九宫格区域划分法：一种用于腰椎经皮椎体成形术的理想骨穿刺区域新方法

摘要

本文提出了一种用于经皮椎体成形术的“九宫格区域划分法”。选取一例L1椎体压缩性骨折患者作为案例研究。

摘要

经皮椎体成形术（PVP）被广泛认为是缓解由骨质疏松性椎体压缩性骨折引起的下背痛的有效干预手段。理想的骨穿刺点通常位于腰椎椎弓根投影的“左侧10点、右侧2点”位置。确定最佳骨穿刺点是一项关键且复杂的挑战。经皮椎体成形术（PVP）的准确性主要受术者操作熟练程度以及传统手术过程中使用多台透视设备的影响。全球已有穿刺相关并发症的报道。为了提高手术技术的精确性并减少穿刺相关并发症的发生，我们团队在腰椎PVP中应用了“九宫格区域划分法”以改进传统手术流程。该方法有望减少穿刺次数、辐射暴露剂量以及手术持续时间。

本方案介绍了“九宫格区域划分法”的定义，描述了在医学影像处理软件中对目标椎体DICOM影像数据进行建模、在三维模型中模拟操作、利用逆向工程制作软件优化三维模型、在三维建模设计软件中重建椎体工程模型，以及利用手术数据确定椎弓根投影安全进针区域的过程。通过采用该方法，外科医生能够精确且便捷地识别合适的穿刺点，从而降低穿刺操作的复杂性，提高手术的整体准确性。

引言

骨质疏松性椎体压缩性骨折（OVCF）是骨质疏松性骨折中最常见的类型，在现代医疗中具有重要的临床意义¹。根据目前的指南，经皮椎体成形术被公认为治疗OVCF最有效的微创治疗方式之一²。实施经皮椎体成形术（PVP）的主要方法是经椎弓根穿刺入路，该方法包含三个关键参数：骨穿刺入点的确定、穿刺角度和穿刺深度。在这些参数中，骨穿刺入点的选择被认为是最为关键的。

目前，C型臂X射线机在国内和国际传统的经皮椎体成形术（PVP）中被广泛应用，以辅助调整穿刺针的手术路径。关键在于确定"理想的骨穿刺点"，该点通常位于腰椎椎弓根投影的"左侧10点、右侧2点"位置（图1A）³。尽管外科医生经验丰富，但在仅凭个人经验判断合适穿刺点时仍可能出现错误，从而导致穿刺相关并发症，如骨水泥渗漏至周围组织、神经根损伤以及椎管内血肿^4,5,6。此外，近一半患者在接受传统PVP治疗后会出现局部并发症，其中95%的并发症归因于骨水泥渗入周围组织或椎旁静脉栓塞⁷。我们前期研究发现，腰椎PVP实际穿刺点并不总位于理想的椎弓根投影"左侧10点和右侧2点"位置⁸。一些实际穿刺点即使靠近"理想骨穿刺点"，也能获得满意的穿刺效果，且不影响手术的安全性和准确性。

基于上述假设，我们首次提出腰椎椎体成形术（PVP）中“"理想骨穿刺区域"”的概念，并将椎弓根的投影划分为“"九宫格区域"”。其中，“理想骨穿刺区域”是指穿刺进针点可通过椎弓根安全、顺利抵达穿刺理想终点的特定解剖区域。术语"九宫格区域划分法" 指在X线正位影像上，将椎弓根投影的最长径和最短径各自均分为三等份，从而将该区域划分为九个部分（图1B）。这些区域按照从外到内、从上到下的顺序依次编号为1至9。以腰椎椎弓根的X线投影作为解剖标志，我们通过“"九宫格区域划分法"”确立PVP的“"理想骨穿刺区域"”，而非局限于单一穿刺点。我们采用计算机模拟技术，探索穿刺过程中的安全穿刺路径。

因此，我们建议将"九宫格区域划分法"作为提高经皮椎体成形术（PVP）中辅助穿刺技术便捷性、效率和安全性的潜在方法，旨在提升操作的准确性，并尽量减少与穿刺相关的并发症。需要强调的是，本研究提出了一种理论性方法，其有效性和安全性尚需通过大量研究进一步验证。

方案

本研究经首都医科大学附属北京友谊医院伦理委员会批准。本方法将通过一项回顾性病例研究进行介绍，仅使用患者的术前俯卧位计算机断层扫描（CT）影像数据。 "九宫格区域划分法" 在辅助经皮椎体成形术（PVP）中，相较于传统方法，该技术提供了一种更简便且更有效的方式，可缩短手术时间和辐射暴露时间。该技术可能有助于年轻住院医师更轻松地识别穿刺点，并有望缩短PVP操作的学习曲线，值得进一步研究。此处描述的个体为一名68岁的女性。

