骨伤科论文
摘 要： 目的 使用CT图像的三维重建技术将腰椎椎弓崩裂的图像以三维立体的方式显示出来, 为外科手术提供最好的图像支持。方法 用3D打印技术做出与真实的腰椎密度相似的且带有骨折裂痕的腰椎模型, 使用CT对椎体模型进行最小层厚扫描, 并将扫描的图像进行三维重建。结果 ①CT扫描的分层图像对受伤部位显示清晰;②三维重建后的图像对骨折的显示效果不理想。结论 CT扫描的分层图像是显示椎弓崩裂的最优方法, 三维立体的图像只能起到辅助作用。
关键词： CT扫描; 3D打印技术; 三维重建; 腰椎椎弓崩裂;
Abstract： Objective: To use 3 D rebuilding technology of CT image showing lumbar vertebral arch fracture, and provide the best imaging support for surgery. Methods: The model of lumbar vertebral arch fracture was first built by 3 D printing, then the image was obtain by CT scanning model, and 3 D rebuilding technology was used to proceed image. Results: ① Single layer image of CT showing lumbar vertebral arch fracture was clear.② The 3 D image couldt show lumbar vertebral arch fracture clearly. Conclusion: Single layer image of CT is fit for showing lumbar vertebral arch fracture, and the 3 D image plays an assistant role..
Keyword： CT scanning; 3D printing; 3D rebuilding technology; lumbar vertebral arch fracture;
腰椎崩裂也称腰椎峡部崩裂、椎弓崩裂等, 是指腰椎椎弓上下关节突之间的峡部有缺损失去连接, 也称峡部不连, 多见于腰4或腰5, 研究数据显示腰5峡部崩裂几率最高。腰椎峡部崩裂的真正原因仍不能肯定。多年来人们进行了大量研究, 发现先天性发育缺陷和慢性劳损 (应力性损伤) 是两个可能的重要原因[1,2]。早期腰椎峡部崩裂者症状呈隐性, 部分患者可有下腰部酸痛, 其程度较轻, 常在劳累以后加剧, 适当休息或服止痛药以后会好转。腰痛初为间歇性, 以后则可呈持续性, 严重者影响正常生活;疼痛可同时向骶尾部、臀部或大腿后方放射。若合并腰椎间盘突出症, 则可表现为坐骨神经痛症状。
由于腰椎椎弓崩裂的患者数量较少、症状不明显、随机性较大, 在医院利用患者直接开展本项研究不具有可行性;我们采取了利用模型进行研究的方法, 利用3D打印技术[3,4,5]制作出腰椎椎体的模型, 并在椎弓峡部做上了椎弓崩裂的结构。模型的制作力求与真实的人体结构接近, 不仅在大小和外形上接近, 而且对X线的吸收率也近似于真实的人体腰椎结构, 达到最好的模拟效果, 模拟的椎弓崩裂的结构有“I”形和“Y”形两种, 长度2 cm, 宽度约2 mm, 也能较好地贴近真正的椎弓崩裂的结构。
