引用本文: 王飞, 陶惠人, 刘志斌, 张建华, 韩芳民. Photoshop CS16.0软件辅助下截骨设计在强直性脊柱炎后凸畸形矫正中的应用. 中国修复重建外科杂志, 2015, 29(2): 184-188. doi: 10.7507/1002-1892.20150040 复制
强直性脊柱炎后期常继发胸腰椎后凸畸形,脊柱在前倾姿势形成骨性强直,导致患者脊柱矢状面失衡及水平视野范围缺失 [1-2],生理活动受限,严重影响患者日常生活。传统物理治疗或矫形器治疗效果有限,手术截骨矫正是治疗此类畸形的主要方法。目前矫正术中截骨角度主要根据医师经验、剪纸拼接以及专业计算机软件分析、建立模型等方法确定[3-7],均有一定程度偏差及条件限制。为解决上述方法不足,我们采用Photoshop CS16.0软件(PS软件)基于术前X线片进行截骨设计,并于2009年3 月-2013年3月用于21例强直性脊柱炎后凸畸形(ankylosing spondylitis kyphosis,ASK)患者术前设计,获较好疗效。报告如下。
1 临床资料
1.1 一般资料
本组男16例,女5例;年龄23~50岁,平均34.2岁。身高157~174 mm,平均168 mm。后凸畸形节段:单纯胸段2例,胸腰段14例,单纯腰段5 例。病程10~20年,平均15年。
1.2 术前截骨设计相关参数测定
术前常规摄站立位全脊柱侧位X线片及颈椎过伸、过屈位X线片,摄片时确保患者双侧膝、髋关节保持完全伸直状态。将X线片原始数据以img格式导出,并转换为1∶1标准jpg格式图片,应用PS软件中的测量工具建立测量模板,测量脊柱骨盆矢状面参数:全脊柱后凸角(global kyphosis,GK)、腰椎前凸角(lumbar lordosis,LL)、矢状位垂直轴(sagittal vertical axis,SVA)、骨盆入射角(pelvic incidence,PI)、骨盆倾斜角(pelvic tilt,PT)、截骨椎体Cobb角及颈椎过伸、过屈位的颌眉角(chin brow-vertical angle,CBVA)。导出数据并保存为Excel格式文件。
1.3 术前截骨设计
1.3.1 理论截骨角度
理想脊柱矢状面平衡为C7铅垂线通过骶骨后上缘,即SVA值为0。根据Yang等[8]提出的脊柱失衡角度(spinal imbalance angle,SIA)计算原理(图 1),使用PS软件进行截骨角度计算和模拟。因本组选择改良椎弓根闭合截骨术(pedicle subtraction closing wedge osteotomy,PSO),所以截骨顶点位于椎体前上缘(图 2)。操作步骤:① 用PS软件于术前侧位X线片上标记:C7椎体中心点(a)、截骨椎体的截骨顶点(b)、过骶骨后缘铅垂线(c)、经过截骨椎体上终板的直线以及截骨椎体轮廓。② 以截骨椎体为界限,选取截骨椎体截骨线水平以上的图片,将PS软件的旋转支点(d)移动至截骨椎体的截骨顶点。③ 沿旋转支点旋转,直至C7椎体中心点重合于过骶骨后缘铅垂线,PS软件自动测量恢复脊柱失衡的理论截骨角度,同时确定手术截骨位置及范围;如需进一步精确截骨位置,可用PS软件自带标尺工具测量截骨点(e)距离上、下终板或椎弓根的距离,进一步指导术中截骨位置。模拟截骨过程,如单个椎体不能达到计划截骨角度时,选择进行双节段截骨,同上法计算双椎体截骨角度及确定截骨范围。

1.3.2 最终截骨角度
