引言椎弓根螺钉内固定系统因其良好的生物力学性能已成为最常用的脊柱内固定方法之一。因椎弓根毗邻结构解剖复杂而重要，手术置钉难度较大，与之相关的手术并发症时有发生。螺钉植入位置不佳，又可引起内固定系统强度下降甚至失效，影响手术疗效。手术成功的关键在于植入螺钉必须按照椎弓根长轴轴线通过这一狭小骨性管道。因此，关于椎弓根螺钉植入定位导向技术的研究成为影响手术置钉成功率的重要因素。既往的研究重在对人群总体共性的发现，其结论的普遍性与临床应用要求个体化的特殊性之间存在矛盾，如何做到个体化，如何使个体化成为不需昂贵计算机手术导航设备即能实现的实用技术。是本实验萌生的初衷。本实验利用现代影像技术如多排螺旋CT可以精确显示脊柱细微结构的特性，结合日渐成熟的图像三维重建技术，寻求通过影像学研究建立个体化椎弓根螺钉分析模型的可能；并对男女各30例64层螺旋CT扫描腰椎影像资料进行三维重建，利用本分析模型分析不同腰椎节段椎弓根螺钉不同方向允许偏差的最大角度，相应进钉点的变化。在此基础上确定最佳螺钉径线，测量其水平面进钉角(transverse section angle TSA)，矢状面进钉角(sagital section angle SSA)，钉道长度，最佳进钉点的位置。与同类研究相比较，本研究在研究内容及分析的指标方面更加全面细致，临床实用性更突出。可以为临床提供较好的个体化术前虚拟置钉方案。提高手术安全性和准确性，减少并发症的出现，提高远期疗效。第一部分腰椎CT影像三维重建建立椎弓根螺钉分析模型目的通过对腰椎CT影像资料的分析测量，结合三维重建与矢量分析软件，探索CT三维重建建立腰椎椎弓根螺钉分析模型的方法，为椎弓根螺钉内固定的科研和临床提供方法支持。方法1．1材料：珠江医院影像科飞利浦64层螺旋CT扫描腰椎影像资料1例，30岁，男性。扫描层厚1mm，间隔0.5mm。包括完整L1至L5椎体及全部附件结构，无椎体椎弓毁损、严重畸形等导致局部解剖结构难以辨认，无腰椎手术史。计算机配置：CUP 1.5GHz；内存512MB；操作系统Windows XP Profession SP21．2方法：1．2．1腰椎CT影像资料导入Mimics8.1软件：利用Philips Mxliteview version 1.22软件确定腰椎影像资料单个椎体节段所对应的起止层数及相应文件编号，以单个椎体为单位将其影像资料导入Mimics8.1软件。1．2．2确定椎弓根中心点C：在Mimics8.1程序中分别找到双侧椎弓根最狭窄处平面椎弓根中心点C并标记，后续创建的各螺钉模型均通过该点。1．2．3创建通过椎弓根中心点C的初始螺钉，确定椎弓根螺钉长度、直径：利用Mimics8.1软件自带的3D建模功能创建通过椎弓根中心点C的圆柱体代表初始螺钉，标准为目测下尽量与椎弓根轴心共线。钉长以初始螺钉钉尖所在水平面图像中钉尖距椎体前壁皮质骨内缘6mm为准，直径等于或稍大于双侧椎弓根中心点平面中较小一侧椎弓根松质骨部分的横径，双侧螺钉取相同直径。1．2．4创建内、外，内上、外上进钉方向的椎弓根螺钉模型：在AutoCAD2006软件中测量椎弓根中心点和同侧初始螺钉钉尖两点间距离R，规定后续创建各不同进钉角度螺钉时椎弓根中心点至其钉尖部分长度均为R。在Mimics8.1程序中以左右椎弓根中心点为圆心，其对应R为半径创建球模型，在初始椎弓根螺钉钉尖与上下终板平行平面中选取球与椎体外缘交点作为外侧螺钉钉尖点，选取双侧球交点作为内侧螺钉钉尖点。