探讨术前CT数据的数字化设计辅助的改良椎体成形术(PVP)治疗骨质疏松性椎体压缩骨折(OVCF)的可行性。
2015年5至10月，首都医科大学附属北京友谊医院骨科在Mimics软件中导入单节段OVCF患者的术前连续薄层CT扫描的Dicom格式图像，制作三维有限元模型，模拟经伤椎双侧椎弓根穿刺路径，结合体表显影定位标记确定病椎PVP手术的穿刺点、穿刺方向，记录PVP现实手术的手术时间、放射透视次数、骨水泥充盈情况、手术并发症和手术前后的视觉模拟(VAS)评分，评价手术效果。
7例OVCF患者平均年龄78(61～87)岁，PVP现实手术实施效果与术前数字化设计高度相似，手术时间(16.6±2.1)min；术中放射透视暴露次数(7.9±1.7)次，手术椎体内骨水泥充盈好，无渗漏等手术并发症；患者术前VAS评分(8.6±0.5)分，术后(1.4±0.5)分(P＝0.000)。
术前数字化设计辅助PVP可减少手术时间和术中X线透视次数，增加穿刺的准确性和减少相关并发症，临床结果满意。
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经皮椎体成形术(PVP)治疗急性骨质疏松椎体压缩性骨折(OVCF)具有良好的临床疗效[1,2]，但和穿刺技术相关的并发症也逐渐增多，包括：穿刺损伤神经根、椎管内血肿、椎弓根断裂及横突、棘突、胸骨、肋骨骨折等[3,4,5,6]。其中骨水泥渗漏、神经损伤是最为常见的并发症。准确的经椎弓根穿刺技术是预防这些并发症的关键。传统PVP手术操作是在影像介导下进行的，常采用的C型臂X线机透视引导辅助PVP手术，可以在X线透视下多次矫正穿刺方向，但却增加了术者和患者的放射暴露，延长了手术时间；各种影像导航系统已经用于椎弓根穿刺和椎弓根螺钉的置入，但有1.2%～15.7%的失误率和0～7.42%的再手术率[7,8]，且这些导航设备的价格昂贵。因此探索一种简单、经济、精准有效的个体化辅助穿刺技术非常重要。为此，本研究在CT成像基础上采用Mimics软件制作OVCF三维有限元模型，模拟经椎弓根穿刺PVP进行个体化术前设计的新技术，期望能缩短PVP的手术时间，降低放射暴露，减少和穿刺技术相关的手术并发症。
2015年5至10月，首都医科大学附属北京友谊医院骨科收治的单节段骨质疏松性椎体压缩骨折(OVCF)患者的术前脊柱CT扫描Dicom格式图像资料，所有图像像素均为512 pxl×512 pxl，以刻录DVD光盘的形式输出。入选标准：(1)急性骨质疏松性椎体压缩骨折(MRI在T1加权像表现为低信号，在T2加权像及STIR序列表现为高信号)；(2)第1次手术；(3)影像学资料(包括X线、MRI、CT和骨扫描)完整；(4)单节段OVCF。排除标准：(1)陈旧性压缩骨折；(2)有骨肿瘤及其他骨代谢疾病证据者；(3)CT提示骨折椎体后壁不完整或破裂；(4)未获知情同意。共纳入7例患者，其中男2例，女5例，患者年龄61～87(77.7±8.8)岁。骨折部位：T6 1例，T122例，L1 3例，L2 1例(图1)。
在X线透视下将1枚定位片(一次性心电监护电极片，美国3M公司)粘贴于患者背部皮肤正中(T12椎弓根穿刺点水平，图2A)，后进行胸腰段CT薄层扫描，采用美国通用(GE)电气医疗集团生产的64排螺旋CT对患者的脊柱进行断层扫描，扫描T10－L2，管电压120 kV,管电流200 mA，扫描层厚1 mm，层间距1 mm，以DICOM格式DVD刻盘保存。