因脊柱后凸截骨导致的CBVA变化与截骨角度基本一致,理论截骨角度确定后,参考每例患者CBVA进行修正,确定最终截骨角度。截骨术后CBVA理想范围为-10~10°[9],>10°为矫正不足,<-10°为矫正过度。考虑患者颈椎本身有一定活动范围,所以确定恢复理想CBVA所需的截骨角度范围为颈椎过伸位CBVA(CBVA1)-10°~过屈位CBVA(CBVA2)+10°。当SIA大于CBVA1+10°时,修正截骨角度为CBVA1+10°;当SIA在CBVA1-10°~CBVA2+10°时,无需修正截骨角度;然后根据患者的日常工作生活性质适当调整截骨角度。本组15例截骨角度选择理论截骨角度;4例截骨角度修正为CBVA2+10°,2例修正为CBVA1-10°。
1.3.3 截骨平面
分别将截骨顶点置于L1~L4进行模拟计算,选择截骨角度最小的椎体作为截骨平面。本组单个椎体截骨20例,其中L2 12例、L3 6例、L4 2例;双椎体截骨1例,为L2、L4。
1.4 手术方法
全麻下,在光导纤维引导下经鼻清醒插管,以防止体位改变过程中发生脊柱骨折及脊髓损伤。患者取俯卧位,根据后凸畸形程度将手术床折叠成适当角度,海绵垫置于腹部,避免腹部和身体其他部位悬空,手术全程应用体感诱发电位脊髓监护。C臂X线机透视定位椎体,并在侧位图像上用X线机自带测量工具测量截骨椎体的头侧椎体上终板与下终板间的Cobb角度。取腰椎后正中切口,骨膜下显露拟固定融合椎体的后路结构,分别在椎体头侧和尾侧至少2个节段椎体植入椎弓根螺钉。切除椎体棘突、椎板和上关节突等后部结构,根据术前确定的截骨位置及范围,用骨刀凿除截骨线之上椎体、椎间盘,并处理上位椎体终板成粗糙植骨面,注意保护神经及脊髓,放置合适的椎间融合器或同种异体骨环(第四军医大学西京医院骨库),保证椎体前方支撑。折叠手术床缓慢复位,去除患者腹部海绵垫,见截骨部分间隙逐渐闭合,于椎间融合器后方植入切除椎板修剪后的碎骨块。然后截取2根适当长度钛棒进行预弯,采用悬臂梁技术置棒后进一步闭合截骨间隙。利用器械加压使截骨间隙逐渐闭合,根据术前透视测量的Cobb角,在透视下测量术中实际截骨角度(术中Cobb角-术前Cobb角)直至达到术前计划的截骨度数。完成截骨矫形和内固定后进行唤醒试验,明确患者双下肢活动正常后制作骨床,将切除的椎体后部结构咬碎后进行后外侧植骨融合。术毕,置引流管,逐层关闭伤口。
1.5 术后处理及随访指标
术后常规预防感染,应用抗骨质疏松药物。术后3~5 d拔出引流管后开始在支具保护下下床活动。 术后1周及末次随访时摄站立位全脊柱侧位X线片,于术后1周图像上测量截骨椎体Cobb角,并计算实际截骨角度,公式:术后截骨椎体Cobb角-术前截骨椎体Cobb角;于术后1周及末次随访图像上,采用PS软件测量脊柱骨盆矢状面参数(SVA、GK、LL、PT、PI及CBVA)。于术前、术后1周及末次随访时采用Oswestry功能障碍指数(ODI)及脊柱侧凸研究会-22项问卷(SRS-22)评分量表评估患者功能改善情况。
1.6 统计学方法
采用SPSS19.0统计软件进行分析。数据以均数±标准差表示,术前计划截骨角度和术后实际截骨角度比较采用配对t检验;术前、术后1周及末次随访时脊柱骨盆的矢状面参数、ODI、SRS-22评分比较采用重复测量方差分析,两两比较采用配对t检验;检验水准α=0.05。
2 结果
2.1 疗效评价
本组术中出现硬脊膜破裂1例,予以修补。术后切口均Ⅰ期愈合。术后出现神经损害症状1例,予以营养神经对症治疗后症状逐渐缓解。患者均获随访,随访时间14~45个月,平均26.3个月。术后1周及末次随访时,ODI及SRS-22评分均较术前显著改善,比较差异均有统计学意义(P<0.05);末次随访及术后1周时比较,差异无统计学意义(P>0.05)。见表 1。

2.2 X线片评价
