計算機輔助設計先天性脊柱側凸的個性化手術

摘要：目的探討運用計算機輔助技術建立先天性脊柱側凸個性化診療的新方法。方法運用CAD軟件對10例患者進行三維重建、測量，仿真模擬手術，根據術前測量評估及模擬手術指導手術治療。結果10例先天性脊柱側凸患者術前冠狀面Cobb's角平均54.5°，矢狀面Cobb's角平均31.9°。術前均進行三維數字化設計手術方案；術中椎弓根螺釘置入準確；手術時間平均3.1 h，平均失血量563.6 mL；術后畸形矯正均非常滿意，術后冠狀面Cobb's角平均11.0°（矯正率79.82%，P<0.05），矢狀面Cobb's角平均13.2°（矯正率58.62%，P<0.05），隨訪時間8~57個月，平均27.6個月。結論運用這種新的計算機輔助技術術前進行精確三維數字化設計，可以提高先天性脊柱側凸手術的安全性和精確性。

關鍵詞：三維數字化設計；先天性脊柱側凸；個性化手術半椎體是最常見的先天性脊柱畸形，其臨床表現復雜多樣，既往通過CT、X線片等二維圖像資料評估半椎體部位、結構、畸形程度和設計手術方案[1]，常規手術方法存在缺陷，容易發生椎體畸形判斷不準確、切除范圍不精確、內固定置入耗時長、置釘錯誤、矯形效果欠佳等問題[2]。現在計算機輔助技術如導航技術[3]、虛擬現實、三維數字化和無紙化設計的新時代已經來臨[4]，近10年來我們采用醫學影像成像技術、圖像處理技術和計算機輔助技術等相結合而建立了我們自己獨特的計算機輔助骨科手術新方法[5-6]。

1資料與方法

1.1一般資料 2007年1月以來收治10例半椎體先天性脊柱側彎患者，男6例，女4例，年齡在12~33歲，平均年齡20.3歲，冠狀面Cobb's角平均54.5°，矢狀面Cobb's角平均31.9°，4例為側凸畸形，6例為側后凸畸形，均伴有明顯的椎體旋轉畸形。

1.2方法 患者首先行全脊柱CT掃描、三維重建，而后采用計算機輔助進行半椎體切除、矯形手術的三維數字化與無紙化設計，包括：計算機仿真模擬半椎體切除矯形手術、計算機輔助測量椎弓根釘直徑及長度等。

1.2.1全脊柱CT掃描、三維重建 將CT掃描獲得的二維圖像數據導入Mimics軟件，重建脊柱三維解剖模型。將CT掃描獲得的二維圖像數據導入Mimics軟件，采用閾值分割、區域增加等建立各個椎體的三維數字化模型。

1.2.2計算機仿真模擬半椎體切除、矯形、內固定過程 將各椎體三維解剖模型輸入CAD軟件，在計算機上仿真模擬半椎體切除、矯形、椎弓根釘置入和內固定棒置入等操作，驗證設計方案的可行性和進一步完善手術方案。

1.2.3測量椎弓根釘部位、直徑及長度 計算機輔助分析、測量各椎體三維模型的外形輪廓、解剖參數，確定每一個椎弓根螺釘的入點、方向，測量每一個椎弓根螺釘的直徑和長度。

1.3統計學方法 采用SPSS 13.0統計軟件( SPSS公司，美國) 對計量資料進行統計學分析。對手術前后畸形度數的測量結果采用配對t檢驗進行統計學分析。檢驗水準α=0.05。

2結果

10例先天性脊柱側凸患者術前冠狀面Cobb's角平均54.5°，矢狀面Cobb's角平均31.9°。術前均進行三維數字化設計手術方案；術中椎弓根螺釘置入準確；手術時間平均3.1 h，平均失血量563.6 mL；有1例患者在術后9個月出現螺釘松動，胸背部疼痛，其余無失血性休克及其他臟器損傷、脊髓神經損傷、腸系膜上動脈綜合征、胸膜破裂發生。患者均獲隨訪，隨訪時間8~57個月，平均27.6個月。患者于術后4 w佩戴腰圍下地行走。術后1 w復查X線片證實術后畸形矯正均非常滿意，矢狀面與冠狀面矯形均良好，椎弓根螺釘位置好。術后冠狀面Cobb's角平均11.0°（矯正率79.82%，P<0.05），矢狀面Cobb's角平均13.2°（矯正率58.62%，P<0.05），隨訪時間8~57個月，平均27.6個月，末次隨訪冠狀面Cobb's角平均10.6°，矢狀面Cobb's角平均14.7°，末次隨訪結果與術后1 w相比無統計學差異（P>0.05），見表1。截骨融合率為94.12%。

