Assessing validation of dual fluoroscopic image matching

Background  Accurate knowledge of the spinal structural functions is critical to understand the biomechanical factors that affect spinal pathology. Many studies have investigated the human vertebral motion both in vitro and in vivo. However, determination of in vivo motion of the vertebrae under physiologic loading conditions remains a challenge in biomedical engineering because of the limitations of current technology and the complicated anatomy of the spine.

Methods  For in vitro validation, a human lumbar specimen was imbedded with steel beads and moved to a known distance by an universal testing machine (UTM). The dual fluoroscopic system was used to capture the spine motion and reproduce the moving distance. For in vivo validation, a living subject moved the spine in various positions while bearing weight. The fluoroscopes were used to reproduce the in vivo spine positions 5 times. The standard deviations in translation and orientation of the five measurements were used to evaluate the repeatability of technique. The accuracy of vertebral outline matching with metallic marks matching technology was compared.

Results  The translation positions of the human lumbar specimen could be determined with a mean accuracy less than 0.35 mm and a mean repeatability 0.36 mm for the image matching technique. The repeatability of the method in reproducing in vivo human spine six degrees of freedom (6DOF) kinematics was less than 0.43 mm in translation and less than 0.65° in rotation. The accuracy of metallic marks and vertebral outline matching did not show significant difference.

Conclusions  Combining a dual fluoroscopic and computerized tomography imaging technique was accurate and reproduceable for noninvasive measurement of spine vertebral motion. The vertebral outline matching technique could be a useful technique for matching of vertebral positions and orientations which can evaluate and improve the efficacy of the various surgical treatments.

     

脊柱在体三维运动检测系统的建立

目的利用2D/3D图像配准技术建立脊柱在体三维运动检测系统。方法采集成人腰椎CT影像,并采集两个不同位置时脊柱互成直角的X线平片,进行腰椎L3、L4三维重建,并在软件中建立虚拟X线摄像场景进行腰椎投影,再现互成直角的虚拟X线影像,采用2D/3D图像配准方法与真实X线影像相配准,还原摄平片时L3、L4的位置,将配准结果导入图像处理软件后计算两种位置之间L3的相对位移及角度变化。结果利用2D/3D图像配准方法实现了膝关节的三维模型和二维影像之间的配准,计算出两种位置之间的相对位移及角度变化,与位置一相比,位置二的L3后伸5.86°,左侧弯1.85°,右旋2.96°。结论利用2D/3D图像配准技术可实现脊柱在体三维运动检测,但其配准效率及精度尚需进一步研究。     

Instant axis of rotation of L4-5 motion segment--a biomechanical study on cadaver lumbar spine

The instant axis of rotation (IAR) is an important kinematic property to characterise of lumbar spine motion. The goal of this biomechanical study on cadaver lumbar spine was to determine the excursion of the IAR for flexion (FE), lateral bending (LB) and axial rotation (AR) motion at L4-5 segment. Ten cadaver lumbar spine specimens were tested in a 6 degrees-of-freedom spine tester with continuous clyclical loading using pure moment and follower pre-load, to produce physiological motion. The specimens were x-rayed and CT scanned prior to testing to identify marker position. Continuous motion tracking was done by Optotrak motion capture device. A continuous tracking of the IAR excursion was calculated from the continuous motions capturedata using a computer programme. IAR translates forward in flexion and backwards in extension with mean excursion of 26.5 mm (+/- 5.6 SD). During LB motion, IAR translates laterally in the same direction, and the mean excursion was 15.35 mm (+/- 8.75 SD). During axial rotation the IAR translates in the horizontal plane in a semicircular arc, around the centre of the vertebral body, but the IAR translates in the opposite direction of rotation. The IAR excursion was faster and larger during neutral zone motion in FE and LB, but uniform for AR motion. This is the first published data on the continuous excursion of IAR of a lumbar motion segment. The methodology is accurate and precise, but not practicable for in vivo testing.     

