应用脊椎CT个体化数据植入椎弓根螺钉器械研究

陈德路

(山东省聊城市中医医院， 聊城 252000)

应用脊椎CT个体化数据植入椎弓根螺钉器械研究

陈德路

(山东省聊城市中医医院， 聊城 252000)

研究脊椎的CT个体化数据，研制椎弓根螺钉植入专用器械，用于椎弓根螺钉植入手术，提高植入准确率，缩短手术时间。根据椎弓根螺钉植入手术过程中，需要严格掌握椎弓根螺钉进针点位置及水平面角和矢状面角的要求，研制一种能够准确确定椎弓根螺钉进针点及水平面角和矢状面角的专用器械，在CT横截面图像上测量椎弓根轴线与骨结构表面的交点到棘突根部的水平距离，作为进针点左右方向位置参考，在CT矢状面上测量椎弓根轴线与骨结构表面的交点到横突中线的距离，作为进针点上下方向位置参考，利用上述距离数据，结合术中暴露的上述骨结构标志，确定进针点位置，在CT图像上测量每个脊椎椎弓根轴线的水平面角和矢状面角，记录脊椎椎弓根轴线的个体化数据，利用器械上的两个以进针点为顶点相互垂直的量角器，指导椎弓根螺钉植入的水平面角和矢状面角，快速准确完成椎弓根螺钉植入手术，在成人2男2女4具尸体的第三颈椎至第一骶椎上植入 184枚铝合金椎弓根螺钉，验证椎弓根螺钉植入专用器械的使用效果。 结果表明，在4具尸体标本的C3至S1脊椎上共植入了184枚椎弓根钉，进针点左右方向平均误差是(1.4±0.3)mm，头足方向平均误差是(1.6±0.3)mm，椎弓根螺钉水平面角平均植入误差是(1.8±0.5)°，矢状面角平均植入误差是(2.2±0.4)°，无一例椎弓根穿破或骨折。应用脊椎的CT个体化数据，借助椎弓根螺钉植入专用器械，可以使双侧椎弓根螺钉快速、准确地沿椎弓根中轴线对称植入，具有推广意义。

脊椎；个体化数据；椎弓根；中轴线

引言

椎弓根螺钉内固定手术广泛应用于脊柱创伤、椎体滑脱、畸形及退变等疾患。许多学者研究了椎弓根的定量解剖、应用影像学、电生理等并研制了多种器械和技术，如手术导航系统、个性化导向模板等，辅助椎弓根螺钉植入，但椎弓根骨折、穿破以及神经损伤等并发症仍较高[1]。为了提高椎弓根螺钉植入的速度和准确率，减少并发症发生，利用脊椎CT三维影像资料，在脊椎横截面上精确测量椎弓根螺钉进针点与棘突根部的距离，用以确定进针点左右方向的位置，利用CT层厚和层间距计算得出进针点与横突中线间的距离，用以确定进针点上下方向的位置，测量脊椎椎弓根轴线的个体化水平面角和矢状面角，作为椎弓根螺钉植入的水平面角和矢状面角，手术时利用上述骨性标记作为辨认标记和手术器械固定标记，研制成功了一种椎弓根螺钉植入专用器械，应用该器械，可将上述测量所得椎弓根CT个体化数据准确应用到手术中，快速同步沿双侧椎弓根轴线对称植入双侧椎弓根螺钉。

1 材料与方法

1.1椎弓根螺钉植入专用器械的组成结构

该椎弓根螺钉植入专用器械是左右对称结构，可同时植入双侧椎弓根螺钉，主要由连接块、滑块、立柱、水平面角(transverse screw angle,TSA)标记尺、矢状面角(sagital screw angle,SSA)标记尺、弧形滑块、纵向滑块、棘突夹、半圆形进针孔等组成，如图1所示。

图1 椎弓根定位针植入器械结构和原理示意图Fig.1 The machanism and structure of the vertebral pedicle puncture needle