本组术前计划截骨角度为(34.2±10.5)°,术后实际截骨角度为(33.7±9.7)°,比较差异无统计学意义(t=0.84,P=0.42)。术后1周及末次随访时脊柱骨盆矢状面参数GK、SVA、PT、LL较术前明显改善,比较差异有统计学意义(P<0.05),达到矫形术后理想脊柱骨盆矢状面参数(PT<20°、SVA<5 cm)[10];术后1周及末次随访时CBVA均在-10~10°理想范围内[9],较术前明显改善,比较差异有统计学意义(P<0.05)。以上各项测量数据术后1周和末次随访比较,差异均无统计学意义(P>0.05)。PI手术前后各时间点间比较,差异无统计学意义(F=0.32,P=0.72)。见表 1。末次随访时X线片示内固定装置正常,无内固定失效及断裂,截骨部位均获得骨性融合(图 3)。
3 讨论
脊柱畸形矫正旨在重建矢状面平衡、恢复患者正常步态、平卧、平视功能及改善外观等[11]。本组截骨位置均选择在腰椎,我们认为通过腰椎前凸代偿胸椎后凸畸形,可获得更好的矢状面平衡,理由如下:① 腰椎部位载骨在脊髓圆锥平面以下,椎管宽大,且不受肋骨及胸廓影响,同样的截骨方式可获得更大的矫正角度,较大程度避免了脊髓及神经根损伤的发生。② 靠近脊柱尾侧椎体截骨,能获得较大的矢状面矫正[6, 12-13]。我们用PS软件随机测量了40例ASK患者在不同截骨平面(T6~L5) 所需截骨角度,结果发现随截骨平面下降,所需截骨角度逐渐减小。③ 有研究报道LL与PT、PI、SS有一定相关性,而胸椎后凸角与PT、PI、SS无明显相关[14-17],所以恢复腰椎生理前凸能调整恢复骨盆的代偿状态,从而使脊柱曲度处于最稳定且耗能最小的理想状态。虽然本研究考虑了脊柱后凸畸形的诸多方面,但仍有许多因素未纳入截骨设计中。强直性脊柱炎患者晚期出现腰椎前凸减少或胸椎后凸增加,身体往往呈前倾,行走时为了维持重心平衡及平视,需要通过颈椎、胸椎邻近节段、髋关节过度伸展、骨盆后倾、屈膝方式代偿。相关肌肉持续紧张与收缩、关节面压力升高等因素导致了患者颈部、腰部、髋关节、膝关节活动后的疲乏及疼痛症状。在测量脊柱后凸畸形所需截骨角度时,往往忽略了骨盆及髋、膝关节的代偿,仅考虑单纯脊柱失衡,从而造成术后矫正不足。髋、膝关节代偿角度可通过患者伸直膝关节抵消,而骨盆代偿角度目前均依靠经验确定[18],所以骨盆代偿的截骨角度仍需进一步研究量化。
目前临床常用的Mimics软件是一套高度整合的三维图像生成及编辑处理软件,通过输入各种扫描数据(CT、MRI)建立三维模型进行编辑,广泛应用于不同部位术前截骨设计,其中包括应用于ASK[4]。但Mimics软件是在三维CT数据下进行模拟截骨,而三维CT是在非负重情况下获得的数据,所以获得的截骨角度及模拟的截骨情况与实际有一定偏差。此外,Mimics软件模拟截骨在三维图形下进行,操作复杂,需专业人士进行处理,也无法直观应用于手术中。与Mimics软件相比,PS软件是一款大型图像处理软件,主要用于处理以像素所构成的数字图像。本研究基于ASK截骨原理,应用PS软件成功完成了截骨角度的计算和截骨模拟,对于严重后凸畸形,还可进行多阶段模拟截骨及角度计算。而且在具备全身X线摄片系统条件下,能够通过应用PS软件在模拟截骨的同时动态测量CBVA的变化,从而能根据患者具体情况在恢复矢状面平衡角度和CBVA间选择最佳平衡点。我们通过应用PS软件在矫正术前确定截骨平面、角度、位置和范围,指导医师术中操作,术后患者脊柱和骨盆关键矢状面参数(GK、SVA、 CBVA、PT)均恢复至较理想范围,而且末次随访时脊柱和骨盆参数与术后1周无明显变化,提示矫形效果无丢失;术后患者ODI和SRS-22评分较术前明显改善,提示患者心理及生理活动恢复良好。