1. 使用X射线透视、磁共振成像（MRI）、骨显像及临床症状诊断骨质疏松性椎体压缩性骨折（OVCF）

1. 在出现背部疼痛、脊突压痛及背部椎旁肌不适等症状的老年患者中，识别出患有骨质疏松性椎体压缩性骨折（OVCF）的患者。利用后前位X线透视评估L1水平是否存在椎体压缩性骨折（图2A）。通过MRI影像确认新发腰椎椎体压缩性骨折的诊断，并确定受累椎体为L1（图2B）。

2. 患者俯卧位时的术前CT影像采集

1. 将患者置于俯卧位，以进行俯卧位CT检查。通过X线透视和按压患者背部最疼痛部位进行体格检查，确认目标区域。
2. 让患者俯卧于手术台上，在进行俯卧位CT扫描前将体位计置于患者背部，记录患者体位，然后移除体位计（图3）。
3. 保存CT图像（1 mm扫描层厚，1 mm层间距，共90层（常规扫描）或400层（薄层扫描）），格式为DICOM。

3. 在医学图像处理软件中建立三维模型并模拟操作

1. 将CT图像以DICOM格式导出至医学影像处理软件，方法为点击 新项目选择用于重建受压椎体的所需切片。
2. 利用 阈值分割 用于调整目标椎体阈值范围的工具，具体范围在 125-3071 H 创建一个掩膜。使用 重复掩膜 生成两个独立的掩膜， 掩膜A 和 口罩 B.
3. 利用 蒙版编辑 擦除目标椎骨的特征 面具 A随后，利用 布尔运算 用于减去的工具 面具 A 从 口罩 B，从而形成一个新的掩模， 口罩 C最后，激活 计算三维 利用目标椎体重建功能 口罩 C；命名此三维模型 L1 (图4A).
4. 右键单击 新 在 物体 界面，选择 绘制，随后选择 圆柱体确保圆筒与穿刺针具有相同的尺寸，且其 长度 的 12.5 mm 和一个 1.25 mm半径.
5. 使用调节装置调整圆柱体的位置 移动 和 旋转 功能以达到理想位置（图4B在整个模拟过程中，需注意保持与既定原则一致的穿刺针路径：穿刺针必须能够穿过椎弓根，最好位于其上半部分，侧位观时针尖的最佳位置应处于椎体前三分之一区域内。
6. 右键单击 L1 在 物体 界面，选择 导出 STL，随后将文件导出为 STL 格式。

4. 在三维逆向工程生产软件中修整三维模型

1. 单击导入，将导出的椎体实体文件导入三维逆向工程制作软件中。随后，使用网格修复功能消除模型中的畸变和尖刺。
2. 由于网格修复功能可能误将正常的解剖结构识别为畸变或尖刺，因此需仔细检查粗略模型，确认是否存在内部空隙，并按照步骤4.1进行适当填充（图5A）。
3. 使用精确曲面功能将实体模型转换为三角网格曲面，选择有机几何材质（图5B）。等待自动化曲面构建过程完成后，以STP格式导出文件。

5. 在三维建模设计软件中重建椎体工程模型，并确认椎弓根投影的安全入针区域

1. 单击打开，将精确表面文档的 STP 格式导入 3D 建模设计软件，以重建椎体工程模型。使用剖视图功能检查椎弓根在水平、矢状和冠状方向上的形态，初步观察椎弓根的形态与结构（图6A）。
2. 在剖视图面板中，调整剖面角度以获得最佳可视化效果。通过启用透明剖面体功能，观察椎弓根最狭窄处（图6B），并在左侧面板中记录剖面1的角度参数。
3. 为调整椎体模型的角度，点击插入-特征-移动/复制功能，并选择位于左侧面板底部的平移/旋转按钮。返回剖视图面板，将剖面1中的视图角度参数调整为0。
4. 微调剖面1面板中的位移参数，以获得满意的椎弓根剖面视图。重新调整视角以获得更佳观察效果，并记录面板中确认的位移参数（图7）。
5. 使用上述移动/复制功能操控椎体模型的位置，在左侧面板中设定位移参数。使用矩形工具框选整个椎体。
6. 首先，进入特征-参考几何体-基准面选项，并将剖面视图指定为第一参考。相应地调整偏移距离参数，将新创建的基准面移至椎体前三分之一处。
7. 在上述基准面上创建草图，并在椎体中点处绘制一个点，表示穿刺的终点。
8. 使用拉伸切除功能对模型进行切割操作，将生成的矩形草图指定为选定轮廓。
9. 调整切割的方向和深度，将椎体模型分为两部分，即椎体半部和椎板半部（图8A）。将工程文件以 SLDPRT 格式保存，作为流程的一部分。
10. 打开包含椎体部件的文件，随后基于剖面基准面创建草图。使用转换实体功能，将左侧椎弓根投影转换为曲线草图。
11. 对右侧椎弓根投影重复上述步骤，获得另一条曲线草图。使用填充曲面功能将曲线草图转换为曲面，以左右椎弓根投影曲线草图作为边界（图8B）。
12. 隐藏椎体后显示生成的曲面。在特征面板中选择放样凸台/基体功能。
13. 将左侧椎弓根曲面置于上方，并将穿刺终点指定为轮廓，从而生成一个锥形结构，用于界定椎弓根穿刺路径。以左侧为例进行说明，右侧采用相同流程复制操作。
14. 使用缩放功能放大双侧锥形结构，以质心为缩放中心点，缩放比例设为2。使用移动/复制实体功能分别移动两个锥形结构。
15. 在配合设置面板界面中，选择结构的顶点与穿刺终点，匹配模式设为重合。随后使用删除/保留实体功能移除椎体（图9A）。
16. 双锥形结构为双侧椎弓根穿刺路径的集合，以 SLDPRT 格式保存。使用插入零件功能，通过椎弓根穿刺集重新组装椎板部件与椎体部件。直接点击确定按钮，系统将自动使插入零件的位置与原点对齐（图9B）。
17. 使用合并实体功能对各组件执行布尔运算。通过从一侧椎板半部中减去穿刺集，同时保留所有椎板组件，后续分析表明理想骨性穿刺区域包括左侧的区域1、4和7（图9C）。

