基于3Dslier及3dsmax的人腰椎側隱窩前后徑虛擬測量的可行性與精確性分析

王曉婷　王璐　程文

摘 要：目的 探討人腰椎側隱窩前后徑虛擬測量的可行性與精確性。方法 CT數據包括正常腰椎1例，椎間盤突出2例；腰椎干標本（骨性+椎間盤假體）8例。在3D Slicer 4.4基于CT數據重建出虛擬模型，在3ds max中用歐氏距離測算出L1～L5側隱窩前后徑大小。利用游標卡尺對腰椎干標本的L1～L5側隱窩前后徑進行測量。對所得數據進行雙樣本等方差t檢驗，得出虛擬正常腰椎與干標本，虛擬正常腰椎與虛擬椎間盤突出病例在腰椎側隱窩前后徑上的差異。結果 正常組與病例1，病例2及干標本組對比地，側隱窩前后徑均無統計學差異（P>0.05）。結論 基于三維模型的虛擬測量方法在人椎間孔徑測量中有著較高的可行性與可靠性。

關鍵詞：虛擬現實；腰椎側隱窩；測量；歐氏距離

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2018.04.022

文章編號：1006-1959（2018）04-0068-03

Abstract：Objective To investigate the feasibility and accuracy of virtual measurement of anterior and posterior diameter of lateral recess of human lumbar vertebrae.Methods CT data included 1 case of normal lumbar vertebra and 2 cases of disc herniation，8 cases of Lumbar dry specimen（bony intervertebral+disc prosthesis）.In 3D Slicer 4.4，a virtual model is reconstructed based on CT data， and the size of the front and back diameter of the L1～L5 side recess is measured in the Euclidean distance in 3ds max.A vernier caliper was used to measure the L1～L5 lateral recess diameter of the lumbar spine.The data were analyzed by double sample and equal variance t test.The difference between the virtual normal lumbar and dry specimen，the virtual normal lumbar vertebrae and the virtual intervertebral disc protrusion in the lumbar lateral recess was obtained.Results There was no statistical difference between the normal group and case 1，case 2 and dry specimen group，and there was no statistical difference between the lateral recess and the anterior and posterior diameter（P>0.05）.Conclusion The virtual measurement method based on three dimensional model has high feasibility and reliability in human intervertebral aperture measurement.

Key words：Virtual reality；Lumbar lateral recess；Measurement；Euclidean distance

虛擬現實技術又稱VR（Virtual Reality）技術，在醫學實驗的過程中有著較廣泛的應用基礎[1]。腰椎側隱窩又稱側椎管，其前面為椎體后緣，后面為上關節突前面與椎板和椎弓根連結處，外面為椎弓根的內面。內側面為硬脊膜外緣，其入口相當于上關節突前緣。側隱窩向外下方形成脊神經根通道，與椎間孔相續?；谟跋駥W數據的三維可視化重建是一種無創的活體再現方法，對重建的三維模型進行測量也是目前虛擬現實技術在醫學領域中研究的熱門之一。如何利用虛擬方法測量腰椎側隱窩及其可行性的研究目前主要是基于螺旋CT[2，3]，采用干標本作為檢驗標準則尚無報道。在三維重建中主要依賴于影像軟件自身。從而缺乏自主性和選擇性后處理。3D Slicer是一款開放性免費醫學三維重建軟件，重建方法簡單，適用于學生初學。3ds max（version 2012， Autodesk Inc. USA）是一款三維建模和后處理軟件，對多邊形建模有較強的優勢。本研究利用3D Slicer4.4和3ds max2012 對正常人和椎間盤突出患者腰椎CT所得的數據進行重建和測量并利用干標本進行相關比對，分析虛擬測量的可行性與精確性。

1 資料與方法

1.1一般資料 正常人腰椎CT數據1例，椎間盤突出CT數據2例，由南通市中醫院影像中心提供DICOM文件。層厚1 mm，將DICOM文件導入3D Slicer4.4后，在編輯狀態下進行簡單閾值分割，突出顯示椎骨部分，然后重建出第1～5腰椎，將重建的模型以STL文件保存。

