基于miminis軟件計算椎體強化術后骨水泥量與體積比的新方法

基于miminis軟件計算椎體強化術后骨水泥量與體積比的新方法

經皮腰椎強化手術是一種通過皮膚穿刺、椎弓根或椎弓根向外注入骨水泥的微創(chuàng)技術。近年來，它在臨床上得到廣泛應用，緩解疼痛，增強椎體，提高生物力學穩(wěn)定性[1.4]。此術式的關鍵點在于安全地向椎體內注入適量骨水泥,既往研究認為骨水泥注入量與療效及手術并發(fā)癥顯著相關,但在其推薦值上仍存在爭議[5~9],不同研究間存在爭議可能源于這些研究只對術中骨水泥注入量進行了分析,卻忽略了不同節(jié)段及不同個體的椎體體積可能不同。同時,術中骨水泥計量可能受到術中環(huán)境因素,術中記錄值可能偏離真實值,并且不同計量方法間可能存在差異。因此,為開展與骨水泥量相關的系統研究,很有必要尋找一種可以在術后客觀、準確地測量骨水泥注入量及計算骨水泥/椎體體積比的方法,但由于椎體內骨水泥及椎體均為不規(guī)則物體,常規(guī)的影像學檢查難以對其體積進行準確計算。我們利用Mimics軟件測量了一組患者的椎體內骨水泥量及骨水泥/椎體體積比,并檢驗了這一新方法的準確性及可靠性,報道如下。1數據和方法1.1ri重建術前患者2012年1月~2012年3月,我們對12例確診為骨質疏松性椎體壓縮骨折患者實施椎體強化術,術前使用MRI確定靶椎體,T112個、T128個、L12個、L21個、L31個,其中單節(jié)段骨折患者10例,雙節(jié)段骨折患者2例。12例患者中接受椎體后凸成形術5例,椎體成形術7例,所有患者均使用標準式推桿注入骨水泥。12例患者中,男4例,女8例;年齡62~75歲,平均68.30歲;病程10d~3個月,平均19d。1.2骨窗觀察條件所有患者均在術后2~3d接受CT掃描(東芝AQUILION64排螺旋CT)。掃描條件:120kV、250mA。以手術椎體為中心確定掃描節(jié)段,在骨窗中觀察骨骼結構。測量窗寬2056HU,窗位250HUCT。斷層掃描層厚設定為0.5mm,患者取仰臥位,掃描完成后導出DICOM格式圖片,由脊柱外科醫(yī)師保留。1.3骨水泥注漿量的計算納入病例均使用標準化定量推注管道注入骨水泥,由2名脊柱外科醫(yī)師準確記錄骨水泥量,每一推桿的核定容積為1.25ml/根(術中使用推桿為雅孚侖公司提供的KMC椎體成形器械),推桿上有標記將每根推桿平分為三等分。記錄椎體內注入骨水泥桿數,如未注入全桿,則利用注入水泥占推桿的比例來計算骨水泥量。為盡量減少記錄數值的誤差,術中安排2名脊柱外科醫(yī)師記錄注入量,最終骨水泥注入量取兩者計算的平均值,如兩者間計算誤差超過0.5ml則視為數據不準確,不予納入統計。1.4骨水泥注射milcs軟件的應用1.4.1生成mimcs文件開啟Mimics14.1軟件(Materiallisesoftwar,Belgium),將CT薄層斷層掃描的DICOM圖像輸入計算機后導入Mimics14.1軟件中,自動創(chuàng)建一個Mimics項目文件。1.4.2骨組織ct值的計算及分析利用軟組織、骨組織密度不同、CT值也不同的特點,在Mimics軟件中應用閾值分割工具快速將骨組織與軟組織分開,參考的閾值范圍為系統默認的骨組織界定閾值(226~3071亨氏單位)。軟件自動形成各層面骨組織的表面輪廓線,并獲得該區(qū)域脊柱節(jié)段的三維模型(圖1)。