数字骨科技术在寰枢椎个体化置钉手术中的应用

【摘要】 目的 探讨数字骨科技术在寰枢椎椎弓根螺钉个性化置钉的应用价值；方法： 30例(男16，女14)上颈椎疾患患者，术前接受薄层CT扫描，将数据输入mimic,simpleware软件后，建立三维仿真模型，并设计最佳的椎弓根钉道，然后根据钉道设计导航模版。用激光快速成型机将导航模版打印后，用于手术时辅助寰枢椎椎弓根螺钉置钉。结果：60枚寰椎椎弓根螺钉及60枚枢椎椎弓根螺钉均位于设计的椎弓根钉道内，未出现向外偏入椎动脉孔及向内偏向椎管的现象，置钉成功率100%。结论：采用数字骨科技术进行术前手术设计，并采用数字化导航模版辅助手术置钉，能够有效提高置钉的成功率，是一项值得推广的新技术。广州军区总医院骨科王建华

【关键词】  寰枢椎  ， 个性化置钉，数字骨科， 逆向工程

An study on the application of digital orthopaedic tech in the personal pedicle screws placement for the upper cervical.//Jianhua Wang, Qingshui Ying, HongXia,Zenghui Wu, Xiangyang Ma, Fuzhi Ai, KaiZhang. The general hospital of PLA in GuangZhou, Guangdong Province, China, 510010.

[Abstract] Objective Investigate the application of digital orthopaedic technique in the personal pedicle screw placement in the upper cervical.Methods 30 patients(man 16,woman 14) with upper cervical disorders got thin slice CT scan before operation, then the digital data were input into the Mimics and simpleware software to elected a three dimenation imitation model of atlas and axis. after that the ideal pedicle screw trajectory path were designed on computer and with the reverse engineering technique a pedicle screw navigation device were produced quickly by the laser fast-produce machine. therefore, all the pedicle screw of atlas or axis were inserted with the help of this digital navigation device.Results  All  pedicles were placed through the pedicle of atlas or axis rightly. without penetration into the vertebrae cannal or the vertebrae artery groove. the succed rate is 100%. Conclusion: Operation design with the digital orthopaedic tech before surgery and directed the pedicle screw placement  under the guide of digital navigation template is a good method for pedicle screw placement in the upper cervical. which is a popularized new technique.  

[Key words]  atalas , axis  ,  personal screw implant technique, digital orthopaedic, reverse engineering

寰枢椎位于枕颈交界区，寰枢椎椎弓根固定技术是近年来发展起来的一项寰枢椎后路固定技术。但由于寰枢椎解剖结构特殊，与胸腰椎相比，寰枢椎置钉点缺乏固定的解剖标志，且其椎弓根结构解剖变异较多，寰枢椎椎弓根置钉存在较大置钉风险。目前比较一致的看法是，对枢椎椎弓根实施内固定应该提倡个体化原则。数字骨科技术的发展为有效提高寰枢椎置钉的成功率，降低置钉风险提供了新的技术手段。本文对一组采用数字骨科技术指导寰枢椎个性化置钉的病例进行总结。

1临床资料

本组病例选取我院2009年到2010年采用数字骨科技术辅助下实施后路寰枢椎固定手术的30例患者，（男16例，女14例）共置入60枚寰椎椎弓根螺钉和60枚枢椎椎弓根螺钉，年龄2.5～58岁（平均28岁）。其中外伤性寰枢椎脱位12例，先天性游离齿突8例，枢椎椎弓骨折6例，类风湿关节炎寰枢椎脱位4例。

2方法

2.1 寰枢椎钉道的数字骨科设计

薄层CT扫描与图像建模，虚拟钉道设计和测量

①患者取仰卧位，采用高速多排螺旋CT，术前对患者枢椎进行螺旋CT薄层扫描（层厚选择1～1.5mm），并将获得的原始DICOM格式图像数据刻盘后，转入MIMIC软件和SIMPLEWARE软件，进行三维图像建模，在图像工作站上进行寰枢椎结构分析，寰枢椎进钉点和钉道的设计。（ 图1），并测量虚拟的钉道长度，供手术时参考。

② 寰枢椎椎弓根导航模版的设计

将图像数据输入SIMPLEWARE软件后，打开三维重建模型，定位三维参考平面，通过软件设计最佳的寰椎和枢椎椎弓根进钉点和钉道。然后提出寰椎后弓及枢椎椎板后部（包括小关节）的形态，应用逆向工程技术，设计与寰椎后弓及枢椎后方结构相匹配的椎弓根导航模版。将模版、寰枢椎与椎弓根钉道进行拟合，观察钉道与椎弓根对应的准确性。

