3D打印個體化導(dǎo)航模板在胸椎和頸椎椎弓根螺釘植入的臨床應(yīng)用

寧金沛，吳衛(wèi)東，覃求，梁柱德，韋武，何恩謀，潘式新

(1.廣西梧州市紅十字會醫(yī)院骨一科，廣西 梧州 543200；2.廣西梧州市紅十字會醫(yī)院CT室，廣西 梧州 543200)

臨床論著

3D打印個體化導(dǎo)航模板在胸椎和頸椎椎弓根螺釘植入的臨床應(yīng)用

寧金沛1，吳衛(wèi)東1，覃求2，梁柱德1，韋武1，何恩謀1，潘式新1

(1.廣西梧州市紅十字會醫(yī)院骨一科，廣西 梧州 543200；2.廣西梧州市紅十字會醫(yī)院CT室，廣西 梧州 543200)

目的 研究數(shù)字化(3D)打印技術(shù)的個性化導(dǎo)航模板設(shè)計在胸椎和頸椎手術(shù)個性化置釘應(yīng)用的準確性和安全性。方法 2014年7月至2014年11月，對7 例需要行胸椎、頸椎椎弓根螺釘植入手術(shù)的患者術(shù)前通過CT掃描、Mimics軟件三維重建建立三維仿真模型。并使用Geomagic軟件設(shè)計最佳的內(nèi)固定釘?shù)溃缓蟾鶕?jù)釘?shù)涝O(shè)計導(dǎo)航模板，用3D打印機打印導(dǎo)航模板，用于手術(shù)時輔助置釘；術(shù)中輔助植入胸椎、頸椎椎弓根螺釘共24枚，術(shù)后CT掃描評價螺釘位置，記錄有無與螺釘植入的相關(guān)并發(fā)癥。結(jié)果 通過導(dǎo)航模板輔助植入的24枚椎弓根螺釘，23枚完全在椎弓根內(nèi)，1枚穿破椎弓根外壁，穿出距離均小于1.2 mm，椎弓根穿破率為4%，植釘準確率為96%，螺釘位置可接受率為100%。無一例出現(xiàn)螺釘植入有關(guān)的神經(jīng)、血管損傷等并發(fā)癥。結(jié)論 3D打印個體化導(dǎo)航模板輔助胸椎、頸椎椎弓根螺釘植入的植釘準確性高、安全。

胸椎；頸椎；3D打?。粚?dǎo)航模板；椎弓根螺釘

后路短節(jié)段椎弓根釘固定融合技術(shù)是治療胸椎、頸椎疾患的有效方法之一，由于胸椎、頸椎本身解剖結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，加之其較大的變異性，采用傳統(tǒng)的徒手置釘法極易出現(xiàn)偏差，置入的螺釘準確性較低，容易導(dǎo)致嚴重的血管、神經(jīng)損傷，所以該技術(shù)的臨床應(yīng)用受到一定限制。以數(shù)字化3D打印技術(shù)為代表的導(dǎo)航輔助置釘技術(shù)[1-2]在臨床中逐步應(yīng)用，使得患者的個性化評估及個性化置釘成為可能，該技術(shù)的發(fā)展為有效提高胸椎、頸椎置釘?shù)某晒β省⒔档椭冕旓L險提供了新的技術(shù)手段。本文對我院2014年7月至2014年11月采用數(shù)字3D打印技術(shù)輔助胸椎、頸椎個性化置釘?shù)牟±M行總結(jié)。

