下頸椎后路經(jīng)椎弓根固定的個(gè)性化導(dǎo)航模板研發(fā)及其置釘準(zhǔn)確性分析.pdf

1、引言：
　　 下頸椎椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)因其良好的生物力學(xué)性能已成為最常用的下頸椎脊柱內(nèi)固定方法之一。因下頸椎椎弓根毗鄰結(jié)構(gòu)解剖復(fù)雜而重要，手術(shù)置釘難度較大，與之相關(guān)的手術(shù)并發(fā)癥時(shí)有發(fā)生。即便是具有一定經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生也難以完全避免并發(fā)癥的發(fā)生。如果螺釘植入位置不佳，不僅引起內(nèi)固定系統(tǒng)強(qiáng)度下降甚至失效，更著影響手術(shù)療效。手術(shù)成功的關(guān)鍵在于植入螺釘必須按照椎弓根長(zhǎng)軸軸線通過(guò)這一狹小骨性管道。結(jié)合三維重建技術(shù)，我們利用三維重建軟件，使椎弓

2、根螺釘通道可視化。目前遇到的困難是不同個(gè)體的下頸椎存在著差異，難以做到統(tǒng)一化置釘。依據(jù)病人具體的情況進(jìn)行個(gè)性化置釘是未來(lái)的發(fā)展方向。最近幾年快速成型技術(shù)的快速發(fā)展，為脊柱外科的發(fā)展開辟了新的道路。我們依據(jù)三維重建技術(shù)，快速成型技術(shù)和逆向工程原理，設(shè)計(jì)并制作個(gè)性化的導(dǎo)航模板，術(shù)前可以依據(jù)建好的椎體三維模型，使椎弓根螺釘通道可視化，設(shè)計(jì)制作好帶有虛擬克氏針通道可以觀察椎弓根四壁是否發(fā)生穿孔;術(shù)后置入實(shí)物克氏針;經(jīng)再次CT掃描并三維重建后，我

3、們對(duì)椎體進(jìn)行配準(zhǔn)，對(duì)比實(shí)物克氏針與虛擬克氏針，而后進(jìn)行三維空間比對(duì)，研究實(shí)物克氏針與虛擬克氏針的三維空間位移變化，以及角度變化。進(jìn)而評(píng)價(jià)我們所設(shè)計(jì)的導(dǎo)航模板的精確性和應(yīng)用的科學(xué)性。
　　 目的：
　　 利用逆向工程原理和快速成型技術(shù)以及CT三維重建技術(shù)制作出個(gè)性化的導(dǎo)航模板，輔助下頸椎后路經(jīng)椎弓根克氏針置入;采用標(biāo)本實(shí)驗(yàn)的方法評(píng)價(jià)導(dǎo)航模板輔助克氏針置入的精確性以及可行性。對(duì)術(shù)前虛擬設(shè)計(jì)的克氏針和術(shù)后實(shí)物克氏針進(jìn)行配準(zhǔn)，計(jì)

4、算出三維空間角度變化和空間位移的大小，以此評(píng)價(jià)導(dǎo)航模板的精確性。
　　 方法：
　　 1、材料:選取福爾馬林浸泡的的新鮮頸椎(C3-C7)尸體標(biāo)本4具，男性標(biāo)本2具，女性標(biāo)本2具;所有標(biāo)本術(shù)前均通過(guò)肉眼觀察及影像學(xué)篩選，以排除腫瘤、骨折、結(jié)核等病變。標(biāo)本包括頸椎(C3-C7)后部、側(cè)方的軟組織。
　　 2、方法:
　　 2.1、掃描標(biāo)本獲得下頸椎CT圖像資料:
　　 對(duì)4具標(biāo)本進(jìn)行術(shù)前64排螺旋C

5、T掃描，掃描條件:電壓120kV，電流150mA，層厚0.5mm，矩陣512×512。將掃描的CT斷層數(shù)據(jù)以DICOM格式進(jìn)行儲(chǔ)存.
　　 2.2、下頸椎CT圖像資料導(dǎo)入Mimics10.01軟件:
　　 將以DICOM格式進(jìn)行儲(chǔ)存的CT斷層數(shù)據(jù)，導(dǎo)入到三維重建軟件Mimics10.01(MaterialiseCompany，比利時(shí))中，進(jìn)行下頸椎三維模型圖像的分割重建，獲得單個(gè)下頸椎圖像，并且對(duì)每個(gè)椎體圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼

