數字化技術在脊柱后凸截骨矯形術中的應用

王東海(綜述)，霍洪軍(審校)

(1.內蒙古醫科大學研究生學院，呼和浩特 010030;2.內蒙古醫科大學第二附屬醫院胸腰椎脊柱外科，呼和浩特 010030)

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數字化技術在脊柱后凸截骨矯形術中的應用

王東海1△(綜述)，霍洪軍2※(審校)

(1.內蒙古醫科大學研究生學院，呼和浩特 010030;2.內蒙古醫科大學第二附屬醫院胸腰椎脊柱外科，呼和浩特 010030)

20 世紀末，數字化醫學開始興起，并迅猛發展，現已廣泛用于疾病的診斷與治療。隨著疾病診療中精準化、微創化、個體化理念的形成，作為骨科領域中涉及解剖結構最為復雜的脊柱外科，尤其受益于數字技術的飛速發展。脊柱后凸的截骨矯形治療一直被公認為脊柱外科的難點，數字化技術在脊柱后凸截骨矯形術中的手術設計、風險評估及預后判斷等方面應用前景廣泛。現將數字化技術在脊柱后凸截骨矯形術中的應用綜述如下。

1數字化與脊柱后凸及截骨矯形術的概述

1.1數字化醫學、數字化骨科學數字化，就是將許多復雜多變的信息轉變為可以度量的數字、數據，再根據這些數字、數據建立適當的數字化模型，把它們轉變為一系列二進制代碼，引入計算機內部，然后進行統一處理。20世紀后期，隨著信息技術和醫學科學的相互交叉和綜合發展，在計算機里整合人體斷面數據后重建成數字化人體三維立體結構圖像從而構成人體數字信息研究平臺的技術越來越成熟，一門新的學科——數字化醫學逐漸興起，并成為一項世界前沿性研究[1]。Pomero等[2]研究表明，數字化醫學已廣泛用于疾病的診斷以及外科手術方案的選擇。基于數字醫學和“數字解剖學”的發展，國內學者于2007年首次提出了“數字骨科學”的概念[3]。數字骨科學是一門以骨科為基礎，計算機圖像處理技術為輔助，骨科臨床與計算機技術緊密結合的新型數字化醫學學科。數字骨科技術在醫學影像處理、三維重建與可視化技術、計算機輔助設計(computer aided design，CAD)、計算機輔助制造(computer aided manufacturing，CAM)、有限元分析技術(finite element analysis，FEA)、快速成形技術(rapid protyping，RP)、手術導航與機器人輔助技術等方面展示了良好的前景[4]。

1.2脊柱后凸概述脊柱后凸為脊柱畸形之一，脊柱畸形包括脊柱側凸、脊柱前凸和脊柱后凸。脊柱后凸指由各種原因引起的脊柱向后的異常凸起，使脊柱本身及其附屬組織解剖形態改變的一種疾患。重度脊柱后凸多表現為多平面畸形，可引起脊椎前后柱結構廣泛僵硬，發生脊柱三維畸形，導致脊柱的穩定性嚴重失衡，可影響美觀以及脊柱和心肺的功能，導致疼痛、自卑心理等嚴重伴發癥狀，最終出現遲發型癱瘓，嚴重影響患者的生活、生存質量。

1.2.1分類可分為非固定性畸形與固定性畸形。非固定性畸形，如姿勢性駝背，因肌肉力弱所致后凸或代償腰前凸加大的胸后凸畸形；固定性畸形：休門病、強直性脊柱炎(最多見)、老年性骨質疏松等所致后凸、先天性后方半椎體以及結核或創傷等所致畸形。

1.2.2治療脊柱后凸的非手術治療：①全身療法，包括全身支持療法和病因治療；②局部療法，采取有效方法預防脊柱后凸畸形的發生和發展，如改良Risser石膏背心矯形，此法原來用于矯正脊柱側彎，但若將合頁放在背側，而腹側做楔形截除，則可使軀干逐漸伸直，可用來矯正脊柱后凸。脊柱后凸的手術治療：脊柱后凸截骨矯形術并非病因治療，所以術前必須治療原發病，患者病情平穩、畸形固定后方可行手術治療。

