文摘

目标。研究旨在调查计算机辅助三维手术仿真的可靠性(CA3DSS)后在强直性脊柱炎胸腰椎驼背二级截骨术(TLKAS)患者。方法。合格TLKAS病人后校正手术后连续包括截骨术。模拟后进行截骨术在模仿和3-Matic医疗软件。冠状、矢状角和校准参数测量在术前全身x射线,脊柱术前原创3 d (Pre-OS),模拟3 d脊柱(SS)和脊柱术后原创3 d (Post-OS)。可靠性测试组内相关系数(可以)和Bland-Altman分析。结果。总共30 TLKAS患者包括在内。优秀的辐射参数的一致性之间显示术前x射线和Pre-OS模型。在SS和Post-OS模型,出色的可靠性所示全球驼背(ICC 0.832, 95% CI 0.677 - -0.916),胸驼背(ICC 0.773, 95% CI 0.577 - -0.885),和腰椎前凸(ICC 0.896, 95%可信区间0.794 - -0.949)和良好的可靠性展出在主曲线(ICC 0.680, 95% CI 0.428 - -0.834)和矢状垂直轴(ICC 0.619, 95%可信区间0.338 - -0.798)。可以修正角通过椎弓根减法截骨术(PSO)为0.754 (95% CI 0.487 - -0.892),和骨切除术后列(PCO)为0.703 (95% CI 0.511 - -0.829)。Bland-Altman分析也显示良好的协议在Pre-OS Cobb角和距离测量和SS模型,和较好的可靠性PCO所示和PSO在真正的脊椎和SS模型。结论。CA3DSS可以提供一个精确的测量,它是一个可靠的和有效的校正方法进行适当的模拟手术后TLKAS患者截骨术。这次试验是中国临床试验注册中心ChiCTR2100053808注册。

1。介绍

胸腰椎驼背通常由治疗强直性脊柱炎(AS)引起的,这是一种慢性炎性疾病,包括关节僵硬的骶髂关节和脊柱韧带骨化和联合1- - - - - -3]。除了驼背的畸形,可能导致脊髓假关节的创伤,骨化迟缓,严重的疼痛,神经症状引起的骨损伤周围组织的进步(4,5]。因此,校正手术需要,目的是恢复正常的矢状面平衡,通常包括椎弓根骨切除术后执行减法截骨术(PSO), Smith-Petersen截骨术(热点),和桥截骨术6,7]。

后列(PCO)截骨术和三栏(3)截骨术是广泛应用于脊柱后凸的畸形校正,可以达到足够的和令人满意的结果在摄影方面和化妆品8,9),然而,围手术期并发症的风险不能被忽略,在某些情况下可能是灾难性的10,11]。因此,至关重要的是做一个细致的术前手术方案的截骨术矫正手术。

几项研究已经报道2 d校正模拟预测设计基于矢状截骨术计划或冠状x射线,在算法和二维模拟的可行性报告(12,13]。虽然二维仿真提供了一个参考基于x射线对截骨术的位置,大多数脊柱畸形脊柱的三维畸形。因此,它可能更重要设计截骨术计划更多的3 d视图中解剖细节,避免医源性损伤。多级PCO TLKAS病人是一个重要的修正技术,但几乎在2 d模拟多级PCO这可能是由于在x射线后元素的模糊识别。

最近,研究已经证实三维重建的应用技术与模拟医疗软件髋关节创伤,肿瘤整形,颈椎手术参数测量和3 d打印技术(14- - - - - -16]。3 d仿真允许外科医生更好地改善病人的解剖学的可视化和执行程序通过虚拟全方位的反馈。这项技术可以弥补不足引起的二维模拟模糊识别后的元素(17]。因此,我们认为它更有利于TLKAS患者接受3 d仿真,尤其是对患者进行多级PCO的计划。然而,3 d仿真的可靠性后截骨术模拟TLKAS仍然未知。鉴于这一领域数据的缺乏,我们最初旨在探索模拟医学和相关软件提供一个准确、灵活、直观的三维模拟制定手术计划后根据CT扫描数据截骨术和旨在调查的可靠性CA3DSS TLKAS骨切除术后。