腰椎椎弓崩裂的影像学检查方法主要有X线片 (CR、DR) 检查、CT、MRI检查[6,7,8,9]等, X线平片 (CR、DR) 检查常规拍摄正位、侧位及左、右斜位片;CT、MRI检查可以明确脊髓或神经根受压情况, 协助鉴别诊断。在使用X线片 (CR、DR) 检查方法时, 腰椎正位由于前部有椎体的阻挡及角度的关系, 腰椎椎弓无法显示;在腰椎侧位条件下双侧椎弓影像重叠, 椎弓仍无法显示;适合椎弓崩裂的检查的体位是腰椎斜位, 由于腰椎椎弓结构厚度小, 周边与之重叠的组织密度较高, 其图像清晰度较低, 因而在椎弓崩裂的缝隙较小时往往会漏诊。腰椎CT检查一般用于扫描椎间盘区域, 如果是为了检查椎弓必须将扫描范围移至椎弓范围, 扫描的位置必须准确地定位在椎弓崩裂的层面上, 这样使用CT平扫能够清晰显示椎弓崩裂的缝隙。MR也可以扫描腰椎, 但它的优势在于显示软组织结构, 对骨质结构显示效果不佳, 分辨率较低, 不适于显示腰椎椎弓崩裂结构。基于上述情况, 本研究力图找到一种新的方法来更清晰更全面地显示椎弓崩裂, 较好地解决问题。
1、 材料和方法
1.1、 腰椎体模
由于腰椎椎弓崩裂的患者数量少、症状不明显, 无法在医院面向患者直接开展本项研究;我们采取了利用模型替代患者进行研究的方法, 使用先进的3D打印技术制作出腰椎椎体的模型, 并在椎弓峡部做上了椎弓崩裂的结构。模型的制作选取了与真实人体结构密度接近的材料, 由于3D打印的原图来自于人体, 模型在结构尺寸大小和外形上与真正的脊椎高度一致, 模型对X线的吸收率也近似于真实的人体, 可以达到最好的模拟效果。
图1中就是使用3D打印方法制作的腰椎椎体模型, 椎体的椎弓部位有模拟的骨折裂缝, 3D模型为要进行的实验奠定了基础。
1.2、 检查方法
将模型椎体置于检查台上, 用水袋 (用于模拟软组织) 覆盖:方法一用DR进行腰椎斜位的摄影, 选用佳能CXDI-55G的DR, 使用75 KV、200 MA、0.5 s的条件拍摄;方法二使用CT对椎体进行薄层扫描, 选用飞利浦Brilliance 6层螺旋CT, 扫描范围包括全部椎弓, 使用2 mm层厚、2 mm间距进行密集扫描, 并对扫描图像实行三维重建, 滤掉软组织, 清晰显示骨结构的椎体立体影像。
图1 腰椎模型
①.有“I”形裂缝的腰椎模型;②.有“Y”形裂缝的腰椎模型;③.有“Y”形裂缝的腰椎模型。
2、 结 果
2.1、 腰椎斜位DR图像
图2显示的是椎弓崩裂裂隙DR腰椎斜位图像。由图2可见, 裂缝能够被显示, 因受到水模体的干扰, 清晰度不高;但DR检查方法因其简便, 成本较低, 范围广 (可检查所有腰椎) 等特点仍是检查椎弓崩裂病变的最常规的方法[10]。
2.2、 模型椎体CT扫描像
椎弓崩裂裂隙的横断面图像见图3。尽管打印的裂缝尺寸较小, 但CT图像能够非常清晰地显示出来;由此可见, CT单层图像的清晰度高、显示效果好, 是检查椎弓崩裂裂隙的有效和可靠的方法[11]。
2.3、 模型椎体CT扫描3D重建图像
被检腰椎椎体及椎弓的3D图像见图4, 它是将被检椎体的薄层扫描的图像收集起来, 通过CT图像处理软件处理后得到的三维立体图像[12,13], 进一步通过阈值分离得到了只有腰椎骨骼结构的图像, 目的就是获得高清的腰椎椎弓崩裂的3D图像。
从图像上来看, 腰椎椎弓裂缝在3D图像上不能显示, 分析的原因是:①模型制作的原因:在腰椎椎弓崩裂模型上打印的裂缝的尺寸较小, 宽度和深度都是2 mm, 而3D图像的清晰度比较低, 无法显示;患者的骨裂尺寸有大有小, 而且椎弓的周边肌肉组织厚度大, 也会明显影响椎弓骨裂显示。②图像处理原因:3D成像利用的方法是加插值法, 这种方法将会大大降低图像细节的显示能力, 如果裂缝结构位于两层图像之间则会被插值掩盖, 因此3D重建方法不适合细微环节的显示。③设备性能原因:因为本CT层厚最小会达到2 mm的水平, 无法进一步缩小层厚和层间距, 难以为3D重建提供高精度的素材。
