应用二维到三维图像匹配技术研究相邻腰椎椎弓根在体相对运动

摘要

目的：应用二维到三维图像匹配技术测量生理载荷下正常人体相邻腰椎椎弓根的相对活动范围，为检验微动棒动态固定系统（ISOBAR系统和ISOLOCK系统）是否符合正常腰椎活动的需要以及为脊柱外科经椎弓根动态内固定的设计及改进提供参考数据。
　　 资料与方法：招募10例（男女各5人）无腰椎疾患的正常志愿者作为研究对象，年龄均为50～60岁之间。（1）应用二维到三维图像匹配技术进行研究即①进行3.0 T全身磁共振扫描仪3D压脂摄像梯度回波序列采集矢状面图像，扫描范围包括从L1-S1，层厚1 mm，无间隔，创建腰椎三维骨性结构。②在腰椎模型椎弓根入钉点处建立三维坐标系。③生理载荷条件下不同活动体位腰椎双X线透视图像的摄取。④计算机内再现人体生理载荷下腰椎在体运动状态。⑤以站立位为中立位，计算从站立位到其它体位时相邻椎弓根在冠状轴、矢状轴和垂直轴方向的6个自由度的活动数据。从而得到生理载荷条件下人体腰椎相邻椎弓根的活动范围。（2）经腰椎椎弓根入路的微动棒动态固定系统包含一个受控微动关节，其中ISOBAR系统具有±2°的屈伸活动和±0.2 mm的纵向移位，而ISOLOCK系统有±4°的屈伸活动和±0.8 mm的纵向移位，通过比较检验其活动度是否符合正常腰椎活动的需要。
　　 结果：（1）人体活动时是在冠状轴、矢状轴和垂直轴上的耦合运动，但各有其活动特点。①躯干平卧时：移动主要沿垂直轴向上，平均1.6～2.4 mm，旋转主要围绕冠状轴前屈，平均1.9～4.2°。②躯干前屈时：移动主要沿矢状轴向前（平均1.7～2.4 mm）和垂直轴向上移动（平均1.6～2.7 mm），旋转轴主要沿冠状轴前屈，平均2.8～4.0°。③躯干后伸时：移动没有明显的偏向性，在三个轴上的移动度平均为1.1～2.0 mm；旋转主要绕冠状轴后伸，平均1.9～2.3°。④躯干左侧屈时：不是以一个轴为主，在三个轴上的移动范围平均为1.2～1.7 mm；主要围绕矢状轴向左侧屈，平均为2.5～2.7°。⑤躯干右侧屈时：移动没有明显的偏向性，在三个轴上的移动范围平均为1.2～1.7 mm；主要围绕矢状轴向右侧屈，平均为2.5～2.7°。⑥躯干左扭转时：移动不是以一个轴为主，在三个轴上的移动范围平均为1.0～1.5mm；主要围绕垂直轴左旋转，平均为2.2～2.7°。⑦躯干右扭转时：移动不是以一个轴为主，在三个轴上的移动范围平均为0.8～1.6mm；主要围绕垂直轴右旋转，平均为2.2～2.3°。（2）通过比较发现ISOBAR系统前屈度较正常小，后伸度与正常近似，而ISOLOCK系统前屈度与正常近似，后伸度大于正常；两种微动棒纵向位移均小于正常值。
　　 结论:1.相邻腰椎椎弓根活动度取决于躯干姿势及腰椎节段的水平，其活动时各有其主要的旋转轴：前屈、后伸和平卧位时以冠状轴为主，左右侧屈时以矢状轴为主，左右扭转时以垂直轴为主；在移动度方面：前屈和平卧位时主要沿着垂直轴移动，而在其它体位时，沿三个轴方向的移动度近似，没有明显的偏向性。2.ISOBAR和ISOLOCK微动棒动态固定系统的屈伸角度部分符合正常腰椎活动需要，在头尾端方向的移动度太小，有待于改进。3.为脊柱外科经椎弓根入路动态内固定的研究设计及改进创立了运动学基础。