椎弓根钉道参数CT测量新方法的研究
作者：谢瑞刚 葛英辉 史大鹏 程天明 张涛 郭滢 王红强
【摘要】 目的: 提出一种椎弓根钉道参数CT测量的新方法。材料与方法: 以1个椎体为例进行操作步骤演示。 对在三维方向冠、轴、矢状面上具有一定旋转角度的1个椎体标本进行螺旋CT扫描，原始数据进行多平面重组，依次找出椎体的冠、轴、矢状面、椎弓根钉道的矢状面、轴状面，并进行校正。结果: 在椎体的冠、轴、矢状面上可准确测得椎体在冠、轴、矢状面上的旋转角度，在椎弓根钉道的矢状面、轴状面上可准确测得椎弓根钉道在椎体自身矢状面、轴状面上的倾斜角度及椎弓根钉道的长度、宽度等。结论:CT测量方法可准确找到椎体及椎弓根钉道的真正轴面，准确测得相关参数。
【关键词】 CT;测量方法;椎弓根
青少年特发性脊柱侧凸（adolescent idiopathic scoliosis，AIS）后路矫形手术中，尚有一定的置钉失败率，许多学者建议采取个体化置钉术，但由于严重AIS椎体在三维空间旋转角度大者，其X线片上影像重叠较多，所以椎弓根钉道长度、宽度及椎弓根钉道在椎体自身矢状面、轴状面上的倾斜角度等重要参数常由CT测得。虽然CT测量椎弓根钉道参数已常规用于经椎弓根内固定的术前手术方案设计，但目前尚无一种广为接受的较为标准的关于AIS的CT测量方法及其相关详细测量步骤，且国内未见有关CT测量方法的准确性及可重复性研究的报道。笔者通过对我院2001～2004年27例AIS者的术前CT测量，了一种新的CT测量方法，具体测量步骤以1个椎体标本为例详细报道如下。
1材料与方法
1.1 采用GE light speed plus CT，对1个干燥人体胸椎标本进行螺旋扫描，由于AIS单个椎体在冠、轴、矢状面的旋转角度一般小于90°，故椎体标本在三维空间的旋转角度可设定为小于90°的任意角度。扫描条件为:80kV，10mA，扫描野 50cm，层厚 5mm，螺距 1.5∶1，床进速度15mm/转，螺旋时间 1.0秒/转，层间距 5mm，标准重建。重建原始数据:重建层厚2.5mm，重建层间距1.25mm，显示野15cm。
1.2将上述数据传至ADW4.0 工作站，进行三维SSD重建及多平面重组。
1.3多平面重组方法进入多平面重组模式，屏幕上可同时显示4幅图像，包括斜面（此处称其为第1斜面）、轴状面、矢状面及冠状面，上述4幅图像分别位于屏幕的左上方、右上方、左下方和右下方，通过调节屏幕右上方的轴状面，使其也变换为斜面（此处称其为第2斜面），则屏幕上可同时显示两个斜面（即第1斜面和第2斜面，分别位于屏幕的左上方和右上方），用于切换显示相应的重组图像。
1.3.1依次找出椎体的冠、矢、轴状面。具体步骤为: ① 椎体冠状面的重组过程:在屏幕右下方的冠状面图像 上，选择能够同时清晰显示两侧椎弓根的层面，经两侧椎弓根中点连线，在屏幕左上方的第1斜面上可得到一个经两侧椎弓根的斜轴面（即第1个斜轴面），在该面上，经两侧椎弓根连线（平行于椎体后缘），在屏幕右上方的第2斜面上可得到双侧椎弓根斜冠状面图像，此图像经下述步骤重复测量，进行校正后即为椎体的冠状面（经双侧椎弓根）。 ② 椎体矢状面的重组过程:在上述双侧椎弓根斜冠状面图像上，经两侧椎弓根中点再连线，在屏幕左上方的第1斜面上又可得到一斜轴面，在该面上，经椎体前、后缘中点连线（垂直于椎体后缘），则在屏幕右上方的第2斜面上可得到椎体的矢状面图像。 ③ 椎体轴状面的重组过程:在上述椎体的矢状面图像上经椎弓根中点（或椎管中心）作与椎体上缘终板平行的线，则在屏幕左上方的第1斜面上可得到该椎体的横轴面。 ④ 重复上述步骤，进行校正:在上述测量基础上，返回第一步，从屏幕左上方的第1个斜轴面开始，再次按照上述步骤重组图像，经过如此校正，则可得到准确的椎体的冠、轴、矢状面图像。