3典型病例

黃XX，男，16歲，因發現脊柱畸形3年余就診。體查：脊柱\"S\"形，腰段脊柱左側凸畸形，后枕部中點與臀中溝不在同一垂直線上，骨盆稍傾斜。X線拍片檢查：脊柱側彎畸形，L1半椎體畸形，見圖A、B。Marks分型為半分節半椎體。

3.1 CT掃描獲取數據、三維重建及計算機輔助分析 行脊柱CT掃描，三維重建建立脊柱解剖模型。計算機輔助分析L1左側半椎體，L1與T12椎體分節不全，局部左側凸畸形，見圖C。同時相應階段存在后凸畸形，三維測量冠狀面Cobb's角43.5051°，矢狀面Cobb's角為25.4567°，見圖D、E。

3.2計算機輔助三維測量椎弓根釘直徑及長度 按計劃切除L1半椎體，其上下分別于T11、T12、L2、L3固定兩枚椎弓根螺釘，根據椎體及椎弓根的形狀結構，計算機輔助確定椎弓根螺釘的直徑和長度。T11椎體椎體參數：椎體向左旋轉，椎弓根螺釘道長度，左：Φ6.0 mm×39.9 mm，右：Φ6.0 mm×40.9 mm，見圖F。T12椎體參數：椎體前方向左旋轉；椎弓根螺釘道長度，左：Φ7.0 mm×41.7 mm，右：Φ5.5 mm×41.7 mm；L2椎弓根螺釘道長度，左：Φ6.5 mm×45 mm，右Φ6.5 mm×47.8 mm；L3椎弓根螺釘道長度Φ7.0 mm×53.6 mm，右Φ7.0 mm×53.1 mm。

3.4仿真模擬手術 計算機模擬L1半椎體切除、椎弓根釘棒系統內固定過程：①L3椎體前后左右對齊，模擬置入Φ7.0 mm×50 mm椎弓根螺釘。②L2椎體對齊，模擬置入Φ6.5 mm×45 mm椎弓根螺釘。③L1半椎體切除。④T12椎體對齊，T12椎弓根螺釘模擬置入：左：Φ7.0 mm×40 mm，右：Φ5.5 mm×40 mm。⑤矯正后凸畸形，見圖G。⑥T11椎體對齊，模擬置入Φ6.0 mm×40 mm椎弓根螺釘。⑦內固定棒模擬內固定，見圖H，I。

3.5手術過程 麻醉成功后，患者取俯臥位，常規術野消毒、鋪巾。取腰部T10-L3棘凸連線切口總長約15 cm，逐層顯露T10-L3雙側的椎板、小關節凸和橫凸。T11、T12、L2、L3上關節凸處開路、鉆孔；按計算機輔助確定的參數選擇相適應的椎弓根釘擰入，見圖J。根據術前計算機模擬切除過程進行L1半椎體楔形切除，截除骨塊形狀呈左寬右窄，后寬前窄。按照術前計算機模擬矯形復位進行矯正畸形。

3.6術后情況 患者術中出血量約800 mL，自體血回輸200 mL，術后第2d引流量400 mL，第3 d引流量20 mL，予以拔除引流管。術后復查X片：腰椎生理曲度恢復正常，冠狀面Cobb's角6°，矢狀面Cobb's角19°，T11、T12、L2、L3椎弓根螺釘位置好，見圖K、圖L，2013年5月來我院復查X片，冠狀面及矢狀面Cobb's角基本一致，無并發癥出現。

4討論

張永剛[7]等報告采用蛋殼樣掏空半椎體內松質骨、保留纖維軟骨后采用凸側釘棒系統壓縮的方法矯正畸形，劉祖德[8]等報告采用半椎體截骨+釘棒系統凸側壓縮的方法矯正畸形，以上兩種方法部分克服了半椎體切除術式的不足；但仍存在截骨部位和截骨角度術中評經驗決定，缺少精確性，因為在三維空間上評借感覺進行外寬內窄、前窄后寬的截骨很難合符實際需要。肖聯平 等[9]報道在紙樣上模擬截骨，觀察矯形效果，最終確定截骨部位和截骨角度，測出各截骨節段在棘凸和椎體后緣水平的截骨寬度，指導術中截骨量有一定指導意義；但是這種方法只是在二維圖像上設計手術，對復雜的半椎體畸形矯正同樣不精確。

在計算機上模擬半椎體截骨、內固定手術等過程具有以下優點：①通過仿真模擬手術了解術中可能遇到的問題，事先考慮補救方法和預防措施；②通過手術模擬比較各方案的優劣，找出較好的手術方案，并不斷完善；③術前手術組人員在計算機上反復預演、交流，能夠加深對手術方案的熟練掌握、提高術中默契配合能力；④術前給患者及其家屬進行模擬展示，可以直觀顯示手術過程、三維顯示手術效果，加深患者對手術過程的了解，提高康復信心。

參考文獻：

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編輯/肖慧