数字化影像导航模块辅助儿童胸椎椎弓根螺钉置入的准确及安全性.doc

www.CRTER.org黄琳，等. 数字化影像导航模块辅助儿童胸椎椎弓根螺钉置入的准确及安全性数字化影像导航模块辅助儿童胸椎椎弓根螺钉置入的准确及安全性黄 琳1，王 龙1，程瑞学1，赵林静3，王振梅2(1新乡市中心医院，河南省新乡市 453000；2新乡医学院第一附属医院，河南省新乡市 453000；3新乡医学院，河南省新乡市 453000)引用本文：黄琳，王龙，程瑞学，赵林静，王振梅. 数字化影像导航模块辅助儿童胸椎椎弓根螺钉置入的准确及安全性J.中国组织工程研究，2016，20(39):5840-5845.DOI: 10.3969/j.issn.2095-4344.2016.39.010 ORCID: 0000-0002-1827-7249(黄琳)文章快速阅读：数字化影像导航辅助模块对儿童胸椎椎弓根螺钉置入准确及安全的作用黄琳，男，1972年生，河南省新乡市人，汉族，2014年新乡医学院毕业，主治医师，主要从事医学影像诊断工作。中图分类号:R318文献标识码:B文章编号:2095-4344(2016)39-05840-06稿件接受：2016-07-01徒手置入组行徒手置钉采用数字化影像导航模块，能够有效的提高椎弓根螺钉置入成功率数字化影像导航辅助模块组利用数字化影像导航辅助模块进行椎弓根螺钉置入 文题释义：椎弓根：是椎弓的一部分，起于椎体后上部，短而厚，与椎体方向垂直向后方突起，其外形呈弧性，与椎体、关节突和椎板融合在一起，椎弓根是组成椎间孔的组成部分，其上方有一较浅的切迹构成椎间孔的下壁，椎弓根下方有一较深的椎弓根下切迹构成椎间孔的上壁。计算机辅助手术：又为影像辅助导航手术，是利用计算机对数字化医学影像的高速处理及控制能力，通过虚拟手术环境为医生从技术上提供支援，使手术更微创、更安全、更准确的一门新技术。摘要背景：椎弓根螺钉内固定已在儿童胸椎损伤中得到应用，常规方法更多的以徒手置钉为主，该方法虽然能满足手术需要，但是精度较低，并发症发生率较高，使得数字化影像导航辅助模块的运用成为可能。目的：探讨数字化影像导航模块辅助儿童胸椎椎弓根螺钉置入的准确性及安全性。方法：8具胸椎尸体标本采用随机数字方法分为徒手置入组和数字化影像导航辅助模块组，每组4具。徒手置入组行徒手置钉，数字化影像导航辅助模块组根据CT扫描结果结合逆向工程原理以及快速成型理论制作影像导航辅助模块，利用数字化影像导航辅助模块置入椎弓根螺钉。结果与结论：数字化影像导航辅助模块组一次置钉成功率显著高于徒手置入组(P 0.05)；数字化影像导航辅助模块组和徒手置入组均分别植入28枚螺钉，数字化影像导航辅助模块组置钉优良率为96%，显著高于徒手置入组的75%(P 0.05)；结果表明，采用数字化影像导航模块，能够有效的提高椎弓根螺钉置入成功率，并且该方法操作相对简单，易于掌握，能够根据每一位患儿情况制定个性化置钉方案。关键词：骨科植入物；数字化骨科；数字化影像导航辅助模块；儿童胸椎；椎弓根螺钉；准确性；安全性；手术成功率；影像CT；徒手置钉主题词：儿童；胸椎；内固定器；组织工程5841 P.O.Box 1200,Shenyang 110004 Accuracy and safety of digital image navigation aid module for thoracic pedicle screw placement in childrenHuang Lin1, Wang Long1, Cheng Rui-xue1, Zhao Lin-jing3, Wang Zhen-mei2 (1Xinxiang Central Hospital, Xinxiang 453000, Henan Province, China; 2First Affiliated Hospital, Xinxiang Medical University, Xinxiang 453000, Henan Province, China; 3Xinxiang Medical University, Xinxiang 453000, Henan Province, China)AbstractBACKGROUND: Pedicle screw fixation has been used in children with thoracic injury. Conventional method is screw implantation by hand. This method can meet the needs of surgery, but its accuracy was low, and incidence of complications was high. The application of digital image navigation aid module is possible. OBJECTIVE: To study accuracy and