脊柱椎弓根进钉通道数字解剖学研究

发布时间：2018-02-26 14:23

本文关键词： 椎弓根进钉通道三维重建数字解剖水平面角矢状面角　出处：《南方医科大学》2007年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】： 研究背景自1949年Harrington对脊柱植入物进行系统地研究后率先将Harrington Rod用于特发脊柱侧凸的矫正，到1963年法国Roy-Camille研制出完整的椎弓根螺钉钢板治疗不稳定性胸腰椎骨折以来，椎弓根内固定技术被广泛应用于脊柱骨折脱位、脊柱畸形和脊柱不稳等疾病的治疗，现在椎弓根内固定技术已经成为脊柱外科常用的后路固定脊柱的手术方法，但螺钉的植入存在着一定的失误率，究其因，主要是定位偏差与／或操作不当。大体解剖学测量与分析，需要大量的材料和时间，技术方法相对落后，研究结果也难以精确，对那些畸形、变异的个体和破坏正常骨性结构的患者很难应用。三维重建技术还原目标结构的解剖特征，使数字化的解剖模型在计算机环境下三维动态可视化。数字技术的深入发展和广泛应用，有力地推动数字医学的发展和应用。计算机导航系统在医学领域成功应用，为脊柱手术微创化、精确化、实时可视化、智能化发展提供了可靠保证，拥有极其广阔的应用前景，它的本质是把脊柱椎弓根内固定技术数字化。我们在吸取众多科学研究结果与研究方法的基础上，适应现代数字医学发展的需要，将人体解剖学、现代影像学、计算机三维重建及逆向工程技术相结合，针对椎弓根内固定如何定位、定向、定深的问题，提出“椎弓根进钉通道(Pedicle Screw Channel，PSC)"数字化概念，在三维数字平台对脊柱椎弓根进钉通道特征规律进行深入系统地研究。目的 1．建立椎骨三维解剖模型数据库。 2．建立椎弓根进钉通道数字化分析方法。 3．应用椎弓根进钉通道分析方法，研究椎弓根进钉通道参数随水平面角变化特征。 4．研究颈、胸、腰椎椎弓根进钉通道、进钉点与椎体边界位置之间的三维关系，旨在弄清进钉点位置、进钉通道大小与进钉角度之间的变化规律。材料与方法 1．CT原始数据与椎骨三维模型数据库建立：健康成人体检CT连续扫描数据集，扫描条件：电压120kv，电流150mA，层厚1.25mm，512×512矩阵。6例健康成人颈椎、5例健康成人胸椎、6例健康成人腰椎CT连续扫描数据集。将CT连续断层图像数据导入Mimics 8.11，首先灰度分割提取椎骨边界轮廓信息区，然后应用区域分割再次提取不同节段椎骨信息区，采用系统默认的最佳重建模式三维重建椎骨模型，以STL格式导出模型。将颈椎、胸椎、腰椎三维重建模型分类保存，建立备用数据库。 2．椎弓根进钉通道三维分析方法：在UG Imageware12.0平台打开三维重建模型，定位三维参考平面。提取椎弓根表面轮廓。旋转模型确定与方向垂直的平面，将椎弓根沿平面法向确定其正投影区，拟合正投影区内边界线，拟合其内切圆、椭圆，再获取椭圆一定垂距的内偏置曲线。沿平面法向分别将内边界线、内切圆、椭圆投影到椎体和椎板表面。内边界投影曲线之间的放样曲面为该方向椎弓根进钉通道，内切圆投影曲线之间的放样曲面为该方向最大螺钉通道，拟合椭圆投影曲线之间的放样曲面为该方向近似进钉通道，内偏置曲线的投影曲线之间的放样曲面为该方向近似轴线通道，平移内切圆心之间的直线为该方向最佳轴线，平移椭圆圆心之间的直线为该方向近似轴线。内偏置曲线在椎板的投影曲线为该方向进钉安全进钉区。内切圆圆心在椎板的对应点为该方向在椎板的最佳进钉点，拟合椭圆圆心在椎板的对应点为该方向在椎板的近似进钉点。 3．