3～6歲兒童寰樞椎椎弓根在3D打印技術下的測量研究

田苡任，任 強，周 湘，甄 磊，鄭美娜，張 放*

(1.河北省兒童醫院骨科，河北 石家莊 050031；2.河北省兒童醫院質控辦，河北 石家莊 050031)

目前成人寰樞椎“椎弓根”螺釘固定技術作為治療寰樞椎病變最常用手術固定方式之一已被全世界廣泛認可[1]，但是該固定方式是否適用于學齡前期兒童尚無明確報道，其最主要原因是缺乏該年齡段寰樞椎詳細解剖學數據。盡管國內外學者不斷的進行成人寰樞椎“椎弓根”的探討研究，并且留下了大量可靠測量數據[2]。但是由于學齡前期兒童寰樞椎解剖發育的特殊性，單純應用成人寰樞椎數據作為參考將極大增加手術風險。 3D打印技術通過與醫學影像學技術相結合，可模擬出三維人體結構模型，臨床上可通過模型進行詳細術前討論及手術方案制定[3]。CT掃描是醫學3D打印最常用成像方式，它具有非侵入性、高準確性、快速成型性，通過3D打印機按1∶1等比例打印出人體模型，可在模型上進行術前操作模擬及相關數據測量。本研究通過對40例學齡前期兒童進行寰樞椎CT掃描，并應用3D Slicer建立寰樞椎模型，通過對模型寰樞椎“椎弓根”進行數據測量，為學齡前期兒童寰樞椎脫位，上頸椎畸形、腫瘤等疾病手術治療提供解剖學理論依據。

1 資 料 與 方 法

1.1一般資料 收集2020年1—11月期間在河北省兒童醫院行寰樞椎CT檢查的學齡前期兒童的影像學資料，排除寰樞椎骨折、畸形、腫瘤及感染性疾病等，排除既往寰樞椎手術病史者，選取其中40例兒童，按年齡分為A組(3～<4歲)、B組(4～<5歲)，C組(5～<6歲)、D組(6～<7歲)各10例，其中男女比例1∶1。本研究經醫院倫理委員會批準。兒童及家屬知情同意并簽署知情同意書。

1.2方法 40例患兒均由河北省兒童醫院CT室應用的東芝64排螺旋CT掃描，并將掃描后影像學資料導入3D Slicer中建立出寰樞椎模型，運用3D Slicer中測量工具進行相關數據測量。測量方法，參考韓鏡明等[4]、林斌等[5]、曹正霖等[6]關于寰樞椎相關結構測量方法，為了提高精確性，每一項指標重復測量3次，取3次平均值為最終結果。

1.3測量指標 首先重建寰樞椎圖像(圖1)，測量①椎弓根高(pedicle height，PH)：臨床上常將寰椎(C1)椎動脈溝處后弓上下骨皮質間的距離作為寰椎(C1)椎弓根高(圖2)。常將樞椎(C2)上下關節突之間的骨皮質間的距離作為樞椎(C2)椎弓根高(圖3)。②椎弓根寬(pediele width，PW):臨床上常將椎動脈溝處的后弓當做寰椎(C1)的椎弓根，其寬度為此處內外側皮質外緣間的最短距離(圖4)。樞椎(C2)的椎弓根為上下關節突關節之間連接的區域，其寬度為該區域內外側皮質外緣間的最短直線距離(圖5)。③椎弓根通道全長(the entirelength of pedicle osseous channel，PL):寰椎(C1)椎弓根全長應為椎動脈溝處骨皮質到椎體前緣骨皮質間的距離(圖4)。樞椎(C2)椎弓根全長應為上下關節突關節之間骨皮質到椎體前緣骨皮質之間距離(圖5)。通常表示螺釘通過的路徑長度。

1.4統計學方法 應用SPSS 13.0統計軟件進行數據分析。計量資料采用配對t檢驗，單因素方差分析(One-way ANOVA)和SNK-q檢驗。P<0.05為差異有統計學意義。

圖1 3D重建后寰樞椎圖像Figure 1 3D reconstruction of the atlantoaxis圖2 寰椎椎弓根高Figure 2 Height of atlas pedicle圖3 樞椎椎弓根高Figure 3 Height of axis pedicle圖4 寰椎椎弓根寬度和通道全長Figure 4 Width and channel length of atlas pedicle圖5 樞椎椎弓根寬度和通道全長

2 結 果

根據測量數據表明，寰樞椎椎弓根長度、寬度以及高度測量指標均隨年齡增長呈遞增趨勢，為D組>C組>B組>A組。并且各組之間男女比較差異無統計學意義(P>0.05) ，C1椎弓根寬(左)與C1椎弓根寬(右)差異無統計學意義，C2椎弓根寬(左)與C1椎弓根寬(右)差異無統計學意義。見表1、2。故各個年齡組數據對比分析時可合并處理。

