快速成型導(dǎo)航模板在脊柱外科的應(yīng)用研究

李鑫，張強(qiáng)

（1.泰山醫(yī)學(xué)院，山東 泰安 271016；2.首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京地壇醫(yī)院骨科，北京 100015）

脊柱外科是骨科領(lǐng)域中涉及解剖最復(fù)雜、精度要求最高的學(xué)科。如何更精準(zhǔn)安全的實(shí)施手術(shù)是脊柱外科醫(yī)師不斷思考的問題。近年來數(shù)字骨科的發(fā)展正為研究者們提供了良好的技術(shù)及設(shè)備支持，使得快速成型導(dǎo)航模板技術(shù)得以在脊柱外科研究應(yīng)用。作者通過復(fù)習(xí)文獻(xiàn)，綜述快速成型導(dǎo)航模板技術(shù)的原理、制作及研究進(jìn)展，并對(duì)其在脊柱外科領(lǐng)域的應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

1 快速成型導(dǎo)航模板的原理和制作

首先對(duì)患者脊柱進(jìn)行層厚1 mm的連續(xù)CT掃描，將獲得的CT掃描數(shù)據(jù)保存為DICOM格式，導(dǎo)入Mimics軟件，在軟件中做出骨骼的三維重建模型，在三維重建模型上確定椎弓根螺釘?shù)淖罴堰M(jìn)針點(diǎn)及進(jìn)釘通道，進(jìn)行椎弓根螺釘置入模擬手術(shù)。根據(jù)椎體后面解剖形態(tài)建立與之相匹配一致的模板，根據(jù)螺釘最佳進(jìn)釘通道設(shè)計(jì)定位導(dǎo)向孔，然后將數(shù)據(jù)保存成快速成型機(jī)可接受的STL格式，導(dǎo)入快速成型機(jī)生產(chǎn)出帶有定位導(dǎo)向孔的導(dǎo)航模板[1]。其中，光固化成型（Stereo Lithography Apparatus，SLA）是快速成型（Rapid Prototyping，RP）的典型技術(shù)之一，也是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中最為常用的RP技術(shù)[2]。

2 快速成型導(dǎo)航模板的應(yīng)用

2.1 快速成型導(dǎo)航模板在頸椎手術(shù)中的應(yīng)用

由于頸椎椎弓根較胸腰椎細(xì)小，解剖變異和個(gè)體差異較大，周圍毗鄰頸髓、椎動(dòng)脈、神經(jīng)根關(guān)系復(fù)雜，手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)大，并發(fā)癥可能性高[3]。所以要求頸椎手術(shù)醫(yī)師具備高超的手術(shù)操作技術(shù)，即使如此，也容易因主客觀諸多因素造成椎弓根螺釘置入失敗。

最早應(yīng)用快速成型導(dǎo)航模板的Goffin首先設(shè)計(jì)的是一種雙椎體模板，應(yīng)用于頸椎創(chuàng)傷病變中，但他發(fā)現(xiàn)兩椎體間存在的旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定可影響此模板的應(yīng)用[4]。進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)了單椎體模板，獲得較好的應(yīng)用效果，并且證明匹配棘突和椎板的模板應(yīng)用優(yōu)于單純匹配椎板的模板[5，6]。這為后來學(xué)者的研究奠定了基礎(chǔ)。

應(yīng)用快速成型導(dǎo)航模板技術(shù)可提高椎弓根螺釘置入的準(zhǔn)確性，提高手術(shù)安全性。尸體研究中，Owen應(yīng)用導(dǎo)航模板輔助進(jìn)行寰椎椎弓根釘?shù)闹萌?，術(shù)后CT和切開直視檢查均無穿透椎弓根皮質(zhì)的情況[7]。Ryken TC對(duì)頸椎C3-7進(jìn)行導(dǎo)航模板輔助置釘，20枚椎弓根螺釘在術(shù)后CT和解剖直視中也都沒有發(fā)現(xiàn)置釘失誤，95%的螺釘無穿透椎弓根皮質(zhì)的情況[8]。Fu M在C2-7椎體上利用導(dǎo)航模板輔助置入椎弓根螺釘，術(shù)后CT顯示螺釘內(nèi)外側(cè)及上下偏差均無顯著差異，軸位與矢狀位上的絕對(duì)偏差也較小，螺釘置入準(zhǔn)確率達(dá)91.7%[9]。這些都顯示了導(dǎo)航模板的高準(zhǔn)確性特點(diǎn)。

