面向RPM的颈椎置钉瞄准器的CAD反求技术

　　1　基于RPM的个体化置钉瞄准器

　　颈椎椎弓根由于特殊的结构,高度的变异性以及周围结构之间紧密的比邻关系,要完全消除对血管神经的损伤是不可能的,唯一降低置钉错误率的方法便是把握个体化置钉的原则,使手术进针点和角度个体化。国内外学者在对颈椎椎弓根做了大量形态学与生物力学研究的基础上,认为成功的椎弓根螺钉内固定是由以下三方面决定的: 1)椎弓根螺钉进针点的确定; 2)三维平面内螺钉的植入角度; 3)适当的螺钉直径与长度。并且强调颈椎椎弓根螺钉的植入的个体化与精确量化。

　　鉴于颈椎椎弓根形态学变异很大,医学工作者认为应该根据每个椎弓根实际的计算机辅助断层(Com2puted Tomography,CT)和X线测量结果来诊断,才能提高手术成功率;术前除应按常规拍摄颈椎正侧,还应拍摄45°斜位X线片,并扫描拟固定节段椎弓根平面CT,测量椎弓根高度、宽度以及与椎体矢状面的夹角以及两进针点的水平距离,综合判断以选择进针点及进针方向。

　　基于快速原型制造系统的个体化置钉瞄准器,只需利用CT设备采集患者颈椎部位的影像学数据,在计算机上通过大型图像软件重构三维CAD信息模型,反求出椎板的表面形状、椎弓根螺钉的进针点及植入角度;在此基础上,设计出以椎板的表面为定位面,以椎弓根螺钉的进针点及植入角度为参数的钻模,作为颈椎椎弓根螺钉的植入术的瞄准器;将瞄准器的三维CAD信息模型进行数据转换,使其成为可以直接被快速原型制造系统(Rapid PrototypingManufacturing,RPM)所接受的数据文件格式(STL或CLI),实现对瞄准器实体的逼近或修改,制造出瞄准器,从而实现由颈椎影像资料→颈椎三维模型→瞄准器设计参数→瞄准器三维模型→瞄准器实体的转变。

　　2　术前的影像学数据

　　图1为颈椎正侧某一CT图。

　　利用CT图像进行的反求,国内外都进行了很广泛的研究,但大都只是作为孤立的图像处理,或作为科学计算可视化来进行的,没有针对制造系统的特征进行研究。在现有CT工作站中可以显示出器官的三维图像,如图2所示的骨盆骨折图片,但它只能实现视觉上的“三维可见”,且只能在屏幕上显示,其数据不能被其他系统直接调用,兼容性差。虽然三维CT成像方法在现代医学诊断中发挥了重要作用,可以通过计算得出诸如体积、大小等信息,但在实际的模拟手术方面,则有很大的局限性。目前,人体骨骼、器官的反求CAD建模是二维CT反求工程技术的一个重要研究方向。

　　利用反求技术来实现对颈椎二维CT图像的重构,其过程大致可分为数据的提取、数据的拟合、三维模型的建立。数据采集是颈椎反求CAD建模的第一步,由于测量方式的局限,断层扫描成像数据只能反映颈椎一个方向截面的表面几何信息,第三维的信息无法从中获得,故无法很好地反映颈椎的一些重要几何特征,而且,断层扫描成像数据中的噪声数据也影响了重构曲面的品质。