2.1不同年齡組間C1椎弓根寬度、高度以及通道全長的數據測量結果 寰椎椎弓根寬度、高度、通道全長均隨年齡增長呈遞增趨勢，其中D組>C組>B組>A組，且各組間差異有統計學意義(P<0.05)。寰椎椎弓根寬度/高度比值均大于1.0，表明寰椎椎弓根冠狀面呈扁橢圓形，所以限制置入寰椎椎弓根螺釘直徑的指標為寰椎高度。見表3。

2.2不同年齡組間C2椎弓根寬度、高度以及通道全長的數據測量結果 樞椎椎弓根寬度、高度、通道全長均隨年齡增長呈遞增趨勢，其中D組>C組>B組>A組，且各組間差異有統計學意義(P<0.05)。樞椎椎弓根寬度/高度比值均小于1.0，表明樞椎椎弓根冠狀面呈長橢圓形，所以限制置入樞椎椎弓根螺釘直徑的指標為樞椎寬度。見表3。

2.3不同年齡組寰椎、樞椎椎弓根寬度、高度、長度之間比較 同年齡組中，寰椎椎弓根寬均大于樞椎椎弓根寬度，且差異有統計學意義(P<0.05)。寰椎椎弓根高均小于樞椎椎弓根高度，且差異有統計學意義(P<0.05)。見表3。寰椎椎弓根通道全長均大于樞椎椎弓根通道全長，差異有統計學意義(P<0.05)。見表4。

表1 不同性別之間的C1各變量差異比較 Table 1 Comparison of gender differences in variables

表2 不同性別之間的C2各變量差異比較Table 2 Comparison of C2 variables between different genders

表3 不同年齡組的椎弓根寬和高的差異比較Table 3 Comparison of pedicle width and height in different age groups

表4 不同年齡組的椎弓根全長比較Table 4 Comparison of pedicle length in different age groups

3 討 論

近些年來，由于醫療技術水平不斷提高，人們對兒童寰樞椎相關疾病越來越關注。枕寰樞復合體(C0～C1～C2)的結構非常復雜，其運動取決于骨的形態和關節突位置，并受周圍韌帶和關節囊的約束。它由枕寰關節(C0～C1)與寰樞關節(C1～C2)復合體組成，這兩部分結構緊密連接，其運動也是耦合的。寰枕關節是穩定的中心，寰樞關節是活動的中心，也是不穩定的中心。寰樞關節是人體活動性最大的關節。學齡前期作為人類一生中兩個快速生長期之一，在快速生長階段其寰樞椎形態學和生物力學變化較為劇烈，其與成人存在較大差異。學齡前期兒童由于其骨骼發育尚未成熟，關節突關節發育不完全，關節淺，活動度大，且學齡前期兒童頭部占比較大，寰樞椎關節囊、韌帶較松馳，加之學齡前期兒童對危險識別能力差，對自身保護能力有限，故較易發生寰樞椎損傷導致不穩[7]。加之先天性寰樞椎發育異常、炎癥、腫瘤，導致寰樞椎不穩或脫位越來越常見。并且隨著CT及MRI等影像學廣泛運用于臨床，使人們對學齡前期兒童寰樞椎疾病的認識得到了極大的提升。以往顱椎區的手術被稱為“手術的禁區”是脊柱外科風險最大、難度最高的手術部位。 尤其對于兒童，手術操作空間小、兒童脊柱骨骼發育未成熟，內固定置釘難度大，置釘過程中隨時有損傷脊髓及椎動脈的風險。手術也可能加重脊髓的損傷，造成患兒癱瘓甚至呼吸系統并發癥導致死亡。以往學齡前期兒童寰樞椎疾病由于醫療技術水平及內固定研發的限制，多采用非手術治療，但效果欠佳，因此臨床上迫切的需要找到有效治療方式。寰樞椎“椎弓根”螺釘目前為成人寰樞椎疾病常用固定手段，但在學齡前期兒童上應用暫未得到廣泛應用，其最主要原因為學齡前期兒童寰樞椎椎弓根解剖形態研究不足，故對學齡前期兒童寰樞椎椎弓根相關數據的測量是非常有必要的。

1983年Denis[8]提出的脊柱三柱理論已得到國內外學者廣泛認可，并極大促進了脊柱外科的發展。該理論同樣適用于嬰幼兒。脊柱前柱由前縱韌帶，前1/2椎體、椎間盤、纖維環構成。脊柱中柱由后1/2椎體、椎間盤、纖維環以及后縱韌帶和椎管構成。脊柱后柱由關節突關節、椎板、黃韌帶、棘間和棘上韌帶構成。脊柱的穩定性主要由三柱穩定組成。椎弓根螺釘通過椎弓根進行三柱固定，使脊柱獲得絕對穩定。其優點主要為內固定把持力大，固定牢固，力學分布合理等，其缺點為椎弓根入口隱秘、范圍小，并被椎板骨皮質掩蓋；椎弓根通道狹窄，椎弓根釘置入過程中易穿出通道造成不可逆神經、血管損傷。故應用椎弓根螺釘固定，需熟練掌握椎弓根椎板處投影、椎弓根通道走行及周邊組織的詳細解剖情況。寰樞椎為頸椎第1、2節，為枕頸過渡椎，其解剖形態較為特殊。國內外對于成人寰樞椎解剖學研究較為詳細，并且通過這些研究數據進行寰樞椎椎弓根螺釘固定獲得極大成功，目前寰樞椎椎弓根螺釘已經成為成人寰樞椎疾病常用固定手段。但是兒童不是縮小版成人。故成人寰樞椎解剖數據無法直接應用于兒童患者。學齡前期兒童屬于兒童極為特殊的時期，其成長速度快，變異大，其周邊解剖關系復雜，并且有關學齡前期兒童寰樞椎椎弓根解剖學和數字化測量研究在國內外尚處于空白。

