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腰椎椎管的解剖、三维重建及可视化研究

作　者: 李林宏
导　师: 钱学华
学　校: 重庆医科大学
专　业: 人体解剖与组织胚胎学
关键词: 脊柱腰段断面解剖腰椎管狭窄侧隐窝电子计算机X射线断层扫描技术三维重建有限元
分类号: R687.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

目的和意义目前脊柱疾病呈现多元化,腰腿痛是威胁中、老年人的主要健康问题之一。一般认为腰椎退行性改变(如椎间盘突出、椎管狭窄、腰椎不稳等)所造成的脊神经根和脊神经节急、慢性损伤是导致腰腿疼痛的主要原因。此外,脊柱腰段是人体脊柱负载最大、运动幅度较大的区域,该区域小关节、韧带、筋膜、血管、神经配布复杂,是较易发生增生性或退行性变的部位,骨、韧带、筋膜的病变常累及毗邻血管、神经,导致腰腿痛。通过计算机断层扫描(Computer tomography,CT)、核磁共振成像(Magnetic resonance imaging,MRI)、大体解剖、断面解剖、手术路径的可视化来观察和测量椎间盘、腰神经根、手术路径毗邻关系,拟寻找最佳的手术入路,探明手术并发症的解剖学基础,建立可视化手术的早期模型就显得尤为重要。因此,对脊柱腰段主要结构及其毗邻关系进行断面解剖学、影像学和三维可视化研究,阐明腰椎各主要解剖结构的形态结构规律和空间位置关系,将有助于腰椎、腰椎间盘疾病的诊断和治疗,也为脊柱显微外科手术提供了相关的导航信息。本研究从脊柱显微外科手术应用角度出发,采用断面解剖与多排螺旋CT(Multi-slice computed tomography,MSCT)影像对照的方法,观测了腰椎及毗邻结构,并在此基础上运用Materialise公司的交互式医学图像控制系统(Materialise’s Interactive Medical Image Control System ,Mimics)10.0医学三维重建软件重建脊柱腰段的可视化三维动态模型,旨为进一步开展脊柱的有限元分析和虚拟仿真手术奠定基础。材料与方法1采用30具(男性18具,女性12具)外观正常成人脊柱腰段横断面标本及8具(男性4具,女性4具)矢状断面标本对腰椎相关解剖结构进行断面解剖学观测,并采集相关数据进行统计分析。2随机抽选100例(男性57例,女性43例)无明显腰骶部疾患正常成人,采用GE LightSpeed 64层螺旋CT行腰骶部平扫,扫描参数:管电压100～120 kV,管电流250～300 mA;球管转速0.4s/r,螺距0.531/0.969,矩阵512×512,扫描层厚5 mm,重建层厚0.625 mm,重建间隔0.625 mm,利用CT自带的GE ADW 4.2工作站对脊柱腰段进行三维重建,观测脊柱腰段的相关解剖结构,采集相关数据进行统计分析,并结合断面标本所测结果进行对比分析。3选用1例64-MSCT的脊柱腰段平扫数据,利用Mimics医学三维重建软件,重建脊柱腰段的可视化三维动态模型。再利用Ansys有限元软件对模型进行有限元分析,达到仿真虚拟手术。结果第一部分脊柱腰段的大体形态学及CT研究解剖标本与CT研究中,椎体横、矢径,以及椎孔横径存在性别差异(男性>女性,P<0.05),但椎孔矢径无性差,而不同椎体间椎孔矢径存在差异,不同椎体的横、矢径存在显著差异(P<0.05);脊椎指数均<1:4.5,且存在性别差异(男性>女性,P<0.05),不同腰椎间有显著性差异;椎弓根横径、OE径均存在性别差异(男性>女性,P<0.05),不同椎体的该两径值存在显著差异(P<0.05),但该两径值的侧差无显著性差异(P>0.05);Z角在不同腰椎间存在显著性差异(P<0.05),但无性差、侧差(P>0.05);腰椎椎板夹角变化较大(70°～90°);CT测量显示椎弓根高度、椎间孔前后径、椎间孔上下径均存在性差,但椎板厚度无性差。