图2 椎弓崩裂裂隙DR腰椎斜位图像 (裂缝处有箭头标记)
图3 椎弓崩裂裂隙CT扫描图像 (裂缝处有箭头标记)
图4 椎弓崩裂裂隙CT扫描3D图像
3、 讨 论
(1) 模型的制作是成功的:由于腰椎椎弓崩裂患者数量少且病变的症状不明显, 不适合面向患者直接开展本项研究, 使用腰椎椎体的模型加水模体是很好的研究方法: 3D打印技术制作出的模型不仅在大小和外形上接近真实的人体腰椎结构, 而且对X线的吸收率也非常接近, 达到最佳的模拟效果, 从图2和图3来看, 膜体在DR及CT检查下的成像与真正的人体成像极为接近。
(2) DR检查是诊断椎弓崩裂病变的最常规的方法:由于腰椎椎弓结构厚度小, 周边的组织密度较高且厚度大, 椎弓崩裂的骨结构图像清晰度较低, 缝隙较小时会造成漏诊;图2显示的是椎弓崩裂裂隙DR腰椎斜位图像, 因水模体的干扰, 清晰度不高, 裂缝显示基本达到诊断要求。DR检查因方法简便、成本低、成像范围广 (包括所有腰椎) 、达到诊断要求等原因, 对诊断椎弓崩裂病变是可行的。
(3) CT高精度分层扫描方法的清晰度较高, 是检查椎弓崩裂裂隙的有效和可靠的方法:CT是世界第一种使用数字化成像技术的X线检查设备, 采用高精度分层扫描方法, 可以灵活选择窗宽窗位, 图像的分辨率高, 适合于椎弓崩裂裂隙的检查;如图3所示:尽管椎弓体膜的裂缝尺寸较小且周边有水膜重叠, CT图像却能够将椎弓崩裂裂隙的横断面图像非常清晰地显示出来;由此可见, CT分层扫描是最优方法。
(4) 3D图像不适合腰椎椎弓裂缝的显示:由图4所见, 腰椎椎弓裂缝在3D图像上不能显示, 分析的原因是:3D成像是以高精度分层图像为基础, 利用在两层图像数据之间加插值的方法获得的, 这种方法将会大大降低图像细节的显示能力, 比较适于显示体积较大的组织结构;因为在腰椎椎弓崩裂模型上打印的裂缝的尺寸较小, 并且本研究所用CT层厚最小是2 mm, 难以为3D重建提供超高精度的素材, 所以3D图像上无法显示裂缝。
(5) 正确的腰椎椎弓裂缝的影像学检查方法是DR和CT综合性检查:①DR腰椎斜位图像法的优点是简便、成本低、成像范围广 (包括所有腰椎) 、患者接受辐射剂量少, 缺点是清晰度不高, 裂缝显示基本达到诊断要求, 所以它是诊断椎弓崩裂病变的最常规的方法;② CT检查的优点是采用高精度分层扫描方法, 可以灵活选择窗宽窗位, 图像的分辨率高, 能够将椎弓崩裂裂隙的横断面图像非常清晰地显示出来;缺点是患者接受辐射剂量大, 费用较高, 它是检查椎弓崩裂裂隙的有效和可靠的方法;③以高精度分层图像为基础的3D成像图像细节的显示能力差, 比较适于显示体积较大的组织结构, 不适合腰椎椎弓崩裂的影像诊断。综上所述DR和CT综合性检查是最全面、最正确的方法。
本研究目的是使用CT图像的三维重建技术将腰椎椎弓崩裂的图像以三维立体的方式更加全面细致地显示出来, 为这种病变的诊断和治疗提供一种新的更加高效的方法, 由于目前CT 3D成像技术的水平有限, 没有取得成功, 只能是做一次有益探索, 随着技术的飞速发展, 将来这个方法将会变成现实;本实验收获是确定了CT高精度分层扫描是检查椎弓崩裂裂隙的有效和可靠的方法, 也将为CT图像的三维重建技术在其它病变诊疗中的应用打下基础。
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