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可视化虚拟手术在齿状突骨折中的应用
时间:2015-10-19    评论:0
    来源:第三维度
    作者:刘登均,贺小兵,王明贵,殷浩
        王海,李争艳,李旭
    单位:重庆市涪陵中心医院骨科
        重庆市涪陵中心医院重症医学科
        重庆市涪陵李志沧骨科医院

    目的:通过探索虚拟现实技术来寻找一种实行经后路寰枢椎弓根螺钉内固定治疗齿状突骨折的方法,发掘可视化虚拟手术对寰枢后路内固定临床指导作用。

    方法:自愿者病例颈椎基于64排CT平扫得到连续薄层二维图像, Mimics软件分别重建寰椎、枢椎的三维可视化结构,在Mimics中的MedCAD版块中进行模拟手术。结果:三维重建图像结构清晰,可真实再现寰枢椎细微的结构,虚拟仿真手术中椎弓根螺钉进针点精确,钉道正确无误。

    结论:可利用计算机虚拟现实技术制定出最佳的寰枢椎椎弓根进针通道,在术前病风险评估,优化螺钉放置及临床手术教学等方面都有很大的应用价值。

    枢椎齿状突骨折是累及寰枢椎区域稳定性的严重损伤,发生率占颈椎骨折的10%~14%[1-2]。由于齿状突在解剖形态及结构上的特殊性,骨折并寰椎横韧带可导致寰枢关节不稳,寰椎向前移位可导致严重的高位脊髓损伤,严重者威胁患者的生命。对于II型骨折位(Andersont分型)来说无论前路齿状突中空拉力螺钉固定还是后路寰枢椎短节段固定,均恢复了寰枢椎间的生物力学稳定性,但寰枢椎毗邻结构复杂,后路椎弓根固定技术置钉不当可伤及脊髓、神经根、椎动脉等后,将带来灾难性的后果。如何在术前客观骨折情况、全面了解寰枢椎体侧块及椎弓根三维数据、准确而安全置钉成为了个体化手术追求的目标。

                         
    材料及方法

    一、临床资料及设备

    1.实验材料:

    (1)CT DICOM格式数据来源于我科一齿状突骨折患者(入院诊断:枢椎齿状突骨折并寰枢椎脱位(Anderson III,Franke E));

    (2)计算机工作站:Intel(R) Xeon ( TM) CPU 3G,双核四节点(8cpu) ,内存: 8G,硬盘: 320G (DELL Inc. USA) 。

     软件系统:(1)三维重建软件Mimics10.01(试用版);

    二、方法

    1.原始数据的采集

    利用philip64排螺旋CT对住院治疗的自愿患者进行扫描,层距:0.5mm,像素矩阵:1024×1024,得到相关图像,原始数据保留成Dicom格式,并且为DVD刻录保存。


1 CT平扫 

    2.骨骼三维模型的建立

    Mimics10.01软件读入Dicom格式的CT原始数据, 软件自动设定CT原始扫描参数,图片经过二次内插值处理,界定骨组织阈值在171-1193亨氏单位,软件自动形成各层面骨组织表面轮廓线,行图像边缘分割出上颈椎, 图像经编辑、补洞处理, 去除无关边缘杂点和冗余数据, 经区域增长3D计算建立骨性结构的三维几何模型。


  图2 3D结构          植钉示意图(后面)    置钉示意图(侧面)

    3.在3D模型进行三维测量(骨折线距离、三维角度、寰枢椎侧块和椎弓根的矢状径和横径)


5 模拟手术(前面)               6 模拟手术(后面)

    4.在Mimics10.01版块中进行模拟后路寰枢椎短节段固定,明确进针点的内倾角及水平角度,明确寰椎侧块螺钉大小,枢椎椎弓根螺钉的大小。


7 手术X片(侧面)       8 手术CT(后面)