③ 导航模版的打印

利用国产的激光快速成型打印机，将寰枢椎模型和模版同时打印出来。模型和模版用光敏树脂制作。具有较好的强度和硬度。将打印后的模版与寰枢椎模型进行体外匹配，观察钉道导航孔的准确性，确认经过导航孔置钉不会损伤椎动脉和脊髓。然后将其包装消毒，手术供手术中使用。

2.2手术方法

患者取俯卧位，消毒铺单后，取后正中切口显露寰椎后弓，及枢椎后方棘突和椎板等结构。力求将粘附在后弓及椎板上的软组织尽量清理干净，获得一个干净的骨面以方便和导向模版匹配。将消毒好的寰枢椎导向模版与寰枢椎后方结构进行贴合，观察其匹配准确性。确认后开始分别进行寰枢椎的导航下置钉。根据导航模版提供的进钉点，用高速磨钻开孔，然后在导向管的导引下，用手钻钻孔，分别建立寰枢椎的椎弓根钉道。用探子探查钉道无误，并测量钉道长度后，选择合适的椎弓根螺钉分别置入，然后连接钛棒，完成固定（图4）。

 

 

                 图1  将CT数据输入计算机软件，建立三维仿真模型

 The CT data were input into computer and the  three dimentional imitation model for atlas-axis were set up

 

 

 

 

 

 

                       

 

图2 在计算机上寻找最佳钉道，并设计导航模版

 

Figure 2 the perfect pedicle screw path were decided on compiter and navigation template were designed

 

 

 

 

 

                  图3 打印的寰枢椎实体模型和导航模版

 Figure 3 the rapid produced atalas-axis model for patient and the pedicle screw navigation template were produced too.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                图4 将导航模版和实体模型进行钉道模拟，并用于手术导航

Figure 4 the navigation template were designed and put in use for operation

 

       

 

图5 患者术前，术后的影像资料显示寰枢椎脱位已被复位，内固定位置良好

Figure 5 the radiography of patient before and postoperation show the dislocation has been reduced and the fixation is good

 

3结果：

利用MIMIC软件，建立了患者的寰枢椎三维仿真模型（图1）。并通过仿真模型，寻找最佳的寰枢椎椎弓根钉道方向。然后通过逆向工程软件SIMPLEWARE进行椎弓根导航模版的设计（图2）。用激光快速成型机将模型和导航模版打印后，进行体外匹配（图3），验证其精度。

实施15例共60枚椎弓根螺钉固定，术后CT钉道扫描结果显示，所有的椎弓根均位于设计的钉道内，未出现向外偏斜穿入椎动脉孔及向内偏斜穿向椎管等问题（图5）。置钉成功率100%。

4讨论                                         

4．1 寰枢椎椎弓根解剖变异与置钉难点

寰枢椎位于枕颈交界区域，其解剖结构与下位椎有较大差异。寰椎的解剖结构由前弓、后弓及连接前后弓的侧块组成。Resnick【1】等首先提出寰椎椎弓根置钉技术的概念，并指出寰椎椎弓根的上方是椎动脉沟，置钉钉道如果偏上，穿破上方的骨皮质将有损伤椎动脉的可能。 枢椎的解剖结构也有较大的特殊性。其上下关节突不在一个平面，上关节突在发育过程逐渐向前方推移，与位于前上方的寰椎下关节突形成侧快关节。这样，枢椎的上下关节突之间形成一个延续结构，即椎弓峡部。早期，一些作者将枢椎的椎弓峡部认作为枢椎的椎弓根，并进行置钉研究【2，3 】。Naderi【4】等在一篇论文中提出了枢椎峡部-椎弓根复合体的概念，认为枢椎的椎弓根不同于下颈椎的椎弓根，用于枢椎的椎弓根螺钉穿越的结构应该是枢椎峡部-椎弓根复合体，并通过研究指出了最适合的枢椎椎弓根螺钉置钉角度。不同作者描述的枢椎椎弓根进钉点及最佳进钉角度均有较大差异【5，6】。另一方面，椎动脉孔的解剖变异也是影响枢椎椎弓根置钉的重要因素，主要与椎动脉孔的形态，位置等因素有关。Abumi^【7】观察发现，大部分枢椎的椎动脉袢顶部主要位于椎弓根的外下方，并认为通过枢椎椎弓根置钉是安全的。但椎动脉存在变异时，椎动脉袢顶部与椎弓根的关系可能变为内外关系，椎动脉可能严重挤压椎弓根，使得置钉变得困难。笔者在一项前期的研究中【8】，根据椎动脉入口与椎管外壁的距离（相当于椎弓根下宽），将其区分为松散型和紧密型；根据椎动脉袢顶部顶点距上关节面的距离，区分为高拐和低拐型，这样枢椎椎弓根可以更具椎动脉孔形态的解剖学差异分为4种类型：I型（松散低拐型）、II型（紧密高拐型）、III型（紧密低拐型）、IV型（松散高拐型）。这4种类型的枢椎中：I,、IV型的椎动脉入口和上升段距离椎管外壁较远，枢椎椎弓根上、中、下宽均很宽大，比较适合置钉；II型枢椎的椎动脉孔明显向内挤压椎弓根，并且其袢顶部位置高，椎弓根的上，中，下宽均小于椎弓根螺钉的直径，难以寻找到螺钉的置钉空间，所以不适合置钉；III型的枢椎的椎动脉孔入口靠近椎管外壁，使得椎弓根下宽变窄，但其袢顶部水平较低，椎动脉孔上升一小段距离后很快水平向外拐出，椎动脉袢顶部位于椎弓根的外下方，椎弓根的上宽和中宽仍然较宽大，椎动脉袢顶部内上方的置钉安全“三角区”仍有足够空间可以容纳螺钉，可以在合理掌握行钉方向的情况下实施置钉。以上研究告诉我们，寰枢椎椎弓根的解剖结构不如胸腰椎那么恒定，存在着较多的解剖变异因素。在对寰枢椎实施椎弓根螺钉技术时，应该考虑到个体差异，采用个性化置钉。