内外侧螺钉钉尖点以椎弓根中心点为顶点形成的夹角即为椎弓根螺钉内外夹角，在上终板平面选取球与上终板外缘交点作为外上方螺钉钉尖点，选取双侧球交点作为内上方螺钉钉尖点。内上方、外上方螺钉钉尖点以椎弓根中心点为顶点形成的夹角即为椎弓根螺钉上方夹角。采用上述辅助定位后如遇椎弓根部穿破情况则需要手动调整螺钉以使螺钉刚好与原穿破侧椎弓根骨壁相切。1．2．5创建下侧进钉方向的椎弓根螺钉模型：在AutoCAD2006程序中将椎弓根螺钉内外夹角、上方夹角两等分，由同侧两等分点与椎弓根中心点共同创建一平面，依该平面与同侧球在下终板平面交点创建下方螺钉模型。上方夹角等分点与下方螺钉模型钉尖点以椎弓根中心点为顶点形成的夹角即为椎弓根螺钉上下夹角。1．2．6确定最佳椎弓根螺钉：在AutoCAD2006程序中将上下夹角两等分，经由该等分点通过椎弓根中心点创建之螺钉模型即为最佳椎弓根螺钉模型。其置钉径线与椎弓后壁的交点即为最佳进钉点，与椎体前壁的交点即为最佳出钉点。由最佳进钉点至其与同侧球前方交点间距离即为实验钉长，由最佳进钉点至最佳出钉点间距离即为钉道长度。1．2．7三维重建后观察与调整在Mimics8.1程序中，按表面遮盖(shaded surface display SSD)法行三维重建，用于螺钉创建全过程以更直观地指导螺钉调整，观察椎弓根部位螺钉穿破情况采用CT值下限阈值为226HU。转动至后面观观察螺钉最佳进钉点的位置和各方向螺钉进钉点关系时则需适当下调三维重建CT值下限阈值，以显示完整骨性结构，便于观察。结果本例腰1至腰5椎体均成功创建椎弓根螺钉分析模型。椎弓根中心点定位并无困难，螺钉手动调节困难不大。初始螺钉与最佳螺钉比较进钉方向基本一致，说明初始螺钉创建满意。结合本实验第二部分创建椎弓根螺钉分析模型经验，发现其中外侧、外上方、内上方螺钉利用球模型定位几乎均未发生椎弓根骨壁穿破情况，既螺钉穿破椎体前尚不能危及椎弓根，提示在此三方向上，椎体的解剖数据对置钉的影响大于椎弓根的解剖数据。而内侧螺钉穿破椎弓根情况稍多、下方螺钉穿破椎弓根情况较多，尤其是随着腰椎节段下降，穿破例数和穿破程度均呈增加趋势。提示在此两方向上，椎弓根的解剖数据对置钉的影响大于椎体的解剖数据。也反映了椎弓根椭圆形横断面长轴逐渐由竖直转为内上到外下方向对穿刺置钉的影响。结论本研究方法将CT薄层扫描图像与三维重建软件、矢量分析软件相结合，使得椎骨细微解剖变化显示更清晰，测量精度提升。本模型可以成功创建各不同进钉角度螺钉并确定最佳螺钉，对临床手术置钉和椎弓根螺钉内固定的科研均有实际意义。本模型不足之处在于无法模拟实际手术置钉时椎弓根骨壁变形对数据的影响，无法模拟松质骨与密质骨界面对穿刺置钉的影响，有待进一步完善。第二部分运用本模型分析60例CT资料的分析结果目的验证本方法的有效性，测量腰椎椎弓根螺钉相关数据，指导临床手术。方法1材料与方法1．1一般资料本组60例腰椎影像资料均取自珠江医院影像科飞利浦64层螺旋CT扫描病例，扫描层厚为1mm，扫描间距0.5mm，包括完整L1至L5椎体及全部附件结构，排除椎体椎弓毁损、严重畸形等导致局部解剖结构难以辨认、腰椎手术后病例。其中男性30例，女性30例。男性病例年龄分布为29-75岁，平均45.33±14.50岁；女性病例年龄分布为21-63岁，平均43.13±13.23岁。1．2分析方法1．2．