1.3脊柱后凸截骨矯形術脊柱后凸，尤其是Cobb角>75°的重度脊柱后凸畸形，多須進行手術干預。Rajasekaran等[5]認為，脊柱三柱截骨矯形手術治療脊柱后凸畸形可取得較好的療效；Kuklo等[6]提出，涉及脊柱前、中、后柱的三柱截骨術式可達到冠狀面矯形、矢狀面恢復生理曲度以及軸位消除旋轉的目的，手術效果較好。臨床中使用的三柱截骨手術方式主要有以下4種[7]。①經椎弓根楔形截骨(pedicle subtraction osteotomy，PSO)的技術較為成熟，因而目前在國內應用較廣泛。脊柱矢狀面失平衡10～12 cm，并伴有尖銳的甚至角狀后凸的部分節段性脊柱融合患者是其最佳適應證。②全脊椎截骨術(vertebral column resection，VCR)與單純后路脊椎截骨術(posterior vertebral column resection，PVCR)。傳統的VCR采用前后路聯合術式完全切除畸形變的椎體，按需重建前柱，可同時矯正冠狀面和矢狀面畸形。VCR的適應證：胸椎的角狀后凸；1型冠狀面失衡的先天性后凸；矢狀面失衡伴2型冠狀面失衡；腰5椎體重度滑脫、半椎體。2002年，有學者在VCR的基礎上提出了PVCR，單純后路縮短了手術時間、減少了術中出血，手術損傷小，且手術并發癥較VCR少[8]。Hamzaoglu等[9]報道應用PVCR治療102例患者，術后冠狀面矯正率為62%，矢狀面平衡恢復良好。Lenke等[10]應用PVCR治療了35例重度脊柱側后凸畸形，術中平均出血691 mL，術后平均矯正率為51%～60%。③脊柱去松質骨截骨術(vertebral column decancellation，VCD)是在VCR的基礎上發展而來，其將PVCR、蛋殼技術以及脊柱腫瘤整體切除技術的優點進行了融合。VCD的適應證與VCR類似。王巖等[11]報道了32例重度畸形患者采用VCD治療，術后矯正率為61%，僅4例出現并發癥。 ④后路多節段椎體截骨術(posterior multilevel vertebral osteotomy，PMVO)是一種有別于VCR的單純后路多節段椎體截骨術，其是于2009年由Suh等[12]首先提出的。Modi等[13]報道13例重度脊柱側后凸患者采用PMVO治療，術后冠狀面矯正率為54.3%，矢狀面平衡恢復良好。

2在脊柱后凸截骨矯形治療的數字化技術應用

正常脊柱的解剖結構本身就很復雜，脊柱后凸畸形后，解剖結構及其與周圍組織、臟器的毗鄰關系更是發生了較大的變化，導致手術的難度和風險大大增加[14]。這就要求臨床醫師在術前對患者的椎體、椎弓根、椎管、脊髓、周圍重要器官、軟組織等各種參數有充分、詳細的了解，準確掌握畸形的具體病變情況，提前做好手術計劃和準備[15-16]。重度脊柱后凸多伴不同程度的側凸，畸形屬于冠狀面、矢狀面和水平面的三維立體畸形，三維重建技術能以CT和磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)等的影像學資料為根據，通過計算機軟件一次性掃描重建較大范圍所需脊柱的圖像資料；數字化重建病變脊柱的三維立體模型可以更直觀、準確地反映脊柱后凸的三維立體結構，幫助臨床醫師形成較為立體的概念，對脊柱后凸做出詳細的診斷，并依此制訂術前規劃[17]。應用數字化術前規劃，虛擬截骨可以在術前直觀地顯示各個部位截骨后的矯形效果，為手術者及其團隊選擇不同的術式方案、截骨手術的截骨平面及每個節段的截骨量提供了直觀的參考。因此，數字化在脊柱后凸畸形診療中的應用已成為研究的熱點，臨床醫師已經開始廣泛研究其價值[18]。