综上述,通过在PS软件辅助下行ASK矫正术前截骨设计,可直接指导术中截骨,精确恢复脊柱矢状面平衡及水平视角,有效避免矫正过度或矫正不足。但本研究例数较少,且应用PS软件仅能模拟改良的PSO截骨,尚无法模拟其他截骨方式,所以仍需进一步完善和进行对比性研究验证。
强直性脊柱炎后期常继发胸腰椎后凸畸形,脊柱在前倾姿势形成骨性强直,导致患者脊柱矢状面失衡及水平视野范围缺失 [1-2],生理活动受限,严重影响患者日常生活。传统物理治疗或矫形器治疗效果有限,手术截骨矫正是治疗此类畸形的主要方法。目前矫正术中截骨角度主要根据医师经验、剪纸拼接以及专业计算机软件分析、建立模型等方法确定[3-7],均有一定程度偏差及条件限制。为解决上述方法不足,我们采用Photoshop CS16.0软件(PS软件)基于术前X线片进行截骨设计,并于2009年3 月-2013年3月用于21例强直性脊柱炎后凸畸形(ankylosing spondylitis kyphosis,ASK)患者术前设计,获较好疗效。报告如下。
1 临床资料
1.1 一般资料
本组男16例,女5例;年龄23~50岁,平均34.2岁。身高157~174 mm,平均168 mm。后凸畸形节段:单纯胸段2例,胸腰段14例,单纯腰段5 例。病程10~20年,平均15年。
1.2 术前截骨设计相关参数测定
术前常规摄站立位全脊柱侧位X线片及颈椎过伸、过屈位X线片,摄片时确保患者双侧膝、髋关节保持完全伸直状态。将X线片原始数据以img格式导出,并转换为1∶1标准jpg格式图片,应用PS软件中的测量工具建立测量模板,测量脊柱骨盆矢状面参数:全脊柱后凸角(global kyphosis,GK)、腰椎前凸角(lumbar lordosis,LL)、矢状位垂直轴(sagittal vertical axis,SVA)、骨盆入射角(pelvic incidence,PI)、骨盆倾斜角(pelvic tilt,PT)、截骨椎体Cobb角及颈椎过伸、过屈位的颌眉角(chin brow-vertical angle,CBVA)。导出数据并保存为Excel格式文件。
1.3 术前截骨设计
1.3.1 理论截骨角度
理想脊柱矢状面平衡为C7铅垂线通过骶骨后上缘,即SVA值为0。根据Yang等[8]提出的脊柱失衡角度(spinal imbalance angle,SIA)计算原理(图 1),使用PS软件进行截骨角度计算和模拟。因本组选择改良椎弓根闭合截骨术(pedicle subtraction closing wedge osteotomy,PSO),所以截骨顶点位于椎体前上缘(图 2)。操作步骤:① 用PS软件于术前侧位X线片上标记:C7椎体中心点(a)、截骨椎体的截骨顶点(b)、过骶骨后缘铅垂线(c)、经过截骨椎体上终板的直线以及截骨椎体轮廓。② 以截骨椎体为界限,选取截骨椎体截骨线水平以上的图片,将PS软件的旋转支点(d)移动至截骨椎体的截骨顶点。③ 沿旋转支点旋转,直至C7椎体中心点重合于过骶骨后缘铅垂线,PS软件自动测量恢复脊柱失衡的理论截骨角度,同时确定手术截骨位置及范围;如需进一步精确截骨位置,可用PS软件自带标尺工具测量截骨点(e)距离上、下终板或椎弓根的距离,进一步指导术中截骨位置。模拟截骨过程,如单个椎体不能达到计划截骨角度时,选择进行双节段截骨,同上法计算双椎体截骨角度及确定截骨范围。

1.3.2 最终截骨角度
因脊柱后凸截骨导致的CBVA变化与截骨角度基本一致,理论截骨角度确定后,参考每例患者CBVA进行修正,确定最终截骨角度。截骨术后CBVA理想范围为-10~10°[9],>10°为矫正不足,<-10°为矫正过度。考虑患者颈椎本身有一定活动范围,所以确定恢复理想CBVA所需的截骨角度范围为颈椎过伸位CBVA(CBVA1)-10°~过屈位CBVA(CBVA2)+10°。当SIA大于CBVA1+10°时,修正截骨角度为CBVA1+10°;当SIA在CBVA1-10°~CBVA2+10°时,无需修正截骨角度;然后根据患者的日常工作生活性质适当调整截骨角度。本组15例截骨角度选择理论截骨角度;4例截骨角度修正为CBVA2+10°,2例修正为CBVA1-10°。