将术前CT薄扫图像以DICOM格式导入交互式医学图像控制系统MIMICS软件10.01(Materialise's Interactive Mederical Image Control System, MIMICS)中，组织图像在横断面、矢状面和冠状面3个视窗中相互对照，再次确认病椎(T12)，以病椎及其上下各1节段为重建范围。利用阈值工具，设定适当的CT值(226～3 071 H)，将骨骼组织与软组织分割开，成为独立的蒙版。利用编辑工具，在三维视窗中相互参照，利用人为手工描画和涂擦的方法，初步重建范围内椎体及椎间盘各自独立的蒙版。再利用形态学操作工具，对各蒙版进行膨胀及腐蚀操作，以消除手工描画中模型表面及内部可能残存的孔洞，再将各个蒙版重建为三维模型。用同样方法得到术前定位片(图2)的三维模型，利用光滑工具对各个模型进行处理得到接近真实的三维模型，模型各部分可随意标示不同颜色(图2)。
以术前定位片所在平面为患者背部皮肤平面，利用MIMICS软件中的MedCAD功能画出一虚拟平面。在病椎蒙版内，选取合适层面，模拟椎体成形术(经椎弓根双侧入路)真实手术的进针点、角度及深度，手工描画出穿刺针并建立三维模型(图3)。利用三维模型的平移和旋转功能，在三维视窗下对穿刺针的位置进行微调，使其更加符合手术实际，并确保其尾端越过电极所在的虚拟平面。在各个视窗内再次检查各椎体、椎间盘模型的准确性，并确保穿刺针模型位置符合实际后，利用MIMICS软件内测量距离和测量角度工具，分别测量穿刺针在虚拟平面内距离电极旁开的距离，穿刺针顶端距虚拟平面的距离即进针深度，以及穿刺针偏离矢状面的角度(图3)。
患者取俯卧位，双手固定置于头两侧，皮肤严格消毒，铺无菌手术巾(图4)。选取术前设计的皮肤穿刺点(图3，图4)，C型臂X线机透视微调及最终确定穿刺部位，经皮逐层麻醉穿刺通道(2%利多卡因＋罗哌卡因)，骨外膜要麻醉充分，穿刺点皮肤切开约3 mm小孔，骨水泥混合和注射设备为美国Stryker公司的经皮骨水泥传送系统(PCD)，双人同时操作用骨穿针对准T12椎弓根，在外科锤连续轻击下，骨穿针自外上方向内下方进针(进针外展角参照术前设计约15°左右，当针尖进入椎体后，可连续进针，在术中X线透视帮助下置针尖与椎体前中1/3交界处，保留针管，退出针芯。调制骨水泥(SPINEPLEX，Stryker)后置入Stryker公司的PCD系统，旋转螺旋推进器，将骨水泥挤入针筒内，从针筒出口处检查骨水泥的性状，约2 min骨水泥呈牙膏状时，将针筒出口分别与左右侧骨穿针基底部连接，借助螺旋推进器推动骨水泥入T12椎体内(螺旋推进器有刻度，推送1圈0.4 ml，左右各5圈，1节椎体共打入骨水泥4 ml。注射完毕后将针芯插回针管，并旋转拔出骨穿针。可吸收线缝合伤口(图4)。
采用SPSS 17.0软件进行统计学分析，记录所有患者的年龄、手术时间、术中放射透视次数、术中并发症情况和骨水泥充盈情况、手术前后的疼痛视觉模拟评分(VAS)评分等资料，计量资料以
±s表示，手术前后的VAS评分比较采用配对样本t检验，以P<0.05为差异有统计学意义。
所有患者均采用双侧手术入路(双人同时操作)，手术操作时间(从消毒铺巾开始直至缝合关闭伤口完毕，包括术中X线透视时间)15～18(16.6±2.1) min。所有患者经伤椎双侧椎弓根穿刺前只需要1次X线定位，术中所有放射透视暴露6～10(7.86±1.68)次。每个伤椎内骨水泥注入量均为4 ml，骨水泥在伤椎内充盈良好，无渗漏、神经损伤等相关并发症。患者术后疼痛明显缓解，VAS评分由术前的(8.6±0.5)分降到术后的(1.4±0.5)分(t＝21.004，P＝0.000)，所有患者术后第1天复查X线，第2天出院。
