文摘

客观的。图像分割技术应用于独立的单个椎脊柱的三维模型,以独立的单个椎骨图像误差小,自动化程度更高,更好的结果。研究的目标是短音段椎弓根螺钉固定后的生物力学特性的三维有限元方法,分析后椎弓根螺钉杆固定系统的力学特性在不同因素,并展示其应用的可行性治疗腰椎骨折。方法。作者在数据库搜索文章的治疗腰椎骨折,丝杆内固定系统,及其力学参数。阈值分割方法基于区域分割法分割图像,并采用三维有限元模型,分析不同的生物力学特征对腰椎骨折后内固定。结果。后椎弓根内固定系统多级脊柱骨折的治疗是一个成熟的手术技术和减少术后并发症。Transpedicle固定是有效和可靠的。它能有效恢复椎体的冠状及矢状曲率和恢复脊柱的稳定性更好。但内固定方法的选择应根据骨折类型个性化,关键和二次损伤的识别网站,和稳定性评估。只有在掌握后的生物力学特点螺旋杆系统治疗腰椎骨折,选择合适的方法,并解决相应的运动单位可以最好的固定。结论。阈值法是最直接和简单的图像分割方法。阈值的核心技术是阈值的选择,这将影响最终的分割效果。最常见的分割方法是计算直方图的分割阈值。阈值方法具有更少的计算和良好的分割效果的图像大对比背景和目标。后椎弓根螺钉杆系统内固定具有创伤少,好减少,可靠的固定,并发症少。设计、布置各种内固定系统的角度和深度,和固定的数量段都显示不同的力学特性。只要我们掌握了以上特点,选择适当的方法和修正适当的运动单位,我们可以得到最好的固定;它可以作为一个有效的治疗腰椎骨折。

1。介绍

脊柱骨折并不少见,和各种类型的脊柱骨折已成为常见的骨科损伤。在各种脊椎骨折、腰椎骨折已经成为常见的脊柱骨折和高发病率由于其特殊的解剖和力学特性1]。脊柱腰段由五个椎骨,两个相邻椎骨和椎间盘、关节突出,和韧带结构连接被称为脊柱功能单位,也被称为运动段。前苏联是最小的单位,可以反映脊柱的生物学特性,也是最基本的单位维持脊柱的稳定性(2]。腰椎的稳定性是平衡态的内源性稳定因素运动段与外部负载。腰椎骨折大多是由直接或间接暴力引起的,和患者伴有局部疼痛和肿胀。腰椎骨折手术分为前部和后部的方法,以及长期和短音段固定方法。大多数因素导致脊髓狭窄来自前面。前减压相对完整,但内固定后更明显暴露,和更可靠的内固定。

在1943年提出了有限元法分析了扭转胃的身体,然后,应用于飞机的设计和发展成矩阵位移法。随着计算机技术和软件技术的发展,有限元方法也在不断发展,从固体力学,生物力学,流体力学,磁场和温度场和其他领域。生物力学领域的,它可以用来建立一个人体的三维有限元仿真模型,并执行相应的应力和模态分析。广泛用于分析生物力学领域的整形外科(3]。有限元方法可以模拟脊柱的力学变化通过建立脊柱模型是合理和有效的工具在脊柱力学的研究4]。本文使用三维有限元法建立腰椎骨折内固定模型,进行有限元分析在受伤的椎体的生物力学特征,并探讨了后段包括固定和常规短音段固定的腰椎骨折。生物力学特性提供依据的选择内固定胸腰椎骨折在临床实践中。

2。材料和方法

2.1。脊椎分离基于图像分割的方法

图像分割是指图像中具有特殊含义的不同区域区分开来。这些区域互不交叉,每个区域满足特定区域的一致性。图像分割的特性包括:图像灰度、颜色、纹理、局部统计特性,或光谱特性。这些特性的差异可以用来区分不同的目标对象的形象。医学图像分割是区分不同地区特殊的解剖功能医学图像,和每个区域满足区域一致性。基于阈值分割方法的分割方法,可以有效地分割图像的灰度值或其他特征值不同类型的对象是非常不同的5]。阈值分割的方法分为单阈值分割和multithreshold分割。我们都知道,有大的灰度差异骨骼和肌肉,皮肤,和其他软组织在CT图像。只因为这个原因,本文使用一个阈值段骨骼图像从原始数据,也就是说,组织的灰度值大于设定阈值的骨头(6- - - - - -8]。