1.3.3 截骨平面
分别将截骨顶点置于L1~L4进行模拟计算,选择截骨角度最小的椎体作为截骨平面。本组单个椎体截骨20例,其中L2 12例、L3 6例、L4 2例;双椎体截骨1例,为L2、L4。
1.4 手术方法
全麻下,在光导纤维引导下经鼻清醒插管,以防止体位改变过程中发生脊柱骨折及脊髓损伤。患者取俯卧位,根据后凸畸形程度将手术床折叠成适当角度,海绵垫置于腹部,避免腹部和身体其他部位悬空,手术全程应用体感诱发电位脊髓监护。C臂X线机透视定位椎体,并在侧位图像上用X线机自带测量工具测量截骨椎体的头侧椎体上终板与下终板间的Cobb角度。取腰椎后正中切口,骨膜下显露拟固定融合椎体的后路结构,分别在椎体头侧和尾侧至少2个节段椎体植入椎弓根螺钉。切除椎体棘突、椎板和上关节突等后部结构,根据术前确定的截骨位置及范围,用骨刀凿除截骨线之上椎体、椎间盘,并处理上位椎体终板成粗糙植骨面,注意保护神经及脊髓,放置合适的椎间融合器或同种异体骨环(第四军医大学西京医院骨库),保证椎体前方支撑。折叠手术床缓慢复位,去除患者腹部海绵垫,见截骨部分间隙逐渐闭合,于椎间融合器后方植入切除椎板修剪后的碎骨块。然后截取2根适当长度钛棒进行预弯,采用悬臂梁技术置棒后进一步闭合截骨间隙。利用器械加压使截骨间隙逐渐闭合,根据术前透视测量的Cobb角,在透视下测量术中实际截骨角度(术中Cobb角-术前Cobb角)直至达到术前计划的截骨度数。完成截骨矫形和内固定后进行唤醒试验,明确患者双下肢活动正常后制作骨床,将切除的椎体后部结构咬碎后进行后外侧植骨融合。术毕,置引流管,逐层关闭伤口。
1.5 术后处理及随访指标
术后常规预防感染,应用抗骨质疏松药物。术后3~5 d拔出引流管后开始在支具保护下下床活动。 术后1周及末次随访时摄站立位全脊柱侧位X线片,于术后1周图像上测量截骨椎体Cobb角,并计算实际截骨角度,公式:术后截骨椎体Cobb角-术前截骨椎体Cobb角;于术后1周及末次随访图像上,采用PS软件测量脊柱骨盆矢状面参数(SVA、GK、LL、PT、PI及CBVA)。于术前、术后1周及末次随访时采用Oswestry功能障碍指数(ODI)及脊柱侧凸研究会-22项问卷(SRS-22)评分量表评估患者功能改善情况。
1.6 统计学方法
采用SPSS19.0统计软件进行分析。数据以均数±标准差表示,术前计划截骨角度和术后实际截骨角度比较采用配对t检验;术前、术后1周及末次随访时脊柱骨盆的矢状面参数、ODI、SRS-22评分比较采用重复测量方差分析,两两比较采用配对t检验;检验水准α=0.05。
2 结果
2.1 疗效评价
本组术中出现硬脊膜破裂1例,予以修补。术后切口均Ⅰ期愈合。术后出现神经损害症状1例,予以营养神经对症治疗后症状逐渐缓解。患者均获随访,随访时间14~45个月,平均26.3个月。术后1周及末次随访时,ODI及SRS-22评分均较术前显著改善,比较差异均有统计学意义(P<0.05);末次随访及术后1周时比较,差异无统计学意义(P>0.05)。见表 1。

2.2 X线片评价