1.2方法

1.2.1模型簡化 將STL文件導入3ds max2012后把模型切換到透視視圖，并轉化為可編輯多邊形，選中刪除距測量處較遠的頂點，僅保留側隱窩及其相關部分，即對模型進行簡化處理（該步驟也可在3D slicer中完成）。

1.2.2選取測量點及測量 分別在模型的下位椎體后緣及上關節突前緣選取點，并記錄兩點的坐標a（x1，y1，z1）與b（x2，y2，z2）（見圖1），對每次記錄的兩點坐標進行歐氏距離（公式1）測算得到側隱窩前后徑。每個側隱窩由5人分別重復測算3次后得到數據。

1.3數據處理與統計學分析 將數據導入SPSS軟件中進行方差同質性檢驗，對應的左右椎間孔徑之間進行獨立樣本t檢驗，得到t值和P值，判斷有無統計學差異，再進行進一步的分析，最后得出結論。

1.4干標本測量及數據分析 用游標卡尺測量8例干標本（由南通大學人體解剖學系提供）的腰椎側隱窩，測量過程由3～5人完成。對側隱窩測量的具體位置同虛擬測量（見圖1），并記錄測量結果，將數據導入SPSS軟件中進行相關計算，得出t值和P值。

2 結果

病例1、病例2與正常人腰椎側隱窩的測量結果（圖2，單位：mm）。由表1可見，虛擬測量是穩定的，正常人和椎間盤突出的患者之間沒有差異（P>0.05）。由表2可見，標本2第4腰椎，標本3第2腰椎，標本4第3腰椎，標本5第2，4，5腰椎，標本6第5腰椎，標本7第2，3腰椎，標本8第1腰椎有統計學差異（P<0.05），其余腰椎左右側隱窩間無統計學差異（P>0.05）。

3 討論

3.1側隱窩前后徑與腰椎盤突（脫）出的關系 腰椎間盤突出多合并有側隱窩狹窄。由于盤黃間隙與側隱窩之間不存在截然界限，側隱窩后壁的上份也可有黃韌帶覆蓋，黃韌帶鈣化也會引起黃韌帶間隙的狹窄從而造成外側的側隱窩狹窄，因此，臨床上把二者的狹窄統稱為側隱窩狹窄。椎間盤突出時，造成椎體間隙變窄，突間關節囊松馳，椎體間微小移動增加，使黃韌帶和后縱韌帶增厚。鈣化、發生皺折，共同形成側隱窩軟組織狹窄，而椎間關節突和椎體后緣骨質增生，形成側隱窩骨性狹窄，由于腰椎間盤突出是側隱窩狹窄的重要原因之一，因此對于腰椎間盤突出患者常要注意檢查其是否合并側隱窩狹窄。

3.2腰椎側隱窩位置確定 側隱窩又稱側椎管，其前面為椎體后緣，后面為上關節突前面與椎板和椎弓根連結處，外面為椎弓根的內面，內側面為硬脊膜外緣，其入口相當于上關節突前緣[1]。側隱窩向外下方形成脊神經根通道，與椎間孔相續。由于側隱窩的形態不規則，其范圍界定、分部及內側界限尚未達成共識，因此側隱窩測量位置沒有統一標準。從解剖學角度而言，側隱窩入口位于椎體上1/4水平[2]。有報道在上位椎體后緣與下關節突之間進行比較，沒有對下位椎體后緣與上關節突的距離進行比較，其測量值為（7.8±2.2）～（10.9±1.8）mm與本研究所的結果較接近[3]。本研究中，模型比較直觀，直接在下位椎體后緣及上關節突前緣選取點進行相關計算。

3.3虛擬測量方法的選擇 利用空間兩點的歐式距離進行測量，該方法簡單，可重復性高。歐式距離[3]（Euclidean distance）也稱歐幾里得度量，是一個通常采用的距離定義，指在m維空間中兩個點之間的真實距離，或者向量的自然長度（即該點到原點的距離）。在二維和三維空間中的歐氏距離就是兩點之間的實際距離。我們建立的是三維模型，而三維空間兩點a（x1，y1，z1）與b（x2，y2，z2）間的歐氏距離要求我們對測量點選擇的準確性。由于測量點不易準確的選定以及測量時的個體差異，我們采用多次測量取平均值的方法來減小誤差充分利用了歐式距離測量時具有可重復性高的優點。