让 像素的灰度值 ,和二值化过程可以根据公式(1)。其中,是二值化的阈值,图像的灰度是0 ~ 。

图1显示任何一个的灰度值直方图CT切片图像的脊柱。从柱状图可以看出,最大灰度值集中的峰值之间的灰色1170年到1230年的水平。在这项实验中,将灰色阈值设置为1200。之前和之后的阈值分割效果如图2(一个)和2 (b)。

病变区域会产生许多孤立的小点和漏洞,和轮廓线之间的裂缝就会出现,如图2 (b)。为了解决这些问题,介绍了数学形态学的方法对过滤。数学形态学图像处理包括四个基本操作或操作:扩张,侵蚀,打开和关闭。实验主要采用开放手术(开放),也就是说,腐蚀的过程,然后扩张。这个操作可以消除异常值,小对象,不同的对象与要点,和光滑的大没有显著改变目标区域边界。它的定义公式所示(2)。

一般来说,连续打开操作可以显著提高的现象不平滑的目标边界,小洞在目标区域,背景噪音和孤立区域二值化后的图像操作。图3打开操作的结果。相比之下,图2 (b),散点、毛刺和小桥梁原始图2 (b)已经彻底删除。

对原始噪声执行噪声去除CT图像,执行单一阈值结合形态学分割CT图像,仅保留脊柱图的一部分;执行分割的三维重建结果获得整个脊柱的三维模型;使用空间superneighbors。使用域算法分离单个椎脊柱的三维模型,如图4。

针对虚拟脊椎矫正手术的需要,研究提出了一个通用的过程处理CT图像预处理。同时,根据空间superneighborhood算法,每一个脊椎自动分离,分离的单一与原椎椎在阶段。比例误差小,自动化程度较高,结果是理想的。它有一定的虚拟脊椎矫正手术的指导意义。它可以用于三维重建的组织和器官,医学图像分析和改善脊柱手术计划的制定。

2.2。建立正常胸腰椎脊柱骨折的三维有限元模型

年轻男性志愿者被选中时,在数据采集前和x光片的排除病理条件的脊柱。使用通用的光速16-slice螺旋CT扫描脊柱T10 ~ L2不断沿着横截面。扫描条件如下:扫描电压120 kV,扫描电流300毫安,层厚度为1.25毫米,层间隔为0.625毫米。CT扫描图像存储在Dicom3.0标准。上述CT Dicom格式的数据导入到模仿10.01(出现、比利时),和脊柱的三维模型建立了T10 ~ L2通过操作,如阈值分割、动态区域增长,和三维计算,和逆向工程软件Geomagic工作室用于平滑处理。有限元预处理软件Hypermesh用于补充建立椎间盘和相应的韧带。髓核的面积大约是椎间盘的总面积的43%。纤维环被模拟为一个矩阵包含纤维排列间接30°。划分网格的每个部分和分配不同的材料属性。建立正常模型的T10 ~ L2段。 According to Denis spine fracture classification, a model of incomplete fracture of the upper part of the T12 vertebra was established [9- - - - - -12]。具体设置如下:删除上部1/2皮质骨的前中间部分病人椎体,并给终板上部和上1/2的松质骨材料属性前损伤后的中间部分,如图5。

2.3。建立的三维有限元模型的段固定和常规短音段固定在脊椎受伤

使用Pro /工程师软件三维重建脊柱腰椎骨折手术中使用的内固定系统,并与脊柱的三维模型组装T10 L2。其中,由于骨折病人椎体的上部,T11和病人椎体被一段固定的固定模型脊椎受伤。传统的短音段内固定模型修复T11和L1椎体部分。螺杆位置和固定方法参考文献。段包括固定和常规短音段固定的模型通过受伤的椎骨如图6。

transtraumatic的有限元分析和transtraumatic螺钉位置显示transtraumatic螺钉放置更有效地缓解术后疼痛和改善脊柱稳定的短期和长期,尽管手术时间长,有更多的术中出血。此外,transtraumatic螺钉位置可能会导致内固定失败的比例更低。

