基于3Dslier及3dsmax的人腰椎侧隐窝前后径虚拟测量的可行性与精确性分析

王晓婷　王璐　程文

摘 要：目的 探讨人腰椎侧隐窝前后径虚拟测量的可行性与精确性。方法 CT数据包括正常腰椎1例，椎间盘突出2例；腰椎干标本（骨性+椎间盘假体）8例。在3D Slicer 4.4基于CT数据重建出虚拟模型，在3ds max中用欧氏距离测算出L1～L5侧隐窝前后径大小。利用游标卡尺对腰椎干标本的L1～L5侧隐窝前后径进行测量。对所得数据进行双样本等方差t检验，得出虚拟正常腰椎与干标本，虚拟正常腰椎与虚拟椎间盘突出病例在腰椎侧隐窝前后径上的差异。结果 正常组与病例1，病例2及干标本组对比地，侧隐窝前后径均无统计学差异（P>0.05）。结论 基于三维模型的虚拟测量方法在人椎间孔径测量中有着较高的可行性与可靠性。

关键词：虚拟现实；腰椎侧隐窝；测量；欧氏距离

中图分类号：TP391 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2018.04.022

文章编号：1006-1959（2018）04-0068-03

Abstract：Objective To investigate the feasibility and accuracy of virtual measurement of anterior and posterior diameter of lateral recess of human lumbar vertebrae.Methods CT data included 1 case of normal lumbar vertebra and 2 cases of disc herniation，8 cases of Lumbar dry specimen（bony intervertebral+disc prosthesis）.In 3D Slicer 4.4，a virtual model is reconstructed based on CT data， and the size of the front and back diameter of the L1～L5 side recess is measured in the Euclidean distance in 3ds max.A vernier caliper was used to measure the L1～L5 lateral recess diameter of the lumbar spine.The data were analyzed by double sample and equal variance t test.The difference between the virtual normal lumbar and dry specimen，the virtual normal lumbar vertebrae and the virtual intervertebral disc protrusion in the lumbar lateral recess was obtained.Results There was no statistical difference between the normal group and case 1，case 2 and dry specimen group，and there was no statistical difference between the lateral recess and the anterior and posterior diameter（P>0.05）.Conclusion The virtual measurement method based on three dimensional model has high feasibility and reliability in human intervertebral aperture measurement.

Key words：Virtual reality；Lumbar lateral recess；Measurement；Euclidean distance

虛拟现实技术又称VR（Virtual Reality）技术，在医学实验的过程中有着较广泛的应用基础[1]。腰椎侧隐窝又称侧椎管，其前面为椎体后缘，后面为上关节突前面与椎板和椎弓根连结处，外面为椎弓根的内面。内侧面为硬脊膜外缘，其入口相当于上关节突前缘。侧隐窝向外下方形成脊神经根通道，与椎间孔相续。基于影像学数据的三维可视化重建是一种无创的活体再现方法，对重建的三维模型进行测量也是目前虚拟现实技术在医学领域中研究的热门之一。如何利用虚拟方法测量腰椎侧隐窝及其可行性的研究目前主要是基于螺旋CT[2，3]，采用干标本作为检验标准则尚无报道。在三维重建中主要依赖于影像软件自身。从而缺乏自主性和选择性后处理。3D Slicer是一款开放性免费医学三维重建软件，重建方法简单，适用于学生初学。3ds max（version 2012， Autodesk Inc. USA）是一款三维建模和后处理软件，对多边形建模有较强的优势。本研究利用3D Slicer4.4和3ds max2012 对正常人和椎间盘突出患者腰椎CT所得的数据进行重建和测量并利用干标本进行相关比对，分析虚拟测量的可行性与精确性。

1 资料与方法

1.1一般资料 正常人腰椎CT数据1例，椎间盘突出CT数据2例，由南通市中医院影像中心提供DICOM文件。层厚1 mm，将DICOM文件导入3D Slicer4.4后，在编辑状态下进行简单阈值分割，突出显示椎骨部分，然后重建出第1～5腰椎，将重建的模型以STL文件保存。

1.2方法

1.2.1模型简化 将STL文件导入3ds max2012后把模型切换到透视视图，并转化为可编辑多边形，选中删除距测量处较远的顶点，仅保留侧隐窝及其相关部分，即对模型进行简化处理（该步骤也可在3D slicer中完成）。

1.2.2选取测量点及测量 分别在模型的下位椎体后缘及上关节突前缘选取点，并记录两点的坐标a（x1，y1，z1）与b（x2，y2，z2）（见图1），对每次记录的两点坐标进行欧氏距离（公式1）测算得到侧隐窝前后径。每个侧隐窝由5人分别重复测算3次后得到数据。

1.3数据处理与统计学分析 将数据导入SPSS软件中进行方差同质性检验，对应的左右椎间孔径之间进行独立样本t检验，得到t值和P值，判断有无统计学差异，再进行进一步的分析，最后得出结论。

1.4干标本测量及数据分析 用游标卡尺测量8例干標本（由南通大学人体解剖学系提供）的腰椎侧隐窝，测量过程由3～5人完成。对侧隐窝测量的具体位置同虚拟测量（见图1），并记录测量结果，将数据导入SPSS软件中进行相关计算，得出t值和P值。

2 结果

病例1、病例2与正常人腰椎侧隐窝的测量结果（图2，单位：mm）。由表1可见，虚拟测量是稳定的，正常人和椎间盘突出的患者之间没有差异（P>0.05）。由表2可见，标本2第4腰椎，标本3第2腰椎，标本4第3腰椎，标本5第2，4，5腰椎，标本6第5腰椎，标本7第2，3腰椎，标本8第1腰椎有统计学差异（P<0.05），其余腰椎左右侧隐窝间无统计学差异（P>0.05）。