1.3.2依次找出椎弓根钉道的矢状面、轴状面。具体步骤为: ① 椎弓根钉道矢状面的重组过程:在屏幕左上方的第1斜面上，在上述校正后的椎体轴状面图像上，经右（或左）侧椎弓根中轴画线，则在屏幕右上方的第2斜面上可得到经右（或左）侧椎弓根钉道的矢状面。 ② 椎弓根钉道轴状面的重组过程:在上述椎弓根钉道的矢状面上经右（或左）侧椎弓根中轴画线，则在屏幕左上方的第1斜面上即可得到经右（或左）侧椎弓根钉道的轴状面。 ③ 椎弓根钉道矢状面、轴状面的进一步校正:在上述椎弓根钉道的轴状面上，再次经右（或左）侧椎弓根中轴连线，按照上述步骤，重复上述重组过程，经过如此校正，则可得到准确的椎弓根钉道的矢状面、轴状面。
2结果
2.1 经过上述多平面重组，可得到椎体的冠、轴、矢状面及椎弓根钉道的矢状面、轴状面。
① 校正后的椎体冠状面图像上，经双侧椎弓根中心画线，此线与水平面的夹角即为椎体在冠状面上的旋转角度 （c） （图1）。 ② 椎体轴状面图像上，经椎弓根画线，平行于椎体后缘，此线与冠状面的夹角即为椎体在轴面上的旋转角度 （a） （图2）。该轴面为经椎弓根平行于椎体上缘终板的平面。 ③ 椎体矢状面图像上，经椎管中心画线，平行于椎体上缘终板，此线与水平面的夹角即为椎体在矢状面上的旋转角度 （s） （图3）。 ④ 在椎弓根钉道矢状面图像上，经椎弓根中轴画线，此线与椎体横轴面的夹角即为椎弓根钉道在椎体自身矢状面上的倾斜角度 （ss） （图4）。 ⑤ 椎弓根钉道轴状面图像上，经椎弓根中轴画线，此线与椎体自身矢状面的夹角即为椎弓根钉道在椎体自身轴状面上的倾斜角度 （aa） （图5）。 ⑥ 椎弓根钉道自身轴状面图像上，可测得椎弓根钉道的长度及宽度（Length、Width）（图6）。
2.2 椎体标本的SSD三维重建图像可以反映椎体、椎弓根的实际空间位置（图7），其中，椎体的冠、轴、矢状面及椎弓根钉道的矢状面、轴状面图像、椎体在冠、轴、矢状面上的旋转角度、椎弓根钉道在椎体自身矢状面、轴状面上的倾斜角度及椎弓根钉道的长度、宽度等，均与椎体标本的经多平面重组后所得相应图像具有一致性。
图1 椎体在冠状面上的旋转角度 （c） ，上线经双侧椎弓根中点，下线为水平线（略）
图2 椎体在轴状面上的旋转角度 （a） ，上线平行于椎体后缘，下线为冠状线（略）
图3 椎体在矢状面上的旋转角度 （s）， 上线平行于椎体上缘终板，下线为水平线（略）
图4 椎弓根钉道在椎体自身矢状面上的倾斜角度 （ss）， 上线平行于椎体上缘终板，下线为椎弓根中轴线（略）
图5 椎弓根钉道在椎体自身轴状面上的倾斜角度 （aa）， 右线为椎体自身矢状线，左线为椎弓根中轴线（略）
图6 椎弓根中轴线与椎体前缘及椎板后缘分别有一个交点，上述两点之间的距离即为椎弓根钉道的长度（Length），椎弓根最窄处左右径即为椎弓根钉道的宽度（Width）（略）
图7 同一椎体的三维SSD图像正面观，该图可反映椎体在冠、轴、矢状面上的旋转程度，与上述多平面重组图像之图1，2，3 （c、a、s） 具有一致性 （略）
3讨论
3.1常规CT测量方法及其不足之处AIS者常需在三维方向上矫正畸形［1，2］，在椎体后路经椎弓根置钉手术中，准确的椎弓根钉道参数有助于选择合适的螺钉尺寸、确定正确的螺钉置入方向，并有助于设计恰当的矫正方案，达到理想的三维矫形效果。另外，由于不同个体间椎弓根钉道参数值存在差异，临床上常需采用个体化置钉术。术者常依据X线片及CT图像测量椎弓根钉道参数。在X线片上，可测得椎体在冠状面、矢状面上的旋转角度，而椎体在轴状面上的旋转角度，常用Nash和Moe法［3］进行粗略测量。