1根据第一部分创建椎弓根螺钉分析模型方法，在60例腰椎CT影像资料上分别创建各角度螺钉，标记、测量下列指标：后中距：最佳进钉点到同侧椎弓根中心点间距离内外夹角；同侧内外侧螺钉钉尖点关于椎弓根中心点形成的夹角即为椎弓根螺钉内外夹角内外弧长：以椎弓根中心点为圆心，后中距为半径，内外夹角对应的圆弧长度上下夹角；上方夹角等分点与同侧下方螺钉模型钉尖点以椎弓根中心点为顶点形成的夹角即为椎弓根螺钉上下方夹角上下弧长：以椎弓根中心点为圆心，后中距为半径，上下夹角对应的圆弧长度实验钉长：最佳进钉点至最佳螺钉与同侧球前方交点间距离即为实验钉长钉道长：由最佳进钉点至最佳出钉点间距离钉尾间距：左右最佳进钉点间距离水平面进钉角(transverse section angle TSA)；本实验采用左右最佳螺钉夹角的一半表示矢状面进钉角(sagital section angle SSA)：本实验采用左右最佳螺钉与上终板平面夹角的平均值表示将上述指标按对应的病案号、性别、年龄、腰椎节段录入spss13.0统计软件。1．2．2三维重建观察螺钉最佳进钉点的位置和各方向螺钉进钉点关系，调整CT值下限阈值使椎弓后部结构尽量显示清晰，以利观察。1．3统计方法本实验采用SPSS13.0统计软件。对同一椎体左右两侧椎弓根螺钉相对数据行计量资料配对样本t检验，对男女组间相关数据行计量资料独立样本t检验，对男女组内不同腰椎节段间相关数据行单向方差分析及不同腰椎节段间LSD法多重比较。显著性水平设为双侧α=0.05。结果从男女性各项指标统计分析结果可以看出：本实验纳入病例男女间年龄均数相近，行独立样本t检验差异无统计学意义，说明本研究男女组间年龄相当，具有可比性。腰椎各项指标在节段间差异有统计学意义。男女两组螺钉内外夹角均小于上下夹角，内外弧长均小于上下弧长，这与腰椎椎弓根椭圆形切面中横径小于矢状径的解剖特点相对应；女性椎弓根螺钉内外夹角、上下夹角大于男性，男性内外弧长、上下弧长、后中距、钉尾间距、实验钉长、钉道长、螺钉直径大于女性，差别有统计学意义。钉尾间距从L1到L5逐渐增加，尤其L4、L5之间变化幅度较大，差别有统计学意义，临床穿刺置钉应予注意，同时注意保持进钉点与进钉角度的协调一致。钉道长度峰值男女均在L2、L3节段，L4均较L3为短，其差别有统计学意义。应引起临床注意，在行L4经椎弓根内固定时避免穿刺置钉过深。螺钉直径从L1到L5逐渐增大，L3、L4、L5较L1、L2明显增大，其差别有统计学意义。SSA从L1到L5呈逐渐减小趋势，L3、L4、L5之间差异无显著性。TSA从L1到L5逐渐增大，L1、L2之间差别不具有显著性，L3、L4、L5之间差别则具有显著性，尤其L5较L4 TSA几乎增大一倍。这与钉尾间距的明显变化相一致，手术时应注意调整螺钉钉尖内偏角度观察椎弓根螺钉进钉点发现内外侧螺钉进钉点与内上、外上螺钉进钉点构成接近矩形的梯形区域，最佳进钉点居于内外进钉点中部。L1到L4最佳进钉点位于副突根部靠近乳突处，随着椎体节段下降，进钉点逐渐移向外侧，L1最佳进钉点基本在副突根部骨嵴内侧缘，L2、L3最佳进钉点基本在副突根部骨嵴上，L4最佳进钉点基本在副突根部骨嵴外侧缘。L1到L4可选进钉点范围几乎均包含副突骨嵴。L5最佳进钉点则明显偏外，多数位于副突根部与横突外端连线的中内1／3。考虑TSA明显增大因素，实际可调节范围较小。结论从本部分分析结果可以看出，腰椎椎弓根螺钉多项指标以L3为分界线，其上下比较的差异有显著性。提示L3作为腰椎生理性前凸的顶椎，其上下椎体、椎弓根结构存在差异，另外L5椎体椎弓根较为特殊，钉尾间距、TSA、最佳进钉点相比其余4个节段变化明显，在实际手术操作时应注意到这些差别。