基于数字人的仿真腰椎模型及经皮脊柱微创定位器的研究

摘要

第一部分应用Mimics软件行数字人腰椎的三维重建研究
　　目的：基于中国数字人数据,在Mimics软件中进行腰4-5椎体及其周围结构三维重建,并对三维模型进行手术模拟和直线及角度测量等操作,完成三维重建及其应用的方法学研究。
　　方法：由南方医科大学解剖教研室提供虚拟中国人数据集。选取其腰4椎体上关节突上缘DSCF5375-p1至腰5椎体下缘DSCF5745-p1的连续断层图像,为适当减少后期图像处理工作量,于每两层选取一张,总共185张断层图像。使用Photoshop软件对断层图像进行配准、分割、格式转换等处理,处理后的图像分类以BMP格式保存。将不同结构的分割图像分别导入Mimics10.01软件中,完成三维重建后,各组织重建出的三维模型以STL格式分开保存。最后将不同结构的STL格式的三维模型导入到Mimics软件中,建立了腰4-5椎体及周围结构的三维模型。练习使用软件中的手术模拟和直线及角度测量等功能模块,熟悉在Mimics软件中三维模型的医学应用功能。
　　结果：成功建立了中国数字人数据中的腰4-5椎体、脊髓、神经根、腹主动脉、竖脊肌、腰大肌、腰方肌、腹肌群及皮肤等解剖结构的三维模型,使用Mimics软件中的三维模型显示和隐藏、透明度设置、移动、缩放、分离合并、测量和模拟功能模块,完成腰4-5椎体和周围结构三维重建及其应用的方法学研究。
　　结论：Mimics软件可以出色地完成医学图像的三维重建,软件使用简单方便,重建出的三维模型立体感及真实感强,其手术模拟和测量功能模块能广泛应用于临床和科研。基于中国数字人数据,进行腰椎及周围软组织的数字模型的重建,就我们所查国内、外文献,未见相关报告,数字化腰椎模型以超强立体感并真实地显示了腰椎及其周围组织的重要结构,为腰椎部的解剖学、个性化诊疗规划和虚拟腰椎手术提供了形态学依据。
　　第二部分经皮脊柱微创定位器的制作与实验研究
　　目的：研制一种经皮脊柱微创定位器,以供经皮脊柱微创手术,尤其是经皮内窥镜下腰椎间盘切除术中穿刺定位时使用。提高手术穿刺成功率,减少穿刺引发的并发症。并进行实验研究,探讨其在脊柱内窥镜下腰椎间盘切除术中穿刺时准确性与可行性。
　　方法：自行研制出经皮脊柱微创定位器。6具由T12-S1后面结构完整的成人脊柱尸体标本,按随机、对照、重复的原则分为定位器组(实验组)和徒手组(对照组)。标本进行CT扫描,获取CT图像数据,导入Mimics三维重建软件中,完成脊柱标本的三维重建。在标本三维重建模型中,模拟一根穿刺导针,按后外侧选择性内窥镜下腰椎间盘切除术(应用YESS的PELD)进行虚拟穿刺。测量并记录入针点到棘突连线的正中线的垂直距离、水平面穿刺角度、矢状面穿刺角度及穿刺导针的长度。将相关参数在定位器上精确设定,在标本上进行穿刺。分别记录定位器组(实验组)和徒手组(对照组)穿刺时间、X线曝光次数。对脊柱标本进行解剖,直视下观察穿刺效果,记录穿刺成功率及不良穿刺率,并对两组记录参数进行统计学比较。
　　结果：定位器组共进行了36次PELD手术椎间盘定位穿刺,34次正确穿到了安全工作三角,1次穿刺导针抵至关节突外侧,1次抵至椎体侧缘,2次穿刺导针接触到了神经根,但无损伤,不计为穿刺不良,未见硬脊膜损伤,其成功率为94.4％,不良穿刺率为5.6%,穿刺用时7.09-12.87min,平均9.42±1.33min,曝光次数2-6次,平均3.97±0.97次。徒手穿刺组,28次穿到了安全工作三角,3次穿刺导针抵至关节突外侧,2次抵至椎体侧缘,5次穿刺导针接触到了神经根,3例有损伤,须计为穿刺不良,未见硬脊膜损伤。徒手组成功率为77.8%,不良穿刺率为22.2%,穿刺用时11.23-15.76min,平均13.59±1.26min,曝光次数5-8次,平均6.49±1.07次。两者相比,各组参数差异均有统计学意义,定位器组明显优于徒手组。
　　结论：经皮脊柱微创定位器设计合理,操作方便,能提高后外侧选择性内窥镜下腰椎间盘切除术中的穿刺定位的准确性,减少穿刺时间及X线暴露次数,减少穿刺相关并发症的发生,增加穿刺安全性。

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中文摘要

英文摘要

前言

第一部分 应用Mimics软件行数字人腰椎的三维重建研究

材料与方法

1 中国数字人数据与图像处理用硬件、软件

2 解剖断层图像的处理

3 应用Mimics软件三维重建

结果

讨论

1 数字人研究的发展及在医学中的应用进展

2 Mimics软件在三维重建技术中的应用

结论

第二部分 经皮脊柱微创定位器的制作与实验研究

定位器研制

1 经皮脊柱微创定位器的原理构造

2 经皮脊柱微创定位器的使用方法

材料与方法

1 脊柱尸体标本的制备

2 实验分组

3 定位穿刺前准备

5 数据处理及统计方法

结果

1 定位器组和徒手组PELD穿刺定位所用时间（t）比较

2 定位器组和徒手组PELD穿刺定位的X线曝光次数(x)比较

3 标本解剖所见穿刺成功率及不良穿刺率比较

讨论

1 脊柱内窥镜在腰椎间盘突出症治疗中的应用

2 经皮脊柱微创定位器在腰椎间盘突出症的内窥镜手术治疗中的应用

结论

参 考 文 献

文献综述

攻读学位期间主要研究成果

致谢