学术讨论—Mimics及脊柱模型用于下颈椎椎弓根个体化置钉的应用研究.docx
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1、Mimics及脊柱模型用于下颈椎椎弓根个体化置钉的应用研究 王远政1 ,田晓滨1,刘 洋2,李 波1,孙 立1,张 一1,王楠筑1 550002 贵阳,贵州省人民医院骨科1;400010 重庆,重庆医科大学附属第二医院骨科2摘要 目的 利用快速成型技术及Mimics软件设计一种新的下颈椎椎弓根钉个体化置入技术,并探讨其临床应用意义。 方法 对16例成人下颈椎标本行CT扫描收集数据,导入Mimics软件对标本进行三维重建。利用Mimics相关功能在三维重建图像上寻找下颈椎椎弓根最正确轴线并测量椎弓根相关参数,制定椎弓根螺钉个体化置入方案。然后将三维重建图像以STL格式导入三维打印机,制作出下颈椎
2、的实体模型,根据个体化置钉角度置入导向针。依照制定的个体化指定参数,并配合实体模型的直观指导,在标本上进行置钉。置钉后标本行CT扫描,判断置入准确性。利用上述方法对2例患者进行个体化置钉,术后通过CT扫描验证螺钉位置准确性。 结果 成功建立了与标本相似度极高的下颈椎三维重建图像和实物模型,通过测量结果设计了每个椎弓根的置钉参数。共在标本上置入148枚椎弓根螺钉,140枚位于椎弓根骨皮质之内,8枚稍穿破椎弓根骨皮质。对患者置入10枚椎弓根螺钉,CT示螺钉位置满意。结论 用Mimics软件对下颈椎进行三维重建,制定个体化置钉参数,同时配合实物模型的直观指导,提供了一种下颈椎椎弓根钉个体化置钉的方法
3、,利用该法能提高置钉平安性。 关键词 颈椎;椎弓根螺钉;Mimics软件;快速成型;三维重建 中图法分类号 文献标志码 AIndividualization of lower cervical pedicle screw fixation withApplication of rapid prototyping and MIMICSimics software in lower cervical pedicle screw fixationthree-dimensional (3D) reconstruction model was generated withMIMICSa workstat
4、ion runningMIMICS10.01 softwareWang Yuanzheng1, Tian Xiaobin1, Liu Yang2, Li Bo1, Sun Li1, Zhang Yi1, Wang Nanzhu1 (1 Department of Orthopaedics Surgery,Guiz Zhou Provinceial Peoples Hospital, Guiyang, Guizhou Province, 550002,China; 2 Department of Orthopaedics Surgery, XinqiaoSecond affiliated Hos
5、pital, Chongqing Medical University, Chongqing, 400010, China)Abstract Objective To design a new lower cervical pedicle screw placement based on study the application of Mimics software and rapid prototyping technology and evaluate its clinical valuein lower cervical pedicle screw placement, and exp
6、lore its clinic application. Methods CT scans scanning was performed of on 16 adult cadaveric cervical specimens (C3 to -C7). were performed. The obtained CT data were imported into a workstation running MIMICS reverse engineering software Mimics to generate establish cervical three dimensional (3D)
7、 reconstruction images which saved as STL files. Then these STL files were used to manufacture produce cervical physical models using rapid prototyping technique. The optimal trajectory pedicle was explored and marked on 3D images using computer assistant aided design module of Mimics, and the relat
8、ed parameters of cervical pedicle were measured using measurement tools of Mimics. So the individualized surgery plan of pedicle screw fixation was determined according to the location of pedicle trajectory and parameters. The trajectory pins were drilled into physical model to supervise the entry p