不僅是尸體研究，臨床研究中導(dǎo)航模板也取得了良好效果。Lu S利用快速成型導(dǎo)航模板對(duì)C2-7共打入88枚椎弓根螺釘，僅1枚偏差大于2 mm，無血管神經(jīng)并發(fā)癥發(fā)生，顯示了導(dǎo)航模板良好的準(zhǔn)確性和安全性。研究中放置模板操作簡單，較其他置釘法容易掌握。經(jīng)模板置入椎弓根螺釘?shù)臅r(shí)間僅需80秒，降低了手術(shù)時(shí)間。每個(gè)病人術(shù)畢僅用一次透視驗(yàn)證，減少了術(shù)中透視量[10]。需頸枕融合手術(shù)的患者也可應(yīng)用導(dǎo)航模板輔助置釘，不僅簡化了手術(shù)操作，而且高度準(zhǔn)確地置入螺釘，19個(gè)螺釘均位置良好，無血管神經(jīng)并發(fā)癥發(fā)生[11]。Hu Y對(duì)64個(gè)C2椎體進(jìn)行椎弓根螺釘?shù)闹萌?，術(shù)后CT定量分析發(fā)現(xiàn)，螺釘在橫斷面與計(jì)劃角度平均偏差均小于2.5°，冠狀面上平均偏差小于0.6°。在三維空間內(nèi)，螺釘?shù)倪M(jìn)針點(diǎn)與計(jì)劃點(diǎn)的平均位移偏差均不超過1.5 mm[12]。驗(yàn)證了快速成型導(dǎo)航模板的高準(zhǔn)確性。

2.2 快速成型導(dǎo)航模板在胸椎手術(shù)中的應(yīng)用

對(duì)比腰椎，胸椎椎弓根更細(xì)，節(jié)段性差異大，周圍毗鄰主動(dòng)脈弓、氣管、肺、食管、胸導(dǎo)管、迷走神經(jīng)等重要結(jié)構(gòu)，因此胸椎椎弓根螺釘置釘允許偏差范圍小、風(fēng)險(xiǎn)大。

首先，胸椎椎弓根的形態(tài)學(xué)分析為手術(shù)置入椎弓根螺釘提供了數(shù)據(jù)。通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析，Berry E設(shè)計(jì)應(yīng)用了1種雙椎體及三椎體雙側(cè)導(dǎo)向孔模板應(yīng)用于胸椎椎弓根螺釘置入，實(shí)驗(yàn)中椎弓根皮質(zhì)穿破率竟高達(dá)43%[13]。模板應(yīng)用失敗的原因是雙椎體模板，這與Goffin最初設(shè)計(jì)的相似。正是因?yàn)橄噜徸刁w間的不穩(wěn)移動(dòng)導(dǎo)致模板貼合不精密，導(dǎo)向孔移位，進(jìn)釘通道偏移，致使螺釘穿破椎弓根皮質(zhì)。Ma T對(duì)20具尸體胸椎分為模板導(dǎo)航組和徒手對(duì)照組進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)兩組椎弓根螺釘?shù)闹冕敎?zhǔn)確率和并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn)率有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，應(yīng)用導(dǎo)航模板輔助置釘具有較高的準(zhǔn)確度和較低的風(fēng)險(xiǎn)，而且導(dǎo)航模板組較徒手對(duì)照組手術(shù)的學(xué)習(xí)操作時(shí)間短[14]。Sugawara T研究發(fā)現(xiàn)螺釘在椎弓根冠狀位中點(diǎn)上的平均偏差僅0.87±0.34 mm，在其研究中，成功經(jīng)快速成型導(dǎo)航模板置入胸椎椎弓根螺釘58枚，術(shù)后CT示均未穿破椎弓根皮質(zhì)[15]。

2.3 快速成型導(dǎo)航模板在腰椎手術(shù)中的應(yīng)用

盡管常規(guī)醫(yī)學(xué)影像檢查如X線、CT能使復(fù)雜的脊柱解剖結(jié)構(gòu)獲得較好的顯示，但有時(shí)仍難滿足手術(shù)需要，尤其對(duì)那些腰椎退變?cè)錾?、畸形滑脫、?cè)方移位或者多次手術(shù)的患者更是如此。