4．2 数字骨科技术在寰枢椎椎弓根个体化置钉的原理应用价值

数字骨科技术的应用和发展为寰枢椎椎弓根的个性化置钉提供了方便。通过数字骨科的建模技术，在术前，我们可以获得患者寰枢椎的三维立体图形，并打印出等比例的实体模型供手术设计和模拟提供参考。而通过逆向工程技术的应用，我们还可以借助计算机技术寻找到最佳螺钉钉道的同时，设计一个为椎弓根钉道指引方向的个性化导航模版。这对于解剖变异较多的寰枢椎来说，可以根据每例患者的寰枢椎结构变异情况，有针对性的设计个性化钉道及钉道导航模版，从而大大提高置钉准确率，降低手术风险。这和传统的椎弓根置钉技术相比，无疑是技术的一大进步。当然，在模版的设计制作及手术具体应用过程中也存在精度控制和把握的问题。为了提高模版的匹配精度，我们要求采CT扫描的厚度尽量控制在1毫米左右，激光快速成型机的打印精度也应该小于1毫米。这样获得的数字模型和导航模版也具有较高的平滑性和精确度，以便和术中的解剖部位获得精准匹配。另外，使用逆向工程软件设计匹配模版的匹配面时，应将冠状面和矢状面的限位接触点均有所考虑，以获得较高的冠状面和矢状面匹配精度。在手术显露过程中，应用电刀将粘附在椎板及后弓的软组织尽量清理干净，并尽可能保留其骨性结构，获得最佳的理想匹配。在手钻钻孔之前，用高速莫钻将对进钉道点的骨皮质打磨后，手钻比较容易进入椎弓根松质骨内，不易发生偏移。

本组60枚寰椎和60枚枢椎椎弓根螺钉均位于椎弓根内，未穿入椎动脉孔或偏向椎管内。所以，对于解剖变异较多的寰枢椎实施椎弓根置钉技术，我们可以充分发挥数字骨科的技术优势，有效提高置钉的成功率。寰枢椎的数字化导航模版技术是一种非常实用的寰枢椎椎弓根个性化置钉辅助工具。

 

参考文献

1.         Resnick DK, Benzel EC. C1-C2 pedicle screw fixation with rigid cantilever beam contract: Case report and technical note[J]. Neurosurgery, 2002, 50(2): 426-428

2.         Xu R, Nadaud MC, Ebraheim NA, et al. Morphology of the second cervical vertebrae and the posterior projection of the C₂ pedicle axis[J].Spine, 1995,20（3）:259~263

3.         Edward C, Benzel ,MD,Point of view[J], Spine,1996,21(19):2301~2302

4.         Naderi S, Armen C,Guvencer M,et al.An anatomical study of the C₂ pedicle[J].J neurosurg (Spine 1).2004,3:306-310

5.         Ebraheim N,Rollins JR,Xu R ,et al.An anatomic consideration of C₂ pedicle screw placement[J]. Spine, 1996,21（19）:691-695.

6.         Mandel IM, Kambach BJ ,Petersilge CA, et al. Morphologic consideration of C₂ isthmus dimensions for the placemant of transarticular screws[J] ,Spine, 2000，25(12):1542-1547.

7.         Abumi K,Shono Y,Ito M,et al.Complications of pedicle screw fixation reconstructive surgery of the cervical spine [J].Spine,2000,25(5):962~969

8.       王建华，尹庆水，夏虹等，枢椎椎动脉孔解剖分型与椎弓根置钉关系的研究[J]，中国脊柱脊髓杂志，2006，16（9）：677～680