9、oint and orientation of pedicle screw. With the visualized guidance of physical model, pedicle screws were inserted in cadaveric specimens in strict accordance with individualized surgery plan determined previously. Pedicle screw fixation was performed in two 2 patients with cervical disorders requi
10、ring instrumentation using this individualized surgery method as mentioned above. Results The cervical 3D image and physical model were found to be anatomically similar with each other and of great assistance in designing individualized surgery plan and supervising placement of pedicle screw. There
11、were pP148 pedicle screws were inserted in the 16 cervical specimens,. Among them, 140 were inserted in the pedicle cortical, and the left 8only one of them breached the pedicle cortical mildly. CT scanning indicated that the 10 pedicle screws were satisfyingly inserted in the 2 patients. Conclusion
12、 Combination of 3D image by Mimics and intuitive guidance of physical model by rapid prototyping technique improve the accuracy and safety of lower cervical stereotaxy.Key words cervical vertebra; pedicle screw; Mimics; rapid prototyping; three-dimensional reconstructionSupported by the Tackling Pro
13、ject of Scientific and Technology for Social Development of Guizhou Province (20223115). Correspond author: Tian Xiaobin Tel: 86-851-5600978, E-mail:txb6vip.163 基金工程 贵州省社会开展科技攻关工程黔科合SY 20223115号通信作者 田晓滨, :08515600978, E-mail:txb6vip.163 them breached the pedicle cortical. Conclusions The accuracy of
14、 lower cervical stereotaxy can be improved with the help of measurement of 3D image established by Mimics and intuitive guidance of physical model manufactured by rapid prototyping technique.Key words cervical vertebra; pedicle screw; Mimics; rapid prototyping; three-dimensional reconstructionSuppor
15、ted by Socialdevelopmentofscientific and technological projectin Guizhou Province of China(20223115). Correspond author:Tian Xiaobin Tel:86-851-5600978, E-mail:txb6vip.163 8下颈椎C3C7伤病严重影响着人类健康,对下颈椎伤病的外科治疗,其目的可归结为:恢复颈椎的解剖序列、神经根或脊髓减压和重建颈椎稳定性。颈椎内固定是实现这些目的的有效手段。其中,颈椎椎弓根螺钉内固定系统在临床上应用越来越广泛,该内固定系统能够提供其他固定方式