椎弓根钉道各参数在普通CT上常采用沿椎弓根轴线的平面进行薄层扫描测量，在螺旋CT上常依据容积扫描后重建得到的椎弓根钉道轴线层面进行测量。椎弓根钉道参数的CT测量原则为经椎弓根轴线平面测量各参数［4～8］，其方法可分为经二维或/和三维重建后找到经椎弓根轴线的“真面”［9］。其中，杨泽年［4］采取轴位椎弓根最宽层面寻找椎弓根轴线的真面;沈军［8］则采用三维下切割的方法，找到椎弓根轴线真面。但对于AIS等在三维空间冠、轴、矢状面上旋转角度大的椎体，如何找到经椎弓根轴线的真面较为困难。不同著者提出了不同的方法:于威等［10］报道，在三维模式下经过旋转切割等方法采集椎弓根轴线的真面;王宗烨等［11］报道，根据脊柱侧弯的程度，重建出的图像关键在于逐一调整重建出所需椎体的横断位图像，并显示出最佳椎弓根层面。但在二维或三维重建模式下，如何确保测量平面为经椎弓根轴线的真面，如何控制每一步测量的准确性及可重复性，以及如何有序地测量所有参数，文献中未见详细报道。虽然文献中关于AIS椎体在轴面旋转角度的测量方法［3，12～16］，以及关于AIS椎体X线参数准确性［17～19］的报道较多，但是，国内文献中未见相关CT测量方法准确性的实验研究，而且国外文献中关于CT测量椎体参数准确性的实验研究，多数仅为关于CT测量椎体在轴状面旋转角度［13，15，16，20，21］ ，或CT测量Cobb氏角［22］的准确性的报道。
3.2CT测量方法的特点及其与常规CT测量方法的比较本方法采用螺旋CT多平面重组技术，对在三维空间冠、轴、矢状面上有一定旋转角度的椎体的原始CT图像进行重组，以屏幕右下方冠状面图像上双侧椎弓根为测量的起点，依次找出椎体的冠、轴、矢状面、椎弓根钉道的矢状面、轴状面，并进行校正，通过上述CT测量，对椎体椎弓根旋转状态的逐步揭示，即能够保证测量平面为经椎弓根轴线的真面。文献报道的二维三维重组CT方法中，未见有关测量起始点的详细报道，在实际测量时，多为在冠、轴、矢状面及斜面上适当旋转各面，然后得到椎弓根轴线的真面，由于这种方法没有相对固定的测量起始点及测量顺序，所以随意性强，可重复性差，尤其对于AIS椎体旋转角度大者。而文献中对三维图像进行旋转切割的CT方法，虽然测量都以三维图像为起始点，然后经椎弓根轴线切割获得参数，但是因为在CT显示屏上较难对三维图像中椎弓根中轴线的空间位置做出准确判断，所以每次三维图像旋转的角度是否均能使得双侧椎弓根在同一水平面上，切割线是否恰好通过椎弓根轴线等，是值得商榷的问题，这些均可影响测量的准确性。测量中，若由于测 量步骤的随意性或测量线的不易确定性，而使得各测量线未能沿着唯一准确的方向，则会引起相应的测量误差。本法测量过程中，各重要测量点或测量线也都由测量者确定，如:椎弓根的中点、椎体前后缘的中点、平行于椎体后缘或平行于椎体上缘的线、椎弓根的中轴线等，其中一些点或线的准确位置不易界定，如椎弓根前后缘中点的连线［20］等，因此，同样可能会存在一定程度的误差。但本CT测量方法的多平面重组过程中，每一步骤都可进行重复，通过重复测量，可减小偶然误差，从而控制测量的准确性。
3.3AIS的结构特点及其CT测量特点AIS者主要表现为椎体在三维空间冠、轴、矢状面上的曲度异常，其椎体结构完整，与正常椎体相比，AIS椎体可有以下形态学变化，如:椎体前柱较长、后柱较短，前缘、后缘高度增加，凹侧缘高度减低，单侧椎弓根变扁变长、单侧椎弓根骨皮质变厚、骨松质变薄及关节突变形等［23，24］。但是，单个椎体其左、右侧差异的绝对值较小。并且，与正常椎体相比，AIS椎弓根钉道在椎体自身轴状面和矢状面上的倾斜角度并无变化［24］。另外，正常椎体也常见双侧椎弓根、椎板长度不相同等形态上的不对称性［25］。由此可见，与正常椎体相比，不同严重程度的AIS椎体畸形，其椎体及椎弓根在三维空间的旋转角度变异较大，而椎体自身结构形态的变异程度较小。因此，相对而言，在椎弓根钉道参数的CT测量过程中，更主要的困难在于椎体椎弓根钉道在三维空间冠、轴、矢状面上旋转角度的变异较大，使得椎体椎弓根钉道的真正轴面较难准确获得，而不是在于椎体自身形态结构的变异所引起的测量困难。故本文选取正常椎体标本，将正常椎体标本在三维空间冠、轴、矢状面上旋转一定的角度，用于模拟AIS的畸形状态，代替AIS椎体进行试验。
