中国脊柱脊髓杂志２０１０年第２Ｏ卷第５期 Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎｃｄ ｏｆ却ｉｎｅ ａｎｄ ｉｎａｌ Ｃｏｒｄ，２０１０，Ｖｏ１．２０，Ｎｏ．５ ４２５ 三维重建技术在椎弓根螺钉内固定中的应用进展 张韶辉，李严兵 （南华大学人体解剖学教研室４２１００１湖南省） ｄｏｉ：１０．３９６９５．ｉｓｓｎ．１００４－４０６Ｘ．２０１０．０５．１７ 中图分类号：ＴＰ３９１．４１．Ｒ６８７．３ 文献标识码：Ａ文章编号：１００４—４０６Ｘ（２０１０）一０５—０４２５—０３ 三维重建最早应用于医学是２０世纪８０年代Ｉ”，是通 柱三维重建错误。但超过１０。后的可靠性较差。汪学松等１７］ 过计算机对生物组织结构影像处理，获得三维图像并能进 利用Ｍｉｍｉｃｓ软件建立了青少年全脊柱侧凸仿真模型．但 行定量测量的一种形态学研究技术。三维重建技术不仅可 ＣＴ数据只能在卧位得到，不能模拟立位的脊柱形态．且没 以提供人体内部结构的数字化三维模型，而且利用相关软 有考虑重力的影响。 件还能在模型上进行手术设计和生物力学分析。脊柱区结 构复杂，较多重要的组织器官毗邻，且空间三维结构繁杂， ２在椎弓根螺钉内固定术中的应用 因此脊柱手术对精确性要求非常高，尤其在椎弓根螺钉内 ２．１术前病情评估和术后置钉评价 固定中．准确了解椎弓根的三维空间特点和选择准确的置 椎弓根作为重要的螺钉置入部位，术前掌握其三维 入点是手术成功的关键。笔者就最近几年相关研究进展做 空间信息有助于螺钉正确置入，但Ｘ线平片和ＣＴ片等二 ～综述 维图像不利于全面掌握复杂骨折及复杂骨畸形的椎弓根 情况．而通过三维重建能直观地显示病变椎弓根的部位、 １ 三维重建技术及其在临床上的应用进展 范围及局部解剖情况，正确评估病情，有利于临床治疗方 三维重建技术是将图像经过分析、识别、定位、分割、 案选择。王亭等阎对先天性脊柱侧凸患者进行的ＣＴ三维 配准和边界提取，再由计算机进行三维重建并显示的过 重建模型提供了大量Ｘ线片无法显示的信息，特别是在严 程。随着硬件设备的更新，软件技术的提高，各种数字化影 重的脊柱畸形空间认知方面，有助于判断先天性脊柱侧凸 像技术的发展使计算机三维重建技术不断完善。Ｘ线和 的类型和累及节段，为临床制定个性化的手术方案提供依 ＣＴ影像是骨科三维重建最常用的数据来源，从２Ｏ世纪９Ｏ 据。Ｍｕｒａｋａｍｉ等 利用三维模型研究发现Ｃｌ螺钉置人时 年代中期的２层ＣＴ到２００７年东芝率先推出３２０排ＣＴ 向内侧１０ｏ成角可以避免损伤颈内动脉。胡定祥等Ｉ ｏｌ建议 系统和纳米级ＣＴ的问世目．扫描技术的飞跃发展和伪影抑 对怀疑有齿状突合并周围骨折的患者进行常规ＣＴ三维重 制技术的进步，都为重建更为精确的数字模型提供了强大 建检查，以提高诊断的准确率。 基础 除了ＣＴ工作站自带的三维重建系统外，医学三维重 术后对置钉的椎弓根进行三维重建可为评估螺钉置 建软件诸如Ａｍｉｒａ、Ｍｉｍｉｃｓ、３Ｄ Ｍｅｄ、３Ｄ ｓｌｉｃｅｒ、３Ｄ Ｄｏｃｔｏｒ 人效果提供可靠而直观的依据。