连接块连接左、右滑块，右滑块可在连接块内滑动和锁止，左滑块可在右滑块内滑动和锁止，左、右滑块上的刻度显示的分别是左、右半圆形进针孔中心到标记线所在垂直面的距离；左、右立柱上有刻度，可在各自的滑块上作垂直滑动和锁止，下端设有半圆形进针孔(用于标记进针点)和短针状突起(刺入骨皮质起固定作用)；左、右水平面角标记尺分别是以左、右半圆形进针孔为圆心的圆弧，可借助左、右紧固螺丝，方便牢固地安装在左、右立柱顶端，其刻度线标记的是以半圆形进针孔中心为顶点、以立柱为始边、以半圆形进针孔中心与弧形滑块连线为终边的角度刻度；左、右矢状面角标记尺分别通过左、右弧形滑块，垂直连接在水平面角标记尺上，并且可在水平面角标记尺上滑动和锁止，矢状面角标记尺上的刻度线，标记的是以半圆形进针孔中心为顶点、以半圆形进针孔中心与弧形滑块连线为始边、以半圆形进针孔中心与纵向滑块连线为终边的角度刻度；棘突夹固定在连接块上并且标记线将其左右均分；两个滑块的中轴线、两个立柱的中轴线、两个水平面角标记尺的中线以及两个半圆形进针孔的中心都在同一平面内。

1.2椎弓根螺钉植入专用器械的原理

椎弓根螺钉植入专用器械的原理是利用现代化的螺旋CT薄层扫描技术，和强大的数字化图像处理技术，个体化精确测量患者每个脊椎椎弓根的以下数据：椎弓根的横径、椎弓根中轴线的水平面角和矢状面角、双测进针点与棘突尖的横向距离、双测进针点与棘突根部的横向距离、所需螺钉深度等(见图2)，在手术中，根据所测得的以上数据，结合术中骨性标志，利用器械上的刻度和辅助测量尺，首先确定半圆形进针孔(进针点)的横向位置和纵向位置，准确固定器械，再调整器械的弧形滑块和纵向滑块的位置，确定定位针的进针角度，然后根据椎弓根的横径和所需螺钉深度选择合适的螺钉植入。

图2 脊椎横截面上测量个体化数据Fig.2 Measurement of individual data on the transverse section of vertebral

1.3椎弓根螺钉植入器械的使用方法：

1.3.1CT扫描及测量记录个体化数据

利用螺旋CT对处理过的尸体标本脊柱进行1 mm层厚扫描，图像导入影像工作站，找出脊椎椎弓根的中心横截面，如图2所示。通过左、右椎弓根中心作椎弓根的中轴线并延长，把椎弓根中轴线与骨结构表面的交点设为进针点，连接两个进针点，通过两个进针点作进针点连线的垂线，则所作垂线与椎弓根中轴线的夹角既是椎弓根中轴线的水平面角，测量并记录双侧进针点与棘突尖的横向距离(精度0.5 mm，下同)、双侧进针点与棘突根部的横向距离、双侧椎弓根中轴线的水平面角、双侧椎弓根螺钉的植入深度、双侧椎弓根的横径等数据。

在椎弓根中心所在的矢状面上，找出椎弓根中心，如图3所示，通过椎弓根中心作椎弓根的中轴线，把椎弓根中轴线与骨结构表面的交点设为进针点，通过进针点作椎板连线的垂线，该垂线与椎弓根中轴线的夹角即为椎弓根中轴线的矢状面角，测量矢状面角的大小和进针点与椎弓根中心层面的距离并记录。在CT图像横截面序列中，找出横突中线所在层面和椎弓根中心所在层面，利用层厚和层间隔数据，计算得出两个层面间距离，再与上述测量所得的进针点与椎弓根中心层面的距离合并计算，得出进针点与横突中线的距离并记录。

图3 器械应用时在矢状面投影示意图Fig.3 Projection on the vertical plane when using our instrument

1.3.2利用个体化数据和专用器械植入椎弓根螺钉

术前分别调整左、右滑块，使双侧半圆形进针孔中心与器械标记线的横向距离，等于测量所得的双侧进针点与棘突尖的横向距离(见图4)。

图4 器械应用时在横截面上投影示意图Fig.4 Projection on the transverse plane when using our instrument