1 資料與方法

1.1 一般資料 本組共7 例，其中男6 例，女1 例；年齡27～65 歲，平均46.7 歲。臨床診斷、手術(shù)方式、植入椎弓根螺釘數(shù)見表1。

1.2 術(shù)前的數(shù)字骨科設(shè)計 所有病例目標椎行螺旋CT掃描(德國SIMENS EMOTION 16)，掃描參數(shù)：層厚1.0 mm，電流310.0 mAs，電壓120 kV。掃描后將原始數(shù)據(jù)以標準DICOM格式導(dǎo)出保存，將DICOM格式文件導(dǎo)入Mimics 15.0軟件進行三維模型重建，以STL格式導(dǎo)出模型，通過Geomagic Studio 2013軟件提取目標椎的椎板、橫突后部、棘突根部背側(cè)的解剖形態(tài)，在軟件中設(shè)計與上述解剖形狀一致的反向模板，用Geomagic Studio 2013軟件測量最佳進釘通道，并與設(shè)計的模板擬合為一體，形成帶有定位導(dǎo)向孔的單椎體個體化導(dǎo)航模板、連同三維重建模型，通過3D打印技術(shù)制作成實物模型及導(dǎo)航模板。設(shè)計導(dǎo)航模板過程中，作者依據(jù)椎板的結(jié)構(gòu)、椎弓根大小分別設(shè)計導(dǎo)航模板為以進針點局部椎板、橫突根部為解剖標志的單個單邊局限型導(dǎo)航模板(見圖1)；以單邊椎板、橫突為解剖定位標志的雙側(cè)單邊單個導(dǎo)航模板(見圖2)；以雙邊椎板、橫突、棘突為解剖定位標志的雙側(cè)雙邊單個導(dǎo)航模板(見圖3～4)；C2椎弓根發(fā)育狹小改用椎板釘?shù)腃2椎板螺釘交叉導(dǎo)航模板(見圖5)。

表1 7 例患者臨床診斷、手術(shù)方式及植入椎弓根螺釘數(shù)比較

圖1 單個單邊局限型導(dǎo)航模板

1.3 手術(shù)方法 患者取俯臥位，取后正中切口顯露目標椎后方棘突和椎板等結(jié)構(gòu)。手術(shù)過程中將在目標椎椎板上的軟組織剝離干凈，獲得一個完全清晰的骨面以方便和導(dǎo)向模板匹配。將消毒好的導(dǎo)向模板與目標椎后方結(jié)構(gòu)進行貼合，確認其匹配準確性后開始分別進行目標椎的導(dǎo)航下置釘。根據(jù)導(dǎo)航模板提供的進釘點，用克氏針在骨面輕敲出進釘定位點，取出導(dǎo)航模板，磨鉆去除進釘點的骨皮質(zhì)擴大進釘點。然后再在導(dǎo)向模板的導(dǎo)引下使用電鉆鉆孔，以減少鉆頭的晃動，當克氏針進入約10 mm后，改用手鉆鉆孔，分別建立目標椎的釘?shù)馈Ｓ锰结樚讲獒數(shù)罒o誤后，按術(shù)前設(shè)計測量的數(shù)據(jù)，選擇合適的螺釘分別置入，然后連接鈦棒，完成固定。

圖2 雙側(cè)單邊單個導(dǎo)航模板

圖3 胸椎雙側(cè)雙邊單個導(dǎo)航模板

圖4 C7椎弓根雙側(cè)雙邊單個導(dǎo)航模板

圖5 C2椎板螺釘交叉導(dǎo)航模板

2 結(jié) 果

本研究使用單個單邊局限型導(dǎo)航模板協(xié)助完成病例1椎弓根螺釘置入，使用雙側(cè)單邊單個導(dǎo)航模板協(xié)助完成病例6椎弓根螺釘置入，使用雙側(cè)雙邊單個導(dǎo)航模板協(xié)助完成病例2、3、4、7椎弓根螺釘置入，使用C2椎板螺釘交叉導(dǎo)航模版協(xié)助完成病例5椎弓根螺釘置入。對7 例患者共置入24枚螺釘，術(shù)后CT釘?shù)罀呙杞Y(jié)果顯示23枚完全在椎弓根內(nèi)，1枚穿破椎弓根外壁，穿出距離均小于1.2 mm，椎弓根穿破率為4%，植釘準確率為96%，螺釘位置可接受率為100%。無一例出現(xiàn)螺釘植入有關(guān)的神經(jīng)、血管損傷等并發(fā)癥。