如Ｙｅｏｍ等…】对置入螺钉 等的不断开发使三维重建更加方便，医生经过简单培训就 的Ｃ１侧块和Ｃ２齿状突三维重建后发现了其他影像中未 能在自己的电脑上进行三维重建。Ｇｉｌｌｅ等ｒｊｌ论证了轻 发现的椎动脉沟和横突孔的破坏。Ｈｕａ等 利用手术前后 度脊柱侧凸患者三维重建模型用于临床研究的可靠性。 寰枢椎骨折脱位患者的ＣＴ扫描数据进行三维重建，清晰 ＫａｄＯＵｒｙ等 开发了一种仅用正侧位Ｘ线片就能对脊柱和 地显示了手术前后变化情况和金属内固定位置。 骨盆进行三维重建的计算机软件，减少了校准和定位的程 ２．２术前钉道设计和置钉模拟 序，并且不依赖于Ｘ线设备的类型，患者任何体位都可应 椎弓根直径较小且其周围有重要结构存在（椎动脉、 用，但不能对椎骨精确界标定位且重复性不佳。Ｋｏｌｔａ等圈 神经根、脊髓等），特别是病变造成局部三维结构改变会大 利用三维Ｘ线吸光光度法采集的图像进行脊柱的三维重 大增加手术风险。进钉点、置钉方向和置钉深度等出现微 建．减少了Ｘ线吸收量．但重建效果仍不理想。Ｌｅｇａｙｅ等［６１ 小偏差都有可能导致严重并发症的出现，因此在椎弓根螺 进行体外实验采用Ｘ线结合光学叠栅条纹影像方法可以 钉内固定之前必须对螺钉置入的通道进行详细测量和设 矫正放射线影像数据采集中患者晃动小于１Ｏ。所造成的脊 计 Ｓｕｎｇ等＿ｌ３】在对ＣＴ扫描后建立的２０例脊柱三维模型进 行椎弓根形态学分析，测量从Ｔ１～Ｓ１可用于置入螺钉空间 第一作者简介：男（１９８４一），硕士研究生，研究方向：ｌ临床应用解剖 的长度和直径，结果示Ｔ１～Ｔ１２长２５—３０ｍｍ直径８～１１ 学 ｍｍ．Ｌ１～Ｓ１长度为２６～３４ｍｍ，直径为６－７ｍｍ，为选择合适 联系电话：（０７３４）８２８１１３４ Ｅ—ｍａｉｌ：ｘｉａｏｙａｏｊｕｎ１９８４＠１６３．ｔｏｍ 的椎弓根螺钉提供了数据。李龙付等［－４１对需行胸腰椎椎弓 通讯作者：李严兵Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｎｌｙｂｕｐ００１＠１６３．ｃｏｍ 根内固定的患者进行腰椎的三维重建，并在ＰＡＣＳ医生工 ４２６ 中国脊柱脊髓杂志２０１０年第２０卷第５期 Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏ厂Ｓｐｉｎｅ ａｎｄ ｓｔ，ｉｎａｌ ，２０１０，Ｖｏ１．２Ｏ，Ｎｏ．５ 作站上测量椎弓根相关数据，根据测量的个性化的数据进 行螺钉置人．大幅降低了切出率。殷海东等 】在ＣＴ工作站 态以及在不同负荷状态下的受力分析。通过对螺钉置入的 椎弓根进行有限元分析．可以了解螺钉固定后的应力变 化，从而为设计更坚固螺钉和改良术式预防固定系统的断 设计个体化的胸椎椎弓根理想进钉通道，在椎弓表面确定 理想的进钉点用于指导手术．提高了脊柱侧凸患者胸椎置 钉的准确率，减少了术中进钉点选择失误所致的并发症。 裂提供参考依据。Ｃｈｅｎ等＿２１】报告垂直压缩下应力主要集中 在螺钉近棒段．所以设计螺钉时近棒段的螺钉直径不可过 细。