釘棒系統(tǒng)導(dǎo)向模板在脊柱外科中的應(yīng)用進(jìn)展

張 斌 綜述， 譚 軍 審校

(1. 同濟(jì)大學(xué)附屬東方醫(yī)院脊柱外科，上海 200120； 2. 余姚市人民醫(yī)院急診創(chuàng)傷科，浙江 余姚 315400)

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·綜 述·

釘棒系統(tǒng)導(dǎo)向模板在脊柱外科中的應(yīng)用進(jìn)展

張 斌1，2綜述， 譚 軍1審校

(1. 同濟(jì)大學(xué)附屬東方醫(yī)院脊柱外科，上海 200120； 2. 余姚市人民醫(yī)院急診創(chuàng)傷科，浙江 余姚 315400)

總結(jié)近年來國內(nèi)外釘棒系統(tǒng)導(dǎo)向模板在脊柱外科領(lǐng)域的臨床研究，闡述釘棒系統(tǒng)導(dǎo)向模板的產(chǎn)生、發(fā)展和技術(shù)特點，為導(dǎo)向模板的臨床應(yīng)用和導(dǎo)向模板的設(shè)計提供參考。

快速成型； 模板； 導(dǎo)航； 脊柱

在脊柱外科手術(shù)中，椎弓釘置入技術(shù)已成為脊柱內(nèi)固定的主流技術(shù)。在置釘過程中，通過C臂透視技術(shù)和影像導(dǎo)航技術(shù)可以大大減少椎弓根釘偏移的風(fēng)險，已成為置釘過程中不可缺少的步驟。近年來，隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，打印導(dǎo)向模板也成為椎弓根釘置入的輔助技術(shù)，給椎弓釘置入起到導(dǎo)向作用，進(jìn)而減少徒手置釘中偏差的發(fā)生。椎弓根釘導(dǎo)向模板操作簡便，置釘準(zhǔn)確度高。隨著計算機(jī)輔助應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展和3D打印技術(shù)的推廣，使得導(dǎo)向模板技術(shù)在臨床應(yīng)用的推廣成為可能。

1 導(dǎo)向模板的概念和制作過程

快速成型導(dǎo)向模板是快速成型技術(shù)或增材制造技術(shù)的一種臨床應(yīng)用導(dǎo)板。在手術(shù)過程中利用快速成型導(dǎo)向模板，協(xié)助骨科醫(yī)師進(jìn)行定位導(dǎo)向，進(jìn)而實現(xiàn)鉆孔、置釘、截骨等臨床操作。

解剖模型和快速成型導(dǎo)板的制作。 (1) 解剖數(shù)據(jù)的重建和快速成型導(dǎo)板的設(shè)計： 利用螺旋CT連續(xù)掃描手術(shù)部位解剖結(jié)構(gòu)，將CT連續(xù)斷層圖像以DICOM格式保存。將DICOM文件輸入三維建模軟件(如Mimics)，建立三維模型，以STL格式導(dǎo)出。在3D-CAD軟件(如Freeform Date Design)中打開三維模型，設(shè)計手術(shù)方案。根據(jù)方案制定設(shè)計釘?shù)?，制作釘?shù)肋M(jìn)針表面的解剖反向模板，將釘?shù)篮头聪蚰０褰Y(jié)合一體完成個體化導(dǎo)板的設(shè)計。(2) 將三維解剖模型和導(dǎo)板設(shè)計以STL文件格式輸入3D打印機(jī)，根據(jù)要求制作解剖模型和個體化導(dǎo)板。

2 釘棒系統(tǒng)導(dǎo)向模板在脊柱外科的發(fā)展進(jìn)程

Radermacher等[1]及Birnbaum等[2]通過DISOS planning workstation技術(shù)平臺，應(yīng)用銑床技術(shù)制作的導(dǎo)板是最早設(shè)計的個體化導(dǎo)板。其制作的導(dǎo)板是單節(jié)段單側(cè)椎弓根釘導(dǎo)板，設(shè)計理念： 將導(dǎo)板覆蓋單節(jié)段半側(cè)棘突、椎板、橫突，固定導(dǎo)板后進(jìn)行鉆孔。2001年，Birnbaum 等[2]進(jìn)行了在13具尸體標(biāo)本上應(yīng)用銑床技術(shù)制作的個體化定向?qū)О迮c傳統(tǒng)手術(shù)方式的比較研究，認(rèn)為應(yīng)用個體化導(dǎo)板技術(shù)是一種方便、準(zhǔn)確，能減少操作時間的新技術(shù)。