调整左、右弧形滑块，分别使其标记的角度与测量所得的椎弓根中轴线的水平面角相同，调整左、右纵向滑块，分别使其标记的角度与测量所得的椎弓根中轴线的矢状面角相同；手术常规暴露棘突、横突和进针点附近的骨结构，根据器械标记线与棘突尖在同一矢状面、半圆形进针孔中心与棘突尖的横向距离、半圆形进针孔中心与棘突根部的横向距离(用图5所示辅助测量尺上的卡尺测量)、半圆形进针孔与横突中线的距离(用图5所示辅助测量尺上的直角尺测量)，确定半圆形进针孔的位置，调整器械使左、右立柱垂直于椎板连线(用图5所示辅助测量尺上的直角尺测量)，下压器械使半圆形进针孔下面的短针状突起刺入骨皮质防止滑动，夹紧棘突夹固定器械，此时专用器械和脊椎结合成为一个整体，再次用辅助测量尺测量验证器械安装的位置是否正确，最后安装左、右矢状面角标记尺，并利用左、右紧固螺丝固定牢固；左、右侧定位针尖端分别置于左、右半圆形进针孔内，定位针的针杆分别置于左、右纵向滑块处，此时，定位针的中轴线与椎弓根的中轴线重合，按照此进针点和进针角度植入定位针，去除专用器械，拔出定位针，用扩孔丝锥扩大定位针孔，根据测量所得椎弓根螺钉所需深度和椎弓根横径大小， 选择长度和直径合适的铝合金螺钉(利于CT显示)并植入。

图5 辅助测量尺Fig.5 Assistant measuring scale

1.4在尸体标本内植入椎弓根螺钉

该椎弓根螺钉植入专用器械研制成功后，经过医院技术委员会专家论证，同意利用尸体标本进行使用效果验证，2013年1月7日至2013年6月16日，共在成人2男2女4具尸体的第三颈椎至第一骶椎上植入184枚铝合金椎弓根螺钉，铝合金钉直径3.0～6.5 mm，长度20～45 mm，自开始安装专用器械至植入一对椎弓根螺钉止，占用手术时间最长3 min，最短2.2 min，平均用时2.6 min (图6为器械实际应用图片)，所有椎弓根螺钉植入完成后，对尸体进行1 mm层厚螺旋CT扫描，在CT图像上铝合金螺钉显示清晰，与椎体及椎弓根图像对比明显。

图6 器械实际应用图Fig.6 Instant operation projection

2 结果

在成人2男2女4具尸体的第三颈椎至第一骶椎上植入184枚铝合金椎弓根螺钉，在植入椎弓根螺钉的脊椎CT横截面图像中，找出椎弓根中轴线所在横截面，利用显示的部分椎弓根和部分椎弓根螺钉，标记出椎弓根中轴线和椎弓根螺钉中轴线，测量两条中轴线形成的夹角即水平面倾角植入误差，其平均误差是(1.4±0.5)°，测量两条中轴线与骨结构表面交点间的横向距离即进针点左右方向植入误差，其平均误差是(1.1±0.3)mm；同样在矢状面中测量椎弓根中轴线与椎弓根螺钉中轴线形成的夹角即矢状面角植入误差，其平均误差是(2.0±0.4)°，测量两条中轴线与骨结构表面交点间的头足方向距离即进针点头足方向植入误差，其平均误差是(1.6±0.3)mm；椎弓根螺钉尖端与椎体骨皮质最小距离是5 mm，无一例椎体骨皮质穿破，椎弓根螺钉外缘与椎弓根骨皮质外缘最小距离是1 mm，无一例椎弓根骨皮质穿破或骨折。