本组术前计划截骨角度为(34.2±10.5)°,术后实际截骨角度为(33.7±9.7)°,比较差异无统计学意义(t=0.84,P=0.42)。术后1周及末次随访时脊柱骨盆矢状面参数GK、SVA、PT、LL较术前明显改善,比较差异有统计学意义(P<0.05),达到矫形术后理想脊柱骨盆矢状面参数(PT<20°、SVA<5 cm)[10];术后1周及末次随访时CBVA均在-10~10°理想范围内[9],较术前明显改善,比较差异有统计学意义(P<0.05)。以上各项测量数据术后1周和末次随访比较,差异均无统计学意义(P>0.05)。PI手术前后各时间点间比较,差异无统计学意义(F=0.32,P=0.72)。见表 1。末次随访时X线片示内固定装置正常,无内固定失效及断裂,截骨部位均获得骨性融合(图 3)。
3 讨论
脊柱畸形矫正旨在重建矢状面平衡、恢复患者正常步态、平卧、平视功能及改善外观等[11]。本组截骨位置均选择在腰椎,我们认为通过腰椎前凸代偿胸椎后凸畸形,可获得更好的矢状面平衡,理由如下:① 腰椎部位载骨在脊髓圆锥平面以下,椎管宽大,且不受肋骨及胸廓影响,同样的截骨方式可获得更大的矫正角度,较大程度避免了脊髓及神经根损伤的发生。② 靠近脊柱尾侧椎体截骨,能获得较大的矢状面矫正[6, 12-13]。我们用PS软件随机测量了40例ASK患者在不同截骨平面(T6~L5) 所需截骨角度,结果发现随截骨平面下降,所需截骨角度逐渐减小。③ 有研究报道LL与PT、PI、SS有一定相关性,而胸椎后凸角与PT、PI、SS无明显相关[14-17],所以恢复腰椎生理前凸能调整恢复骨盆的代偿状态,从而使脊柱曲度处于最稳定且耗能最小的理想状态。虽然本研究考虑了脊柱后凸畸形的诸多方面,但仍有许多因素未纳入截骨设计中。强直性脊柱炎患者晚期出现腰椎前凸减少或胸椎后凸增加,身体往往呈前倾,行走时为了维持重心平衡及平视,需要通过颈椎、胸椎邻近节段、髋关节过度伸展、骨盆后倾、屈膝方式代偿。相关肌肉持续紧张与收缩、关节面压力升高等因素导致了患者颈部、腰部、髋关节、膝关节活动后的疲乏及疼痛症状。在测量脊柱后凸畸形所需截骨角度时,往往忽略了骨盆及髋、膝关节的代偿,仅考虑单纯脊柱失衡,从而造成术后矫正不足。髋、膝关节代偿角度可通过患者伸直膝关节抵消,而骨盆代偿角度目前均依靠经验确定[18],所以骨盆代偿的截骨角度仍需进一步研究量化。
目前临床常用的Mimics软件是一套高度整合的三维图像生成及编辑处理软件,通过输入各种扫描数据(CT、MRI)建立三维模型进行编辑,广泛应用于不同部位术前截骨设计,其中包括应用于ASK[4]。但Mimics软件是在三维CT数据下进行模拟截骨,而三维CT是在非负重情况下获得的数据,所以获得的截骨角度及模拟的截骨情况与实际有一定偏差。此外,Mimics软件模拟截骨在三维图形下进行,操作复杂,需专业人士进行处理,也无法直观应用于手术中。与Mimics软件相比,PS软件是一款大型图像处理软件,主要用于处理以像素所构成的数字图像。本研究基于ASK截骨原理,应用PS软件成功完成了截骨角度的计算和截骨模拟,对于严重后凸畸形,还可进行多阶段模拟截骨及角度计算。而且在具备全身X线摄片系统条件下,能够通过应用PS软件在模拟截骨的同时动态测量CBVA的变化,从而能根据患者具体情况在恢复矢状面平衡角度和CBVA间选择最佳平衡点。我们通过应用PS软件在矫正术前确定截骨平面、角度、位置和范围,指导医师术中操作,术后患者脊柱和骨盆关键矢状面参数(GK、SVA、 CBVA、PT)均恢复至较理想范围,而且末次随访时脊柱和骨盆参数与术后1周无明显变化,提示矫形效果无丢失;术后患者ODI和SRS-22评分较术前明显改善,提示患者心理及生理活动恢复良好。
综上述,通过在PS软件辅助下行ASK矫正术前截骨设计,可直接指导术中截骨,精确恢复脊柱矢状面平衡及水平视角,有效避免矫正过度或矫正不足。但本研究例数较少,且应用PS软件仅能模拟改良的PSO截骨,尚无法模拟其他截骨方式,所以仍需进一步完善和进行对比性研究验证。