胸腰段骨质疏松三维有限元模型的建立及临床应用

目的:探讨利用螺旋CT建立骨质疏松腰椎三维有限元模型的高度数字化方法,为腰椎骨质疏松的生物力学试验提供标准模型。方法:一个有代表性的健康成年男性志愿者,范围从T11～L2,先行X线检查以排除可见的脊椎病变及损害。经螺旋CT沿横断面0.699mm层厚扫描,以jpg格式输出其断面图像并转入微机保存。利用三维重建软件Mimics建立T11～L2段正常脊柱骨性结构的三维模型,再经过自由造型系统进行表面光滑化处理及对0.699mm层厚引起的数据丢失予以修补。利用有限元软件Patran的前处理功能,在脊柱模型骨性结构的基础上,补充建立终板、椎间盘、髓核、前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘间韧带、棘上韧带等结构。采用合适的材料性质和实体单元类型对模型进行智能有限元网格划分。结果:①正常腰段脊柱三维模型有限元网格划分结果:利用三维重建软件Mimics和有限元软件Patran成功进行正常腰段脊柱三维模型有限元网格划分。完整的脊柱胸腰段三维有限元模型包括共276580个四面体单元,8532个六面体单元,673个杆单元,总计共95219个结点。建立的模型负荷正常椎体的几何特性;②骨质疏松腰椎三维有限元模型的建立:利用有限元软件Patran的前处理功能,对不同组织的物理特性进行定义,皮质骨、终板、后部结构模量减少33%,松质骨减少66%,同时考虑髓核脱水,弹性模量增加1倍,符合真实的生物力学要求,真实模拟了骨质疏松椎体的材料特性,成功建立骨质疏松腰椎三维有限元模型。结论:建立的骨质疏松腰椎三维有限元模型接近真实的生物力学标本,是理想的研究骨质疏松腰椎生物力学的数字化模型,可应用于骨质疏松腰椎后凸成形术的评估。     

两种不同体表标记方式对鼻咽癌患者颈椎摆位误差的影响

目的 通过锥形束CT（CBCT）图像与定位CT图像的配准,分析两种不同体表标记方式对鼻咽癌患者颈椎摆位误差的影响。方法随机选择32例鼻咽癌患者,平均分成两组。在3点标记组（B组）患者的固定网膜上常规标记3个定位点,4点标记组（A组）除常规3个定位点外,在患者的左右锁骨头中间增加1个定位点,用于引导患者的颈部摆位。每例患者每周1次CBCT扫描,整个疗程共6套CBCT图像。最后在医科达MOSAIQ系统中通过CBCT图像与定位CT图像的配准,分析患者的6个颈椎在左右方向上的摆位误差。结果两组患者的C1、C2、C3在左右方向上的摆位误差,差异无统计学意义（P>005）,但C4、C5、C6差异有统计学意义（P<005）,与B组相比,A组能减少14～33 mm。结论4点标记方式能明显提高鼻咽癌患者的颈椎摆位精度。     

猕猴腰椎观察

对7只健康成年猕猴，分别行腰椎影像学，骨性结构测量和椎间盘组织学观察并与人类的有关资料进行比较。为其应用于人类腰椎的动物实验研究提供可靠资料，结果表明，猕猴腰椎间隙高度的变化特点和椎间盘组织学结构特点与人类一致；两者腰椎椎体和椎管的横径，矢径变化非常相似。其脊柱下腰段（腰5-腰7）与人类脊柱下腰段（腰3-腰5）最为接近，两者腰椎的椎体数目，大小，生理弯曲和椎体高度的变化特点存在差异。     