    三、结果

   上颈椎序列清晰,完整,通过旋转和平移功能,可以清楚看见骨折线的范围,模拟手术中整个置钉准确无误,无突破椎弓根及侧块皮质。
   
    四、讨论

    1979年Althof等对尸体颈椎标本进行生物力学研究认为,水平剪切+ 轴向压缩的共同作用是造成齿状突骨折的主要机制[3-4]。另外儿童也可发生齿状突骨折,通常发生于齿状突与枢椎交界骨骺处。齿状突骨折的骨折线位于齿状突腰部,是人体内肾折最难愈合的部位之一,而且多合并寰枢椎脱位或不稳,单纯依赖外固定往往愈合率极低,近年来随着寰枢椎内固定技术的进步,多强调采用手术治疗。目前观点认为无论前路齿状突中空拉力螺钉固定还是后路寰枢椎短节段固定,均恢复了寰枢椎间的生物力学稳定性,但与前路中空螺钉相比,后路固定丧失了颈椎旋转功能的近50%,但寰枢椎钉棒短节段固定避免了枕颈固定融合,最大限度地保留了颈椎功能。本例患者年龄55岁,根据CT平扫及3D模型上显示齿状突骨折线为前下后上,考虑到前路中空拉力螺钉固定时骨折块易向前下滑移,因此选用后路寰枢椎短节段固定。

    后路寰枢椎短节段固定涉及到寰椎椎弓根和侧块的应用解剖研究、枢椎椎弓根和侧块的应用解剖研究。寰椎缺乏椎体和椎板及棘突,谭明生[5]等认为侧块与后弓连接处,即椎动脉沟处的后弓看作是寰椎的椎弓根。也就是与椎动脉沟的连接部叫做椎弓根,后弓的内缘作为椎弓根的内界,寰椎横突孔的内侧壁作为椎弓根的外界。因此在置入寰椎椎弓根螺钉时最关键的部位都是椎动脉沟。椎动脉沟底骨质最薄,解钊结构复杂[6]。上方有椎动脉横行穿过,下方有C2神经通过,外为椎静脉从,内为延髓生命中枢,所以它的厚度是决定寰椎椎弓根螺钉直径大小及手术能否实施的关键。本例通过MIMICS软件的三维测量功能显示椎弓根宽度和高度分别为8.52mm和5.53mm,基于模拟仿真手术,左右侧椎弓根均能能植入长度为24mm,直径为3mm的椎弓根螺钉,通过术后的三维旋转显示功能中,整个固定骨壁完整,钉道未伤及神经根、椎动脉和脊髓等重要组织。目前关于枢椎椎弓根的界定同样存在着不同的看法,Ebraheim[7]等认为枢椎上关突下方和横突孔前内侧的部分是椎弓根,上下关突之间的狭窄部分叫狭部。枢椎椎弓根螺钉的走行是经下关节突、狭部、进入椎弓根最后固定于椎体上。翟东滨[8-9]等认为椎弓根的高度不是置钉的限制因素,主要在椎弓根的宽度上。本例在仿真手术中以枢椎下关节突为标志,确定以下为关节突中心点的内、上各2mm为进针点,螺钉内倾31.8℃,上倾27.4℃,螺钉长度为24mm,直径为3.5mm。通过术后进钉通过的透明化处理,整个枢椎椎弓根钉道向上未突破上关节面,向外未突入横突孔,向内未占位椎管。

    MIMICS软件把薄层扫面的原始CT文件导入软件系统,在计算机屏幕上可以再现冠状位、矢状位和横断面的二维信息,可以多方位观察齿状突骨折情况,在了解齿状骨折、脱位及颈髓损伤方面,提供了更直观、立体的依据[10-11]。还可应用其放大功能,实现对细微骨折的划分,从而提高了诊断准确率。在三维图像上可以应用三维功能进行测量三维空间中的任意2点距离及3点角度,本例研究中可以精确测量椎弓根螺钉直径及高度,模拟进针角度。本例应用MedCAD功能中设计仿真手术,根据测量参数设计椎弓根螺钉的直径及长度,模拟进针角度及方向,每个进钉椎体可以进行任意旋转和切割,可以从任意角度观察钉道内的结构、螺钉的走向以及与毗邻结构的关节,若发生螺钉突破椎弓根某个方向的皮质,可以及时调整螺钉的方向有利于,直到位置满意为止,为临床医师选择和制定治疗方案。

