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脊柱CT图像的椎弓根螺钉置入自动路径规划方法

作者:未知

  摘 要:针对脊柱融合术中手术时间长、椎弓根螺钉置入成功率低的问题,通过对LEE法的改进得到一种椎弓根螺钉自动路径术前规划方法。该方法首先在三维空间中选取可能的螺钉入射点及终点组成路径集,然后通过错误路径排除、安全性评估、置入深度评估得到螺钉置入的最优路径。最后确定最优路径的入射角。通过实验表明,本方法较LEE法具有更好的钉占比,能够使椎弓根螺钉椎体后拥有更好的力学特性。同时,得到的入射点参数能够为手术的进行提供一个理论依据。
  关键词:椎弓根螺钉;脊柱融合;自动术前规划;安全性评估
  DOI:10.15938/j.jhust.2018.04.015
  中图分类号: TP391
  文献标志码: A
  文章编号: 1007-2683(2018)04-0082-05
  Abstract:In order to solve the problem of long operation time and low success rate of pedicle screw placement in spinal fusion, a method for automatic planning of pedicle screw automatic path was obtained by the improvement of LEE method. With this method, the possible screw insertion point and the end point are selected in the threedimensional space, and then the optimal path of the screw placement is obtained through the error path exclusion, safety evaluation, and the depth of insertion. Finally, the incident angle of the optimal path is determined. The experimental results show that the proposed method is better than the LEE method, which can make the pedicle screws have better mechanical properties. At the same time, the parameters of the incident point can provide a theoretical basis for the operation.
  Keywords:pedicle screws; spinal fusion; automatic preoperative planning; safety assessment
  0 引 言
  椎弓根螺钉由于其优越的生物力学特性,且术后恢复速度快等特点,被广泛应用在脊椎骨折、脊椎滑脱、脊柱椎间盘突出等多种情况下。而如何能在手术中安全、快速、准确的置入螺钉就成为了手术成功的关键。脊柱融合术的术前规划可以为医生提供一个术前参考,便于医生能够更准确的确定手术过程中使用的螺钉的长度以及螺钉的半径。一个合理的术前规划有助于提高手术成功率,减少手术时间减轻病人的痛苦。传统的脊柱融合术术前规划一般是在尸体骨骼或者动物骨骼上进行实验,不能很好的模拟病人的实际情况。这样对于手术的成功率带来了一定的影响。可见,一个合理的术前规划是尤为重要的。
  早在1959年,Boucher[1]报道了椎弓根螺钉用于腰骶椎融合取得了良好的效果。在这之后,各种椎弓根螺钉的固定系统逐步产生,并用于治疗各种脊柱疾病。目前临床置入椎弓根螺钉常用的方法主要为RoyCamile法[2]、Weinstein法[3]、Magerl法[4]以及人字嵴置法[5]。Roy法以关节突关节的延长线做垂线与横突中轴线相交的交点作为进钉点。Weinstein法考虑到了关节突关节在螺钉置入过程中可能会造成损伤进而影响非固定节段运动,因此该方法建议进钉点为关节突的外下侧也就是所说的“上关节突顶点”。Magerl法进钉点为沿固定椎体上关节突的外边缘的中轴线与横突的中轴线的交点。