C_(3～7)、T_(2～12)、L_(1～5)椎弓根进钉通道随水平角变化的解剖学特点：从数据库选取1例C_(3～7)、T_(2～12)、L_(1～5)模型，导入UG Imageware12.0。颈椎：分析在SSA为0°不变，左右椎弓根TSA分别从0°～45°均匀间隔5°共计20个方向椎弓根进钉通道的长度、内切圆的变化规律。胸椎、腰椎：分析在SSA为0°不变，，左右椎弓根TSA分别从0°～40°均匀间隔5°共计18个方向椎弓根进钉通道的长度、内切圆大小的变化规律。 4．腰椎椎弓根进钉通道、进钉点与椎体边界关系三维精确定位分析：从数据库将6例对象不同节段腰椎三维重建模型导入UG Imageware12.0。定位目标对象三维参照平面。将椎体由前至后分成10等份，以此作为定位分析椎弓根进钉通道边界深度比例的依据标准，由前至后将10等份标志线确定为椎体边界深度的100％～0％，应用椎弓根进钉通道分析方法分别确定L_(1～5)左右椎弓根进钉通道在椎体90％、80％、70％、60％、50％等5个不同边界深度时的TSA、通道长度及内切圆半径，确定它们的最佳进钉点，分别测量各节段5个不同深度对应的最佳进钉点与椎弓根中部水平面垂直距离(上方为正值、下方为负值)，与椎弓根在0°TSA和0°SSA时投影内边界外侧线对应在椎板表面标志线之间垂直距离(内侧为正值、外侧为负值)。L_(1～5)在椎体90％边界深度时椎弓根投影边界的拟合椭圆及其中心，该中心在椎板的对应点为不同边界深度进钉点的参考点，测量各节段该点与椎弓根中部水平面垂直距离(上方为正值、下方为负值)、椎弓根在0°TSA和0°SSA时投影内边界外侧线对应在椎板表面标志线之间垂直距离(内侧为正值、外侧为负值)。 5．胸椎椎弓根进钉通道、进钉点与椎体边界关系三维精确定位分析：从数据库将5例研究对象不同节段胸椎三维重建模型导入UG Imageware12.0。应用与腰椎三维精确定位分析同样的方法，得到胸椎T_(3～12)左右椎弓根进钉通道在椎体90％、80％、70％、60％、50％等5个不同边界深度时的TSA、通道长度及内切圆半径，确定它们的最佳进钉点，分别测量各节段5个不同边界深度对应的最佳进钉点与椎弓根中部水平面垂直距离(上方为正值、下方为负值)，与椎弓根在0°TSA和SSA时投影内边界外侧线对应在椎板表面标志线之间垂直距离(内侧为正值、外侧为负值)。T_(3～12)在椎体90％边界深度时椎弓根投影边界的拟合椭圆及其中心，该中心在椎板的对应点为不同边界深度进钉点的参考点，测量各节段该点与椎弓根中部水平面垂直距离(上方为正值、下方为负值)、椎弓根在0°TSA和SSA时投影内边界外侧线对应在椎板表面标志线之间垂直距离(内侧为正值、外侧为负值)。 6．颈椎椎弓根进钉通道、进钉点与椎体边界关系三维精确定位分析：从数据库将6例研究对象不同节段颈椎三维重建模型导入UG Imageware12.0。应用与腰椎三维精确定位分析同样的方法，得到C_(3～7)左右椎弓根进钉通道在椎体90％边界深度时的TSA、通道长度及内切圆半径，确定它们的最佳进钉点，分别测量各节段最佳进钉点与椎弓根中部水平面垂直距离(上方为正值、下方为负值)，与椎弓根在0°TSA和SSA时投影内边界外侧线对应在椎板表面标志线之间垂直距离(内侧为正值、外侧为负值)，与椎板侧块在0°TSA和0°SSA时外侧边界垂直距离。C_(3～7)在椎体90％边界深度时椎弓根三维空间的投影边界的拟合椭圆及其中心，将中心平移到椎板表面，测量各节段该点与椎弓根中部水平面垂直距离(上方为正值、下方为负值)、椎弓根在0°偏角时外侧边界对应在椎板表面标志线之间垂直距离(内侧为正值、外侧为负值)、椎板侧块边界的垂直距离。