2。材料和方法

2.1。病人

合格TLKAS患者连续纳入研究从2017年1月至2021年11月。入选标准如下:(1)患者诊断为通过实验室测试,辐射特性和临床表现的引导下,纽约标准(18)和(2)的所有患者接受单程后校正手术由于驼背与椎弓根螺钉固定后在胸腰椎脊柱截骨术同样的外科医生的机构。排除标准:(1)患者临床或成像数据不完整;(2)病人进展驼背因为创伤,感染,肿瘤;(3)病人脊柱手术的历史。该研究机构审查委员会批准的机构。

2.2。脊柱三维模型重建

病人的CT扫描数据收集整个脊柱医学数字成像和通信(DICOM)格式(DICOM格式数据从西门子CT机、SOMATOM感觉16日,西门子,Forchheim,德国)。所有的层析图像导入到模仿医疗21.0(实现NV,鲁汶,比利时),和3 d脊柱模型建立了阈值为226 - 3071。进一步的参数测量和手术规划计算和模拟3-Matic医疗13.0(实现NV,鲁汶,比利时)导入后创建的3 d模型。

收集了病人的影像数据和分析。测量x射线和原始术前3 d之间的一致性评估脊柱(Pre-OS)模型。截骨术模拟的结果CA3DSS被测量评估模拟3 d脊柱(SS)和术后最初的3 d脊柱(Post-OS)模型。由不同后角变化的可靠性也截骨术评估。Pre-OS模型是脊柱三维模型重建与术前CT扫描数据,和SS模型是Pre-OS仿真模型进行了截骨术。Post-OS模型重建脊柱三维模型与术后CT扫描数据。流程图如图1。


图1
流程图。TLKAS:强直性脊柱炎胸腰椎驼背二级;原始Pre-OS:术前3 d脊柱;SS:模拟3 d脊柱;Post-OS:术后最初的3 d的脊柱。
2.3。参数测量

对于二维辐射测量,术前全身前后的收集和横向脊柱x射线。冠状及矢状面参数记录包括全球驼背(门将),胸驼背(TK)、腰椎前凸(LL),矢状垂直轴(上海广电)和主曲线(MC)。门将被定义为最大的科布在矢状面角度,和MC定义为Cobb角的主要在冠状平面曲线。

对于三维辐射测量,提到的参数记录与测量工具在Pre-OS 3-Matic医疗13.0,SS, Post-OS模型。维护一个精确的数据,三维脊柱模型最初调整一样全身美联社查看x射线在矢状面根据骨盆位置。Cobb角是通过角测量的两个平面并联上下终板根据脊椎定居在x射线。股东价值分析是衡量后上缘的垂直距离S1的垂直面定居C7(图的中间点2)。


图2
在Pre-OS测量。黄色箭头表示,飞机并联端盘子被用于Cobb角测量。
2.4。后截骨术模拟

后截骨术模拟3-Matic医疗执行13.0使用切割工具和修剪工具基于intra-op Pre-OS模型图片和操作记录。在仿真过程中,运营商对Post-OS模型也不清楚。削减目标后元素后,旋转工具被用来实现楔关闭过程。PCO和PSO模拟完成后,文献[7,8)和外科医生的经验(数据3和4)。患者冠状曲线,日冕矢状后校正仿真实现过程(图5)。截骨术的角度在Pre-OS评估,SS, Post-OS角计算根据角变化模型的目标椎上下终板。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图3
3 d模拟多级PCO。(一)脊柱矢状的3 d模型。(b)局部视图的PCO模拟。(c) Intra-op照片。黄色箭头表示截骨术的部分。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图4
3 d模拟算法。(一)脊柱矢状的3 d模型。(b)算法模拟的部分视图。(c)和黄色箭头表示L3 PSO Intra-op照片。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图5
3 d模拟多级PCO TLKAS脊柱侧凸患者。(一)冠状脊柱的3 d模型。(b)脊柱矢状的3 d模型。(c) Intra-op多级PCO的照片和黄色箭头表示PCO在病人/ L1, L1/2, L2/3。

2 d和3 d放射性测量都是由两名有经验的外科医生,和他们之间的任何差异被重新评价和讨论解决。CA3DSS的可靠性是由全球测量和评估当地的测量。全球测量包括门将,TK,噢,MC,股东价值分析。当地的测量包括不同骨切除术后的角度变化。