6、，以STL格式儲(chǔ)存以備用。
　　 2.3、確定下頸椎椎弓根峽部:
　　 將單個(gè)椎體數(shù)據(jù)（STL格式）導(dǎo)入到GeomagicStudio（Geomagic公司，美國(guó)）中，以橫突平分線為基準(zhǔn)線，在垂直方向上尋找平分椎體的矢狀線，從而找到椎弓根軸線;沿著椎弓根軸線方向，利用‘創(chuàng)建特征’功能尋找到椎弓根最大內(nèi)接圓直徑最小的部位，即是椎弓根峽部。同時(shí)保留椎弓根峽部?jī)?nèi)接圓曲線，椎弓根峽部最大內(nèi)接圓曲線以wrp格式儲(chǔ)存，備用。

7、　　 2.4、設(shè)計(jì)導(dǎo)航模板螺釘定位桿:
　　 在Geomagic中，利用‘創(chuàng)建特征’功能尋找到椎弓根峽部的最大內(nèi)接圓，最大內(nèi)接圓以IGS的方式進(jìn)行儲(chǔ)存;把最大內(nèi)接圓數(shù)據(jù)輸入到UG中，沿椎弓根軸線方向，設(shè)計(jì)出直徑為2mm的導(dǎo)航模板克氏針定位桿。對(duì)左右兩側(cè)的2mm虛擬克氏針進(jìn)行布爾運(yùn)算，而后再與椎體進(jìn)行布爾運(yùn)算，設(shè)計(jì)出帶有克氏針通道的椎體三維模型。
　　 2.5、設(shè)計(jì)制作下頸椎三維模型:
　　 將帶有克氏針虛擬通道

8、的下頸椎椎體模型輸入到美國(guó)三維立體打印機(jī)SpectrumZ510(ZCorp.美國(guó))公司生產(chǎn)SpectrumZ510三維立體打印方式成型機(jī)進(jìn)行打印。主要通過(guò)以下幾個(gè)步驟設(shè)計(jì)制作個(gè)性化的椎體三維模型，預(yù)備三維設(shè)備;用Zprint軟件準(zhǔn)備好搭建過(guò)程;去除部件，初步定型。從而獲得帶有克氏針通道的椎體快速成型模型。
　　 2.6、制作導(dǎo)航模板:
　　 由模型組C3-C7兩側(cè)置入直徑為2mm長(zhǎng)80mm克氏針，用調(diào)和好的牙托粉在兩枚

9、克氏針周圍進(jìn)行堆積，制作模塊，待牙托粉充分凝結(jié)之后拔出克氏針，對(duì)模塊進(jìn)行手工分離。從而獲得帶有克氏針通道的導(dǎo)航模板。
　　 3、C3-C7標(biāo)本準(zhǔn)備:
　　 取4具頸椎標(biāo)本，進(jìn)行準(zhǔn)備。剔除椎板后部的軟組織，暴露椎板;切除棘間韌帶和棘上韌帶，暴露棘突。充分暴露椎體后部骨面結(jié)構(gòu)，使導(dǎo)航模板與椎體椎板骨曲面緊貼。沿著導(dǎo)航導(dǎo)向孔置入克氏針，克氏針的直徑是2mm。雙側(cè)同時(shí)置入克氏針，共40個(gè)。
　　 3.1、二次CT掃描帶有

10、克氏針的下頸椎標(biāo)本
　　 克氏針置入后，再次進(jìn)行螺旋CT掃描，掃描條件相同。將掃描的CT斷層圖像導(dǎo)入到三維重建軟件Mimics10.01中，選取合適的骨閾值，對(duì)下頸椎圖像灰度提取，選擇合適的閾值進(jìn)行三維重建（采用相同的閾值和重建技術(shù)），克氏針單獨(dú)進(jìn)行圖像重建。而后以STL格式導(dǎo)出，備存。
　　 3.2、實(shí)際克氏針與虛擬克氏針位置數(shù)據(jù)的提取
　　 克氏針置入后，再次進(jìn)行螺旋CT掃描。將掃描的CT斷層圖像導(dǎo)入到三維重