人腰椎交感神经解剖学研究

目的对人腰椎交感神经进行解剖学研究。方法采用福尔马林固定尸体6具,去除腹主动脉、下腔静脉及周围脂肪组织,在解剖显微镜下观察腰交感干、交通支和窦椎神经走行及分布。结果按交感神经交通支与腰大肌的关系,将交感神经交通支分为浅斜支和深横支。浅斜支位于腰大肌和椎体侧方之间,呈非节段性分布;深横支横行位于腰椎椎体侧方,伴随于腰节段动、静脉,呈节段性分布。椎体和椎间盘前侧由交感干分支和内脏神经支配。椎体外侧和后外侧由交感干分支、深交通支及脊神经分支共同支配,在上腰部还接受交感神经浅斜支的非节段性支配。椎体和椎间盘后部及后纵韧带接受由深横支发出的窦椎神经支配。结论腰椎存在两种支配形式：由脊神经发出的节段性支配和通过交感神经系统分布的非节段性支配。腰交感神经系统参与腰椎及椎间盘的神经支配,可能与椎间盘源性腰痛的痛觉传递过程有关。     

胸腰椎爆裂性骨折损伤机制的生物力学研究

目的　探讨胸腰椎爆裂性骨折的损伤机制。方法　采用脊柱活动节段的三维有限元模型分析了脊柱在直立位、前屈位和后伸位的应力分布情况。结果　椎弓根以及椎体后上方与椎弓根相邻部分为应力集中区域。结论　胸腰椎爆裂性骨折的损伤机制与脊柱的应力集中有关。     

CLEAR技术在脊柱MRI检查中临床应用的评价

目的 :评价磁共振成像CLEAR(ConstantLEvelAppeaRance)技术在脊柱检查中的临床应用价值。方法 :将 92例 (其中颈椎 30例、胸椎 2 0例、腰椎 4 2例 )脊椎MRI检查常规在矢状位的T1WI和T2 WI上分别应用CLEAR技术 ,和相同病例在其它扫描参数不变的情况下不应用CLEAR技术进行检查 ,然后将这两种成像方法在同一窗技术条件下摄片 ,对照片进行密度仪测定后经统计学处理和双盲法评价图像质量。结果 :显示加有CLEAR的TlWI和T2 WI与不加CLEAR的TIWI和T2 WI的椎体、脊髓、脑脊液、皮下脂肪、椎间盘、病变均有高度显著差异 (P <0 .0 0 1)。应用CLEAR技术病例的图像清晰度、对比度明显好于未应用CLEAR技术的图像。结论 :CLEAR技术在脊柱MRI检查中在其它成像条件不变的情况下 ,可以大大提高图像的质量。     

退变性腰椎管狭窄症患者颈椎管的X线测量

目的研究退变性腰椎管狭窄症出现脊髓型颈椎病高发倾向的发病机制以及这两种疾病的内在联系。方法用前瞻性研究的方法,对行手术治疗的68例退变性腰椎管狭窄症患者,在其颈椎侧位x线片上进行颈椎管测量,并计算颈椎椎管矢状径比值。其中男性23例,女性45例,年龄22～69岁,平均年龄50．0岁。将测量的411例正常人颈椎侧位x线片椎管矢状径结果作为对照组,两组进行比较。结果退变性腰椎管狭窄症患者组其颈椎椎管矢状径比值平均值男性为0．781,女性为0．807;而正常对照组其颈椎椎管矢状径比值平均值男性为0．874,女性为0．968。两组相比,无论男女,退变性腰椎管狭窄症患者组其颈椎椎管矢状径比值为C3～C7节段均低于其相应的正常对照组（均P〈0．05）。退变性腰椎管狭窄症患者组有27．9％出现发育性颈椎管狭窄,高于正常人中可以有10％出现发育性颈椎管狭窄的比例。结论与正常人群相比,退变性腰椎管狭窄症患者更加易于出现发育性颈椎管狭窄。     