但人体椎弓根直径大小有限，当螺钉截面积占其９Ｏ％ 利用一些重建软件还可以模拟螺钉的置入，证实通 道设计的可行性．可提高手术的安全性和准确性。蔡维山 等【－ｑ在手术中使用ＣＴ三维重建椎弓根钉导航系统提供的 虚拟置入环境．使螺钉按预期的路径准确置人胸椎椎弓 时，再增加螺钉的直径．不会增加固定强度反而易使椎弓 根撑裂 。敖俊等＿玎Ｉ建立了Ｌ３ Ｌ５节段三维有限元模型，观 察前路Ｉ４～ＩＪ５椎弓根螺钉内固定后的应力特点．结果显示 根。于海龙等 在４０例腰椎ＣＴ三维重建图像上应用人字 嵴顶点法、Ｍａｇｅｒｌ法及Ｒｏｙ—Ｃａｍｉｌｌｅ法模拟置钉，比较三种 方法在腰椎各节段安全性的差异．结果显示在Ｌｌ～Ｉ４，“人 字嵴顶点法”是理想置钉方法：在Ｌ５，Ｍａｇｅｒｌ法是理想置 钉方法；Ｒｏｙ—Ｃａｍｉｌｌｅ法仅适合于Ｌ１和Ｌ２，不推荐在Ｌ３～ Ｌ５应用 ３与其他技术的结合 ３．１结合逆向工程和三维有限元分析的基础研究 三维重建技术与逆向工程和三维有限元分析的结合 在基础研究方面得到了广泛应用。逆向工程（ｒｅｖｅｒｓｅ ｅｎ— ｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＲＥ）是机械设计与制造应用领域的一个重要分 支，根据实物模型的测量数据可以重建出实物的ＣＡＤ模 型，反映原实物的几何特征，并且可以用于分析、修改、制 造和检验等多种目的。利用逆向工程软件可以对重建后的 椎弓根数字模型进行更精确地通道设计和测量．为临床选 择合适螺钉及手术设计奠定良好的基础。李严兵等ｊ Ｊ干『Ｊ用 Ｍｉｍｉｃｓ ８．１１软件重建健康成人颈椎数字解剖模型，再导 入Ｉｍａｇｅｗａｒｅ １０．０可以精确定位任意方向一定直径螺钉 经椎弓根三维空间通道在椎板表面的最大投影边界、安全 区及其最佳中心轴人点位置：对人体骨性结构无论正常与 否均可应用该方法进行个体化定量分析设计。李严兵等【ｌ９］ 将１例健康成人腰骶部的三维数字模型导人Ｓｕｒｆａｃｅ ｌＯ．Ｏ，确定通道及其最大螺钉通道在椎板的定位区、进钉 轴范围、最佳中心轴、最大螺钉通道半径大小及长度。因此 个体化三维重建可以精确设计腰椎螺钉准确置人的椎弓 根通道。李严兵等ｉ２ｏ］将１例健康成人腰椎数字解剖模型导 人Ｓｕｒｆａｃｅ １０．０，对获取相关数据进行定量分析发现Ｌ１～ Ｌ５左右椎弓根通道在０。头尾偏角和不同外偏角方向正投 影区内边界的内切圆半径，随外偏角的增大逐渐增大而后 又逐渐减小，其中最大半径值对应的角度方向为最佳角度 方向，外切圆半径没有明显变化：Ｌ１～Ｌ５左右椎弓根通道 正投影区内边界内切圆通道长度随外偏角的增大而逐渐 增大，腰椎椎弓根通道大小是随外偏角方向不同而不同的 连续动态变化过程，该三维模型为临床应用选择合适直 径、长度的螺钉及确定最佳进钉方向提供了参考 三维有限元分析是生物力学研究中常用的数学分析 方法。它是将研究对象模拟为有限个单元，通过对这些有 限元定量分析从而了解骨关节生物力学特性，瞬间运动状 在模拟正常腰椎活动情况下，仅予以腰椎椎弓根螺钉系统 固定，螺钉疲劳断裂的部位易发生在下方螺钉钉尾部．融 合相应节段可减少因螺钉应力集中引起的螺钉疲劳断裂。 