田苡任，任 強(qiáng)，周 湘，甄 磊，鄭美娜，張 放*

(1.河北省兒童醫(yī)院骨科，河北 石家莊 050031；2.河北省兒童醫(yī)院質(zhì)控辦，河北 石家莊 050031)

目前成人寰樞椎“椎弓根”螺釘固定技術(shù)作為治療寰樞椎病變最常用手術(shù)固定方式之一已被全世界廣泛認(rèn)可[1]，但是該固定方式是否適用于學(xué)齡前期兒童尚無明確報(bào)道，其最主要原因是缺乏該年齡段寰樞椎詳細(xì)解剖學(xué)數(shù)據(jù)。盡管國內(nèi)外學(xué)者不斷的進(jìn)行成人寰樞椎“椎弓根”的探討研究，并且留下了大量可靠測(cè)量數(shù)據(jù)[2]。但是由于學(xué)齡前期兒童寰樞椎解剖發(fā)育的特殊性，單純應(yīng)用成人寰樞椎數(shù)據(jù)作為參考將極大增加手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。 3D打印技術(shù)通過與醫(yī)學(xué)影像學(xué)技術(shù)相結(jié)合，可模擬出三維人體結(jié)構(gòu)模型，臨床上可通過模型進(jìn)行詳細(xì)術(shù)前討論及手術(shù)方案制定[3]。CT掃描是醫(yī)學(xué)3D打印最常用成像方式，它具有非侵入性、高準(zhǔn)確性、快速成型性，通過3D打印機(jī)按1∶1等比例打印出人體模型，可在模型上進(jìn)行術(shù)前操作模擬及相關(guān)數(shù)據(jù)測(cè)量。本研究通過對(duì)40例學(xué)齡前期兒童進(jìn)行寰樞椎CT掃描，并應(yīng)用3D Slicer建立寰樞椎模型，通過對(duì)模型寰樞椎“椎弓根”進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，為學(xué)齡前期兒童寰樞椎脫位，上頸椎畸形、腫瘤等疾病手術(shù)治療提供解剖學(xué)理論依據(jù)。

1 資 料 與 方 法

1.1一般資料 收集2020年1—11月期間在河北省兒童醫(yī)院行寰樞椎CT檢查的學(xué)齡前期兒童的影像學(xué)資料，排除寰樞椎骨折、畸形、腫瘤及感染性疾病等，排除既往寰樞椎手術(shù)病史者，選取其中40例兒童，按年齡分為A組(3～<4歲)、B組(4～<5歲)，C組(5～<6歲)、D組(6～<7歲)各10例，其中男女比例1∶1。本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。兒童及家屬知情同意并簽署知情同意書。

1.2方法 40例患兒均由河北省兒童醫(yī)院CT室應(yīng)用的東芝64排螺旋CT掃描，并將掃描后影像學(xué)資料導(dǎo)入3D Slicer中建立出寰樞椎模型，運(yùn)用3D Slicer中測(cè)量工具進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)測(cè)量。測(cè)量方法，參考韓鏡明等[4]、林斌等[5]、曹正霖等[6]關(guān)于寰樞椎相關(guān)結(jié)構(gòu)測(cè)量方法，為了提高精確性，每一項(xiàng)指標(biāo)重復(fù)測(cè)量3次，取3次平均值為最終結(jié)果。

1.3測(cè)量指標(biāo) 首先重建寰樞椎圖像(圖1)，測(cè)量①椎弓根高(pedicle height，PH)：臨床上常將寰椎(C1)椎動(dòng)脈溝處后弓上下骨皮質(zhì)間的距離作為寰椎(C1)椎弓根高(圖2)。常將樞椎(C2)上下關(guān)節(jié)突之間的骨皮質(zhì)間的距離作為樞椎(C2)椎弓根高(圖3)。②椎弓根寬(pediele width，PW):臨床上常將椎動(dòng)脈溝處的后弓當(dāng)做寰椎(C1)的椎弓根，其寬度為此處內(nèi)外側(cè)皮質(zhì)外緣間的最短距離(圖4)。樞椎(C2)的椎弓根為上下關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)之間連接的區(qū)域，其寬度為該區(qū)域內(nèi)外側(cè)皮質(zhì)外緣間的最短直線距離(圖5)。③椎弓根通道全長(the entirelength of pedicle osseous channel，PL):寰椎(C1)椎弓根全長應(yīng)為椎動(dòng)脈溝處骨皮質(zhì)到椎體前緣骨皮質(zhì)間的距離(圖4)。樞椎(C2)椎弓根全長應(yīng)為上下關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)之間骨皮質(zhì)到椎體前緣骨皮質(zhì)之間距離(圖5)。通常表示螺釘通過的路徑長度。