结果

CT成像和数字建模在医院内完成。从CT图像构建三维模型耗时30分钟，在三维逆向工程制作软件中对三维模型进行约10分钟的修整，并在三维建模设计软件中用15分钟重建椎体工程模型，确认椎弓根投影的安全进针区域。本例中，理想骨穿刺区域包括左侧的1、4和7区域。所谓理想骨穿刺区域，是指解剖结构上明确的区域，在这些区域内选择穿刺进针点，可通过椎弓根安全且有效地抵达目标终点。换句话说，只要骨穿刺的进针点位于这些特定区域内，通过调整穿刺针的方向和深度，即可达到理想的穿刺终点，而不仅局限于“左侧10点”这一固定位置。该技术可显著提高术者在穿刺操作中的容错能力。仅需少量的透视即可确定合适的骨穿刺部位，从而减少调整次数、降低辐射暴露量并缩短手术时间。

理想的骨穿刺点 通常位于腰椎椎弓根的“左侧10点，右侧2点”投影位置，如图所示 图1A. 图1B 详细介绍了所采用的划分细节和方法学 九宫格区域划分法目标椎体的术前影像如图所示 图2在俯卧位CT扫描前，将角度计置于患者背部并记录其体位（图3）。CT 椎体图像由冠状面、横断面和矢状面重建为三维模型（图4). 图4 还展示了在图像处理软件中对PVP手术操作过程的模拟。 图5 展示了修复网格并将实体模型转换为三角形网格表面的步骤。 图6 展示了通过利用该方法观察和记录椎弓根最窄处的技术流程 剖面图 功能 图7 展示了调整模型位移参数并确定最终穿刺目标位置的步骤。 图8 展示了模型被划分为两个不同部分：椎体半部和椎板半部（A），随后使用生成蒂部突起 转换实体 功能 (B). 图9 展示了椎体内穿刺路径的分布。使用椎弓根穿刺套装重新组装了椎板和椎体部分，随后将穿刺套装从椎板部分移除，同时保留所有椎板结构。 结合体 功能被用于对多个组分执行布尔运算，从而确定了 理想的骨穿刺区域 包含区域1、4和7.

图1：A. 传统“理想骨穿刺点”。“理想骨穿刺点”通常位于腰椎椎弓根投影的“左10点，右2点”位置。B.“九宫格区域划分法”介绍。对“九宫格区域划分法”中所采用的划分细节及方法的详细概述。请点击此处查看该图的放大版本。

图2：目标椎体的术前影像。（A）骨质疏松性椎体压缩性骨折患者的X射线图像。患者目标椎体的术前X射线影像。（A1：后前位视图；A2：侧位视图）。（B）骨质疏松性椎体压缩性骨折患者的MRI图像。患者目标椎体的术前MRI影像。（B1：T1加权成像视图；B2：T2加权成像视图）。请点击此处查看该图的放大版本。

图3：俯卧位CT扫描。 在患者接受俯卧位CT扫描时，使用倾斜仪测量患者背部的水平角和矢状角。请点击此处查看该图的放大版本。

图4：椎体重建及手术模拟。 （A）利用医学图像处理软件对CT椎体图像进行椎体重建，包括（A1）冠状面、（A2）横断面、（A3）矢状面以及（A4）三维模型。（B）在医学图像处理软件中模拟经皮椎体成形术（PVP）操作过程。 请点击此处查看该图的放大版本。