王宁等［２４１建立腰椎椎弓根螺钉系统内固定的三维有限元 模型并分别施加压缩、前屈、后伸、侧屈及旋转５种生理载 荷，发现椎弓根螺钉系统各部分于垂直压缩下的应力远小 于另外四种，垂直压缩下应力主要集中在螺钉近棒段．而 在前屈、后伸、侧屈及旋转时应力主要集中在连接棒上。 ３．２结合逆向工程与快速成形技术的临床应用 目前有学者已经开始将三维重建结合逆向工程和快 速成型技术应用于临床。快速成型制造技术是集新型材 料、激光技术、精密机械传动技术、数控技术等为一体。采 用ＣＡＤ模型直接驱动，基于离散／堆积原理逐层累加进行 物理模型快速制作的一项综合技术。医生利用快速成型精 确地生产出三维重建模型的实物 ，可以准确评价病变周 围的变形骨结构，利于制定手术方案．大大提高了手术的 准确性和安全性。桑宏勋等［ｚ６Ｉ快速构建了３４例重度先天 性脊柱畸形患者的脊柱三维模型，根据设计的手术方案置 入椎弓根螺钉，侧凸畸形矫正率为８０％～９８％，后凸畸形矫 正率为１００％，生理曲度恢复正常。构建实体模型，对于术 前评估、手术计划制定以及手术矫形和内固定操作具有较 好的指导意义一 个体化椎弓根螺钉导航模板的临床应用为椎弓根螺 钉的准确置人提供了一种新方法，该方法准确性高，具有 较大的应用前景。陆声等田制用导航模板在快速成形制作 的Ｃ３单关节交锁伴关节突骨折模型进行置钉模拟，具有 较好的准确性。师继红等【２８】证明通过建立导航模板指导胸 腰椎椎弓根螺钉的置入可以取得较好的效果。陈玉兵等［２９１ 根据１０具尸体腰椎（Ｌｌ～Ｌ４）标本术前ＣＴ资料设计制造 出个体化导航模板，在尸体标本上进行手术．术后行ＣＴ断 层扫描发现全部螺钉均准确置入。 ４小结 三维重建技术为椎弓根螺钉内固定技术的发展提供 了强大的技术支持。不仅为临床医生提供可以观察的三维 模型，提供更多的三维信息，与其他学科技术的结合更展 现了其较大的应用前景。三维重建技术结合三维有限元可 以分析脊柱各部分的受力情况，固定器械的应力状态．从 而为开发各种更加坚固的椎弓根内固定材料提供技术支 中周脊柱脊髓杂志２０１０年第２０卷第５期 Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｉｎｅ ａｎｄ ｓｐｉｎａｌ ｃｏ ，２０１０，Ｖｏ１．２０， ．５ ４２７ 持：结合逆向工程可以设计精确的进钉通道，再利用快速 成型技术制造出个性化的椎弓根导航模板．用于临床可以 大大提高椎弓根置钉的准确度，减少患者脊柱手术风险。 但模板设计与制作周期长，价格昂贵等问题制约着三维重 建技术的广泛应用．随着新材料与新技术的不断开发和应 用，相信这些问题最终将得到解决。 ５参考文献 １．Ｈｅｍｍｙ ＤＣ，Ｚｏｎｎｅｖｅｌｄ ＦＷ，Ｌｏｂｒｅｑｔ Ｓ，ｅｔ ａ１．Ａ ｄｅｃａｄｅ ｏｆ ｔｈｒｅｅ－ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ 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