1.4統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 應(yīng)用SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。計(jì)量資料采用配對(duì)t檢驗(yàn)，單因素方差分析(One-way ANOVA)和SNK-q檢驗(yàn)。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖1 3D重建后寰樞椎圖像Figure 1 3D reconstruction of the atlantoaxis圖2 寰椎椎弓根高Figure 2 Height of atlas pedicle圖3 樞椎椎弓根高Figure 3 Height of axis pedicle圖4 寰椎椎弓根寬度和通道全長Figure 4 Width and channel length of atlas pedicle圖5 樞椎椎弓根寬度和通道全長

2 結(jié) 果

根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)表明，寰樞椎椎弓根長度、寬度以及高度測(cè)量指標(biāo)均隨年齡增長呈遞增趨勢(shì)，為D組>C組>B組>A組。并且各組之間男女比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05) ，C1椎弓根寬(左)與C1椎弓根寬(右)差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，C2椎弓根寬(左)與C1椎弓根寬(右)差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。見表1、2。故各個(gè)年齡組數(shù)據(jù)對(duì)比分析時(shí)可合并處理。

2.1不同年齡組間C1椎弓根寬度、高度以及通道全長的數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果 寰椎椎弓根寬度、高度、通道全長均隨年齡增長呈遞增趨勢(shì)，其中D組>C組>B組>A組，且各組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。寰椎椎弓根寬度/高度比值均大于1.0，表明寰椎椎弓根冠狀面呈扁橢圓形，所以限制置入寰椎椎弓根螺釘直徑的指標(biāo)為寰椎高度。見表3。

2.2不同年齡組間C2椎弓根寬度、高度以及通道全長的數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果 樞椎椎弓根寬度、高度、通道全長均隨年齡增長呈遞增趨勢(shì)，其中D組>C組>B組>A組，且各組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。樞椎椎弓根寬度/高度比值均小于1.0，表明樞椎椎弓根冠狀面呈長橢圓形，所以限制置入樞椎椎弓根螺釘直徑的指標(biāo)為樞椎寬度。見表3。

2.3不同年齡組寰椎、樞椎椎弓根寬度、高度、長度之間比較 同年齡組中，寰椎椎弓根寬均大于樞椎椎弓根寬度，且差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。寰椎椎弓根高均小于樞椎椎弓根高度，且差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。見表3。寰椎椎弓根通道全長均大于樞椎椎弓根通道全長，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。見表4。

表1 不同性別之間的C1各變量差異比較 Table 1 Comparison of gender differences in variables

表2 不同性別之間的C2各變量差異比較Table 2 Comparison of C2 variables between different genders

表3 不同年齡組的椎弓根寬和高的差異比較Table 3 Comparison of pedicle width and height in different age groups

表4 不同年齡組的椎弓根全長比較Table 4 Comparison of pedicle length in different age groups

3 討 論

近些年來，由于醫(yī)療技術(shù)水平不斷提高，人們對(duì)兒童寰樞椎相關(guān)疾病越來越關(guān)注。枕寰樞復(fù)合體(C0～C1～C2)的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，其運(yùn)動(dòng)取決于骨的形態(tài)和關(guān)節(jié)突位置，并受周圍韌帶和關(guān)節(jié)囊的約束。它由枕寰關(guān)節(jié)(C0～C1)與寰樞關(guān)節(jié)(C1～C2)復(fù)合體組成，這兩部分結(jié)構(gòu)緊密連接，其運(yùn)動(dòng)也是耦合的。寰枕關(guān)節(jié)是穩(wěn)定的中心，寰樞關(guān)節(jié)是活動(dòng)的中心，也是不穩(wěn)定的中心。寰樞關(guān)節(jié)是人體活動(dòng)性最大的關(guān)節(jié)。學(xué)齡前期作為人類一生中兩個(gè)快速生長期之一，在快速生長階段其寰樞椎形態(tài)學(xué)和生物力學(xué)變化較為劇烈，其與成人存在較大差異。學(xué)齡前期兒童由于其骨骼發(fā)育尚未成熟，關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)發(fā)育不完全，關(guān)節(jié)淺，活動(dòng)度大，且學(xué)齡前期兒童頭部占比較大，寰樞椎關(guān)節(jié)囊、韌帶較松馳，加之學(xué)齡前期兒童對(duì)危險(xiǎn)識(shí)別能力差，對(duì)自身保護(hù)能力有限，故較易發(fā)生寰樞椎損傷導(dǎo)致不穩(wěn)[7]。加之先天性寰樞椎發(fā)育異常、炎癥、腫瘤，導(dǎo)致寰樞椎不穩(wěn)或脫位越來越常見。并且隨著CT及MRI等影像學(xué)廣泛運(yùn)用于臨床，使人們對(duì)學(xué)齡前期兒童寰樞椎疾病的認(rèn)識(shí)得到了極大的提升。以往顱椎區(qū)的手術(shù)被稱為“手術(shù)的禁區(qū)”是脊柱外科風(fēng)險(xiǎn)最大、難度最高的手術(shù)部位。 尤其對(duì)于兒童，手術(shù)操作空間小、兒童脊柱骨骼發(fā)育未成熟，內(nèi)固定置釘難度大，置釘過程中隨時(shí)有損傷脊髓及椎動(dòng)脈的風(fēng)險(xiǎn)。手術(shù)也可能加重脊髓的損傷，造成患兒癱瘓甚至呼吸系統(tǒng)并發(fā)癥導(dǎo)致死亡。以往學(xué)齡前期兒童寰樞椎疾病由于醫(yī)療技術(shù)水平及內(nèi)固定研發(fā)的限制，多采用非手術(shù)治療，但效果欠佳，因此臨床上迫切的需要找到有效治療方式。寰樞椎“椎弓根”螺釘目前為成人寰樞椎疾病常用固定手段，但在學(xué)齡前期兒童上應(yīng)用暫未得到廣泛應(yīng)用，其最主要原因?yàn)閷W(xué)齡前期兒童寰樞椎椎弓根解剖形態(tài)研究不足，故對(duì)學(xué)齡前期兒童寰樞椎椎弓根相關(guān)數(shù)據(jù)的測(cè)量是非常有必要的。