2.1Mimics交互式醫學影像控制系統(materialise′s interactive medical image control system)軟件Mimics軟件是一個基于臨床醫學影像學，介于醫學與機械領域間的逆向工程軟件與計算機輔助設計軟件[19]。Mimics軟件具有良好的圖像編輯功能，可以顯示和分割圖像，能夠對圖像的象素間距、圖像層距、識別范圍等相關參數進行自動設置[20-21]。雖然近年來CT與MRI技術飛速發展，醫院影像中心也可以直接進行圖像三維重建[22-23]，但其結果不能導入個人電腦進行進一步研究。只有通過Mimics軟件，CT、MRI等斷層掃描的結果才能轉換成為STL格式等多種三維軟件可以通用的數據格式[24]，才能實現后續的FEA、RP、CAD、CAM、虛擬現實以及計算機輔助外科計劃等的研究。正是因為 Mimics 軟件的這些優勢，使其在醫學領域的應用越來越廣泛。通過Mimics軟件對三維重建得到的畸形脊柱的三維立體圖像進行平移、旋轉等操作，并結合觀察冠狀位、軸位及矢狀位的二維圖像，可以從任意角度、任意方向以及任意平面觀察脊柱后凸畸形的病變情況，可以更直觀和準確地掌握后凸、側凸、旋轉畸形的程度、范圍及包含的節段，并測量所要內固定椎體椎弓根的直徑、方向和角度[25-26]。

2.2有限元分析有限元方法是數值計算中的一種離散化方法，是矩陣方法在結構力學和彈性力學等領域中的發展和應用[27]。Belytschko等[28]于1973年首先將有限元分析應用于脊柱生物力學研究。有限元分析是基于有限元分析軟件建立有限元模型，最常見的有限元分析軟件是美國ANSYS公司開發的Ansys軟件[29]。有限元分析是數字醫學的重要組成部分，其能夠對實驗條件進行控制，并模擬活體下的力學情況，對患者無任何傷害。

近年來，有限元模型在結構上加入了肌肉、韌帶、小關節等組件，使其更接近于脊柱真實的解剖結構，應用有限元法分析脊柱的生物力學在一定程度上能代替生物力學實驗。因此，越來越多的基礎和臨床工作者開始應用有限元來分析脊柱生理和病理過程中的應力分布、力學變化，以此不斷改進和優化脊柱手術的設計方案[30]。應用有限元對脊柱后凸畸形進行分析，可以為臨床醫師提供全面、真實的畸形脊柱的原始資料，從而使術者能在手術設計時更大限度地提高復位和固定效果，對提高矯形手術成功率、減少術中并發癥具有非常重要的意義。

2.3RPRP技術是近年來發展起來的，在人體解剖結構三維建模的基礎上，綜合了計算機輔助設計、數控、激光、新材料等多門學科，應用離散堆積成型原理，最后制造出1∶1的人體骨骼立體實物模件[31]。RP技術可以實現電腦三維建模后的脊柱解剖信息數據的實體化，為臨床醫師提供解剖結構十分復雜的脊柱畸形的實物模型。在脊柱外科領域，RP技術具有以下優點[32]：術者可以通過人體骨骼立體實物模件更加準確、直觀地了解脊柱后凸的各種信息，便于臨床醫師提前進行手術設計；在實物模型上進行模擬置釘等手術預操作可降低手術風險；與病變脊柱形態、尺寸完全吻合的模型可為術中操作提供參考。

2.4術前手術規劃及模擬手術技術通過Mimics軟件對畸形脊柱進行數字化三維建模，可以測量復雜脊柱畸形模型的尺寸、面積和體積，以此確定手術器械間與病變脊柱的位置關系，確定矯形融合節段，判斷椎弓根螺釘的進釘點、角度和方向，選擇合適長度和直徑的椎弓根螺釘，指導手術方案的制訂，精確完整地實現手術方案。在脊柱畸形三維模型建立成功后，可以在計算機軟件上確定截骨平面和截骨角度等步驟后虛擬截骨手術，依照獲知截骨的效果圖樣進行手術，可獲得滿意的實際效果。通過Mimics軟件也可在同一病例上模擬不同的手術方案，比較不同方案的手術效果，為臨床選擇最佳的手術方案提供依據。