2.5。统计分析

被列为定量数据 或中位数和四分位范围当数据呈现非正态的分布。记录在x射线的可靠性参数,Pre-OS, SS, Post-OS模型都是由组内相关系数(可以)。可靠性低于0.40被认为是穷人,0.40到0.75是公平的好,> 0.75被认为是优秀的。所有统计分析的计算是通过SPSS统计20 (IBM . n:行情),阿蒙克,纽约,美国)。偏见的数据符合正态分布进行了分析使用Bland-Altman分析评估之间的协议提到的相应参数由GraphPad棱镜6 (GraphPad软件,拉霍亚,CA)。

3所示。结果

筛选后36例,总共30资格TLKAS患者最终纳入研究。所有患者接受后椎弓根螺钉固定和骨切除术后修正。平均年龄为 岁了。一级PSO截骨术进行了11个病人和二级PSO截骨术2例。Multi-PCO和混合截骨术( )分别进行了11个患者和6例。

3.1。2 d和3 d测量结果之间的一致性

术前测量全身x射线和Pre-OS,出色的可靠性被展出在GK (ICC 0.942, 95% CI 0.882 - -0.972), TK (ICC 0.954, 95% CI 0.907 - -0.978),我(ICC 0.955, 95% CI 0.908 - -0.978), MC (ICC 0.992, 95% CI 0.983 - -0.996),和上海广电(ICC 0.965, 95%可信区间0.928 - -0.983)(表1)。

表1
测量的结果可以在术前full-spine x射线和Pre-OS模型。
3.2。全球3 d模拟测量的可靠性

术后放射学参数之间Post-OS和SS模型,出色的可靠性被展出在GK (ICC 0.832, 95% CI 0.677 - -0.916), TK (ICC 0.773, 95% CI 0.577 - -0.885),和LL (ICC 0.896, 95% CI 0.794 - -0.949)和较好的可靠性所示MC (ICC 0.680, 95% CI 0.428 - -0.834)和上海广电(ICC 0.619, 95%可信区间0.338 - -0.798)(表2)。Bland-Altman分析表示可接受的协议GK、TK会和上海广电SS和Post-OS模型(图6)。

表2
可以和Bland-Altman分析放射性测量的结果在Post-OS和SS模型。

图6
Bland-Altman辐射参数的分析。红色虚线表示相应的95%可信区间的平均差,和黑色虚线表示与相应的95%可信区间的限制协议。
3.3。由当地测量三维模拟的可靠性

测量后,截骨术的PCO显示 每一层的真正的脊椎,一致性很好,ICC值为0.703 (95% CI 0.511 - -0.829)。算法程序显示 修正在每个椎,取得一个优秀的可靠性(ICC 0.754, 95% CI 0.487 - -0.892)(表3)。Bland-Altman分析表明PCO的可靠性和PSO在真正的脊椎和SS模型(图6)。

表3
可以和Bland-Altman分析结果的真实和模拟截角变化。

4所示。讨论

大约30%的患者会发展成胸腰椎驼背(1]。一般来说,手术的目标是恢复矢状面平衡从弯曲的树干后包括PSO和PCO截骨术。后已经广泛应用于脊柱截骨畸形矫正手术,可以提供一个适当的校正和临床结果特别是对脊柱后凸的畸形患者5- - - - - -7,19]。而并发症后不应忽视,截骨术文献披露,总的并发症发生率分别为43%和28%的热点和算法,分别和神经赤字6%的利率,热点为5%,PSO (20.]。确保病人达到准确、安全、和足够的修正,计算机辅助手术规划已广泛应用于术前截骨术的应用规划的患者(13,21,22]。Zhang et al。21]报道Surgimap的应用软件在二级PSO在驼背和认为这是可行的,为个人治疗安全、有效的方法。Langella et al。23]证明Surgimap的能力预测矢状面失衡的同轴度。先前的研究已经报道单层后截骨术模拟,很少有人注意到多级PCO,很难与2 d模拟由于微弱后元素x射线的识别。仿真基于完整的x射线也可以识别带来困难,或如何完成截骨术的详细过程(13,24]。此外,脊柱畸形的三维畸形脊柱,在临床工作中,我们发现,矢状面失衡和日冕失衡可以影响病人。二维模拟不能显示冠状及矢状观点在同一时间。因此,一个真正的3 d和仿真要求。