图 5：在三维逆向工程制作软件中打磨三维模型。 三维模型的优化过程。（A）修复网格，以及（B）将实体模型转换为三角网格曲面。请点击此处查看该图的高清版本。

图6：利用剖面视图功能观察并记录椎弓根。 使用剖面视图功能观察（A）椎弓根投影，并（B）记录角度参数。请点击此处查看该图的放大版本。

图7：调整模型位移参数。调节模型位移参数，确定最终穿刺靶点位置。请点击此处查看该图的放大版本。

图8：创建椎弓根投影的示意图。（A）将模型划分为两个独立部分，随后（B）使用Convert Entities功能生成椎弓根投影。请点击此处查看该图的放大版本。

图9：穿刺路径及理想穿刺区域的确定。（A）穿过椎弓根的穿刺路径集合。通过椎弓根进入椎体内的多条穿刺路径阵列。（B）由不同组分构成的重建模型。利用椎弓根穿刺路径集对椎板和椎体节段进行重建。（C）“理想骨性穿刺区域”的获取。只有当某一区域完全呈蓝色时，才被视为理想骨性穿刺区域。通过布尔运算，理想骨性穿刺区域包含区域1、4和7。请点击此处查看该图的放大版本。

讨论

经皮椎体成形术（PVP）在治疗疼痛性骨质疏松性椎体压缩性骨折（OVCF）方面已显示出良好的临床疗效⁹。外科医生采用精确的经皮椎弓根穿刺技术，对穿刺针的最佳进针点、方向和深度进行确定，在很大程度上降低了并发症的发生率¹⁰。目前，国内外传统PVP手术中广泛使用C型臂X光机来辅助调整穿刺针的手术路径¹¹。其中关键在于确定理想的骨穿刺点，该点通常位于腰椎椎弓根投影的"左侧10点、右侧2点"位置。"九宫格区域划分法"能够有效识别最佳骨穿刺区域。

选择Nine-grid作为首选划分方法而非其他替代方案（如"Four-grid"和"Sixteen-grid"）的理由需明确说明。该决策基于前期实验结果，表明将椎弓根投影划分为Nine-grid Area最符合临床实践，同时兼顾参考价值。"Four-grid Area Division Method"操作简便，但因其区域划分不够精确，难以判断骨穿刺入针点的安全性，故参考价值有限。相反，"Sixteen-grid Area Division Method" 能更准确地判定穿刺点的安全性，但在手术过程中操作复杂，不利于观察与判断，因而与临床实践不相符合。因此，"Nine-grid Area Division Method"被选为最优方案，因其兼具临床可行性与足够的参考价值。

在对我们先前研究对象的临床影像数据进行进一步分析后¹²，研究发现，通过理想椎弓根投影视图所投影的腰椎PVP骨穿刺点位置是精确的 "左侧10分，右侧2分"，未被一致观察到。然而，观察发现某些替代穿刺点仍能在上述位置附近获得满意的穿刺效果 理想的骨穿刺点这些偏离理想状态的情况并不会影响手术的安全性或准确性。基于上述假设，我们提出了一个新颖的概念： 理想的骨穿刺区域 对于PVP椎弓根，其涉及将椎弓根投影分割为一个 九宫格区域 在X射线前后位影像上。通过采用腰椎椎弓根的X射线投影作为解剖学参考，我们建立 理想的骨穿刺区域 通过将椎弓根分为 九宫格区域从而突破单一数据点的局限性。

理论创新有望通过在腰椎部位采用"九宫格区域划分法"辅助的经皮椎体成形术（PVP），优化穿刺手术路径。该进展可能减少术中透视剂量，并缩短为调整穿刺针骨性进针点所需手术操作时间，最终提升手术效率与疗效。值得注意的是，理想的骨穿刺区域在椎体不同节段中可能因"九宫格区域划分法"而有所差异。为便于说明，本文仅以L1椎体作为示例。我们未来的研究将纳入更多病例研究、更广泛的样本节段，并开展机器人学习相关探索，以增强PVP穿刺适应证及方法学的科学性与客观性。

然而，基于"九宫格区域划分法"辅助的腰椎经皮椎体成形术仍存在一些局限性。医生在学习使用医学影像软件时需要经历一定的学习曲线。对于不熟悉该软件的术者而言，在模板设计过程中任何操作失误均可能导致手术失败。此外，尚需更大规模的研究来验证该方法的可靠性和临床实用性。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
计算机断层扫描	Company GE		机器
Geomagic Wrap（三维逆向工程制作软件）	Oqton 软件		软件
磁共振成像仪	Company GE		机器
Solidworks（三维建模设计软件）	Dassault Systèmes - SolidWorks Corporation		软件
Spirit Level Plus	IOS App store		坡度仪
X射线机	Company Philips		机器