结果 1．三维重建模型数据库：C_(3～7)、T_(3～12)、L_(1～5)三维重建模型各30个、50个、30个。 2．C_(3～7)、T_(3～12)、L_(1～5)椎弓根进钉通道随水平面角变化的解剖学特点：C_(3～7)内切圆半径大小，节段之间，C_5最小，内切圆半径在2.0mm～2.8mm之间；角度之间，内切圆半径在1.5mm～3.1mm之间，其中25°～45°之间内切圆半径大小分别为：左2.6mm～2.7mm，右2.9mm～3.1mm，相差0.1mm～0.2mm。C_(3～7)通道长度大小，节段之间，通道长度在18.5mm～24.9mm之间；角度之间，通道长度在17.8mm～29.5mm之间，其中25°～45°之间通道长度大小分别为：左22.1mm～29.5mm，右20.9mm～29.4mm。 T_(2～12)内切圆半径大小，节段之间，T_7最小，内切圆半径在2.3mm～4.5mm之间；角度之间，内切圆半径在2.3mm～3.5mm之间，其中0°～20°之间内切圆半径大小分别为：左3.4mm～3.5mm，右3.3mm～3.5mm，相差0.1mm～0.2mm。通道长度大小，节段之间，通道长度在26.9mm～47.8mm之间，T_2最小，T_9最大；角度之间，通道长度在23.1mm～53.2mm之间，其中0°～20°之间通道长度大小分别为：左23.1mm～39.7mm，右24.8mm～41.6mm。 L_(1～5)内切圆半径大小，节段之间，L_最小，L_5最大，内切圆半径在2.6mm～5.7mm之间；腰椎L_(1～5)角度之间，内切圆半径在3.8mm～4.8mm之间，其中0°～35°之间内切圆半径大小分别为：左4.0mm～4.5mm，右4.2mm～4.8mm，相差0.5mm～0.6mm。通道长度大小，节段之间，通道长在28.2mm～46.9mm之间，L_5最小；角度之间，通道长度在24.8mm～50.5mm之间，其中0°～10°之间通道长度大小分别为：左30.5mm～37.9mm，右24.8mm～35.0mm，15°～35°之间通道长度大小分别为：左39.1mm～47.4mm，右39.0mm～47.5mm。 3．腰椎椎弓根进钉通道、进钉点与椎体边界关系三维精确定位分析：L_(1～5)50％～90％不同边界深度的内切圆半径范围分别是：L_1左3.4mm～3.7mm，右3.6mm～3.8mm；L_2左4.0mm～4.3mm，右4.1mm～4.4mm；L_3左4.8mm～5.1mm，右4.7mm～5.1mm；L_4左5.8mm～5.8mm，右5.6mm～5.8mm；L_5左6.1mm～6.1mm，右6.0mm～6.2mm。L_(1～5)不同边界深度的横径范围是：6.8mm～14.4mm。L_1～L_5各节段在50％～90％边界深度左右椎弓根进钉通道最大与最小内切圆半径均数差值在(0.0±0.17)mm～(0.4±0.13)mm之间，L_1～L_5各节段椎弓根进钉通道在椎体50％～90％边界深度内切圆直径大小相差小于1mm。 L_(1～5)50％～90％不同边界深度的通道长度范围分别是：L_1左35.4mm～49.3mm，右36.7mm～50.5mm；L_2左36.6mm～48.8mm，右36.6mm～47.7mm；L_3左36.7mm～51.7mm，右36.8mm～50.7mm；L_4左36.0mm～48.7mm，右35.7mm～47.8mm；L_5左36.0～43.6mm，右38.9～44.5mm。最大深度与最小深度均数差值为：(11.3±2.46)mm～(17.0±3.77)mm，其中L_(1～4)深度范围变化在(11.3±2.46)mm～(14.2±2.18)mm之间，L_5变化在(16.6±2.70)mm～(17.0±3.77)mm之间。