矫形复位结合椎体成形术治疗椎体压缩性骨折的临床应用

目的:探讨矫形复位结合经皮穿刺椎体成形术治疗脊椎疾病合并椎体压缩性骨折的方法及临床价值。方法:对234例268个椎体的胸、腰椎压缩性骨折患者行术前及术中手法矫形复位,使压缩椎体形态改善后行经皮穿刺椎体成形术。观察手术前后椎体形态的变化和疼痛缓解情况,进行对照分析。结果:椎体内骨水泥注射量3.5～9.0mL,椎体骨髓腔内骨水泥分布平均大于椎体体积一半者占90.7%,接近99%的压缩椎体前缘高度有一定程度增高或恢复,压缩的椎体前缘增高幅度1～6mm,平均2.5mm;术后一周的治疗有效率100%,优良率92.5%。结论:矫形复位结合椎体成形可以达到恢复椎体形态和增加椎体强度的双重效果,显著提高椎体成形术镇痛和稳定脊柱的有效率,症状缓解与成形术前后椎体形态的改善具有一定的依存关系。     

椎弓根延长腰椎管扩大成形术对椎间孔影响的解剖学研究

目的探讨延长腰椎椎弓根对椎间孔孔径的影响。方法剥离10具成人腰骶椎标本（L1～S1）的软组织后,将椎弓根从椎体后缘锯断,利用垫片延长椎弓根。螺旋CT分别对原始腰椎和延长椎弓根的腰椎标本进行扫描,CT重建图像并测量标本椎间孔孔径,包括原始腰椎各节段椎间孔孔径,椎弓根延长2、4、6mm后的椎间孔孔径。结果随着椎弓根的逐渐延长,椎间孔的前后径也逐渐增加。对原始腰椎和延长椎弓根的腰椎标本椎间孔孔径进行比较,在L1～L5节段椎体,椎弓根延长2、4、6mm时分别测得的椎间孔孔径与原始腰椎椎间孔的孔径比较,差异均有统计学意义（均P〈0.05）。结论延长椎弓根可以明显增加椎间孔孔径,为临床进行腰椎椎间孔减压提供了一种新方法。     

快速成型胸椎个体化导航模板精确度实验研究

目的：观察快速成型胸椎个体化导航模板的精确度,为快速成型个体化导航模板的临床使用提供参考。方法：选取12个完整的胸椎干燥骨标本,根据其CT扫描资料,利用计算机辅助设计及快速成型技术设计制作出相应的胸椎模型及个体化导航模板,通过个体化导航模板在胸椎标本及其模型上应用直径2．0mm的钻头模拟椎弓根螺钉置钉手术,直视观察钻头在椎弓根及椎体内的位置及走行方向。用精确度为0．02mm的游标卡尺对快速成型胸椎模型的精确性进行测量。结果：个体化导航模板和相应的胸椎标本及其模型后部解剖结构之间轮廓一致,贴附吻合良好,置入椎弓根进钉通道的钻头均完全位于椎弓根及椎体内,其走行方向和椎弓根的走行方向一致;所有胸椎模型和相应胸椎标本的解剖形态完全一致,胸椎标本和模型之间的误差范围在（0．49±0．28）mm之间。结论：虽然快速成型模型与实物之间有一定的误差,但其误差不影响对椎弓根准确定位及定向的精度要求。     

螺旋CT成像后处理在腰椎峡部裂中的应用

目的 探讨螺旋CT成像后处理在腰椎峡部裂诊断中的临床价值。方法 分析20例腰椎峡部裂最大密度投影(MIP)、多平面重组(MPR)、表面重建(SSD)重建图像的CT表现。结果MIP和MPR显示峡部裂艮好，20例38处均能显示，前者更清晰；SSD图像显示椎体滑脱良好，16例椎体滑脱均能显示；峡部断裂断端骨赘形成7例，纤维组织增生或骨痂形成6例，侧隐窝狭窄6例，黄韧带肥厚3例，椎间盘突出5例，椎间孔狭窄12例，斜轴位或矢状位MPR均能很好显示。结论 “断翼征”、“断柄征”，“断颈征”、“环裂征”是腰椎峡部裂特征性的CT表现，螺旋CT的多系列重建图像对峡部裂的诊断以及治疗方式的选择具有重要意义。     