safety of digital image navigation aid module in thoracic pedicle screw placement. METHODS: Eight thoracic vertebral bodies were equally and randomly assigned to the manual insertion group and the digital image navigation aid module group. Manual insertion group received manual screw insertion. In the digital image navigation aid module group, navigation aid module was made according to CT scan results combined with principle of reverse engineering and rapid prototyping. Pedicle screw was placed using the digital image navigation aid module. RESULTS AND CONCLUSION: (1) Success rate of once screw set was significantly higher in the digital imaging navigation aid module group than in the manual insertion group (P 0.05). (2) Twenty-eight screws were implanted in the digital image navigation aid module group and manual insertion group separately. The excellent and good rate of screw placement was 96% in the digital image navigation aid module group and 75% in the manual insertion group (P 0.05). (3) These findings suggested that digital image navigation aid module can effectively improve the success rate of pedicle screw insertion. Moreover, this method is simple, easy to operate, and can make a personalized nail placement program for each child. Subject headings: Child; Thoracic Vertebrae; Internal Fixators; Tissue EngineeringCite this article: Huang L, Wang L, Cheng RX, Zhao LJ, Wang ZM. Accuracy and safety of digital image navigation aid module for thoracic pedicle screw placement in children. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2016;20(39):5840-5845.Huang Lin, Attending physician, Xinxiang Central Hospital, Xinxiang 453000, Henan Province, China5841ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH0 引言 Introduction椎弓根螺钉内固定技术在脊柱创伤、退变、矫形等疾病治疗中广为运用1。有学者对先天性脊椎侧凸患儿采用椎弓根螺钉内固定进行治疗，取得了理想的效果2-3。详细的术前计划、选择合适的椎弓根螺钉对保证手术成功率和安全性至关重要4-5。儿童是一个相对比较特殊的群体，儿童的脊柱椎弓根形态和成人相比存在较大的差异，患儿行椎弓根螺钉内固定技术过程中风险相对较高，如何采取积极有效的措施提高椎弓根螺钉置入的准确性和安全性成为热议的话题6。有关学者将数字化影像导航辅助模块运用于儿童椎弓根螺钉置入中，保证儿童胸椎椎弓根螺钉置入更加准确、安全7-10。该导航辅助模块是建立在数字化影像技术基础上，将计算机科学、外科手术等相互结合的一种新型导航模式，该模式利用计算机导航技术，能够保证医师在直视下完成置钉过程11-12，提高手术成功率13-14。