传统的PVP手术胸腰椎经典的穿刺途径是经椎弓根入路，术中一般在正位透视下采用克氏针定位出骨折椎体的椎弓根水平，针尖定位于椎弓根的上外侧缘的皮质(常选取椎弓根投影左10点、右2点的位置)作为穿刺的骨性进针点，在针尖对应的皮肤用油性笔作一标记点，在实际工作中往往需要3～5次正位透视才能初步明确这个标记点。考虑到穿刺时的进针角度，体表皮肤的穿刺点往往在标记点外侧旁开约0.5～1.0 cm，以此来适应进针的外展角度；而穿刺针的头尾侧角度则需要在侧位透视的监测下进行调整。这种经典的穿刺定位方法存在许多不足：(1)术中穿刺针外展角的大小主要靠手术医师的个人经验来确定，而患者的腰背部皮下及肌肉的厚度不一也会造成体表皮肤的穿刺定位点出现偏差而影响合适的外展角，外展角度过小会使骨水泥弥散度欠佳偏向椎体的一侧，过大可能造成椎弓根内壁受损而损伤神脊髓或经根。临床实践中即使是经验丰富的手术医师，也难免有刺破椎弓根内侧皮质损伤脊髓或神经根的意外发生。(2)PVP术中穿刺过程是在侧位透视监视下进行的，穿刺针是否一直处于椎弓根内主要靠手术医师的手感，与医师的经验和骨折椎体的骨质量有关，术中不顺利的时候常常需要反复正侧位透视来保证穿刺针的位置。(3)反复的X线透视虽然可以矫正穿刺方向，却增加了手术人员和患者在X线下的暴露风险，延长了手术时间。
数字化三维重建技术和相关计算机软件的出现与不断发展为现代骨科手术提供了新途径。本研究尝试采用三维有限元分析模型模拟穿刺入路进行术前数字化设计的方法并取得了初步较好的临床效果。利用有限元方法对现实的模拟越来越接近实际情况，同时结合医学影像技术，目前已很方便的采集实际临床情况数据，并根据数据建立相应的模型进行分析[9,10]，使得结果的可靠性和可信度大大增加。和传统定位方法相比，这种技术具有以下优点：(1)基于术前CT影像资料的精准三维有限元模型在建模过程中可以深入了解骨折椎体的形态及结构情况，对一些特殊情况如上、下终板破裂或椎体后缘破损可以提前进行术前设计。(2)通过Mimics软件模拟经椎弓根穿刺路径可以获得病椎PVP手术的理想穿刺点、穿刺方向以及穿刺深度，并可以直接获得对应的体表皮肤理想穿刺点，增加了手术的精准度。(3)有可能减少术中透视确定穿刺点或因为术中穿刺不顺利造成的反复透视次数，有利于缩短手术时间、减少术者和患者的放射暴露。(4)个体化模型对应个体化设计，Mimics软件获得的量化、客观化也提高了手术的可预测性，为判断预后、制定康复方案提供了直接的依据[11]，本研究表明患者经伤椎双侧椎弓根穿刺时均无需X线定位，平均手术时间短，术中骨水泥在所有伤椎内充盈良好，无渗漏、神经损伤等相关并发症。与传统双侧入路PVP相比，这种术前数字化设计的新技术有可能减少手术时间和放射暴露时间，获得较满意的临床结果[12,13]。在实际工作中，目前常规的便携式个人电脑完全可以方便实现Mimics软件的分析操作。
当然，本研究还存在不足和需完善之处。首先，患者术前需要的薄层CT扫描可能会增加放射暴露量，而Mimics软件的熟练操作需要一段时间的学习曲线。其次，术前数字化设计制定的穿刺针外展角术中仍然需要术者根据个人的经验来掌握，有待于进一步设计出配合穿刺针的外展角角度导向器；患者术前CT体位和术中体位的不完全一致也需要1次X线透视明确和微调最终的穿刺点。和其他包括导航在内的辅助技术一样，实际手术无法完全和数字化设计完全吻合。再者，本研究尚处于初步探索阶段，纳入病例较少且都是单椎体骨折病例，缺乏和传统穿刺方法的科学对比。最后，这种新技术的可行性和有效性需要进一步的前瞻性随机对照研究来证实其优点和缺点，以达到临床推广的目的。
综上所述，这种新型的术前数字化设计辅助PVP改良手术可以增加穿刺的准确性和减少相关并发症，有可能减少手术时间和术中X线透视时间。
