利用计算机对超大信息的控制能力,综合处理CT、MRI等获取的医学影像信息,采用虚拟现实技术,重构人体组织结构的三维图像,以明确病情,帮助医生制定手术计划及辅助手术,从而使手术更安全、精准和微创,甚至可将其扩展至手术教学、技能训练和术后康复等工作。如Cotin等开发的介入式外科手术训练系统,McCarthy等开发的膝关节镜手术训练系统。虚拟手术系统具备良好的交互性、便捷性和实用性,该类系统对脊柱疾病全面评估和诊疗规划的制定有着巨大优势。4.2维x射线衍射重建技术椎弓根植钉术前临床常进行影像学测评,X线片因影像重叠易产生测量误差,CT、MRI提供的二维断层阅片缺乏连续性,病灶的具体形态和与周边组织、上下椎体的整体关系需用想象去推测,同时扫描时难以保证椎弓根呈对称位显示,治疗方案和效果多依赖医生的经验与技能。三维图像最大程度避免了人为因素。应用VR重建技术动态任意方向旋转脊柱,可以立体直观地呈现病椎的整体情况以及与邻近椎体之间的空间位置关系,帮助确定术中需要的骨性参照标志及目标节段。MPR重建技术具有呈现病变内部细节、任意剖面呈像及自动测量的优势,通过VR提供的信息,重建时通过技术调整,使目标椎体的双侧椎弓根轴位呈对称位、最大宽度显示,使其横断面与双侧椎弓根中心轴线保持一致,再加上虚拟螺钉的导入,从而可精确测量出螺钉与周围骨性参考标志的距离和角度,利于全面的术前评估和规划,结合各种测量工具及C臂X线机术中监测校正,提高植钉精确度。4.3svss重建图像钉道的特点本研究中,两系统重建后均发现70个下颈椎椎弓根中有1个椎弓根缺失、4个椎弓根细小。本研究共测量了66个椎弓根的10个植钉相关参数。统计学分析提示两系统中有14组数据比较差异有统计学意义(P<0.05),其余数据差异无统计学意义(P>0.05)。经研究后发现,这些差异的产生缘于:(1)椎弓根轴心定位偏差:头倾角和外展角两组数据差异无统计学意义,提示两系统选择的钉道与椎弓根轴心是相接近或平行。部分TLa、TLs、YE、XE产生差异,提示两系统中有1个系统选择的钉道与椎弓根轴心产生了平移。MSCT工作站重建图像钉道的选择依靠目测法,无测量标示的辅助,有一定的主观性。SVSS钉道选择采用螺钉辅助法,通过螺钉的放大/缩小及延长,以该椎弓根所能容纳的最粗、最长螺钉中轴为椎弓根理想钉道的测量标示,从而最大程度的接近椎弓根实际中轴线,测量结果相对更客观。(2)测量标示放置偏差:部分XE、YE、PH、PW、PSH、PSW差异的产生与以上参数数值较小,如测量标示放置不精准,产生较大误差有关。MSCT3个剖面的重建测量图像都位于同一窗口,测量目标显示较小,测量标示的放置难度较大,如果针对性放大,会导致其他2个剖面图像显示不足,甚至剖面移位,因此测量标示都置于系统原始图像上。SVSS系统设有专用的二维测量窗口,测量标示放置难度低,在该窗口内可以实现图像局部放大而不影响其他窗口的图像显示,测量结果更准确。同时,通过对该窗口的明暗调节,仅骨皮质呈像,消除软组织显像对测量标示放置的干扰,增加测量标示的放置精度,从而进一步增加测量结果的准确性。SVSS辅助下颈椎椎弓根固定手术6例,穿破率为11.76%;与MSCT技术(11.84%)及计算机导航技术(11.30%)穿破率相似。4.4剖面和场景相互配合的测量异常SVSS在个人电脑上实现了脊柱的三维重建、旋转、切骨和测量,使临床医师随时方便利用MSCT采集的信息进行分析、交流,又可增加CT利用率,同时亦减少影像科医师工作量。二维及三维图像互动,使二维平面的调窗和三维结构的观察相结合,可以较快速、准确地找出测量目标。专职的测量窗口可对导入的图像进行尺寸放大及细节的特别显示,并可对同一参数在不同解剖层面的数值进行比对,找出其理想剖面同时不影响调窗。剖面视图和场景透视功能相互配合,可快速地切除所有非目标结构,直接显露目标,并可对目标结构进行虚拟透视和调窗,较CT工作站测量层面的选择和微调更方便快捷。虚拟螺钉可以模拟植钉手术及效果,点、线、面的测量可以以螺钉为参照,减少测量标示放置的主观因素,使测量结果更准确、客观,同时虚拟螺钉的植入使临床医生在术前进行手术演练,可提高手术技能和手术安全性。视野180mm,电压120kV,电流200mAs,螺距0.875,