Goffin等[3]較早報道了應(yīng)用立體光固化技術(shù)打印制作的丙烯酸樹脂頸椎導(dǎo)板，并利用導(dǎo)板在尸體標(biāo)本及臨床患者置入了magerl螺釘。Berry等[4]也報道了應(yīng)用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)打印制作的聚酰胺尼龍導(dǎo)板，共制作了4種類型的導(dǎo)板應(yīng)用于頸、胸、腰椎的椎弓釘置入。

早期的導(dǎo)板設(shè)計有著各自的設(shè)計特點。Van Brussel最早提出了用V型夾固定橫突和棘突的導(dǎo)板設(shè)計。Goffin等[3]設(shè)計的寰樞椎關(guān)節(jié)突螺釘導(dǎo)板以寰椎椎弓和樞椎的棘突、椎板為解剖標(biāo)記點，用多個似刀口設(shè)計的夾具來固定。Berry等[4]在Van Brussel的基礎(chǔ)上用V型鉤聯(lián)合多個圓柱支撐點來設(shè)計導(dǎo)板。以上的導(dǎo)板設(shè)計理念都以點面接觸方式來固定導(dǎo)板。他們的基本特征為： 導(dǎo)板與脊椎接觸有限，不是通過導(dǎo)板與脊柱面面接觸的貼附方式來實現(xiàn)，通常需要夾具、V型鉤的局部接觸來實現(xiàn)貼附固定。這可以也是第1代導(dǎo)板的技術(shù)特點。

2007年，Owen等[5]介紹了一種應(yīng)用逆向工程技術(shù)制作的新型頸椎椎弓根釘導(dǎo)板，并在尸體標(biāo)本上應(yīng)用該導(dǎo)板進(jìn)行了臨床研究。Owen等[5]設(shè)計的導(dǎo)板是第2代導(dǎo)板的經(jīng)典代表。他在數(shù)字解剖模型上通過逆向工程技術(shù)制作接觸導(dǎo)板，實現(xiàn)了完全面面接觸貼附固定的導(dǎo)板設(shè)計。這種設(shè)計大大提高了導(dǎo)板的穩(wěn)定性和定位的精確性。此后的導(dǎo)板設(shè)計都以該設(shè)計理念為主。Lu等[6-11]是我國早期個體化導(dǎo)板應(yīng)用的開拓者。他們借鑒了Owen等[5]的逆向工程技術(shù)，設(shè)計的面面接觸固定導(dǎo)板，已經(jīng)在國內(nèi)臨床患者中應(yīng)用，并且取得良好療效。雖然完全面面接觸的導(dǎo)板有其穩(wěn)定、精準(zhǔn)的優(yōu)點，但也暴露出一些客觀存在的問題。(1) 因為需要完全面面接觸貼附，使得手術(shù)創(chuàng)傷較大；(2) 手術(shù)中要求精確暴露骨面，徹底剔除周圍軟組織。倘若軟組織解剖不徹底，會使導(dǎo)板貼附不穩(wěn)定，導(dǎo)致置釘不準(zhǔn)確。Merc等[12-13]也報道了一種多節(jié)段腰椎椎弓釘導(dǎo)板在腰椎骶椎脊柱手術(shù)的臨床應(yīng)用。

日本學(xué)者[14-16]在第2代導(dǎo)板設(shè)計中提出多步驟導(dǎo)板設(shè)計的理念。Sugawara等[14]介紹了三步驟的胸椎椎弓根釘導(dǎo)板，將同一節(jié)段的導(dǎo)板分為開孔、鉆孔、置釘三步驟導(dǎo)板。Kaneyama等[15]介紹了中段頸椎椎弓釘三步驟導(dǎo)板。以往的導(dǎo)板設(shè)計都以開孔為設(shè)計理念，認(rèn)為開孔后可以直接沿孔道置入螺釘。應(yīng)用三步曲的導(dǎo)板設(shè)計避免了徒手置釘?shù)陌l(fā)生。操作者通過置釘導(dǎo)板能沿著導(dǎo)向一次置釘。雖然多步驟的導(dǎo)板設(shè)計，增加了術(shù)前準(zhǔn)備，增加了手術(shù)的操作步驟，但能更為安全可靠地使用導(dǎo)板，提高導(dǎo)板技術(shù)的精確性和安全性。