人字脊置钉法是通过对脊柱人字嵴及其毗邻结构进行解剖并进行研究后得到的以人字嵴顶点作为椎弓根螺钉的进钉点。Krag[6]等对Magerl法进行了改造,其进钉点与Magerl法相比更加靠外侧。这些方法虽然确定了进钉点但是在一定程度上因为定位困难导致不良置钉的机率增加,甚至还有可能出现多次重置的现象。为此一些学者提出术前辅助规划方法以此来对手术有一个明确的术前模拟,并给医生提供参考。王沫楠[7-8]等详细介绍了虚拟骨手术的建模方法,并在此基础上对股骨颈骨折固定方式进行了研究,LEE[9]等通过椎体边缘与螺钉之间的安全空间的方式来选取安全裕度并比较路径是否属于安全路径。并对每一条路径的深度进行比较。同时定义了两类错误路径,并对错误路径的进行排查。通过上述方式设计了椎弓根螺钉置入自动规划框架。然而在安全性方面对于安全路径的评判并未考虑到临界情况,在通过角度计算后给出的空间角度不便于实际过程中的应用。Matsukawa[10]通过有限元的方法定义了椎弓根螺钉的固定强度,测试了螺钉与椎骨间的咬合力。谢雁春[11]通过对比引导通道辅助下椎弓根螺钉置钉与传统置钉方法,得出两者置钉的准确性相同,但较传统方法缩短置钉时间。Lonjon[12]等评估了机器人导航系统对椎弓根螺钉置入的成功率。然而,由于图像的失真等因素,机器人进行手术的精度仍然不足。
  针对目前脊柱融合术存在的手术时间长成功率不高的问题,本文基于LEE法,以脊柱融合术术前规划的基本过程为主线。通过对LEE法的螺钉的安全性以及置入角度的改进来得到一个能够更准却更安全的椎弓根螺钉自动置入的方法。同时对椎弓根螺钉的入射点的入射角度进行确定,提高螺钉置入的成功率。   1 规划流程的选取
  图1为脊柱融合术自动术前规划的流程图,本方法在LEE法的基础上将规划过程分为3个主要部分,路径集生成、路径评判与优选、入射角的确定。其中路径的评判与优选主要分为3个步骤,即错误路径排查、安全性评估、插入深度计算。入射角的确定主要是通过计算路径与水平面以及失状面的夹角而确定。
  1.1 路径集的生成
  以椎体的椎管中心O为原点,建立空间坐标系。图2为椎弓根螺钉置入的计划路径,图中不规则部分为左侧椎弓根模型,直线表示螺钉置入的中心线。螺旋线部分为螺钉体。由图可以看出椎弓根螺钉的置入路径是三维空间中的一条线段。为此以L表示椎弓根螺钉的安全置入路径,分别选取z=zmin和z=zmax,此时在由x轴与y轴组成的二维平面上分别选取椎弓根螺钉的入射点与终点。当z=zmin时,在平面上以试先划定的备选区域以0.1cm的分度随机选取入射点(x1,y1)。当z=zmax时,在平面上以相同分度随机选取终点(x2,y2),进行迭代搜索可能产生的椎弓根螺钉置入的路径,形成椎弓根螺钉置入路径候选集,并记入向量A=[x1,y1,z1,x2,y2,z2]T中。
  1.2 路径评判与优选
  1.2.1 错误路径排查
  通过前一过程已经得到了椎弓根螺钉置入路径的候选集,为了得到安全的路径,在这里对已经生成的路径分别与错误路径进行比对,这样可以减少后期处理的时间。螺钉置入过程中错误路径主要是如下两种。图3称它为第一类错误路径。这类错误路径会引起在手术过程中两个螺钉在椎体内产生碰撞。图4称它为第二类错误路径。这类错误路径在由于没有经过椎体中线,而是偏向于脊柱外侧,这种情况下会对椎骨的受力面产生影响,对病人造成损伤。
  为了从路径候选集中排除这两类错误路径,且减少计算量采用式(1)对候选路径集中的路径进行错误排查。图5为椎弓根螺钉置入的期望路径示意图。其中实线为该轴向切片的对称轴,虚线部分为计划得到的插入路径。O点为椎管的中心点在参考面上的投影点。M点为椎骨中线与椎体在前皮质层上的交点。N点为备选路径与对称平面的交点在OM上的投影点,z的值用来判定候选路径是否为期望路径。
  由式(2)可以看出当z的值大于1时得到的路径为椎弓根螺钉置入的期望路径,并且有效的排除了错误路径。并将所有的期望路径重新放入备选路径集中。
  1.2.2 安全性评估
  为了保证椎弓根螺钉能够完全置入椎骨中,不给椎体周边神经及组织造成损伤,鉴于避免此类情况的发生引入安全评判标准如图6所示,其中虚线为空间中备选路径集中的某一条路径,R为置入椎骨中的椎弓根螺钉半径,而D(L,V)为椎弓根边界上某一点到候选路径上的欧式距离于是将安全裕度的数学模型描述为