3 讨论和结论

人体脊椎椎弓根比较细小，周围有脊髓、脊神经等重要组织，为了使脊椎椎弓根螺钉坚强稳固又不损伤周围的重要组织，要求椎弓根螺钉沿椎弓根的中轴线植入[2]。不仅每个人的椎弓根中轴线倾角不同，同一个人的不同脊椎的椎弓根中轴线的倾角也有差别，因此，如果要植入高质量的椎弓根螺钉，必须进行单个脊椎椎弓根中轴线的个体化测量，获取每个椎弓根中轴线的水平面角、矢状面角及进针点的精确位置[3]；椎弓根螺钉植入手术过程中，进针点位置的准确确定是关键，在没有计算机导航技术(也称计算机辅助手术，computer-assisted surgery,CAS)的情况下，主要依靠手术医生的经验和技术，一旦有脊椎变异等，进针点的位置差别较大，是椎弓根螺钉植入不理想的重要原因之一，手术医生依靠目测掌握椎弓根螺钉的水平面角和矢状面角的大小，使椎弓根螺钉的水平面角和矢状面角植入误差较大，易造成椎弓根穿破或骨折；计算机导航技术(CAS)可以提高椎弓根螺钉植入成功率，但存在设备昂贵、操作复杂、对患者体位和示踪器固定要求高、加重患者及手术医生的辐射损伤等缺点[4]。椎弓根螺钉个体性导向模板是根据脊椎CT三维图像制作的，CT三维图像是完全去除了脊椎周围软组织包括骨膜的骨骼体积，手术中需要完全剔除椎弓周围的软组织才能放置个体性导向模板，增加了手术创伤。

应用椎弓根螺钉植入专用器械植入椎弓根螺钉，在术前个体化测量术中所需数据，能够发现椎弓根变形或大小异常及椎体旋转或其他骨结构发育畸形等， CT图像上用于测量数据的骨性标志如棘突、棘突根部、骨结构表面、横突中线等，与手术中用于辨认的骨性标志一致且容易暴露易于辨认，可以简化手术，缩小植入误差；利用在CT图像上测量获得的双侧进针点与棘突根部的横向距离、双侧进针点与棘突尖的横向距离，来确定手术中进针点的横向位置，利用CT图像上进针点与横突中线间的距离，来确定手术中进针点的纵向位置，能使进针点的横向位置和纵向位置的精确度达到0.5 mm，可以提高进针点位置的精确度；在手术中，确定并固定专用器械的位置是关键步骤，根据脊椎CT个体化数据，利用器械自身固有刻度和辅助测量尺，准确固定专用器械，能够使双侧半圆形进针孔中心与CT图像上测量时的进针点重合，双侧螺钉的中轴线与双侧椎弓根的中轴线重合；最后安装水平面角标记尺，可以给确认半圆形进针孔的位置提供更大空间，利于手术中操作器械和辨认骨性标志。

椎弓根螺钉植入专用器械的半圆形进针孔是圆弧形水平面角标记尺的圆心，矢状面角标记尺通过弧形滑块，与矢状面平行地连接在水平面角标记尺上，半圆形进针孔与矢状面角标记尺构成一个倒立倾斜放置的量角器，虽然是倾斜放置，其标记的角度投射在矢状面上大小不变，能够准确标记出矢状面角的大小；利用半圆形进针孔和纵向滑块结合，可以同时标记出椎弓根螺钉的水平面角和矢状面角，指导椎弓根螺钉按照椎弓根中轴线植入，由CT图像实测脊椎个体化数据，决定螺钉的直径和植入深度更加准确可靠[5]。

此椎弓根螺钉植入专用器械，手术前进行CT扫描和所需各个数据测量，不占用手术时间，由台上助手调整双半圆形进针孔与标记线间的横向距离、双弧形滑块的位置和双纵向滑块的位置，同样可以节约手术时间，专用器械安装完成后，进针点固定可靠，进针角度控制稳定，双侧定位针和螺钉可以同时植入，平均2.6 min完成一对椎弓根螺钉植入，能够明显缩短手术时间。

综上所述，应用 CT图像所测脊椎个体化数据，借助椎弓根螺钉植入专用器械，可以快速、准确地沿椎弓根中轴线对称性植入双侧椎弓根螺钉，具有推广意义。

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TheUsefulnessofIndividualizedSpinalCTImaginginOperationofOrthopedicFixationScrews’InsertioninVertebralPedicle

CHEN De-Lu

(TheChineseMedicineHospitalofLiaochengCity;Liaocheng252000,China)

vertebral column; individualized data; vertebral pedicle; central axis

10.3969/j.issn.0258-8021.2014.02.017

2013-07-05， 录用日期:2013-10-26

R318

D

0258-8021(2014) 02-0252-05

*通信作者。E-mail: cdl123456789@sina.com