应用螺旋CT三维重建技术提高置入胸椎椎弓根钉一次性成功率和准确性

作者：何飞 代耀军 曹珺 张春强 王兵 黄河 赵学凌    作者单位：昆明医学院第一附属医院，云南 昆明 650032 　　【摘要】  目的 对比应用螺旋CT三维重建辅助手术技术与传统徒手技术置入胸椎椎弓根钉的一次性成功率和准确性。方法 32例胸椎椎弓根钉内固定病例，分为螺旋CT三维重建技术辅助手术组（A组）和传统技术手术组（B组）。其中A组13例，行螺旋CT扫描后进行三维重建，开展术前计划及个体化测量以指导手术，置钉31椎节共60枚；B组19例，采用传统徒手技术置钉45椎节共88枚。所有病例术中记录钉置入的一次性成功率，术后再次进行螺旋CT扫描三维重建评估置钉准确性，数据按P≤0.05的显著性标准，应用四格表χ2检验进行统计学分析。结果 A、B两组的一次性置入成功率分别为75.0%（45/60）和53.4%（47/88）（P=0.008）；椎弓根穿破率分别为46.7%（28/60）和60.2%（53/88）（P=0.104）；椎弓根穿破≥2mm的发生率分别为1.7%（1/60）和14.8%（13/88）（P=0.007）。结论 利用螺旋CT三维重建技术辅助胸腰椎椎弓根钉内固定手术，可以显著提高椎弓根钉置入的一次性成功率和准确性。

　　【关键词】  计算机体层摄影 三维重建 胸椎 椎弓根钉

　　胸椎经椎弓根内固定手术通常采用传统的徒手技术［1-3］，参考椎弓根形态学测量资料的通用性入点和角度进行置钉，但因胸椎的结构复杂、椎弓根个体差异大和存在椎弓根穿破损伤胸髓等结构的风险，限制了该手术在临床的广泛应用［2，4］，因此更好地开展胸椎椎弓根钉内固定手术，应进行完善的个体化术前计划和准确的预测量，以指导手术。

　　近年来，随着高空间分辨率的螺旋CT的普及应用，螺旋CT三维重建技术在应用于骨折诊断、评估经椎弓根内固定手术效果等方面显现出了重要作用，并相继出现了将其用于手术计划、预测量并辅助手术的报道［5，6］。我科自2006年11月～2007年6月，应用螺旋CT三维重建技术辅助胸椎经椎弓根钉内固定手术，与2006年1月～12月间采用传统徒手技术的此类手术进行对比，结果显示前者在椎弓根钉置入一次性成功率和准确性方面优于后者。

　　临床资料

　　1  一般资料    　　本研究共32例患者，男性23例，女性9例；年龄18～50岁，平均36.5岁。创伤骨折30例，胸椎椎管肿瘤2例，分为螺旋CT三维重建技术辅助手术组（A组）和传统技术手术组（B组），由同一手术组医师完成胸椎经椎弓根内固定手术。其中A组13例，行螺旋CT扫描后进行三维重建，开展术前计划及个体化测量，指导置钉31椎节共60枚；B组19例，采用传统徒手技术置钉45椎节共88枚。

　　2  术前计划    　　所有患者术前行病变部位的正侧位X线摄片，必要时行MRI检查。A组根据X线片选择脊柱节段进行螺旋CT(Philips,MX8000，America)扫描，CT扫描设备：四层CT(Philips,MX8000，America)；扫描条件：200mAs/120kv，扫描及重建层厚1.3mm，间隔0.625mm，原始数据传送到计算机工作站(Silicon Graphics O2工作站)进行容积重建VR(volume rendering)及多层面重建MPR(multiplanar reconstructions)。VR重建针对兴趣区进行，通过动态旋转观察明确病椎与周围椎体的空间关系，结合病情、X线片和MRI等，分析并确定手术方式、椎弓根钉置入的目标椎及目标椎骨性解剖结构（如椎管、椎体及附件）情况，并应用图像处理程序模拟手术（图1）。MPR重建分别按目标椎椎弓根的横断位、矢状位和冠状位重建进行，横断位重建沿椎弓根的中心轴设计理想的椎弓根置入钉道，入点至椎体前沿的距离为钉长最大值，入点距椎板与肋横突交界凹陷处的距离作为入点的横断面参考值，双侧钉道与椎体平分线（棘突向椎体最大横径线中点作连线）的夹角度数为外展角；矢状位重建测量钉道与椎板的夹角作为头倾角，测量入点至下关节边缘的距离作为入点的矢状面参考值；冠状位重建测量椎弓根最窄处的内、外径作为钉直径选择的参考（图2）。B组术前行CT横断位平扫，但未进行三维重建及测量。    　　图1  VR重建图像呈现胸椎损伤细节（略）    　　图2  MPR重建进行术前计划及测量（略）