16、无法比较的三维立体稳定性1-3,更有利于颈椎术后的稳定和骨性融合。但是,考虑到下颈椎解剖关系复杂,且与血管及神经等重要组织相毗邻,置钉失误可能导致严重后果,因此寻求一种平安的个体化置钉方法一直是临床应用十分关注的问题。本研究利用快速成型 (rapid prototyping,RP) 技术制作的颈椎实体模型和Mimics软件的三维重建、计算机辅助设计computer assistant design,MeCAD功能相结合,探索了一种新的下颈椎椎弓根钉个体化置钉方法。1 资料与方法1.1 标本制备 成人尸体标本16例重庆医科大学解剖教研室与贵阳医学院解剖教研室提供,从C2/C3及C7/T1水平离断
17、,收集C3C7节段颈椎标本。排除颈椎不稳、畸形及外伤标本。1.2 颈椎三维重建图像的建立对标本以层厚0.65 mm进行CT美国GE-LightSpeed扫描获取影像数据,以Dicom格式保存。在计算机上运行Mimics 10.01软件比利时 Materialise 公司,将数据导入软件。运用阈值选取技术(Thresholding),获得颈椎原始蒙罩Mask后,在运用三维区域增长技术(3D Region Growing)对原始蒙罩进行修改,得到新蒙罩。随后采用Calculate 3D功能,以软件默认的最正确重建质量对所选取的实体结构区域进行三维重建。最后进入Magics9.9界面,对三维重建图像
18、进行平滑处理。将重建图像以STL格式导出。1.3 下颈椎实体模型的制作将颈椎的STL文件导入Dimension三维打印机成都泰捷系统工程公司,运用熔融堆积成型技术,采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物为材料对下颈椎实体模型进行快速成型制作。1.4 个体化手术参数的制定及虚拟置钉在Mimics中调整三维重建图像的透明度,全面观察椎弓根走形。利用软件的CAD功能,在透明化处理的重建图像中标记出椎弓根轴线。标记后以过该轴线的平面对椎弓根进行切割,了解并调整轴线的位置,使之处于椎弓根正中图1A。利用软件的测量工具测量椎弓根轴线长度L、椎弓根最窄处截面上下皮质骨高度H、椎弓根最窄处截面两侧皮质骨宽度W、椎弓
19、根轴线在横断面上投影与椎体冠状面垂线成的内倾角、椎弓根轴线在矢状面投影与椎体冠状面垂线所成的头/尾倾角图1B。根据L决定椎弓根螺钉个体化长度、H和W中较小者决定螺钉直径、和决定螺钉置入的个体化角度头倾角为正数角,尾倾角为负数角。椎弓根轴线投射到侧块骨皮质外表的交点即为个体化进钉点。根据以上测量结果选取适当规格的虚拟螺钉,按照轴线置入椎弓根。置入后将重建图像实体化,观察虚拟螺钉是否穿破椎弓根图1A。如无穿破,即可确定个体化置钉方案的准确性。A:椎弓根轴线的标记及虚拟置钉;B:椎弓根径线及角度L:椎弓根长度 W:椎弓根宽度 H:椎弓根高度 :椎弓根内倾角 :椎弓根头/尾倾角图 1 下颈椎三维重建图
20、像1.5 颈椎椎弓根螺钉的定向置入通过比对颈椎的三维重建图像和实体模型,在实体模型上标记出进钉点,用电钻将克式针按照个体化置钉角度从进钉点钻入模型椎弓根,对置钉提供直观的指导图2。将颈椎标本固定在操作台上,暴露侧块后缘骨皮质,通过比对标本和已实体模型确定标本进钉点。在进钉点开孔,按照术前制定的个体化置钉参数和在实物模型的直观指导下置入螺钉图2。置钉后行CT扫描,评价置入准确性(图3)。 A:标本模型预置椎弓根钉道;B:标本置钉术后图 2 下颈椎标本置钉图像A:冠状位;B:矢状位;C:横断面图 3 下颈椎标本置钉术后CT重建图像1.6 临床应用本组为贵州省人民医院骨科于2022年8年至2022年
21、11月收治的2例患者,均为男性;其中1例45岁,外伤后致颈6椎体骨折脱位并脊髓损伤图4、5;另1例患者51岁,外伤引起颈5椎体前脱位。两例患者术前均行CT扫描,收集Dicom数据。将数据导入Mimics对患者颈椎进行三维重建并设计个体化置钉参数;将三维重建图像以STL格式导入三维打印机,运用RP技术制作出患者颈椎的实体模型。术中根据个体化置钉参数决定螺钉直径、长度和进钉角度,同时配合实体模型的直观指导置入椎弓根螺钉图4。术后随访均行X线片及CT扫描,评估螺钉置入的准确性图5。A、B:患者下颈椎模型在术中与实体比对;C、D:术中模型预置最正确椎弓根钉道图 4 下颈椎脊柱模型在外伤后颈椎脱位手术中
22、的运用A:术前MRI表现;B:术前CT表现;C:术后X线侧位片;D:术后CT横断面图 5 外伤后颈椎脱位患者手术前后影像学表现2 结果2.1 下颈椎三维重建和快速成型结果利用Mimics软件和快速成型技术对16例下颈椎标本进行了三维重建和实体模型的制作图3。三维重建图像形态逼真,在Mimics中可以任意旋转,从不同角度和平面观察椎弓根的形态和走形。通过直接观察,下颈椎实体模型与三维重建图像解剖形态几乎完全一致,并能提供比重建图像更加形象和直观的椎弓根解剖学信息。将实体模型与已暴露侧块后缘骨皮质的标本相比较,二者的后部的尺寸和形态亦完全一致。在快速成型模型的指导下进行手术操作,能保证椎弓根螺钉置
23、入更加直观和准确。2.2 重建图像测量及个体化置钉参数制定结果三维重建图像的椎弓根径线及角度测量结果见表12。根据以上测量结果,各节段下颈椎的椎弓根高度均大于宽度,因此椎弓根螺钉的直径主要取决于宽度的大小。将每侧椎弓根的宽度值减去约1.5 mm即为个体化螺钉直径参考值;椎弓根轴线长度减去该轴线在椎体内长度的1/2即为螺钉长度参考值;椎弓根轴线的和角即为个体化置钉角度。表 1 颈椎三维重建图像椎弓根径线测量结果(x(_)s, n=16,mm节段 椎弓根长度L 椎弓根宽度W 椎弓根高度H 左侧 右侧 左侧 右侧 左侧 右侧C3 31.982.15 32.311.67 4.941.18 5.010.
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