2.4。后椎弓根螺钉系统内固定治疗腰椎骨折

椎弓根内固定骨折和脱位患者适合各种不稳定的胸腰椎脊柱或截瘫患者脊柱畸形,如椎间盘变性、腰脊椎前移,驼背。背中线切口与脊柱病变为中心,确定了椎弓根螺钉的位置和方向,椎弓根螺钉插入,内固定装置,减少了椎弓根螺钉固定,如表所示1。

椎弓根螺钉是短音段内固定系统具有优越的生物力学特性。研究表明,后短音段椎弓根螺钉可以传输纠正力量通过后三个脊髓列方法前椎体的一部分。这是一个机械张力修复6个自由度的三维空间。正确的畸形和减少骨折。前面、中间和后面列可以固定在同一时间。有效的后盾解剖可以达到减少甚至骨折。此外,短音段固定的特点避免了长线段固定对流动性的影响以及慢性下腰痛等并发症,“平回畸形。“有效保护运动片段可以提供脊柱的稳定,减少神经损伤的机会,更安全,更可靠。术前x线、CT或MRI检查可以全面评估和理解骨折处程度、类型、脊髓压迫、附件骨折,等等,并确定减压的方法和范围。

腰椎骨折后,脊柱的稳定性遭到破坏,常常伴有脊髓神经损伤。导致脊髓神经压缩的主要因素是背后的骨量椎体压缩的上边缘由于驼背脊椎受伤的角和椎体之间的位移13]。腰椎骨折的外科治疗的目的是重建椎管的形状,恢复脊柱的稳定性,并消除脊髓上的压缩。恢复的有效体积和椎管的稳定性,及时缓解神经压迫和完整的方式,这有利于脊髓神经功能的恢复。删除压缩材料在脊髓前、足够的椎管减压、纠正畸形,脊柱稳定性的重建,植骨融合已被大多数学者认可。35例胸腰椎骨折治疗后椎弓根螺钉系统内固定,其中20例进行了术中减压后,8例进行了骨移植的椎骨的椎弓根。所有35例进行骨移植关节和横突,和平均身高(百分比)的前部和后部边缘受伤脊椎手术之前和之后,柯布的角度,椎管横截面积的测量。35例腰椎骨折治疗后椎管减压和nail-rod系统内固定,取得了令人满意的结果,如图7。

2.5。腰椎内固定的机械试验研究

1988年,Gurr et al。14金田]相比的固定效应与椎弓根螺钉系统小腿脊柱,和结果表明,前3段固定的效果相当于后者的固定5段。Zdeblick et al。15和一个et al。16]相比前几个内固定设备和金田发现系统有最好的稳定性。一个et al。17]通过实验证明使用螺母,防止螺丝退出将大大增强修复前内固定系统的强度。后主要包括椎弓根螺钉内固定系统和钩棒系统。人们普遍认为,前者的刚度显著高于后者。Lim et al。18]通过实验证实椎弓根螺钉系统的轴向扭转稳定性增强后横向连杆的使用,但稳定性时变化不明显受到其他类型的负载。林恩et al。19)发现,使用两个横向连杆可显著提高抗弯刚度和转动。已经有一些研究在撤军椎弓根螺钉的强度。人们普遍认为,椎弓根螺钉的直径是最重要的因素。螺纹的直径越大,撤军强度越高。另一个重要因素影响椎弓根螺钉的强度提取是椎弓根和椎体的抗剪强度主要与松质骨的骨密度和螺钉插入时的转矩。骨骼密度越低,较低的抗拔强度螺丝。因此,当椎弓根螺钉位于骨质密度较高的地方,在终板附近,其开采强度相对较高。过去,我们主要关注脊柱的稳定本身,忽略了承载内固定的效果。当内固定的疲劳强度低于强度,需要有效地减少内固定的压力。坎宁安et al。20.)用12种椎弓根螺钉来固定的椎体生物力学实验,发现所有标本的抗压强度和抗弯强度明显低于正常。可以看出,如果前的稳定结构不能有效地重建,椎弓根螺钉系统将承担部分甚至全部负载最初由前一列。临床报道了钉子和植入后放松与后椎弓根螺钉系统治疗胸腰椎椎体骨折并不少见,大部分情况下连续损坏的前一列,如果前骨移植是同时执行的,没有这样的并发症发生。Cripton et al。21]分析了负载分配的影响后腰椎内固定系统和认为破坏后的风险内固定系统是伟大的严重前损伤发生时,如图8和9。