2.5計算機輔助測量脊柱畸形Cobb角Cobb角是指導脊柱畸形治療以及術前評估的重要指標。脊柱畸形Cobb角測量法：頭側端椎上緣的垂線與尾側端椎下緣垂線的交角即為Cobb角。若端椎上下緣不清，可取其椎弓根上下緣的連線，然后取其垂線的交角也即為Cobb角。目前Cobb角的測量方式可以分為X線膠片測量和計算機輔助測量。國外普遍認為，計算機輔助測量Cobb角的可靠性較好[33-35]。王儲等[36]認為，Mimics軟件可用于數字影像學Cobb角的測量，其測量精度優于傳統X線膠片測量，且重復測量可使精確度提高約3°。此外，Mimics可以數字化保存測量記錄，為醫療資料的保存、回顧以及交換提供了極大的方便，較其他計算機輔助測量更有優勢。

2.6其他應用Berryma等[37]認為，通過三維重建進行術前評估可減少內外徑偏小或形態有變異的胸椎凸側椎弓根螺釘誤入椎管內的風險。Kukio等[38]將畸形脊柱的三維重建圖像通過數字化技術切割后觀察其骨性結構的改變，可以幫助確定手術需要融合的上、下端椎。三維重建技術可以在個體化、精準化了解脊柱畸形椎體的同時，發現脊髓縱裂、脊髓空洞、脊柱裂及脊膜膨出等并發病變，進一步完善對脊柱畸形與椎管內脊髓、神經關系的了解。

3展望

數字化醫學一直就是國內外研究的前沿領域。個性化、精確化將會成為未來醫學發展的方向，數字醫學必將成為這個時代的主角。脊柱后凸截骨矯形術有很高的操作難度和較大的手術風險，數字化技術為脊柱后凸的手術設計、風險評估及預后判斷提供了可靠的數據，是一種可行、可靠的評估方法。目前，數字化醫學技術仍處于初始階段，但關于脊柱后凸截骨矯形術的基礎研究和臨床應用研究剛起步就處于飛速發展的技術革命進程中。毫無疑問，隨著數字化與脊柱外科的不斷發展與創新，數字化在脊柱后凸截骨矯形治療中的應用會越來越廣泛和深入。

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摘要：脊柱后凸畸形是一類比較復雜的脊柱外科疾病，其截骨矯形治療一直被公認為脊柱外科的難點。數字化醫學作為新興的學科和技術，發展迅速，并已在脊柱畸形的治療中得到廣泛應用，且在不斷的完善和創新。在脊柱后凸截骨矯形術中應用Mimics、有限元分析、快速成形等數字化技術可以提高手術定位的精度，減少手術并發癥，提高手術成功率。

關鍵詞：脊柱后凸；截骨矯形術；數字化；術前規劃

Application of Digital Technology in Vertebral Osteotomy of KyphosisWANGDong-hai1,HUOHong-jun2.(1.GraduateSchool,InnerMongoliaMedicalUniversity,Hohhot010030,China； 2.DepartmentofSpineSurgery,theSecondAffiliatedHospitalofInnerMongoliaMedicalUniversity，Hohhot010030,China)

Abstract:Kyphosis is a complicated spine disease, and its osteotomy has been recognized as a difficulty of spine surgery.Digital medicine as a new discipline and technology develops rapidly, and it has been widely used for spinal deformity with continuous improvement and innovation. In spinal deformity correction surgery,the application of Mimics,finite element analysis,rapid prototyping and other digital technology can improve the positioning accuracy, reduce the complications and improve the success rate of operation.

Key words:Digital; Kyphosis; Osteotomy; Preoperative planning

收稿日期：2014-04-30修回日期：2014-08-16編輯：辛欣

基金項目：國家自然科學基金 (81160216)；內蒙古醫科大學研究生科研創新基金資助項目(S20131013205)

中圖分類號：R687.31
doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.05.022

文獻標識碼：A

文章編號：1006-2084(2015)05-0828-04