1.4.3椎體內骨水泥三維重建及計量利用骨水泥與骨組織CT值不同的特點,應用閾值分割工具將骨水泥從脊柱節(jié)段中獨立出來,并生成高質量級別骨水泥三維模型(圖2)。使用Mimics軟件的三維體積計算功能計算出體內骨水泥體積(精確至0.01mm3)。1.4.4腰椎體積、骨水泥估計量的檢測應用Mimics軟件的Editmask工具,對骨組織圖像進行編輯,在所有斷層圖像上將手術椎體與滲漏骨水泥、椎弓根及肋骨分隔開,從而單獨分離出手術椎體,其中椎體與椎弓根的分隔線統一確定為椎弓根椎上切跡和椎下切跡前緣,最終將強化后的椎體單獨分離出來,輸出高質量級別的三維重建圖像(圖3)。并利用三維計算功能計算出椎體體積(精確至0.01mm3)。安排兩名熟練使用Mimics軟件的脊柱外科醫(yī)師分別進行測量,統計分析不同檢測者計算值間的差異,并計算出兩個檢測者檢測出的骨水泥量平均值(定義為椎體內骨水泥估計量)與術中實際注入量進行比較。將最后計算值按毫升(ml)數值記錄,1ml=1000mm3,精確至0.01ml。1.5結果對比檢測所有數據均為計量資料,使用SPSS13.0統計軟件進行處理,統計方法使用配對t檢驗,輸入統計軟件時數據精確至0.01。對比術中實際骨水泥注入量與Mimics軟件計算出的骨水泥量(兩個檢測者計算值的平均值),評估差異的顯著,判斷這一方法的準確性。比較兩個不同操作者檢測出的骨水泥量及椎體體積,評估不同檢測者計算值的差異性,從而判斷其可靠性。P<0.05定義為兩組間有顯著性差異。2腰椎內骨水泥注入量12例患者共14個椎體接受了椎體強化術,手術均順利完成,術中未發(fā)現明顯骨水泥滲漏。其中有2個椎體在術中記錄骨水泥注入量時,2名醫(yī)師間存在顯著偏差(兩者記錄值之間的差異>0.5ml),遂未納入本次研究,其余12個椎體的實際骨水泥注入量與基于Mimics軟件計算出的椎體內骨水泥估計量比較無顯著性差異(P>0.05),不同檢測者計算出的骨水泥體積及椎體體積間也都無顯著性差異(P>0.05,表1)。椎體內骨水泥/椎體體積比為0.19±0.03(0.13~0.23)。同時,Mimics軟件可以利用三維成像清楚顯示骨水泥與椎體的關系(圖4)。3骨水泥注入量的推薦值1984年在法國Amiens大學Galibert等成功開展首例經皮椎體成形術治療C2椎體血管瘤后,經皮椎體強化術逐漸受到重視,得到廣泛的應用,并在臨床上取得理想的效果[1~4]。目前經皮椎體強化術主要用于難治性、疼痛性骨質疏松性椎體壓縮骨折,也有報道用于陳舊性椎體骨折不愈合或椎體缺血壞死及椎體腫瘤。眾多研究表明,椎體強化術能明顯減輕患者疼痛、恢復椎體高度,并且有創(chuàng)傷小、并發(fā)癥少、恢復快、療效確切等優(yōu)點[1~4]。椎體強化術的關鍵點在于安全地向椎體內注入適量骨水泥,理想的骨水泥注入量應同時滿足恢復椎體強度、保證臨床療效及降低骨水泥滲漏風險等要求,但在骨水泥注入量推薦值上目前仍沒有統一標準。過量的骨水泥注入可能會增加骨水泥滲漏、肺栓塞及相鄰節(jié)段骨折的風險。田云虎等認為,骨水泥注入量越大,滲漏的機會就越大。Li等通過回顧性分析單個椎體成形術的患者,結果顯示較大的骨水泥注入量顯著增加了相鄰節(jié)段再發(fā)骨折的風險。因此,骨水泥注入量并非越多越好,過多骨水泥注入與椎體強化術的并發(fā)癥存在密切關系。但最少注入多少骨水泥即可獲得良好的生物力學效應及臨床療效呢?