典型病例為一31 歲男性患者，C1后弓骨折，C2齒狀突骨折，手術(shù)前后影像學資料見圖6～11。

圖6 術(shù)前電腦設(shè)計圖

圖7 3D打印的模型及模板

3 討 論

3.1 胸椎及頸椎椎弓根釘置釘難點 胸椎和頸椎椎弓根周徑相對細小，椎弓根橫徑、水平面角及椎弓根螺釘通道等釘?shù)绤?shù)具有較大的變異，不同個體、不同節(jié)段水平顯著不同，加之周圍毗鄰脊髓、主動脈、肺、椎動脈等結(jié)構(gòu)，造成椎弓根螺釘植入困難和危險性大，尤其是寰樞椎位于枕頸交界區(qū)，寰樞椎解剖結(jié)構(gòu)特殊，變異性大，甚至存在先天性發(fā)育畸形的情況，寰樞椎置釘點缺乏固定的解剖標志，其椎弓根結(jié)構(gòu)解剖變異較多[3]。Abumi等[4]觀察發(fā)現(xiàn)，大部分樞椎的椎動脈袢頂部主要位于椎弓根的外下方，但椎動脈存在變異時，椎動脈袢頂部與椎弓根的關(guān)系可能變?yōu)閮?nèi)外關(guān)系，椎動脈可能嚴重擠壓椎弓根，椎弓根變小使得置釘變得困難。Resnick等[5]指出寰椎椎弓根的上方是椎動脈溝，置釘釘?shù)廊绻希┢粕戏降墓瞧べ|(zhì)將有損傷椎動脈的可能。不同作者描述的寰樞椎椎弓根進釘點及最佳進釘角度均有較大差異[6-8]。胸椎椎弓根內(nèi)側(cè)為硬膜及脊髓，上下為椎間孔內(nèi)神經(jīng)、血管，外側(cè)為肋骨小頭及胸膜，前方為主動脈、食道、下腔靜脈等重要組織[9-10]。目前常用徒手置釘方法來完成椎弓根螺釘系統(tǒng)的置入，該種方法主要憑借術(shù)者的手術(shù)經(jīng)驗，主觀性較強，而且該種方法學習曲線較長，存在精確度較低、反復(fù)穿刺、多次透視以及螺釘穿出率較高等缺點，故在對頸椎、胸椎實施椎弓根螺釘技術(shù)時應(yīng)該考慮到個體差異，采用個性化置釘。

圖8 術(shù)中在導(dǎo)航模板輔助下鉆孔

圖9 術(shù)中透視見椎弓根螺釘位置良好

圖10 術(shù)前X線片示C1后弓骨折合并C2齒狀突骨折

圖11 術(shù)后X線片示經(jīng)導(dǎo)航模板輔助后精確置入C1、C2椎弓根螺釘

3.2 數(shù)字骨科技術(shù)在胸椎及頸椎椎弓根個體化置釘中的應(yīng)用價值 數(shù)字骨科技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展為胸椎及頸椎椎弓根的個性化置釘提供了方便。通過數(shù)字骨科的建模技術(shù)，在術(shù)前可以獲得患者胸椎及頸椎的三維立體圖形，并打印出等比例的實體模型為手術(shù)設(shè)計和模擬提供參考。通過逆向工程技術(shù)的應(yīng)用，在借助計算機技術(shù)尋找到最佳螺釘釘?shù)赖耐瑫r，還可以設(shè)計為椎弓根釘?shù)乐敢较虻膫€性化導(dǎo)航模板，從而大大提高置釘準確率，降低手術(shù)風險，減少了術(shù)中透視的次數(shù)，減少了患者和醫(yī)務(wù)人員所受的射線損傷。這和傳統(tǒng)的椎弓根置釘技術(shù)相比，無疑是技術(shù)上的一大進步。特別是對于出現(xiàn)解剖變異的寰樞椎實施椎弓根置釘技術(shù)，可以充分發(fā)揮數(shù)字骨科的技術(shù)優(yōu)勢，有效提高置釘?shù)某晒β?。本組螺釘均位于術(shù)前設(shè)計的骨皮質(zhì)內(nèi)，未穿入椎動脈孔或偏向椎管內(nèi)。