3.4本CT方法的创新性及其适用范围国内外中尚未见与该CT测量方法步骤类似的详细报道。本方法适用于AIS及正常椎体，尤其适用于AIS椎体，因AIS椎体在三维空间冠、轴、矢状面上的旋转角度较大，常规CT测量方法较难准确找出AIS椎体及椎弓根轴线的真正轴面。本方法可应用于AIS保守者随访观察其侧凸程度，AIS手术治疗者术前、术后侧凸程度评估等。而对于正常椎体，由于其在三维空间冠、轴、矢状面上的旋转角度较小，且有一定的，常规CT测量方法即可较易找出其椎体及椎弓根轴线的真正轴面，运用本CT方法测量会显得步骤较为繁琐，当然，由于本CT方法操作步骤能找到真正的椎体椎弓根钉道轴面，且测量过程可进行重复，因而测量结果具有准确性。对于椎体结构不完整者，如椎弓根断裂移位或半椎体畸形等，则不能完全套用本法进行CT测量，而应根据具体测量目的进行相应的CT测量。
3.5CT与X线、MRI测量的比较及CT多平面重组与SSD、VR重建的比较
3.5.1CT测量与X线或MRI测量的比较 常规认为，CT和MRI测量较X线测量准确。若采用相同的测量方法，MRI与CT所测得的参数值理论上没有差别。但MRI对骨骼的显示能力以及MRI的空间分辨率均不如CT。
3.5.2 CT多平面重组与三维重建SSD或VR相比 本法采用CT多平面重组技术，在二维平面上进行参数测量，测量结果较准确。而三维重建图像如SSD或VR的立体感强，较直观，适合术前、术中模拟。
有文献报道，3D模式下可准确测量各参数值［26］。笔者认为，在3D模式下，显示屏的左右、上下方向的位置偏差可以控制，而在前后方向的偏差是无法察觉的，常需在另外的垂面上校正测量点，但在该面上，上下方向的偏差又会无法察觉。因此在3D模式下测量数据，可重复性差。但准确的论断有待于进一步的试验证实。
3.6展望与不足文献报道在使用CT建立三维导航图像时存在层厚层距误差及其他误差，使得椎弓根钉的置入难于达到100%的精确率［27］。因此进一步分析这种CT机器自身测量误差［28］及其对椎弓根钉道参数测量结果的影响程度也很有必要。将来，随着本CT测量方法准确性的进一步验证，这一方法用于三维导航脊柱手术将成为可能，继而有望进一步提高椎弓根钉置入的精确率。由于文献中所述的椎体参数CT测量方法常常仅限于对诸多椎体参数中的某一个或数个进行CT测量，虽然于威等［10］所述的CT方法可较全面测量诸多椎体参数，但因其未对该CT方法的准确性和可重复性进行深入分析，而是直接对其指导手术的准确性进行了评价，尽管丁立祥［23］认为自己所采用的CT方法可信度和可重复性良好，但其并未详细报道相关的试验结果及分析过程，所以，本文尚未能够对文献中所述CT测量方法与笔者所提出的CT方法进行对比评价。
3.7 本研究详细描述了CT测量AIS椎弓根钉道参数的具体步骤，而对该CT测量方法在临床中应用的可行性仅仅从理论上进行了初步探讨，因此，选取更多的不同形态的真正的AIS椎体标本、以及不同严重程度的AIS畸形患者为实验对象，继续进行基础试验及临床研究并深入分析其准确性仍很有必要。
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