3所示。结果

生物力学研究表明,后椎弓根短音段固定有一个公司三列的固定功能,这是一个紧张的固定脊柱力学。短音段椎弓根内固定系统可以重建脊柱的稳定性,恢复椎管的体积,并提供一个良好的外部环境对神经损伤的恢复。减少骨折分为直接还原和间接减少。当后螺旋杆纵向延伸到恢复脊柱的高度和后列,后纵韧带拉伸达到间接减少椎管骨块,用于预还原和杆。弯曲的角度,椎弓根螺钉和杠杆的力量扩张可以恢复前一列的高度。无论是压缩或爆裂骨折,只要前和后纵韧带完整,大多数的骨折碎片可以减少圆满通过AF内固定系统的扩张。在操作期间,椎骨骨折应确定在x线透视下,位置,方向,深度,和减少螺钉应该观察到防止贫困减少和过度扩张。在确定椎弓根螺钉的定位销的位置,标准的正面和侧面x射线胶片用于确定定位销的位置。如果螺丝的位置两边不对称,双方收到的压力杆结构会有所不同,导致弯曲或断钉等并发症手术后(22]。根据病人的症状和体征,以及驼背的范围和程度上的骨折,脊髓压迫的位置和程度提供的病人,和减压范围选择减压的方法。大多数的后纵韧带和小骨折椎管完好无损。大部分的骨折可以自动复位力的扩张;对于那些大型骨折椎管,不能间接复位,semilaminar或full-laminectomy使用。blunt-head凿罢工向前仔细打骨折块直接进入椎体来达到减压的目的。对于大型骨折椎管和明显的椎管狭窄,特别是在腰椎爆裂骨折患者,前和后纵韧带受损在大多数情况下。切除关节内侧半皮质和部分方面的一个或双方的椎弓根,然后,解压后椎管的前面;干扰后,受伤的椎体椎体的现象是“空心椎体”或不能达到减少分心。前和中间列失去结构完整性。 Without effective bone grafting, internal fixation fatigue, fracture, and collapse of the fractured vertebral body and loss of correction may occur in the late stage. Parker et al. [23)认为,内固定设备的故障率可以达到9%到54%,如果只有后固定的腰椎爆裂骨折,没有前一列的支持。在操作,因此,有必要关注椎管前方减压,以及恢复的高度病变的椎骨骨密度。因此,我们从身体和髂骨植入病变椎体通过椎弓根尽可能恢复它的高度。同时,叶片和棘突切除手术期间被咬成颗粒和放置在横突和小关节未开封的一面。骨移植过程实现之间进行脊柱稳定的目的。免费的骨头碎片和椎管的椎间盘组织,都需要删除小刮匙或髓核钳,完全解压,同时,小心地保护脊髓神经与神经剥离纸。

目前,腰椎骨折的临床治疗主要是使用后椎弓根螺钉内固定,这有利于尽快腰椎功能的恢复。脊柱骨折的发病机理认识的提高,迫切需要系统、全面的脊柱生物力学研究。越来越多的学者使用有限元分析方法,分析在不同负载下脊椎的力量。这种方法通过有限元模型的生物力学研究是必不可少的在脊椎的生物学特性的研究。替代的重要的作用,不仅为临床提供强有力的指导进行手术内固定技术,还提供了一个科学依据的评估手术效果。

4所示。讨论

4.1。后面的路钉棒系统和前路锥钢板系统

与前椎板系统相比,后螺杆和杆系统有明显的机械优势。丝杆系统坚定修复椎弓根螺钉,通过万向节的金属杆,可以调整在三维空间中,从而达到有效的减少和公司固定的脊柱骨折。nail-rod系统具有以下特点:①它有一个长杆,可修复长段,可以解决多个段同时,治疗多节的骨折具有明显的优势;②它可以执行杆预处理根据骨折驼背的程度。弯曲可以满足不同程度和方向的修正要求,但因为两个棒很容易不对称弯曲,转动方向的不稳定很容易发生;③在脊椎矫正它有不可替代的优势。房颤通常用于固定段椎骨折。多节的椎骨骨折,尤其是跳过骨折,房颤的应用是有限的。nail-rod联合椎弓根内固定装置三维的正确多边骨折及椎体通过扩张的位移和旋转的工具。特别是对于爆裂骨折的椎体,它可以有效地恢复压缩椎体的高度和修复关节。 The segment is short and reliable, in line with the principle of three-dimensional fixation of spinal fractures, shown in Table2。