Merc等[12-13]介紹了一種多節(jié)段腰骶椎椎弓根釘導(dǎo)板。這是一種跨椎體節(jié)段的導(dǎo)板，優(yōu)點是組織損傷相關(guān)較小，只需徹底暴露腰椎上下關(guān)節(jié)突，缺點是導(dǎo)板的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性較單節(jié)段導(dǎo)板差。

在第2代導(dǎo)板應(yīng)用中，隨著計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和導(dǎo)板制作工藝的改進(jìn)，導(dǎo)板的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性越來越高。個體化定向?qū)О宀辉偈菃我坏闹冕敿夹g(shù)。Wu等[17]報道了應(yīng)用置釘導(dǎo)板來治療先天性脊柱側(cè)彎畸形。Chen等[18]介紹了個體化定向?qū)О逵糜邝竟枪钦酆枉诀年P(guān)節(jié)脫位的治療。

2015年，Takemoto等[19]報道了一種新型3D金屬打印胸椎椎弓釘導(dǎo)板，使用該導(dǎo)板為36位脊柱側(cè)彎畸形及4位后縱韌帶骨化患者分別置入胸椎椎弓根釘420枚、46枚，置釘準(zhǔn)確率達(dá)98%。該導(dǎo)板不同于以往的導(dǎo)板設(shè)計。Takemoto等[19]通過對建模后局部區(qū)域的數(shù)據(jù)分析，選取了7個較為可靠的解剖標(biāo)記點。利用該解剖標(biāo)記點來逆向工程設(shè)計導(dǎo)板貼附接觸面。接觸面采用了用直徑為4、6mm的圈，7個小圈圍成一個大的環(huán)形貼附圈。該設(shè)計利用多個點、面結(jié)合的辦法來減少軟組織的暴露及軟組織的損傷，通過選擇可靠的解剖標(biāo)記點來設(shè)計導(dǎo)板，達(dá)到穩(wěn)固貼附脊柱的目的。該設(shè)計可以認(rèn)為是第3代導(dǎo)板設(shè)計。

綜上所述，根據(jù)導(dǎo)板設(shè)計的技術(shù)特點，可以將導(dǎo)板設(shè)計分為3代。第1代導(dǎo)板的設(shè)計以點面接觸貼附固定為特征。其優(yōu)點為手術(shù)暴露部位小，軟組織剔除少，創(chuàng)傷小，適合頸、胸、腰椎。其缺點為導(dǎo)板穩(wěn)定性差，固定不可靠，導(dǎo)致精度和安全性不高。第2代設(shè)計以完全面面接觸貼附固定為特征。其優(yōu)點為導(dǎo)板貼附固定可靠，導(dǎo)板的精度和安全性高，適合胸椎、頸椎；其缺點為手術(shù)部位創(chuàng)面暴露大，軟組織剔除要求高，而且要求徹底剔除軟組織同時不損傷骨皮質(zhì)。第3代的導(dǎo)板設(shè)計是更為堅固的金屬打印導(dǎo)板，分析選取可靠的解剖標(biāo)記點，利用多個點面結(jié)合的辦法，既能可靠地貼附固定、精準(zhǔn)定位，又能達(dá)到減小創(chuàng)面暴露減少對軟組織的創(chuàng)傷。