90％边界深度通道长度范围：43.61mm～51.71mm，L_3通道最长。 L_(1～5)50％～90％不同边界深度的水平面角度范围分别是：L_1：左-1.5°～15.7°右-2.05°～13.6°，L_2：左0.02°～14.8°右-1.5°～13.9°，L_3：左1.2°～18.3°右1.83～18.8°，L_4：左10.33°～22.6°右9.65°～22.7°，L_5：左35.18°～39.8°右36.17°～39.0°。随着深度变化，最大水平面角与最小水平面角均数差值为：L_(1～4)在(12.3±2.19)°～(17.2±4.14)°之间，L_5在(3.2±1.65)°～(4.2±1.65)°之间，L_(1～4)它们之间差值较大，L_5则较小。90％边界深度的角度范围：L_1：13.6°～15.7°，L_2：13.9°～14.8°，L_3：18.3°～18.8°，L_4：22.6°～22.7°，L_5：39.0°～39.8°。 50％～90％不同边界深度椎弓根进钉通道的最佳进钉点到椎弓根边界垂直距离L_(1-5)分别是：L_1左-1.0mm～3.5mm右-0.6mm～4.1mm；L_2左-0.6mm～3.9mm右0.3mm～4.7mm；L_3左-0.3mm～4.5mm右-1.4mm～3.8mm；L_4左-2.2mm～1.6mm右-1.6mm～2.1mm；L_5左-4.2mm～5.8mm右-4.6mm～6.00mm。50％～90％不同边界深度进钉点到标志线的最内侧与最外侧距离均数差值为：L_(1～4)在(3.7±1.70)mm～(5.4±0.97)mm之间，L_5在(1.5±2.74)mm～(1.7±1.40)mm之间。 4．胸椎椎弓根进钉通道、进钉点与椎体边界关系三维精确定位分析：50％～90％不同边界深度，T_(3～12)最大深度与最小深度内切圆半径均数差值为：(0.0±0.19)mm～(0.5±0.19)mm。T_(12)差值最大，在0.5mm左右，其它节段在0mm～0.2mm之间。 50％～90％T_(3～12)最大边界深度与最小边界深度通道长度均数差值为：(9.1±2.21)mm～(14.9±3.36)mm。从50％～90％边界深度差值较为一致，最大值14.9mm，集中在10mm～12mm之间。各节段90％边界深度进钉通道的长度范围是：T_3：33.5mm～37.3mm；T_4：36.5mm～37.3mm；T_5：38.2mm～40.0mm；T_6：41.7mm～42.1mm；T_7：41.9mm～42.3mm；T_8：42.9mm～45.6mm；T_9：43.6mm～44.1mm；T_(10)：41.9mm～42.9mm；T_(11)：42.6mm～46.7mm；T_(12)：51.3mm～51.5mm。从50％～90％边界深度T_(3～12)最大与最小角度均数差值为：(7.94±1.87)°～(12.54±1.97)°。边界深度从50～90％，角度差值较为一致，大多在9°～11°之间。 80％～90％边界深度角度范围是：T_3：左15.0°～18.8°，右16.6°～20.7°；T_4：左11.7°～14.1°，右14.2°～16.9°；T_5：左11.3°～13.7°，右10.1°～13.6°；T_6：左11.5°～15.0°，右9.9°～13.4°；T_7：左10.4°～13.3°，右7.5°～10.7°；T_8：左10.0°～14.2°，右7.3°～11.4°；T_9：左9.9°～14.5°，右6.7°～11.0°；T_(10)：左10.8°～15.1°，右7.4°～11.1°；T_(11)：左12.7°～17.0°，右10.4°～14.0°；T_(12)：左14.0°～18.0°，右11.8°～15.0°。 