3.3 數(shù)字化3D打印技術(shù)在胸椎及頸椎椎弓根個體化置釘中的應(yīng)用體會 本組7 例采用數(shù)字化3D設(shè)計打印目標椎的模型及導(dǎo)航模板有以下應(yīng)用體會：a)以進針點局部椎板、橫突根部為解剖標志的單個單邊局限型導(dǎo)航模板，術(shù)中應(yīng)用體會：單個固定不牢靠，容易移位，當導(dǎo)板貼不緊椎板時導(dǎo)板會移位，導(dǎo)板少許移位，釘?shù)绖t相差很大致螺釘位置偏移；b)以單邊椎板、橫突為解剖定位標志的雙側(cè)單邊單個導(dǎo)航模板，術(shù)中應(yīng)用體會：需應(yīng)用電刀將粘附在椎板的軟組織盡量清理干凈，獲得最佳的骨面進行貼附，模板應(yīng)該緊密的和椎板貼合，減少模板的椎板間縫隙；c)以雙邊椎板、橫突、棘突為解剖定位標志的雙側(cè)雙邊單個導(dǎo)航模板，術(shù)中應(yīng)用體會：導(dǎo)航模板設(shè)計要考慮到棘間韌帶的存在，否則術(shù)中要切除部分棘突才能相貼骨面，導(dǎo)航模板在疊面狀的椎板間要用力嵌入椎板間隙少許，模板才能與椎板緊密相貼，否則導(dǎo)航模板會移位、椎弓根釘位置會偏移；d)術(shù)前設(shè)計發(fā)現(xiàn)過小的椎弓根時，應(yīng)避免應(yīng)用椎弓根釘以防止螺釘損傷血管、神經(jīng)，應(yīng)及時更改為椎板螺釘；e)C1椎弓根釘導(dǎo)航模板較適合用連體雙側(cè)型導(dǎo)航模板，其解剖定位位置多貼服椎板突出，置釘位置佳，但缺點是周圍軟組織剝離多，顯露范圍寬；f)在使用導(dǎo)航模板引導(dǎo)鉆孔時盡量使用電鉆鉆孔，以減少鉆頭的晃動，當克氏針進入約10 mm后，改用手鉆根據(jù)手感鉆入，開孔后常規(guī)探查孔道側(cè)壁，完全位于骨性通道后再擰入螺釘。在使用導(dǎo)航模板時，必須將模板加壓貼緊骨面，避免晃動、移位，以獲取精確的進釘角度。

另外數(shù)字化設(shè)計需要一定的學習曲線，在模板的設(shè)計制作及手術(shù)具體應(yīng)用過程中也存在精度控制和把握的問題。為了提高模板的匹配精度，要求CT掃描的厚度控制在1 mm以下，快速成型機的打印精度建議設(shè)置為0.1 mm，以獲取完整、光滑的模型曲面，這樣獲得的數(shù)字模型和導(dǎo)航模板也具有較高的平滑性和精確度，以便和術(shù)中的解剖部位獲得精準匹配。在椎骨模型重建過程中，切勿人為更改模型的邊界，尤其是椎板后部等重要解剖參照邊界，否則隨后制作的導(dǎo)航模板將無法與術(shù)中真實骨面匹配，甚至根本無法使用。使用逆向工程軟件設(shè)計匹配模板的匹配面時，應(yīng)選取曲率較高的曲面作為參照曲面，且最好選取椎板中下部的曲面作為參考，以避免生成的導(dǎo)航模板在使用過程中被上一節(jié)段的椎板遮擋，從而減少對患者的損傷以及獲取更好的貼合度。

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Application of Patient-Specific Drill Template in the Thoracic and Cervical Pedicle Screw Implantation：a Clinical Study

Ning Jinpei1，Wu Weidong1，Qin Qiu2，etal

(Department of Orthopaedics，Wuzhou Red Cross Hospital，Wuzhou 543200；2.CT Room，Wuzhou Red Cross Hospital，Wuzhou 543200)

Objective To investigate the accuracy and safety of patient-specific drill template in the thoracic and cervical pedicle screw implantation.Methods From July 2014 to November 2014，7 patients needed cervical and thoracic pedicle screw placements underwent CT scan，then Mimics 15.0 was used to reconstruct 3D model of cervical and thoracic spine.The best drilling tracts and 3D model of patient-specific drill template were designed by Geomagic software.The 3D models above were used to print out with a rapid prototyping (RP) machine and the real drill templates were used to guide screws placement.24 transpedicular screws were implanted into cervical and thoracic pedicle.The complications related to screws placement were recorded.Results 23 of the 24 screws implanted by drill plate guidance were completed located in the pedicle.Just 1 screw violation was observed，but the violation distance was less than 1.2 mm.The placement accurate rate was 96%.The accuracy acceptance rate was 100%.No neurovascular and visceral injury related-complications was noted.Conclusion Patient-specific biocompatible drill template is reliable and safe in the thoracic and cervical pedicle screw implantation.

thoracic；cervical；3D rapid prototyping；drill template；pedicle screw

梧州市科學研究與技術(shù)開發(fā)計劃項目(201302002)

1008-5572(2015)05-0385-05

R318.08

B

2014-12-18

寧金沛(1968- )，男，副主任醫(yī)師，廣西梧州市紅十字會醫(yī)院骨一科，543200。