1983年Denis[8]提出的脊柱三柱理論已得到國內(nèi)外學(xué)者廣泛認(rèn)可，并極大促進(jìn)了脊柱外科的發(fā)展。該理論同樣適用于嬰幼兒。脊柱前柱由前縱韌帶，前1/2椎體、椎間盤、纖維環(huán)構(gòu)成。脊柱中柱由后1/2椎體、椎間盤、纖維環(huán)以及后縱韌帶和椎管構(gòu)成。脊柱后柱由關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)、椎板、黃韌帶、棘間和棘上韌帶構(gòu)成。脊柱的穩(wěn)定性主要由三柱穩(wěn)定組成。椎弓根螺釘通過椎弓根進(jìn)行三柱固定，使脊柱獲得絕對(duì)穩(wěn)定。其優(yōu)點(diǎn)主要為內(nèi)固定把持力大，固定牢固，力學(xué)分布合理等，其缺點(diǎn)為椎弓根入口隱秘、范圍小，并被椎板骨皮質(zhì)掩蓋；椎弓根通道狹窄，椎弓根釘置入過程中易穿出通道造成不可逆神經(jīng)、血管損傷。故應(yīng)用椎弓根螺釘固定，需熟練掌握椎弓根椎板處投影、椎弓根通道走行及周邊組織的詳細(xì)解剖情況。寰樞椎為頸椎第1、2節(jié)，為枕頸過渡椎，其解剖形態(tài)較為特殊。國內(nèi)外對(duì)于成人寰樞椎解剖學(xué)研究較為詳細(xì)，并且通過這些研究數(shù)據(jù)進(jìn)行寰樞椎椎弓根螺釘固定獲得極大成功，目前寰樞椎椎弓根螺釘已經(jīng)成為成人寰樞椎疾病常用固定手段。但是兒童不是縮小版成人。故成人寰樞椎解剖數(shù)據(jù)無法直接應(yīng)用于兒童患者。學(xué)齡前期兒童屬于兒童極為特殊的時(shí)期，其成長速度快，變異大，其周邊解剖關(guān)系復(fù)雜，并且有關(guān)學(xué)齡前期兒童寰樞椎椎弓根解剖學(xué)和數(shù)字化測(cè)量研究在國內(nèi)外尚處于空白。