3D打印技術是由多方位平掃物體獲得的數字化文件為基礎，通過逐層堆積黏合材料的方式構建實體物質的技術。該技術由1990年美國麻省理工學院的Sachs等[9]首次提出。20世紀90年代以來，該技術取得了飛速發展。2003年美國南卡羅納大學的Mironov等[10-11]提出生物組織器官3D打印的概念。它不同于傳統制造工業的減材特性，而是通過逐層堆積制作而出，又稱為增材制造。它的核心思想為以數字化3D模型為基礎，對物體進行數字化分層，得到每層的二維加工路徑等信息，利用合適的材料和工藝，通過自動化控制技術，沿著設定路徑逐層打印，最終累積成三維物體。它具有個性化程度高、模型精度高、材料利用率高和成型速度快等特點。由于它的增材制造及“三高一快”的特點，3D打印將作為決定未來經濟和人類生活的顛覆性技術之一[12]。該研究就是利用3D打印技術這些優勢特點打印出每個患兒自身寰樞椎等比例大小模型，再通過測量模型寰樞椎椎弓根解剖學數據來間接反映真實寰樞椎椎弓根數據資料。

學齡前期為人體快速生長期之一，所以寰樞椎在形態學上變化較為劇烈。但通過本研究結果表明，寰樞椎椎弓根寬度、高度及長度均隨年齡增長呈遞增趨勢，且與側別和男女無相關性。寰椎PW/PH比值均>1.0，表示椎弓根寬度大于高度，但隨年齡增長無明顯變化，這表明限制植入寰椎椎弓根螺釘直徑的為寰椎高度。樞椎PW/PH比值均<1.0，表示椎弓根高度大于寬度，但隨年齡增長無明顯變化，這表明限制植入樞椎椎弓根螺釘直徑的為樞椎寬度。目前對于寰樞椎螺釘的直徑在其椎弓根中的占比為多少，螺釘最為安全、穩定，尚未達到一致。目前比較公認的觀點為，馬向陽等[13]通過多次實驗表明:當寰椎椎弓根的高度值<4.0 mm時，不適合置入3.5 mm直徑的椎弓根螺釘。陳立言等[14]表示，當螺釘直徑為樞椎椎弓根寬度的80%～90%比較安全、穩定。但是Suk等[15]則提出不同觀點，他表明兒童頸椎骨質結構具有的延展性和韌性，即使椎弓根螺釘進入時螺紋破壞一部分椎弓根通道皮質，也不會造成明顯不良后果，所以椎弓根螺釘直徑最大可達椎弓根限制值的115%。本研究結果顯示，學齡前期兒童寰椎椎弓根高度均>4.0 mm，學齡前期兒童樞椎椎弓根寬度均>3.5 mm，因此通過上述觀點可以表明3～6歲學齡前期兒童寰樞椎椎弓根均可被置入直徑為3.5 mm的螺釘。螺釘長度由椎弓根長度決定。有學者研究表明，椎弓根螺釘置入釘道長度的80%，螺釘在椎弓根中的生物力學比較堅固[16]。結合本研究測量數據可得知，學齡前期兒童的寰椎椎弓根螺釘理論上可置入長度為18～22 mm。樞椎椎弓根螺釘理論上可置入長度為15～18 mm。

綜上所述，3～6歲學齡前期兒童寰樞椎應用椎弓根螺釘固定是可行的。但是由于兒童寰樞椎椎弓根整體細小，形態多變，通道走行復雜，周邊毗鄰重要神經、血管。故行學齡前期兒童寰樞椎椎弓根螺釘固定時，需詳細了解患者椎弓根解剖結構、螺釘進釘點定位、螺釘進入方向角度等眾多問題。3D打印技術作為一項革新的技術，不僅僅只能用于椎弓根數據的測量，還可以利用三維模型進行模擬螺釘置入過程，可極大提高學齡前期兒童椎弓根螺釘置入精確性和安全性。目前，3D打印技術已廣泛應用于醫學各個領域，其個性化、精準化的特點極大推進了醫學的發展，為人類健康事業提供廣闊空間。