　　3  手术方法及观察指标    　　两组手术均为同组医师进行，术中涉及定位椎体节段、观察穿刺器械及钉的位置时，均应用术中C臂X线透视监视。    　　A组根据术前计划和测量的结果，应用水平测量仪校正手术床水平，结合游标卡尺、分规确定经椎弓根穿刺的入点，用开路锥在入点处穿刺开口，通过量角器的测量确定头倾及外展角度后，用导钻钻入椎弓根开道，C臂X线透视位置满意后，攻丝并按预测量椎弓根螺钉的直径、长度选择螺钉置入，依据术前计划进行复位、减压、肿瘤的切除、植骨以及连接棒等步骤。    　　B组参考X线片和CT平扫横断片，按传统的RoyCamille徒手技术［1］，螺钉入点位于上关节面中点的垂线与横突平分线的交点处，穿刺角度垂直于椎板，根据X线透视监视进行调整。

　　4  评估方法    　　两组术中记录置入椎弓根钉的一次性成功率，术后择期行X线正侧位片、螺旋CT扫描三维重建及测量（图3,4），参照Rao等［7］的穿破分级标准评估置钉的准确性，0级：无穿破；1级：穿破＜2mm；2级：2mm≤穿破＜4mm；3级：穿破≥4mm，分别得到A、B两组所有椎弓根钉的术后穿破分级（表1、2），数据按P≤0.05的显著性标准，应用四格表χ2检验进行统计学分析。    　　图3  术后X线正侧位片显示胸椎骨折复位满意（略）    　　图4  术后螺旋CT三维重建未见≥2mm的椎弓根穿破（略）

　　表1  A组椎弓根穿破分级（略）

　　表2  B组椎弓根穿破分级（略）

　　结果    　　A、B两组的一次性置入成功率分别为75.0%（45/60）和53.4%（47/88）（χ2=7.071，P=0.008），A组高于B组（表3）；椎弓根穿破率分别为46.7%（28/60）和60.2%（53/88）（χ2=2.648，P=0.104），两组差异无统计学意义（表4）；椎弓根穿破≥2mm的发生率分别为1.7%（1/60）和14.8%（13/88）（χ2=7.155，P=0.007），A组少于B组，差异具有统计学意义（表5）。

　　表3  两组一次性椎弓根钉置入成功率比较（略）

　　表4  两组椎弓根穿破率比较（略）

　　表5  两组椎弓根≥2mm穿破率比较（略）

　　讨论

　　1  传统的胸椎椎弓根钉内固定手术    　　胸椎经椎弓根内固定具有三柱固定的生物力学优势，较强的三维矫形能力，可以缩短固定融合节段，同时减少矫正度的再丧失［8］等明显优势，因此被广泛用于骨折、青少年特发性脊柱侧凸、后凸畸形和肿瘤的治疗。    　　椎弓根钉的一次性准确置入是确保胸椎经椎弓根内固定手术安全性和稳定性的前提和基础，传统的置钉方法多参考既往的形态解剖学测量统计结果，依靠骨性解剖标志，结合术中的X线影像增强设备，采用徒手技术进行。Kim等［9］描述了T1～T12各节段的入点，Zindrick等［10-12］多位学者报道外展角度在T1～T2为25°～35°之间，向下逐渐减小至T12为0°～10°，Hart等［13］报道了上（T1～T2）、中（T4～T7）、下（T9～T10）胸椎的椎弓根平均直径分别为（8.4±1.7）mm、（5.7±1.6）mm和（7.1±1.5）mm，而传统的“RoyCamille技术”至今仍作为徒手技术的主要方法用于临床［1］。    　　传统技术虽然在临床上的应用较多，但因为胸椎椎弓根形态学的个体差异和胸廓肋骨、肩部影像的遮挡，实际操作时容易发生椎弓根侧壁的穿破，而导致内固定的稳定性降低、脑脊液漏、血管脊髓神经的损伤、内脏损伤等相关并发症［4，12，14］。文献报道的穿破发生率为9%～47%［4，13］，多数学者主张应慎重开展此项手术，认为内侧侵入＜2mm才属于“安全区域”［9］。

　　2  X线片和普通CT横断片辅助胸椎椎弓根钉手术的局限性    　　为了提高经椎弓根置钉的准确性，临床医师常以X线平片和普通CT横断位片对病变进行术前诊断、计划和预测量，但二者仅可呈现病变的二维关系，无法进行三维动态显示，对病变整体关系的判断，需要发挥空间想象力去推测病变的三维空间关系以确定方案，治疗效果往往依赖于医生个体的临床经验与手术技能。    　　X线片因胸廓影像重叠，进行术前计划和测量时难以清晰分辨组织结构，容易产生测量误差，而普通CT平扫因体位的影响在横断面很难呈现对称的椎弓根，且缺少冠状位、矢状位呈像，使预测量难以精确。    　　评估置钉准确性时，依据X线片判断钉与椎弓根的准确空间位置关系较为困难，而普通CT平扫横断位片无冠状位重建，加上金属伪影的影响，难以直观地反映椎弓根钉与椎弓根的位置和准确的量化穿破程度。