文章选取8具尸体胸椎标本资料进行分析，研究数字化影像导航辅助模块在儿童胸椎椎弓根螺钉置入准确性及安全性中的价值，为提高手术成功率提供依据。1 材料和方法 Materials and methods 1.1 设计 随机对照性分析。1.2 时间及地点 于2014年12月至2015年12月在新乡医学院第一附属医院完成。1.3 材料1.3.1 实验标本 8具尸体胸椎标本由新乡医学院第一附属医院提供，男4具，女4具，年龄6-13岁，平均(7.81.8)岁。标本范围包括完整的脊柱以及侧方和后方的软组织结构，且所有标本均经过拍片以及CT轴位扫描检查。排除合并骨质疏松及其他全身性疾病者。将8具胸椎标本采用随机对照方法分为徒手置入组和数字化影像导航辅助模块组，每组4具。1.3.2 主要器材和仪器 电钻、咬骨钳、球形探针、最小刻度为0.5 mm的直尺、直径2.5-5.0 mm的丝锥、各种型号的钛质螺钉、电动摆锯(呼和浩特市迈得佳医疗器械有限公司)；64排螺旋CT(Light Speed 64，美国GE公司)。A1.4 方法1.4.1 置钉前检查 对8具胸椎标本行CT扫描检查，设置扫描参数，将扫描获得的数据导入三维重建软件中进行胸椎三维模型的重建，并根据重建结果确定胸椎椎弓根置钉相关参数。将8具尸体标本沿着T1-12棘突后方皮肤切开，清除相关软组织和韧带，充分暴露置钉位置15。1.4.2 置钉方法 徒手置入组行徒手方法置钉：将4具尸体标本根据CT扫描结果选择相应的螺钉，并参照Kim方法置入螺钉16。置钉过程中凭借医师的临床经验将T1-T3以横突上缘与椎板外缘的延长线的交点、T4-T9以横突上嵴延长线与椎板的交点、T10-T12以横突的平分线与椎板外缘的交点分别作为置钉的进入点，确定位置后，采用胸椎开口器根据进钉角度等参数置入椎弓根，确定置钉通道是否通畅，并缓慢置钉17-19。数字化影像导航辅助模块组采用数字化影像导航辅助模块导航定位置钉：根据CT扫描结果结合逆向工程原理以及快速成型理论制作影像导航辅助模块，在数字化影像导航辅助模块定位下进行椎弓根螺钉置入：将置钉前获得的CT连续断层图像数据导入三维重建软件进行胸椎三维模型重建，并以STL格式导出。将获得的数据输入相关软件中，设计数字化影像导航模块，确定最佳进钉钉道20。同时，置钉过程中将数字化影像下形成的胸椎椎板后部及棘突根部背侧模块与钉道相互结合，从而形成具备导航辅助的模块，并在软件上模拟制定的准确性，见图1A。根据快速成型技术将模型准确的导航模块制作实体模型，根据置钉条件将定位导向孔制作成厚2 mm，长10 mm，内径2 mm以及外径4 mm的空心圆柱体，见图1B。待辅助导航模块完成后，在CT下确定每一枚置入螺钉的直径和长度，螺钉长度为置钉通道的80%。置钉过程中左手握住模板，右手则采用定位导向孔钻出进钉点和进钉通道，利用丝锥攻丝缓慢置入螺钉21-22。1.4.3 置钉优良分级23-24 优：螺钉未穿破椎弓根，置入的螺钉完全在椎弓根内；良：螺钉基本按照通道置入，固定良好，未出现组织的严重损伤；差：置入螺钉穿破椎弓根，且固定较差，损伤周围组织。1.5 主要观察指标 两组尸体标本螺钉置入情况。B图1 儿童胸椎椎弓根数字化影像导航辅助模块Figure 1 Digital image navigation aid module of child thoracic pedicle图注：图中A为儿童胸椎椎弓根数字化影像导航辅助模块软件模型；B为儿童胸椎椎弓根数字化影像学导航辅助模块实体模型。1.6 统计学分析 数据采用SPSS 18.0软件处理，计数资料采用n/%表示，进行卡方检验，P 0.05为差异有显著性意义。2 结果 Results 2.1 实验标本数量分析 8具胸椎尸体标本全部进入结果分析。2.2 两组置钉结果比较 数字化影像导航辅助模块组一次置钉成功率显著高于徒手置入组(P 0.05)；数字化影像导航辅助模块组非一次置钉成功率显著低于徒手置入组(P 0.05)，见表1和图2，可见数字化影像导航辅助模块下医师置钉过程中更具依据，保证置钉位置的准确、安全。表1 两组置钉结果比较 (n/%) Table 1 Comparison of screw insertion in both groups组别n一次置钉成功非一次置钉成功数字化影像导航辅助模块组44/1000/0徒手置入组43/751/2525.626.44P 0.05 0.0520015010050050-100一次置钉成功 非一次置钉成功置钉成功率(%)图2 两组置钉结果比较Figure 2 Comparison of screw insertion in both groups 图注：数字化影像导航辅助模块组能获得较高的置钉成功率。2.3 两组尸体标本置入螺钉分级比较 数字化影像导航辅助模块组和徒手置入组均分别植入28枚螺钉，数字化影像导航辅助模块组置钉优良率为96%，显著高于徒手置入组的75%(P 0.05)，见表2。