3.4虛擬測量的優勢 運用游標卡尺對8個干標本進行人工測量，對每個左右側隱窩數據進行t檢驗，從表2的結果考慮可能是由于干標本在處理時，骨骼的脫水程度、安裝和有機質損失等原因造成了測量數據的不可靠性。由此可見虛擬測量的必要性和優勢。尸體標本的實體測量多為線性測量，高度為上下椎弓根緣的連線，椎間孔的寬度是椎體后緣上下唇的連線下端到相對的關節突的距離，主要測量工具為游標卡尺，另外還有探針法、模型法等[4]，但測量手段都比較粗糙，不夠精確。

常規平掃雖然可以相對普通平片較準確顯示骨性側隱窩，但由于個體間的差異以及讀片醫生的不同會給定位帶來不同程度的誤差，而且二維圖像不能夠很好地顯示被檢部位的結構，在顯示側隱窩區的病變時此缺點更為明顯。

自動閾值分割對骨性組織敏感性較高，方便重建和可視化，利用三維觀察軟件可以將重建后的腰椎更清晰準確地顯示側隱窩的結構并可旋轉不同角度至觀察側隱窩的最佳位置，便于對骨性側隱窩更加精確的觀察分析以及數據的測量。重建技術還能通過重采樣并將二維圖像與三維圖像進行配準[5，6]，多視角展現椎間孔的形狀及其與相鄰結構的解剖關系，能較容易地斷定病變的程度和范圍，提供比普通平片和CT更多有意義的診斷信息。

本研究表明，虛擬現實技術能直接顯示腰椎椎間孔的形態，并能對椎間孔的徑線及側隱窩進行測量，與單一的二維徑線測量相比，三維側隱窩前后徑在反映椎間孔的大小方面更合理、更客觀。在病例與正常人的腰椎側隱窩前后徑變化趨勢圖中，可以得出個體側隱窩差異較為明顯，而病例個體除個別側隱窩外總體趨勢與正常人相近，應考慮該側隱窩即疑似患病部位?？紤]到個體差異與測量誤差因素，可以增加實驗樣本數進行進一步驗證。

腰椎側隱窩狹窄癥的診斷主要依靠臨床體檢和影像學檢查，影像學檢查對該病診斷的客觀依據主要是對側隱窩的測量。基于影像學的虛擬測量便于在活體進行，能夠有效準確的輔助臨床診斷及治療。

虛擬測量的精度與操作者的熟練程度有一定的關系。在圖像處理的過程中，有價值的信息可能被改變甚至丟失，導致空間位置和形狀的改變。本研究通過多人多次重復測量，降低了偶然誤差與人為因素的影響。

利用3Dslicer及3dsmax的虛擬現實技術在人腰椎間孔徑測量中有著較高的可行性與可靠性。

參考文獻：

[1]王開明，陸保剛，駱文斌，等.腰椎側隱窩和脊神經根的觀測及臨床意義[J].中國臨床解剖學雜志，2009，27（4）：401-404.

[2]孫憲昶，劉慶偉，李振平，等.螺旋CT對正常成人下腰椎側隱窩的研究[J].山東大學學報（醫學版），2004，42（3）：333-336.

[3]董旭，魏振軍.一種加權歐式距離聚類方法[J].信息工程大學學報，2005，6（1）：24-25.

[4]喻忠，龔建平，桂鑒超，等.頸椎椎間孔三維CT測量的實驗研究[J].中國脊柱脊髓雜志，2003，13（8）：33-36.

[5]羅東禮，徐大宏，趙于前.醫學圖像三維重建中的關鍵算法[J].計算機工程與運用，2005，41（19）：222-224.

[6]徐德藝，王濤，盧代剛.腰椎間盤突出合并側隱窩狹窄診斷與治療[J].實用醫技雜志，2007，6（19）：2697-2698.

收稿日期：2017-8-20；修回日期：2017-8-30

編輯/成森