与内固定设备的发展,比第一后椎弓根螺钉可以提供更好的固定内固定设备(如哈林顿棒和棘突板块。此外,后手术操作简单的优点,减少创伤。后椎弓根螺钉内固定已成为使用最广泛的手术方法治疗胸腰椎骨折在临床实践中,但一些学者(24)认为,这种方法更容易驼背的畸形与手术前的损失。因此,手术方法的选择应考虑等因素合理选择的类型、位置、神经损伤、手术操作符(人物的技能和经验10和11)。

4.2。后小段,段椎弓根螺钉内固定

与应用程序后的短音段transinjured椎钉在治疗腰椎骨折的位置,一些学者提出了后段椎弓根螺钉仪表(MPSI)为了进一步减少的固定部分。治疗胸腰椎骨折,后段椎弓根螺钉内固定指受伤的椎骨和相邻椎体的重点部分。它是一个开发基于位置的指甲受伤的椎骨。本手术方法主要依赖于一个完整的终板。剩余的骨头一边伸展脊椎受伤恢复原来的高度和修复它。在临床工作中,也有一个稳定的效果只有修复受伤的椎骨和相邻正常的椎体。修复的概念只有一个运动节段不同于跨段椎弓根螺钉内固定。McLain et al。25发现与短音段固定相比,它具有以下优点:少了一个椎间融合的空间,可以最大限度地保留脊柱运动的部分;螺丝直接固定到脊椎受伤可以立即打开脊椎受伤,更好的恢复和维持脊椎受伤的高度;因为很少有固定和熔融段,减少相邻段的变性,和术后椎体不稳定和修正损失最小化;为了避免长期固定侧椎间空间和减少回归变化;后椎弓根螺钉固定后,由于应力屏蔽效应,大部分压力是通过螺钉后列。段固定后,列转矩降低,可减少nail-rod压力负荷,减少内固定伤害的概率。它还可以减少术后校正的速度损失,特别是在flexion-traction骨折的治疗。效果更显著;手术很小,周围组织不去皮,出血量少(26- - - - - -30.],减少手术创伤,在大多数情况下,没有必要取髂骨植骨,这可以避免在骨切除部位的疼痛的问题(31日)(图12)。

4.3。有限元研究

腰椎椎弓根螺钉固定系统的生物力学性能进行评估的有限元方法。相比,结果表明,与传统的侧椎弓根螺钉固定系统,连接设备,椎弓根螺钉固定系统连接装置增加了对角线方向。它是在弯曲和扩展更加稳定;一些研究调查了螺旋状骨的力传导机制复杂的使用有限元方法。结果表明,螺杆受到一系列离散的加载在椎体,导致局部弯矩。螺杆上的最大应力作用于螺丝基地和螺纹接头,这是符合临床观察螺钉断裂网站(32)(图13)。

5。结论

后椎弓根内固定系统多级脊柱骨折的治疗是一个成熟的手术技术和减少术后并发症。Transpedicle固定是有效和可靠的。它能有效恢复椎体的冠状及矢状曲率和恢复脊柱的稳定性更好。但内固定方法的选择应根据骨折类型个性化,关键和二次损伤的识别网站,和稳定性评估。只有在掌握后的生物力学特点螺旋杆系统治疗腰椎骨折,选择合适的方法,并解决相应的运动单位(33最好的固定可以实现。

图像分割技术常被用来满足虚拟脊柱手术的需要。常用的分割技术包括“阈值方法,”“边缘分割的方法,”和一些“区域分割方法,理论具体的分割方法。“阈值方法是最直接和简单的图像分割方法。根据阈值,根据灰度图像分割。但灰色信息的阈值方法主要是,如果图像背景复杂或有多个目标,很难保证分割的效果。阈值分割通常用于CT图像处理。根据自己的经验,医生不断调整阈值分割,直到他们达到预期的效果。

数据可用性

图像数据用于支持这项研究的结果已经存入2019数据集(节https://osf.io/nqjyw/)。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。