下腰椎的三维有限元分析

目的为研究下腰椎活动提供三维有限元力学模型。方法选取成年男性的下腰椎典型CT影像,建立几何模型后利用有限元划分和分析软件建立有限元模型,设定边界条件并加载负荷,记录下腰椎在前屈、后伸、侧屈和轴向旋转等不同工况下的运动范围和应力分布。结果建立的下腰椎三维有限元模型中4面体单元总数为114953。模型在各工况下的运动范围与体外生物力学试验所测定的结果比较,差异无统计学意义(P>0.05)。结论建立的下腰椎三维有限元模型能够模拟下腰椎的生理活动,可用于进一步的研究。     

RADIOGRAPHIC MEASUREMENTS OF THE HEIGHTS OF VERTEBRAL BODIES IN THORACIC AND LUMBAR SPINE

Radiographic measurements was performed on 124 normal adults for anterior, posterior and middle heights of the vertebral bodies in thoracic and lumbar spine. The normal ratios of vertebral height in one vertebral body and one with the adjacent bodies were presented. The method for measurement and its diagnostic value to osteoporodc vertebral fractures were discussed.     

老年性腰椎管狭窄症的手术治疗

目的:评价腰椎管扩大成形术在老年性腰椎管狭窄症手术中的应用价值。方法:对81例老年退变性腰椎管狭窄患者,使用特制限深椎板骨刀后路切开椎管减压。43例单纯退变性腰椎管狭窄,仅行椎管扩大椎板关闭成形手术;38例复杂性腰椎管狭窄患者,采用减压椎板关闭成形加钉棒系统内固定。结果:所有患者腰腿痛症状减轻或消失,随诊73例,随访时间6月至6年,平均2年7月。回植关闭的椎板棘突愈合。按日本矫形外科协会(JOA)下腰痛评分标准,优良率87.7%。结论:该手术操作减压彻底,临床疗效满意,脊柱稳定性好,能有效地预防术后硬膜外瘢痕粘连,是治疗老年性腰椎管狭窄症的一种理想方法。     

腰椎椎弓根导针轴位透视监测的实验研究

目的通过术中对椎弓根多维透视结果进行比较,探索一种简洁易行的透视角度,减少术中椎弓根钉误置率.方法取8具成年人新鲜L1-5椎骨标本,随机建立偏内、偏外、居中3种模型.分别置入导针和椎弓根钉,依次透视侧位、正位、椎弓根轴位、导针轴位、椎弓根钉轴位.根据导针和椎弓根钉与椎弓根投影的相互位置关系判断导针和椎弓根钉位置.术后CT扫描椎弓根钉道,观察椎弓根内外侧皮质穿透情况.切除椎板直视观察结果作为金标准.结果正位透视准确率为34%.侧位透视不能判断偏内及偏外错误.椎弓根轴位透视误将4枚居中判为偏内,准确率为95%.导针轴位透视准确率为100%.结论导针轴位透视能准确判断椎弓根钉导针位置,可提高置钉准确率,减少椎弓根钉松动的人为因素.     

CoflexTM和椎弓根钉棒系统联合应用对腰椎三维运动的影响

目的 探讨采用棘突间稳定装置Coflex TM和椎弓根钉棒内同定系统联合固定后对固定及邻近节段活动度的影响.方法 选取6具新鲜成人尸体脊柱标本(L1～S1段),在三维运动测试仪上进行前屈、后伸、左右侧弯和旋转6个运动方向的稳定性测试,计算L2/3,L3/4和L4/5 3个节段的三维运动范围(ROM)和中性区(NZ),分别比较完整标本(a)、L4/5节段坚强固定(b)、b+L3/4节段棘突间Coflex TM固定(c)3种状态下标本3个节段活动度.结果 L4/5节段6个方向上ROMb、ROMc0.05).结论 采用椎弓根钉坚强同定后其上一节段活动度明显增大,而采用棘突间稳定装置Coflex TM固定邻近节段后此节段活动度明显减少,仅仅造成更上的节段后伸时活动度增大.