在經皮椎體強化術實驗早期,Cotton等認為必須將整個椎體前柱都注滿骨水泥才能恢復生物力學的穩(wěn)定性,而后Diamond等通過臨床觀察和隨訪后提出,椎體內只需注入骨水泥1ml即足以緩解疼痛達到滿意的臨床效果。Belkoff等通過尸體研究又指出,注入2ml骨水泥即可恢復椎體的剛度。不同研究在骨水泥注入量推薦值上存在爭議。如前所述,既往研究[5~9]在骨水泥注入量推薦值上存在爭議,可能與以下因素有關:(1)既往研究更多地關注了術中骨水泥注入量,而沒有關注到不同患者、不同節(jié)段的椎體體積不同,然而不同大小的椎體內注入相同量的骨水泥顯然會產生不同的效應。在研究骨水泥量時不將椎體體積納入考慮,只是單純計算骨水泥注入量,這可能是導致不同研究結論出現偏差的主要原因。(2)術中記錄骨水泥量可能受到術中環(huán)境因素影響,導致記錄存在誤差。如同本次研究,我們?yōu)闇p少偏差,專門安排2名脊柱外科醫(yī)師同時記錄,但仍然有2個椎體的骨水泥注入量在不同記錄者間存在顯著偏差,這一現象進一步說明了術中記錄骨水泥量可能受到環(huán)境的影響,使記錄值偏離真實值。因此,如果有一種客觀、準確的方法能夠在術后對注入骨水泥量及椎體體積進行計算,將可以減少不同研究之間的偏差,更利于大樣本、多中心臨床研究的開展。同時,在研究骨水泥推薦注入量時,引入骨水泥/椎體體積比這一新指標可能更為合理,相比單純的骨水泥注入量而言,骨水泥/椎體體積比更適用于不同個體及不同脊柱節(jié)段。但是,由于椎體內骨水泥及椎體都屬于不規(guī)則物體,臨床上應用的傳統影像成像技術難以計算它們的體積。Mimics軟件是Materialise公司的交互式的醫(yī)學影像控制系統,是一個連接二維圖像數據(CT、MRI)和三維工程學應用的圖像處理工具。應用領域包括解剖學測量、三維分析、有限元分析、設計植入體或裝置以及手術計劃和模擬。已有較多學者應用Mimics軟件開展了臨床研究,向湘松等應用Mimics軟件測量股骨遠端旋轉力線,張國棟等應用Mimics軟件基于三維重建技術及有限元分析測量脊柱骨密度。Mimics軟件具有強大的三維成像及不規(guī)則物體體積計算能力[12、13],利用軟件配置的按一定CT值的區(qū)域增長功能可以輕易地將骨水泥及椎體骨質分開,從而精確計算出椎體內骨水泥體積。本研究通過配對t檢驗將12例患者術中精確計算的骨水泥注入量與Mimics軟件基于術后CT影像資料的估算量進行對比,我們發(fā)現本組患者中Mimics軟件計算的骨水泥量與真實的骨水泥注入量間無顯著性差異,并且,本研究還對2名操作者的測量值進行對比,亦無顯著性差異。因此,我們認為這一方法的準確性及可重復性均較高,可用于計算骨水泥量及骨水泥/椎體體積比,這一方法相比術中記錄來說更為客觀,更利于在多中心、大樣本臨床研究時作為統一測量標準,更重要的是這一方法可以快速得出骨水泥注入量與椎體體積比。本組患者中,我們發(fā)現即使是同一節(jié)段的椎體,不同患者的椎體體積也有顯著不同,對于不同患者而言,注入4ml或6ml骨水泥可能在骨水泥/椎體體積比上是相同的,這更說明在研究骨水泥注入量時,如果只是單純計算骨水泥注入量、卻忽略不同的椎體體積,將可能將研究導入誤區(qū),難以得出準確的骨水泥注入量推薦范圍。我們認為“骨水泥量/椎體體積比”這一新檢測指標比單純的骨水泥注入量有更重要的臨床價值,可能為今后的臨床研究提供新的方向。致謝:感謝香港理工大學生物醫(yī)學工程跨領