3 釘棒系統(tǒng)導(dǎo)板技術(shù)在脊柱外科的臨床應(yīng)用

個體化導(dǎo)板技術(shù)它是計算機(jī)技術(shù)、逆向工程技術(shù)、分層制作技術(shù)的集成。在實體應(yīng)用或虛擬應(yīng)用中，個體化導(dǎo)板技術(shù)都具有重要臨床意義。在術(shù)前準(zhǔn)備中，可以利用計算機(jī)技術(shù)做好手術(shù)規(guī)劃，可以虛擬呈現(xiàn)手術(shù)部位的解剖結(jié)構(gòu)，通過二維或三維的視覺方式呈現(xiàn)相關(guān)解剖關(guān)系。在規(guī)劃手術(shù)方案時，能發(fā)現(xiàn)手術(shù)可能遭遇的困難和問題。Lu等[10]介紹了在胸椎側(cè)突畸形術(shù)前導(dǎo)板規(guī)劃中，遇到椎弓根變異的情況。椎弓根特別細(xì)，不能以常規(guī)方式置入螺釘，采取了特殊的置釘方式(內(nèi)-外-內(nèi))，從而避免相關(guān)的手術(shù)并發(fā)癥。在寰樞椎復(fù)位固定導(dǎo)板設(shè)計中，當(dāng)遇到椎動脈解剖異常的患者，可以根據(jù)椎動脈的變異情況來制定手術(shù)方案，選擇關(guān)節(jié)突螺釘或側(cè)塊螺釘還是椎板螺釘來固定頸椎。選擇更為安全有效的手術(shù)方式，降低手術(shù)風(fēng)險，減少手術(shù)創(chuàng)傷。

手術(shù)區(qū)域3D實物模型可以呈現(xiàn)更為直觀的手術(shù)區(qū)域解剖，可以發(fā)現(xiàn)細(xì)微的解剖結(jié)構(gòu)[20]。通過3D解剖模型可以更好地和同事團(tuán)隊交流病情和制定手術(shù)方案，也能更好地和患者家屬溝通。實體模型可以在體外驗證導(dǎo)板的可靠性及準(zhǔn)確性，同時在手術(shù)中協(xié)助術(shù)者有效地操作。

隨著技術(shù)發(fā)展，導(dǎo)板技術(shù)不再是單一的開孔技術(shù)?，F(xiàn)在導(dǎo)板技術(shù)正不斷運(yùn)用于脊柱側(cè)彎畸形、后凸畸形等矯形手術(shù)治療中[19，21-22]。在解剖畸形的患者，個體化導(dǎo)板可以協(xié)助術(shù)者能更為安全、精準(zhǔn)的操作。在臨床操作中因為患者的個體解剖差異，每項臨床技術(shù)的學(xué)習(xí)都有其各自的學(xué)習(xí)曲線。而個體化導(dǎo)板能很好解決每位患者的解剖差異。因此在個體化導(dǎo)板的應(yīng)用中沒有發(fā)現(xiàn)明顯的學(xué)習(xí)曲線。

4 脊柱椎弓根釘導(dǎo)向模板的準(zhǔn)確性和安全性分析

個體化導(dǎo)板的準(zhǔn)確性評估主要通過術(shù)后CT影像觀察來實現(xiàn)。在早期的評價體系中通過判斷椎弓根螺釘與椎弓根的關(guān)系來評價導(dǎo)板使用的準(zhǔn)確性。常根據(jù)在椎弓根有無皮質(zhì)損傷情況來評價分類。通常認(rèn)為螺釘超出椎弓根皮質(zhì)2mm認(rèn)為置入螺釘不準(zhǔn)確。近年來，評判標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格，常通過術(shù)后CT觀察的螺釘釘?shù)琅c預(yù)先設(shè)計釘?shù)涝谑笭钗缓蜋M斷位上比較，認(rèn)定偏差>2mm為不準(zhǔn)確。隨著導(dǎo)板設(shè)計的優(yōu)化，制作工藝的提高，有文獻(xiàn)報道頸椎、胸椎的椎弓根導(dǎo)板準(zhǔn)確率分別為100%[15]和98%[19]。

影響導(dǎo)板準(zhǔn)確使用的因素包括3個方面： 導(dǎo)板設(shè)計、導(dǎo)板制作和導(dǎo)板應(yīng)用操作。

導(dǎo)板的設(shè)計需要將手術(shù)部位連續(xù)CT掃描，將CT影像轉(zhuǎn)變?yōu)槿S模型。這需要在數(shù)字平臺上建立，現(xiàn)在常用軟件有Mimics軟件、VG Studio軟件、Freeform Date Design軟件等。軟件算法的優(yōu)化直接影響到數(shù)據(jù)建模的準(zhǔn)確性。在三維模型建立時，需要使用到CT閾值的感念。在不同閾值下，其三維輪廓是存在差異的。Takemoto等[19]指出，HU100和HU350的三維椎體輪廓閾值最多可相差1.5mm 以上。由此在建立三維模型時，虛擬得到三維模型與手術(shù)臺上暴露的解剖結(jié)構(gòu)還是有差異的。在數(shù)據(jù)建模時，需要選用合適的閾值，來建立虛擬三維模型。同時根據(jù)閾值的變化找到解剖模型中差異最小的解剖點或面，作為解剖標(biāo)記點，進(jìn)而根據(jù)標(biāo)記點設(shè)計導(dǎo)板。