T_(3～12)椎弓根进钉通道头尾偏角角度，以椎体上水平面为0°，头偏角为正，尾偏角为负，它们分别是：T_3：-14.94°；T_4：-14.64°；T_5：-16.52°；T_6：-10.18°；T_7：-13.2°；T_8：-6.76°；T_9：-3.2°；T_(10)：-5.460°；T_(11)：0°；T_(12)：0°。 T_(3～12)50％-90％边界深度椎弓根进钉通道的最佳进钉点到椎弓根边界垂直距离内外侧均数差值是：(1.54±1.66)mm～(3.74±1.51)mm。随着边界深度的前移进钉点位置由内向外移动，移动范围在2mm～4mm之间。 T_(3～12)80％、90％边界深度最佳进钉点到椎弓根中部水平面垂直距离大多处在标志平面上方1mm～2mm位置。 5．颈椎椎弓根进钉通道、进钉点与椎体边界关系三维精确定位分析：C_3～C_7椎弓根进钉通道内切圆半径分别为：左2.63mm，2.71mm，2.91mm，3.08mm，3.35mm，右2.52mm，3.04mm，3.12mm，3.14mm，3.79mm，逐渐增大，范围在2.63～3.79mm之间。C_7最大，C_3最小。 C_3～C_7椎弓根进钉通道长度分别为：左23.87mm，23.88mm，24.54mm，27.92mm，．27.84mm，右23.40mm，23.81mm，24.51mm，26.70mm，28.20mm，逐渐增大，范围在23.87mm～28.20mm之间。C_7最大，C_3最小。 C_3-C_7椎弓根进钉通道外偏角度分别为：左33.20°，33.18°，35.04°，35.26°，33.48°，右33.24°，37.92°，37.02°，36.28°，34.32°，范围在33.20°～37.92°之间。 C_3～C_7椎弓根进钉通道最佳进钉点到椎弓根中部水平面垂距分别为：左-0.47mm，0.78mm，-0.33mm，-0.43mm，-0.53mm，右-0.12mm，0.50mm，0.10mm，-0.32mm，-0.13mm。其中上方为正值，下方为负值。 C_3～C_7椎弓根进钉通道最佳进钉点到椎弓根外边界垂距分别为：左-5.83mm，-5.33mm，-6.85mm，-5.67mm，-2.67mm，右-5.42mm，-6.25mm，-6.50mm，-5.88mm，-3.00mm。其中内侧为正值，外侧为负值。 C_3～C_7椎弓根进钉通道最佳进钉点到侧块边界垂距分别为：左4.08mm，4.83mm，3.58mm，2.67mm，3.75mm右4.08mm，3.33mm，3.33mm，3.42mm，3.33mm。其中内侧为正值，外侧为负值。 C_3～C_7椎弓根进钉通道最佳进钉点到侧块边界垂距与C_3～C_7椎弓根进钉通道最佳进钉点到椎弓根外边界垂距比值分别为：左70％，91％，54％，47％，140％右75％，53％，51％，58％，111％。 90％深度边界位置进钉通道与进钉点参数做了近似分析，得到椭圆长短轴的大小，长轴近似为椎弓根纵径，短轴近似为椎弓根横径，C_3～C_7短轴与长轴的比值分别为：左66％，61％，67％，73％，75％，右66％，67％，70％，74％，83％。椎弓根切面形状从C_3～C_7逐渐近似圆形。