    总之,MIMICS软件在诊断枢椎齿状突骨折中明显优于X线片和普通CT扫描,应用区域增长功能 ,能清楚显示骨折类型及与相邻椎体的关系,可显示椎管内碎骨片形态、位置、数量,椎管狭窄程度,脊髓受损情况,为临床制定治疗方案提供非常有价值的信息[12-13]。由于寰枢椎经椎弓根螺钉术操作的关键是准确的置钉技术。无血条件下的充分显露、进钉点的精确定位、螺钉向内倾斜的角度和螺钉向头尾端倾斜的角度是置钉成功的四个决定因素[14-15]。进钉点的正确选择是首要因素,由于个体间寰枢椎椎弓根的解剖差异,难以确定固定的解钊标志及数据,本例基于MIMICS软件的三维测量功能获取关键的解剖数据及植钉参数。基于虚拟仿真手术,为椎弓根螺钉的安全性分离提供保障,为实际手术提供参考。本例研究也有其不足之处,首先由于技术原因,本例并没有设计个性化的椎弓根植钉导航模板;其次虚拟仿真手术缺乏后续的生物力学分析,这将是我们后续的进一步研究计划。

    五、参考文献

    [1] 袁文.齿状突骨折及其生物力学研究进展[J].中国脊柱脊髓杂志,1998,1 (8):47-51.

    [2] Gerestenkon C,Cacciola R,Thomusch O,et al.Delayed diagnosis of odontoid fracture after whiplash trauma of the cervical spine[J].Unfallchirurg, 2000,103(10):895~897.

    [3]曹正霖,钟世镇,徐达传.寰枢椎的解剖学测量及其临床意义[J].中国临床解剖学杂志, 2000, 18 (4) : 299-301.

    [4]王清.齿状突合并周围骨折的诊断和治疗[J].中国脊柱脊髓杂志,2006,16(11):829-831.

    [5]谭明生,王惠敏,张光铂,等.寰椎椎弓侧块螺钉固定通道的CT测量[J].中国脊柱脊髓杂志,2003.13(1) : 28-31.

    [6]马向阳,钟世镇,刘景发,等寰椎椎弓根螺钉进钉点的解剖定位研究[J].骨与关节损伤杂志,2003.18 ( l0 ) : 683-685.

    [7]Ebraheim N,Rollins JR,Xu R,et al.Anatomic cosideration of C2 pedicle screw plcaement[J].spine,1996,21(2):691-695.

    [8]瞿东滨,钟世镇,徐达传.枢椎椎弓根及内固定的临床应用解剖[J],中国临床解剖学杂志,1999,17(2):153-154.

    [9]Howington JU,Kruse JJ,Awasthi D.Surgical anatomy of the C-2 pedicle[J].J Neurosurg,2001,95(1suppl):88-92.

    [10]刘登均,贺小兵,王明贵,等.Mimics软件在齿状突骨折中的诊断价值[J]. 局解手术学杂志.2012,21(2):10-11.

    [11]于四堂,吴广良.CT多层面重建对齿状突骨折的诊断[J].实用放射学杂志,2003,19(8):766~767.

    [12]Weisskopf M, Reindl R, Schroder R, et al.CT scans versus conventional tomography in acute fractures of the odontoid process[J].EurSpine J,2001,10 (3): 250-254.

    [13]Koivikko MP , Kiuru MJ , Koskinen SK. Occurrence of comminution ( type ⅡA) in type Ⅱodontoid process fractu - res : a multi~slice CTstudy[J]. Emerg Radiol, 2003 ,10 (2) : 84-88.

    [14]BlaksinMF,Avagliano P. Computed tomographic and magnetic resonance imaging of chronic odontoid fratures[J]. Spine, 1999, 24 ( 2) :158-162.

    [15]Hams J,Melcher RP.Posteior C1-C2 fusion with polyaxial screw and rod fixation[J].Spine,2001,26(22):2467-2471.
标签:手术齿状突骨折医学医疗
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