解剖组与CT组各数据值表现趋势基本一致。断面标本L3~L5侧隐窝矢径(经椎间盘)分别为(7.43±0.52)、(7.34±0.77)、(6.78±0.58)mm,无性差;CT扫描腰椎3~5侧隐窝矢径(经椎间盘)存在性差,男性分别为(7.05±1.19)、(6.25±0.94)、(6.98±1.30)mm;女性为(7.53±1.37)、(7.05±1.14)、(7.35±1.39)mm;侧隐窝及其相关结构的数值在断面及CT表现趋势基本一致;在断面和CT上,侧隐窝矢径(经椎间盘)与黄韧带厚度的相关关系无统计学意义,但与椎间盘横径、矢径均呈负相关。第二部分脊柱腰段三维重建可视化及有限元研究利用CT和MRI薄层扫描数据,应用Mimics软件建立脊柱腰段的三维可视化模型,基于CT和MRI薄层扫描数据成功重建活体脊柱腰段的三维可视化模型,具有较高的真实性和准确性,并可对其形态结构进行定性观察和定量观测。脊柱模型中骨性结构及相关软组织形态逼真,解剖学标志清晰,可用不同颜色、任意组合显示,并可对模型放大、缩小、旋转等全方位观察。对模型进行透明处理,可以很好的显示骨结构和周边软组织的关系。利用Mimics的仿真模块能对模型进行任意切割,能自动显示切除或未切除的脊柱腰段结构,并且可将三维模型图像保存为BMP或JPEG格式,或录制成AVI格式的电影输出动态显示,其播放画面清晰流畅。此外,重建的脊柱三维模型有助于教学和形态功能研究,并为进一步开展骨关节有限元分析和虚拟仿真手术奠定基础。主要结论1.通过断面标本和64-MSCTA三维重建对脊柱腰段进行研究,两种方法各有利弊,互为补充;CT研究结果与大体标本观测结果基本一致,即趋势一致,是一种可靠的临床检测方法,可为相关脊柱手术术前提供导航信息,指导制定合理的手术方案。2.不同性别、不同腰椎间的形态数据存在显著差异;椎体横、矢径,椎孔横、矢径,脊柱指数,椎弓板夹角均可作为诊断腰椎孔狭窄的参考指标;椎弓根螺钉选择需结合术前影像测量。3.椎间盘、黄韧带数据均可作为诊断侧隐窝狭窄的参考指标;侧隐窝狭窄是导致腰椎管狭窄的一个重要因素。侧隐窝及其相关结构的数值在断面解剖及CT上表现趋势基本一致,即CT可较好地反映侧隐窝相关结构的情况;侧隐窝毗邻结构的病理变化均可能导致侧隐窝狭窄。4. CT和MRI应用于临床后提高了侧隐窝区及椎间孔病变的诊断率。在对于侧隐窝及椎间孔的研究价值上CT明显优于MRI,因为螺旋CT扫描多平面容积重建(Multi-plane volume reconstruction ,MPVR)后处理技术有着不可比拟的优势:(1)MPVR可选用理想的条件使重建图像更准确地显示侧隐窝结构及椎间孔,可以对侧隐窝区域进行连续性观察;(2)利用导航定位线能够精确定位,从不同角度采用不同的窗宽和窗位对侧隐窝及椎间孔进行观察测量,可以对病变结构进行横、矢、冠状位以及各个斜位多角度观察,更好地了解病变结构的特征,了解病变结构与腰骶神经根之间的相互关系;进而提高了侧隐窝及椎间孔狭窄症的诊断率,同时其生成的三维实体模型轮廓平滑及结构清晰,可真实再现脊柱结构以便揭示其与临床表现的内在联系,避免了在尸体标本上直接测量的难度和因固定等原因产生的观测误差。本研究结果也显示,在断面标本和CT上所测量的数据其变化趋势大致相同,即CT的测量值能够反映腰椎数值,此外CT操作简单,图像直观便于测量和诊断,而且放大率极小,数值相对准确。5.采用脊柱腰段CT平扫扫描数据,利用Mimics软件可以快速提取脊柱数据,重建脊柱骨结构三维模型,但对于周围软组织及椎间盘分割较费时;重建的椎体三维模型有助于解剖教学和制定合理的脊柱手术方案,并为进一步行脊柱虚拟手术提供了条件。

腰椎椎管的解剖、三维重建及可视化研究

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