3D打印技術(shù)是由多方位平掃物體獲得的數(shù)字化文件為基礎(chǔ)，通過逐層堆積黏合材料的方式構(gòu)建實(shí)體物質(zhì)的技術(shù)。該技術(shù)由1990年美國麻省理工學(xué)院的Sachs等[9]首次提出。20世紀(jì)90年代以來，該技術(shù)取得了飛速發(fā)展。2003年美國南卡羅納大學(xué)的Mironov等[10-11]提出生物組織器官3D打印的概念。它不同于傳統(tǒng)制造工業(yè)的減材特性，而是通過逐層堆積制作而出，又稱為增材制造。它的核心思想為以數(shù)字化3D模型為基礎(chǔ)，對(duì)物體進(jìn)行數(shù)字化分層，得到每層的二維加工路徑等信息，利用合適的材料和工藝，通過自動(dòng)化控制技術(shù)，沿著設(shè)定路徑逐層打印，最終累積成三維物體。它具有個(gè)性化程度高、模型精度高、材料利用率高和成型速度快等特點(diǎn)。由于它的增材制造及“三高一快”的特點(diǎn)，3D打印將作為決定未來經(jīng)濟(jì)和人類生活的顛覆性技術(shù)之一[12]。該研究就是利用3D打印技術(shù)這些優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)打印出每個(gè)患兒自身寰樞椎等比例大小模型，再通過測(cè)量模型寰樞椎椎弓根解剖學(xué)數(shù)據(jù)來間接反映真實(shí)寰樞椎椎弓根數(shù)據(jù)資料。

學(xué)齡前期為人體快速生長期之一，所以寰樞椎在形態(tài)學(xué)上變化較為劇烈。但通過本研究結(jié)果表明，寰樞椎椎弓根寬度、高度及長度均隨年齡增長呈遞增趨勢(shì)，且與側(cè)別和男女無相關(guān)性。寰椎PW/PH比值均>1.0，表示椎弓根寬度大于高度，但隨年齡增長無明顯變化，這表明限制植入寰椎椎弓根螺釘直徑的為寰椎高度。樞椎PW/PH比值均<1.0，表示椎弓根高度大于寬度，但隨年齡增長無明顯變化，這表明限制植入樞椎椎弓根螺釘直徑的為樞椎寬度。目前對(duì)于寰樞椎螺釘?shù)闹睆皆谄渥倒械恼急葹槎嗌?，螺釘最為安全、穩(wěn)定，尚未達(dá)到一致。目前比較公認(rèn)的觀點(diǎn)為，馬向陽等[13]通過多次實(shí)驗(yàn)表明:當(dāng)寰椎椎弓根的高度值<4.0 mm時(shí)，不適合置入3.5 mm直徑的椎弓根螺釘。陳立言等[14]表示，當(dāng)螺釘直徑為樞椎椎弓根寬度的80%～90%比較安全、穩(wěn)定。但是Suk等[15]則提出不同觀點(diǎn)，他表明兒童頸椎骨質(zhì)結(jié)構(gòu)具有的延展性和韌性，即使椎弓根螺釘進(jìn)入時(shí)螺紋破壞一部分椎弓根通道皮質(zhì)，也不會(huì)造成明顯不良后果，所以椎弓根螺釘直徑最大可達(dá)椎弓根限制值的115%。本研究結(jié)果顯示，學(xué)齡前期兒童寰椎椎弓根高度均>4.0 mm，學(xué)齡前期兒童樞椎椎弓根寬度均>3.5 mm，因此通過上述觀點(diǎn)可以表明3～6歲學(xué)齡前期兒童寰樞椎椎弓根均可被置入直徑為3.5 mm的螺釘。螺釘長度由椎弓根長度決定。有學(xué)者研究表明，椎弓根螺釘置入釘?shù)篱L度的80%，螺釘在椎弓根中的生物力學(xué)比較堅(jiān)固[16]。結(jié)合本研究測(cè)量數(shù)據(jù)可得知，學(xué)齡前期兒童的寰椎椎弓根螺釘理論上可置入長度為18～22 mm。樞椎椎弓根螺釘理論上可置入長度為15～18 mm。

綜上所述，3～6歲學(xué)齡前期兒童寰樞椎應(yīng)用椎弓根螺釘固定是可行的。但是由于兒童寰樞椎椎弓根整體細(xì)小，形態(tài)多變，通道走行復(fù)雜，周邊毗鄰重要神經(jīng)、血管。故行學(xué)齡前期兒童寰樞椎椎弓根螺釘固定時(shí)，需詳細(xì)了解患者椎弓根解剖結(jié)構(gòu)、螺釘進(jìn)釘點(diǎn)定位、螺釘進(jìn)入方向角度等眾多問題。3D打印技術(shù)作為一項(xiàng)革新的技術(shù)，不僅僅只能用于椎弓根數(shù)據(jù)的測(cè)量，還可以利用三維模型進(jìn)行模擬螺釘置入過程，可極大提高學(xué)齡前期兒童椎弓根螺釘置入精確性和安全性。目前，3D打印技術(shù)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)各個(gè)領(lǐng)域，其個(gè)性化、精準(zhǔn)化的特點(diǎn)極大推進(jìn)了醫(yī)學(xué)的發(fā)展，為人類健康事業(yè)提供廣闊空間。