3 讨论

3.1侧隐窝前后径与腰椎盘突（脱）出的关系 腰椎间盘突出多合并有侧隐窝狭窄。由于盘黄间隙与侧隐窝之间不存在截然界限，侧隐窝后壁的上份也可有黄韧带覆盖，黄韧带钙化也会引起黄韧带间隙的狭窄从而造成外侧的侧隐窝狭窄，因此，临床上把二者的狭窄统称为侧隐窝狭窄。椎间盘突出时，造成椎体间隙变窄，突间关节囊松驰，椎体间微小移动增加，使黄韧带和后纵韧带增厚。钙化、发生皱折，共同形成侧隐窝软组织狭窄，而椎间关节突和椎体后缘骨质增生，形成侧隐窝骨性狭窄，由于腰椎间盘突出是侧隐窝狭窄的重要原因之一，因此对于腰椎间盘突出患者常要注意检查其是否合并侧隐窝狭窄。

3.2腰椎侧隐窝位置确定 侧隐窝又称侧椎管，其前面为椎体后缘，后面为上关节突前面与椎板和椎弓根连结处，外面为椎弓根的内面，内侧面为硬脊膜外缘，其入口相当于上关节突前缘[1]。侧隐窝向外下方形成脊神经根通道，与椎间孔相续。由于侧隐窝的形态不规则，其范围界定、分部及内侧界限尚未达成共识，因此侧隐窝测量位置没有统一标准。从解剖学角度而言，侧隐窝入口位于椎体上1/4水平[2]。有报道在上位椎体后缘与下关节突之间进行比较，没有对下位椎体后缘与上关节突的距离进行比较，其测量值为（7.8±2.2）～（10.9±1.8）mm与本研究所的结果较接近[3]。本研究中，模型比较直观，直接在下位椎体后缘及上关节突前缘选取点进行相关计算。

3.3虚拟测量方法的选择 利用空间两点的欧式距离进行测量，该方法简单，可重复性高。欧式距离[3]（Euclidean distance）也称欧几里得度量，是一个通常采用的距离定义，指在m维空间中两个点之间的真实距离，或者向量的自然长度（即该点到原点的距离）。在二维和三维空间中的欧氏距离就是两点之间的实际距离。我们建立的是三维模型，而三维空间两点a（x1，y1，z1）与b（x2，y2，z2）间的欧氏距离要求我们对测量点选择的准确性。由于测量点不易准确的选定以及测量时的个体差异，我们采用多次测量取平均值的方法来减小误差充分利用了欧式距离测量时具有可重复性高的优点。

3.4虚拟测量的优势 运用游标卡尺对8个干标本进行人工测量，对每个左右侧隐窝数据进行t检验，从表2的结果考虑可能是由于干标本在处理时，骨骼的脱水程度、安装和有机质损失等原因造成了测量数据的不可靠性。由此可见虚拟测量的必要性和优势。尸体标本的实体测量多为线性测量，高度为上下椎弓根缘的连线，椎间孔的宽度是椎体后缘上下唇的连线下端到相对的关节突的距离，主要测量工具为游标卡尺，另外还有探针法、模型法等[4]，但测量手段都比较粗糙，不够精确。

常规平扫虽然可以相对普通平片较准确显示骨性侧隐窝，但由于个体间的差异以及读片医生的不同会给定位带来不同程度的误差，而且二维图像不能够很好地显示被检部位的结构，在显示侧隐窝区的病变时此缺点更为明显。

自动阈值分割对骨性组织敏感性较高，方便重建和可视化，利用三维观察软件可以将重建后的腰椎更清晰准确地显示侧隐窝的结构并可旋转不同角度至观察侧隐窝的最佳位置，便于对骨性侧隐窝更加精确的观察分析以及数据的测量。重建技术还能通过重采样并将二维图像与三维图像进行配准[5，6]，多视角展现椎间孔的形状及其与相邻结构的解剖关系，能较容易地断定病变的程度和范围，提供比普通平片和CT更多有意义的诊断信息。

本研究表明，虚拟现实技术能直接显示腰椎椎间孔的形态，并能对椎间孔的径线及侧隐窝进行测量，与单一的二维径线测量相比，三维侧隐窝前后径在反映椎间孔的大小方面更合理、更客观。在病例与正常人的腰椎侧隐窝前后径变化趋势图中，可以得出个体侧隐窝差异较为明显，而病例个体除个别侧隐窝外总体趋势与正常人相近，应考虑该侧隐窝即疑似患病部位。考虑到个体差异与测量误差因素，可以增加实验样本数进行进一步验证。

腰椎侧隐窝狭窄症的诊断主要依靠临床体检和影像学检查，影像学检查对该病诊断的客观依据主要是对侧隐窝的测量。基于影像学的虚拟测量便于在活体进行，能够有效准确的辅助临床诊断及治疗。

虚拟测量的精度与操作者的熟练程度有一定的关系。在图像处理的过程中，有价值的信息可能被改变甚至丟失，导致空间位置和形状的改变。本研究通过多人多次重复测量，降低了偶然误差与人为因素的影响。

利用3Dslicer及3dsmax的虚拟现实技术在人腰椎间孔径测量中有着较高的可行性与可靠性。

参考文献：

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[5]罗东礼，徐大宏，赵于前.医学图像三维重建中的关键算法[J].计算机工程与运用，2005，41（19）：222-224.

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收稿日期：2017-8-20；修回日期：2017-8-30

编辑/成森