在目前的研究中,我们探索了在TLKAS模仿和相关软件的可靠性。结果显示适当的预测能力在这两个角和对齐。考虑到脊髓的刚度变化,我们认为可能没有多大差别在站和懒散的射线照片,相比8.8°的偏差大小在特发性脊柱侧凸25]。在测量的比较,我们发现有一个1 - 3°之间的x射线和3 d级脊柱Cobb角,这只是验证我们提到的假设。这也验证了可行性的角度和定位测量脊柱在3 d模型。结果还演示了一个优秀的SS和Post-OS模型之间的一致性在矢状面参数。MC的日冕参数显示ICC值略低,但它仍在可靠的参考。由于数据的非正态分布,我们没有执行Bland-Altman分析MC。大多数的模拟进行截骨术首先在矢状面,然后,日冕关闭过程执行会影响冠状参数的准确性,这可能会导致较低的ICC MC的价值。在队列,SS模型的结果显示2°4°偏差的GK Post-OS相比,我们认为偏差发生在截骨术关闭过程。算法过程中,25°-35°修正前凸后将实现但椎体楔形缩短后的元素删除(8,26,27]。在目前的研究中,我们展示了一个20.8°校正算法程序,并可以显示良好的协议在SS模型21.9°。PCO过程,文献证明5°-10°校正完成后关闭元素切除和差距,和多级PCO可以获得杰出的和安全的结果(3,7,28,29日]。PCO的功效在我们的研究显示,每一层6.39°校正和7.45°的模拟。一致性略差算法程序相比,和我们认为所列的原因。首先,PCO理论上取得了5°-10°角变化虽然我们不能忽视测量误差为1°3°研究报告(30.,31日]。第二,我们发现几乎关闭后元素可以与真正的关闭过程中,所需的关闭可能无法实现真正的虽然我们模拟一个相对匹配的关闭,这也发生在算法仿真。然而,多级PCO往往放大,因此,一个略微糟糕结果表明PSO相比模拟。尽管模拟PCO并不优越的可靠性模拟算法相比,这两个模拟演示了通过截好的可预测性。

计算机辅助虚拟手术规划已广泛应用于三维测量和3 d打印技术(16,32,33]。这项技术允许外科医生病人的形象化彻底解剖。在目前的研究中,我们展示了一个3 d视觉、灵活、高度一致的仿真软件TLKAS骨切除术后的患者。这种技术可以提供直观的参考和理解后截骨术,我们相信技术可以使外科医生解剖测量和校正设计术前和进一步的研究可以应用于其他脊柱畸形。

本研究的局限性包括它是回顾性研究,样本容量很小。仿真计算了基于术前和术后仰卧位CT数据,和上海广电偏见可能存在可活动的患者髋关节在直立位置后补偿相比,术后x射线。这种限制存在于所有的2 d和3 d仿真软件,这是目前难以克服。到目前为止,我们认为这项研究可以为进一步的研究提供了参考。

5。结论

辐射测量的结果与CA3DSS相比几乎相同的二维测量。CA3DSS TLKAS患者后截骨术模拟是可靠的。的应用技术是有效的,可以帮助外科医生验证截骨术术前定位和评估截骨术程序的大小。

数据可用性

和/或使用的数据集分析在当前的研究中由于数据不公开的机密;然而,他们可以从相应的作者在一个合理的请求。

伦理批准

这项研究是我们医院的机构审查委员会批准。本研究遵循赫尔辛基宣言。这项研究是在中国临床试验注册中心注册ChiCTR2100053808。

从所有患者知情同意了。

的利益冲突

我们没有一个财务或个人与第三方的关系。代表所有作者,通讯作者指出,没有利益冲突。

作者的贡献

益气张负责软件,验证,和正式的分析;收集和分析数据;设计研究;综述,写和编辑的手稿。永海手术设计和执行监督。Yuzeng刘负责研究方法和设计。张Xinuo负责支持的方法和基础。杨浦张负责软件、验证方法和写道,审查和编辑的手稿。超凡汉负责软件和调查。精卫刘负责验证和方法收集和分析数据。 Lijin Zhou was responsible for the methodology and designed and supervised the study. The authors read and approved the final manuscript.