Bimbaum將應(yīng)用導(dǎo)航模板輔助椎弓根螺釘置入和傳統(tǒng)置釘法進(jìn)行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)應(yīng)用導(dǎo)航模板輔助的螺釘均置入滿意，應(yīng)用傳統(tǒng)置釘法有2枚螺釘穿破椎弓根皮質(zhì)[16]。Lu S對(duì)腰椎導(dǎo)航模板的應(yīng)用也做了統(tǒng)計(jì)，術(shù)中經(jīng)模板置入椎弓根螺釘?shù)臅r(shí)間平均需要1～2 min，縮短了手術(shù)時(shí)間，對(duì)手術(shù)醫(yī)生的技術(shù)要求低；置入后僅透視一次，減少術(shù)中X線的暴露[17，18]。Merc M對(duì)分別應(yīng)用導(dǎo)航模板和傳統(tǒng)置釘?shù)?0例病人的54枚椎弓根螺釘進(jìn)行了術(shù)后CT掃描，數(shù)據(jù)顯示導(dǎo)航模板組中椎弓根皮質(zhì)穿破率、螺釘矢狀位偏移發(fā)生率都有顯著降低，兩組間螺釘橫斷位偏移無明顯差別[19]。

2.4 快速成型導(dǎo)航模板在復(fù)雜脊柱畸形手術(shù)中的應(yīng)用

復(fù)雜脊柱畸形時(shí)可能由先天發(fā)育異常引起，復(fù)合諸如椎體畸形、脊柱裂、終板異常、分節(jié)不全等因素，還常伴有側(cè)彎、前后凸、旋轉(zhuǎn)畸形。這時(shí)，脊柱解剖標(biāo)志嚴(yán)重變異，即使有傳統(tǒng)X線平片、CT與MRI協(xié)助，仍無法全面評(píng)估脊柱畸形情況及制定周密的手術(shù)方案，實(shí)施手術(shù)時(shí)捉襟見肘。而應(yīng)用快速成型導(dǎo)航模板技術(shù)，不僅在術(shù)前設(shè)計(jì)方面可以模擬手術(shù)，還可以在術(shù)中模糊的脊柱結(jié)構(gòu)上精確定位內(nèi)固定裝置，使復(fù)雜的手術(shù)簡單化，手術(shù)時(shí)間得以減少，失血減少，患者手術(shù)安全性及預(yù)后提高。

Van Dijk報(bào)告對(duì)1例復(fù)雜胸腰椎脊柱后凸畸形及1例L4-5椎體前移滑脫導(dǎo)致的腰椎前凸患者，應(yīng)用快速成型導(dǎo)航模板進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃及模擬手術(shù)，成功實(shí)施了骨切除、截骨矯形及內(nèi)固定置入手術(shù)[20]。Lu S對(duì)10例脊柱側(cè)彎患者應(yīng)用快速成型導(dǎo)航模板技術(shù)，根據(jù)每個(gè)椎體獨(dú)特形態(tài)設(shè)計(jì)椎弓根螺釘位置及大小，設(shè)計(jì)制作導(dǎo)航模板，使復(fù)雜的脊柱側(cè)彎手術(shù)變得簡單安全，顯示了導(dǎo)航模板的實(shí)用性[21]。

3 總結(jié)

快速成型導(dǎo)航模板技術(shù)為椎弓根螺釘?shù)闹萌胩峁┝艘环N新方法，只需將模板緊緊貼合于相應(yīng)的解剖結(jié)構(gòu)上，即可完成快速的定位，具有較高的準(zhǔn)確性，操作簡單，能減少手術(shù)時(shí)間，減少術(shù)中透視量（將多次的檢查透視簡化為驗(yàn)證性透視）。其不足在于：導(dǎo)航模板的制作精度取決于CT圖像和快速成型機(jī)的精度，并不是完全意義的仿真；雖然應(yīng)用一些措施（術(shù)前術(shù)后始終使用同一個(gè)體位墊，在身體及體位墊兩側(cè)做記號(hào)輔助標(biāo)定，聯(lián)合應(yīng)用新型的體位固定裝置），可以大大減少術(shù)中與術(shù)前CT時(shí)患者的體位變化，但仍有學(xué)者質(zhì)疑患者體位的變化對(duì)導(dǎo)航模板精確性的影響程度；該技術(shù)所用的設(shè)備及材料較昂貴，一般單位較難普及；術(shù)前處理CT數(shù)據(jù)需要醫(yī)生進(jìn)行專門的培訓(xùn)學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)周期增加。基于以上原因，該技術(shù)尚未臨床廣泛應(yīng)用，處于研究階段，對(duì)模板單側(cè)或雙側(cè)導(dǎo)向設(shè)計(jì)尚需進(jìn)一步研究，置釘?shù)臏?zhǔn)確性也需要更多的實(shí)驗(yàn)和臨床驗(yàn)證。相信隨著新型生物材料和快速成型制作技術(shù)、3D打印技術(shù)的發(fā)展，快速成型導(dǎo)航模板會(huì)精度更高，設(shè)計(jì)更加優(yōu)化，成本更低廉，應(yīng)用更廣。

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