表2 两组尸体标本植入螺钉优良级比较 (n/%)Table 2 Comparison of excellent and good level of screw insertion in cadaver specimens of both groups 组别优良差优良率数字化影像导航辅助模块组24/853/111/427/96徒手置入组17/614/147/2521/7527.39P 0.052.4 数字化影像导航辅助模块组置钉后CT影像 置入螺钉后CT扫描以及X射线片结果显示：螺钉进钉点相对准确，进钉方向适当，见图3。由此看出：数字化影像导航辅助模块在儿童胸椎椎弓根螺钉置入中的准确性和安全性。图3 数字化影像导航辅助模块组置钉后CT影像Figure 3 CT images of digital image navigation aid module after screw placement3 讨论 Discussion目前，临床上使用的胸椎椎弓根螺钉置入方法相对较多，包括徒手法、X射线透视法、椎板开窗法以及计算机导航方法等25-26。徒手法是胸椎椎弓根置钉中常用的方法之一，该方法对医师的专业技能和临床经验要求相对较高，医师在置钉过程中更多地依赖于自己的手感，以保证进钉的安全性和准确性27。相关数据结果显示，徒手法置钉椎弓根皮质穿破率为6.2%-72.4%，而由于失误等引起的并发症发生率高达0-0.9%，影响患者治疗预后28-29。X射线透视法虽然能进一步提高置钉的安全性，但是由于X射线照相质量相对较低，导致置钉误差率在12.7%-72.4%，再加上患者手术过程中长时间X射线照射容易增加手术风险，影响患者治疗预后30-31。近年来，数字化影像导航辅助模块在儿童胸椎椎弓根置钉中得到应用，且效果理想。该研究中，数字化影像导航辅助模块组一次置钉成功率显著高于徒手置入组(P 0.05)；数字化影像导航辅助模块组非一次置钉成功率显著低于徒手置入组(P 0.05)。数字化影像导航辅助模块和其他置钉方法相比优势较多，该方法制定准确性、安全性较高32-33。相关学者进行了一次实验，实验结果显示：通过建立导航模板指导胸椎椎弓根螺钉置钉能取得理想的治疗效果34-35。由于脊柱发育在不同年龄段的解剖学上存在较大的差异，并且年龄越小脊柱软骨成分越复杂，儿童胸椎尚未发育成熟，椎弓根相对较细，具有其独特的解剖学特点，导致椎弓根置钉过程中风险较高36-37。数字化影像导航辅助模块的应用则能够规避上述风险。数字化影像导航辅助模块在运用过程中，首先对患者进行CT连续扫描，经过相应的数字化影像技术构建三维数字解剖表面模型，并且以该模型为基础确定最佳的置钉钉道，然后结合逆向工程软件建立相应的实体模型，从而能够确定每1枚螺钉的置入位置和置入方向，更加体现了椎弓根螺钉的数字化、影像化原则38。该研究中，数字化影像导航辅助模块组和徒手置入组均分别植入28枚螺钉，数字化影像导航辅助模块组置钉优良率为96%，显著高于徒手置入组的75% (P 0.05)。儿童胸椎椎弓根螺钉置入过程中使用数字化影像导航辅助模块能够显著增加模板与椎体间的接触面积，从而能够提高模板应用时的稳定性，避免了手术过程中由于体位的变化或者相邻椎体之间的位移而影响制定的精度，手术操作相对简单，对于医师专业技能要求相对较低，能够进一步提高椎弓根置钉的准确性和安全性39。该研究中，数字化影像导航辅助模块组置入螺钉后CT扫描以及X射线片显示：螺钉进钉点相对准确，进钉方向适当，全部螺钉均准确进入相应的椎弓根及椎体内40。综上所述，椎弓根螺钉内固定治疗过程中采用数字化影像导航模块效果理想，能够有效的提高置钉成功率，并且该方法操作相对简单，易于掌握，能够根据每一位患儿情况制定个性化置钉方案，具有较高的临床应用价值。作者贡献：实验设计为黄琳，实验实施为王振梅，实验评估为程瑞学、王龙，资料收集为王振梅。利益冲突：所有作者共同认可文章内容不涉及相关利益冲突。伦理问题：标本来源于新乡医学院，研究方案获得了新乡医学院伦理委员会批准。文章查重：文章出版前已经过CNKI反剽窃文献检测系统进行3次查重。文章外审：文章经国内小同行外审专家双盲外审，符合本刊发稿宗旨。作者声明：第一作者对研究和撰写的论文中出现的不端行为承担责任。论文中涉及的原始图片、数据(包括计算机数据库)记录及样本已按照有关规定保存、分享和销毁，可接受核查。文章版权：文章出版前杂志已与全体作者授权人签署了版权相关协议。4 参考文献 References1 刘磊,孙琳, 孙记航,等.1-6岁正常小儿胸椎椎弓根形态学研究J.中国脊柱脊髓杂志,2013,23(8):713-717.2 Fuster S, Vega A, Barrios G, et al.Accuracy of pedicle screw insertion in the thoracolumbar spine using image-guided navigation.Neurocirugia (Astur). 2010; 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