C_3～C_6椎弓根进钉通道近似最佳进钉点到侧块边界垂距与C_3～C_6椎弓根进钉通道最佳进钉点到椎弓根外边界垂距比值分别为：左69％，82％，49％，47％，140％右67％，53％，49％，62％，111％。该比例值与最佳进钉点比值接近。结论 1．椎弓根进钉通道是任意方向椎弓根内部三维空间正投影内边界在椎体与椎板之间的通道。它是一个动态的变化空间，一定范围内任意一个三维空间方向对应着一个椎弓根进钉通道，该椎弓根进钉通道对应着一个最大螺钉通道，该最大螺钉通道对应着最佳轴线和进钉点，也对应着一定大小螺钉在该通道的进钉安全区。 2．颈、胸、腰椎椎弓根进钉通道有着共同的特征，通道长度随着角度的增大而增大，内切圆半径的大小随着角度的增大逐渐增大而后又逐渐减小。颈、胸、腰椎不同节段之间内切圆、通道长度大小差异显著；通道长度、内切圆大小在不同水平面角之间差异显著；左右通道长度、内切圆大小部分节段间差异显著，需要根据各节段的情况具体进行分析，提示临床应用须考虑左右差异。通道长度随着角度的增大而增大，这与椎体边界呈圆弧形有关，当达到一定角度通道将经过椎体中部到达椎体对侧。内固定技术是双侧固定，通道长度与螺钉大小需要同时考虑。 3．综合内切圆半径与通道长度两方面因素，C_(3～7)左右侧在25°～45°水平面角之间内切圆半径与通道长度均相对较大，是最佳的区域。T_(2～12)左右侧0°～20°水平面角之间内切圆半径相对较大而通道长度相对较短的区域，25°～40°则相反。L_(1～5)左右侧15°-35°水平面角之间通道长度相对较长的区域，在0°～10°水平面角之间通道长度相对较短的区域，0°～35°之间内切圆直径大小均数相差1mm左右。 4．L_(1～5)、T_(3～12)各节段在50％～90％边界深度左右椎弓根进钉通道最大与最小内切圆半径均数差值小于0.5mm，随着深度的变化，椎弓根进钉通道内切圆半径大小处在一个相对稳定的变化范围内。 5．在50％～90％边界深度L_(1～4)最佳进钉点位置位于椎弓根外边界标志线内外1mm垂直距离，到椎弓根中部水平面垂直距离在上下约2mm；L_5较之L_(1～4)有所不同，到椎弓根中部水平面垂直距离也在上下约2mm，到椎弓根外边界标志线垂直距离在外侧5～6mm。 6．在50％～90％边界深度以椎弓根投影边界外侧缘为不同进钉点的参考线，T_3边界深度相对偏小，T_(9～11)边界深度相对偏大，对照测量值分析，T_3进钉点应外移1～2mm，而T_(9～11)进定点应内移1～2mm，其它节段可以以椎弓根投影边界外侧缘上的点作为进定点。 7．T_(3～12)80％、90％边界深度最佳进钉点到椎弓根中部水平面垂直距离大多处在标志平面上方1mm～2mm位置。 8．L_(1～5)、T(3～12)各节段90％边界深度椎弓根进钉通道近似进钉点与深度为80％与90％时最佳进钉点位置接近，可以考虑作为进钉定位参考点，该参考点的确定更容易也相对准确。 9．C_3～C_7椎弓根进钉点以侧块边界和椎弓根外边界作为参考线，C_3～C_6最佳进钉点位置在两参考标志线中线外侧，C_7在两参考标志线中线内侧。 10．90％边界深度颈、胸、腰椎左右椎弓根进钉通道内切圆半径大小在过渡部位，上节段大于下节段的内切圆，椎弓根进钉通道内切圆半径呈波浪形状的特征规律与成人脊柱生理弯曲一致。左右椎弓根进钉通道TSA大小的变化规律，两端大，中间小，呈凹字形线性特征。左右椎弓根进钉通道长度呈直线增大趋势。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：南方医科大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：R322

【参考文献】