11、建軟件Mimics14.01中，對(duì)下頸椎進(jìn)行三維重建（采用相同的閾值和重建技術(shù)），以STL格式導(dǎo)出。
　　 在Geomagic10.0軟件中將再次掃描的CT數(shù)據(jù)與置釘前的CT數(shù)據(jù)利用特征標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行3D配準(zhǔn)，使兩者坐標(biāo)系統(tǒng)一，利用Geomagic10.0中“提取特征”的功能擬合克氏針，并提取并記錄虛擬克氏針與實(shí)際克氏針在頸椎進(jìn)釘點(diǎn)的六自由度數(shù)據(jù)，包括x、y、z軸的位移數(shù)據(jù)及x、y、z軸的旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)。
　　 3.3、實(shí)際克氏針

12、與虛擬克氏針位置差值的提取
　　 重新建立坐標(biāo)系，以下頸椎的長(zhǎng)軸為Z軸，以左右方向?yàn)閄軸，以前后方向?yàn)閅軸;以橫突中部所在的水平面為0°基準(zhǔn)面，正中矢狀面所在的平面為0°基準(zhǔn)面。在GeomagicQualify11中，同時(shí)導(dǎo)入術(shù)前帶有虛擬克氏針的椎體和術(shù)后帶有實(shí)物克氏針的椎體，對(duì)于術(shù)前設(shè)計(jì)好的椎體我們對(duì)虛擬克氏針采用創(chuàng)建特征功能，編輯出克氏針的軸線，以IGS格式進(jìn)行備存;同樣的方式，我們對(duì)術(shù)后置入克氏針的椎體利用創(chuàng)建特征功能尋找

13、到實(shí)物克氏針的軸線，以IGS的格式進(jìn)行儲(chǔ)存?zhèn)浞?。在逆向工程軟件NX6.0中，輸入虛擬克氏針軸線曲線以及實(shí)物克氏針軸線曲線，進(jìn)行編輯。采用NX6.0中分析功能中的測(cè)量角度功能可以計(jì)算出兩條直線在不同平面的空間角度改變數(shù)值大小，同理采用測(cè)量距離功能計(jì)算出兩條直線之間的最小距離，同時(shí)可以獲得在各個(gè)平面的位移投影距離的大小。
　　 結(jié)果：
　　 應(yīng)用快速成型技術(shù)和逆向工程原理，設(shè)計(jì)下頸椎個(gè)性化導(dǎo)航模板40個(gè)，輔助下頸椎40個(gè)克氏

14、針置入;術(shù)中發(fā)現(xiàn)每個(gè)下頸椎的導(dǎo)航模板與椎體椎板緊密結(jié)合，模板具有較高的匹配程度以及穩(wěn)定性。虛擬克氏針六自由度的位移參數(shù):X軸是160.046±98.479mm、Y軸是-199.976±6.703mm、Z軸是-288.941±128.153mm.旋轉(zhuǎn)參數(shù):X軸是-0.203±0.439°、Y軸是0.151±0.494°、Z軸是0.027±0.127°。實(shí)際克氏針六自由度的位移參數(shù):X軸是159.675±99.162mm、Y軸是-200.4

15、56±6.719mm、Z軸-283.472±125.079mm;旋轉(zhuǎn)參數(shù):X軸是0.277±0.317°、Y軸是0.262±0.416°、Z軸0.048±0.230°。通過(guò)配對(duì)樣本t檢驗(yàn)得知，位移在X、Y、Z軸方向均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，p＞0.05;角度在X、Y、Z方向均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，p＞0.05。實(shí)際克氏針與虛擬克氏針之間的偏差，X軸位移偏差是1.58±0.66mm、Y軸位移偏差是1.96±0.84mm、Z軸位移偏差是2.33±1.15mm