導(dǎo)板的制作是通過3D打印機(jī)來實現(xiàn)的。在以往的導(dǎo)板制作中Goffin等[3]、Kaneyama等[15]和Lu等[6-10]選擇立體光固化技術(shù)打印機(jī)，而Berry等[4]、Merc等[12-13]和Takemoto等[19]都應(yīng)用了選擇性激光燒結(jié)技術(shù)打印機(jī)。前者打印成本相對便宜，以光敏樹脂為材料。后者打印成本相對高昂，選擇材質(zhì)多樣化(聚酰胺、鈦合金)?，F(xiàn)有的工業(yè)級打印機(jī)精度都在毫米級以上，基本可以滿足臨床需求。

導(dǎo)板的應(yīng)用操作是影響導(dǎo)板精準(zhǔn)的重要因素。個體化導(dǎo)板的穩(wěn)定操作是導(dǎo)板精準(zhǔn)實用的前提，這又是和導(dǎo)板設(shè)計相關(guān)的。導(dǎo)板的固定可以通過克氏針固定或徒手加壓來實現(xiàn)。在操作中唯有良好的固定貼附，才有可能達(dá)到精準(zhǔn)定位、安全使用。

5 展 望

釘棒系統(tǒng)導(dǎo)向模板技術(shù)是計算機(jī)輔助技術(shù)、逆向工程技術(shù)、3D打印技術(shù)的集合。計算機(jī)技術(shù)是快速成型技術(shù)的基石。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，快速成型導(dǎo)板設(shè)計的軟件平臺日益成熟。Mimics軟件平臺、VG Studio軟件平臺等都具有成熟的計算機(jī)技術(shù)，使得個體化導(dǎo)板的推廣應(yīng)用能成為可能?？焖俪尚蛯?dǎo)向模板技術(shù)的核心是設(shè)計。隨著個體化導(dǎo)板臨床應(yīng)用的不斷深入，導(dǎo)板設(shè)計將不斷優(yōu)化。導(dǎo)板設(shè)計趨向于精準(zhǔn)設(shè)計、微創(chuàng)設(shè)計、實用設(shè)計。特別是在脊柱椎弓根釘?shù)脑O(shè)計領(lǐng)域，勢必出現(xiàn)成熟的第三代設(shè)計理念。通過CT閾值分析，找到合適的閾值建立三維數(shù)據(jù)模型和可靠的解剖標(biāo)記點。根據(jù)數(shù)據(jù)模型和解剖標(biāo)記點來設(shè)計導(dǎo)板。利用逆向工程技術(shù)來制作導(dǎo)板的貼附面，但又不至于需要完全的面面接觸，利用局部點、面相結(jié)合的辦法，較少組織暴露，達(dá)到精準(zhǔn)、微創(chuàng)、實用的目的。相信隨著計算機(jī)輔助應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展、3D打印技術(shù)的推廣，必然會使得導(dǎo)板技術(shù)在我國得到推廣使用。

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Computer-assisted drill-guided templates for spine pedicle screw placement： a literature review

ZHANGBin1，2，TANJun1

(1. Dept. of Spine Surgery, East Hospital, Tongji University, Shanghai 200120, China；2. Dept. of Trauma, YuYao People’s Hospital, YuYao 315400, Zhejiang Province, China)

There has been a lot of advantages to be gained from drill-guided template in spine surgery. This review identifies and analyzes clinical and experimental studies of rapid prototyping patient-specific surgical guides, focusing on their application and outcomes, providing details on the guides’ design and type of manufacturing process.

rapid prototyping; dill template; navigation; spine

10.16118/j.1008-0392.2016.05.026

2015-06-02

上海市浦東新區(qū)衛(wèi)生系統(tǒng)重點學(xué)科建設(shè)項目(PDZX2014-02)

張 斌(1980—)，男,主治醫(yī)師，碩士研究生.E-mail： bzsweetin@163.com

譚 軍.E-mail： dr.tan@139.com

R 681.5

A

1008-0392(2016)05-0124-04