  为三维空间中椎弓根的边缘点;MA可以表示为椎弓根螺钉边界与椎弓根边界的最小欧氏距离。根据脊柱椎弓根的生物力学特性,通常选取椎弓根螺钉的直径应不大于椎弓根半径的70%,从力学角度来看,椎弓根螺钉如果其直径超过了椎弓根直径的80%时,会导致脊柱椎弓根发生塑性形变,给患者带来严重的损伤[11]。由于在螺钉置入过程中存在一定的临界置入路径,并且实际手术中在螺钉的置入过程中存在一定的误差。因此本方法中引入安全保护量C,C的值为椎弓根半径的30%,这样就可以去除椎弓根螺钉置入的临界情况的路径,提高了螺钉置入的成功率。
  MA>0期望路径
  ≤0非期望路径(4)
  式中MA≤0,表示椎弓根螺钉部分透过椎弓根边缘,此时会给患者带来严重的损伤。为了确保螺钉能够最安全的置入,置入路径参数向量A的距离应达到最大化。
  arg maxAminDLA,Vxi,yi,zi (5)
  另外,半径R表示了从螺钉中心线到螺钉侧面的距离。从本质上说,螺钉置入的安全条件是保C螺钉侧面与椎弓根模型边界之间的距离是安全的,要使MA最大化,显然R越小越好;当R确定为固定值时,式(5)即为安全性的目标函数。并从备选路径中选出符合安全条件的路径生成新的备选路径集。
  1.2.3 插入深度估计
  螺钉与椎骨接触面的强度是保证脊柱融合术术后成功的一大关键因素。为此,选择螺钉部分置入椎弓根中最长的路径为最优备选路径,在备选路径集中分别计算每一条路径的置入深度。选取路径候选集中置入深度最大者的为最佳路径。根据脊椎的生物力学特性以及临床实验表明[13],椎弓根螺钉的较适宜的置入深度为椎弓根螺钉占椎体的80%。
  1.3 入射角的选取
  根据已经确定的最优路径的入射点(x1,y1,z1)以及终点(x2,y2,z2),可以确定空间路径L的向量A,则式(6)和(7)可以计算该路径与水平面以及失状面的夹角α和β。采用两个线面角来确定椎弓根螺钉的入射角,这样可以在实际手术的过程中便于路径的定位。并且本方法中选取的两个线面角能够更加容易对进钉角度进行定位,提高置入的成功率。
  α=π2-arccosz2-z1A(6)
  β=π2-arccosx2-x1A(7)
  本方法中对于LEE法进行改进,在安全性方面引入了安全保护量C,通过线面角来确定入射角,能够更好的确定螺钉置入的入射角,同时对整体的规划流程进行调整,更改了评估过程中的顺序,减少计算量。能够为实际的手术过程提供理论依据。
  2 实验及结果分析
  2.1 实验数据及标准
  实验对象:采取10位人体腰椎L1L5节脊柱CT图像。
  实验方法:将图像分别应用改进前与改进后的方法进行对比实验,观察并比较实验结果。
  实验标准:根据以上算法的评估标准对算法改进前与改进后进行对比,主要对比改进前后的钉占比w既螺钉的半径占椎弓根半径的百分比如式(8),并检验其是否超过70%。   w=椎弓根螺钉半径椎弓根半径×100%(8)
  2.2 安全性能分析
  根据本方法经过仿真得到图7为椎弓根螺钉置入的外观图。图中箭头部分所只想的部位即为通过本方法确定的螺钉置入的位置及角度。图8为螺钉置入的透视图,由图可以看出脊椎内部的螺钉可以很好的置入,并且达到置入的最大深度,同时考虑到手术的实际情况为防止螺钉穿透椎弓根,螺钉的置入深度应有一定的预留。
  采用五位病人的同一节CT图像进行算法改进的对比,其中图9为改进前后主要参数对比图,图中白色部分表示椎弓根半径,灰色部分为所选的螺钉尺寸,黑色部分为螺钉外边缘到椎弓根边缘的最小值既安全值。从图中可以看出改进后的螺钉的尺寸相对改进前有一定的提升。图10为改进前后钉占比的对比图,从图中可以看出改进后的钉占比较改进前有一定的提升,使其在椎体中较改进前更加牢固、稳定。并且钉占比不大于70%保证了螺钉置入后不会使椎体发生塑性形变,也保证了螺钉置入的安全性,提高了手术的成功率。
  3 结 论
  通过对LEE法的研究及改进得到一种椎弓根螺钉自动置入方法,通过对改进前后方法的对比及改进后方法的仿真,验证了方法的理论可行性,改进后的方法在原有的钉占比上得到一定的提升使其能够更稳定的置入椎体中,增加了螺钉的置入后的稳定性,同时对算法进行优化,并加入角度的计算能够让医生在以后的手术中提供一个有利的参考。对于术后的成功提供一个有利的理论依据。下一步研究可放在对处理速率的改进上,使其能够更快速的处理。
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  (编辑:温泽宇)


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