　　3  螺旋CT三维重建技术辅助胸椎椎弓根钉手术的优势与不足    　　随着多层螺旋CT的普及应用，依靠其快速、高分辨率的容积扫描技术和后处理技术的支持，在对脊柱疾患进行准确的定性定量诊断方面已体现出重要的价值，并且被认为是评估椎弓根钉置入准确性的的最佳方法［7，8］，我们进一步将其中的VR、MPR技术用于胸椎椎弓根钉手术计划和测量并指导手术，结果显示置钉的一次性成功率和准确性优于传统手术组。    　　应用VR重建技术动态任意方向旋转脊柱，可以立体直观地呈现病椎的整体情况、病椎与邻近椎之间的空间位置关系，帮助术者确定手术需要的骨性参照标志，特别对于观察椎体压缩或爆裂的程度、脱位上下关节的关系、骨折并脱位的椎体移位情况、滑脱椎体的沉降度等方面，具有X线片和普通CT平扫无法达到的三维立体优势；结合分割兴趣区的VR成像技术，可以反映出椎管内突入或游离的骨块的空间构象大小和准确位置，有利于选择减压方式和入路。    　　MPR重建技术具有呈现病变内部细节、任意剖面呈像及自动测量的优势，通过模拟椎弓根钉置入的理想通路，测量钉与周围骨性参考标志的距离和角度，可以确定入点的位置坐标、外展头倾的角度及钉的理想直径和长度。根据术前计划，医师在构建的“立体地图”（病变区域的三维动态医学图像）和预定的“路标”（手术计划和测量数据）指导下，结合游标卡尺、量角器和分规等工具的测量完成手术，明显提高了置钉的精度、效率和安全性。    　　当然，螺旋CT三维重建技术也存在一定的不足，如为保证呈像质量，需进行薄层扫描，这将延长扫描时间，使病人体位变动导致图像质量下降的可能性增加，同时数据量增加将使重建过程延长；螺旋CT三维重建软件主要是针对疾病的诊断设计，用于术前计划及测量还有待改进，并且软件整合于CT硬件体系，其运用需要临床医师与影像学科医师协作进行，增加了日常工作量。    　　经过我们的研究和实践表明，利用螺旋CT三维重建技术辅助胸椎椎弓根钉内固定手术，在置入椎弓根钉的一次性成功率和准确性方面优于传统技术手术。

【参考文献】　　［1］RoyCamille R,Saillant G,Mazel C.Plating of thoracic,thoracolumbar,and lumbar injuries with pedicle screw plates［J］.Orthop Clin North（Am）,1986，17（1）:147-159.

　　［2］Xu R,Ebraheim NA,Ou Y,et al.Anatomic considerations of pedicle screw placement in the thoracic spine: roycamille technique versus openlamina technique［J］.Spine,1998,23（9）:1065-1068.

　　［3］Panjabi MM,O'Holleran JD,Crisco JJ III,et al.Complexity of the thoracic spine pedicle anatomy［J］.Eur Spine J,1997,6（1）:19-24.

　　［4］Vaccaro AR,Rizzolo SJ,Allardyce TJ,et al.Placement of pedicle screws in the thoracic spine. Part I: morphometric analysis of the thoracic vertebrae［J］.J Bone Joint Surg(Am),1995,77（8）:1193-1199.

　　［5］傅一山，陈正形.颈椎弓根置钉的影像学测量［J］.中国脊柱脊髓杂志,2001,11(1):29-31.

　　［6］沈军，李力，王东来，等.下颈椎椎弓根三维CT测量及个体化置钉术的实验研究［J］.中国骨与关节损伤杂志,2005,20(6):398-400.

　　［7］Rao G,Brodke DS,Rondina M,et al.Comparison of computerized tomography and direct visualization in thoracic pedicle screw placement［J］.J Neurosurg,2002,97（1S）:223-226.

　　［8］Belmont PJ Jr,Klemme WR,Dhawan A,et al.In vivo accuracy of thoracic pedicle screws［J］.Spine,2001,26（21）:2340-2346.

　　［9］Kim YJ,Lenke LG,Bridwell KH,et al.Free hand pedicle screw placement in the thoracic spine: is it safe［J］.Spine,2004,29(3):333-342.

　　［10］Zindrick MR,Wiltse LL,Doornik A,et al.Analysis of the morphometric characteristics of the thoracic and lumbar pedicles［J］.Spine,1987,12（2）:160-166.

　　［11］Panjabi MM,Takata K,Goel V,et al.Thoracic human vertebrae: quantitative threedimensional anatomy［J］.Spine,1991,16（8）:888-901.

　　［12］Ebraheim NA,Jabaly G,Xu R,et al.Anatomic relations of the thoracic pedicle to the adjacent neural structures［J］.Spine,1997,22（14）:1553-1557.

　　［13］Hart RA,Hansen BL,Shea M,et al.Pedicle screw placement in the thoracic spine: a comparison of imageguided and manual techniques in cadavers［J］.Spine,2005,30(12):E326-331.

　　［14］Sapkas GS,Papadakis SA,Stathakopoulos DP,et al.Evaluation of pedicle screw position in thoracic and lumbar spine fixation using plain radiographs and computed tomography: a prospective study of 35 patients［J］.Spine,1999,24（18）:1926-1929.