微型快速成型導(dǎo)向模板輔助樞椎椎弓根螺釘置釘偏差分析

嚴(yán)超，陳劍鋒，尚崢輝，梁杰，覃濤

(三峽大學(xué)人民醫(yī)院宜昌市第一人民醫(yī)院骨科，湖北 宜昌443000)

微型快速成型導(dǎo)向模板輔助樞椎椎弓根螺釘置釘偏差分析

嚴(yán)超，陳劍鋒，尚崢輝，梁杰，覃濤

(三峽大學(xué)人民醫(yī)院宜昌市第一人民醫(yī)院骨科，湖北 宜昌443000)

目的 驗(yàn)證微型快速成型導(dǎo)板輔助后路樞椎椎弓根螺釘置釘?shù)臏?zhǔn)確性及其偏差分析。方法 隨機(jī)選取2012年9月至2015年9月三峽大學(xué)人民醫(yī)院12例受試者的樞椎CT連續(xù)掃描數(shù)據(jù)，利用Mimics10.01重建后，導(dǎo)入U(xiǎn)G7.0，設(shè)計(jì)偏差檢測(cè)板及樞椎后表面互補(bǔ)基板。在桌面3D打印機(jī)器制作頸椎及導(dǎo)板模型，利用導(dǎo)板、直徑3 mm克氏針在3D頸椎模型模擬置釘。最后利用游標(biāo)卡尺在偏差檢測(cè)導(dǎo)板上測(cè)量出釘點(diǎn)距X軸、Y軸位移，克氏針置入長(zhǎng)度，并同計(jì)算機(jī)測(cè)量數(shù)值比較。結(jié)果 游標(biāo)卡尺測(cè)量組同計(jì)算機(jī)測(cè)量組比較，在進(jìn)釘深度、X軸位移、Y軸位移方面差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05)，導(dǎo)板置釘準(zhǔn)確性可靠。結(jié)論 使用微型導(dǎo)板在減少設(shè)計(jì)、制造時(shí)間同時(shí)能有效的輔助樞椎椎弓根螺釘置入，提高了該手術(shù)的安全性,同時(shí)為數(shù)字化導(dǎo)航手術(shù)的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

微型導(dǎo)板；樞椎；椎弓根螺釘；偏差

自Leconte[1]于1964年提出使用樞椎椎弓根螺釘技術(shù)治療樞椎創(chuàng)傷性滑脫以來(lái)，樞椎椎弓根螺釘技術(shù)已成為高位頸椎后路手術(shù)中一項(xiàng)基本技術(shù)。樞椎椎弓根螺釘具有承上啟下的重要作用，在寰樞椎失穩(wěn)、Hangman骨折、枕頸畸形、上頸椎腫瘤以及結(jié)核需行后路手術(shù)固定者均可使用樞椎椎弓根螺釘技術(shù)。雖然還有側(cè)塊螺釘、椎板釘?shù)裙潭夹g(shù)，但樞椎椎弓根螺釘技術(shù)較其他固定方式穩(wěn)定性更佳[2]。樞椎椎弓根置釘存在脊髓及椎動(dòng)脈損傷的風(fēng)險(xiǎn)，限制了該技術(shù)的推廣應(yīng)用。為了簡(jiǎn)化樞椎椎弓根螺釘?shù)亩ㄎ缓吞岣咧冕數(shù)陌踩?，筆者開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了后路樞椎椎弓根螺釘置釘微型導(dǎo)板，并驗(yàn)證其安全性、準(zhǔn)確性，現(xiàn)報(bào)道如下：

1 資料與方法

1.1 一般資料 通過(guò)三峽大學(xué)人民醫(yī)院Light Speed 64排螺旋CT(GE公司，美國(guó))PACS系統(tǒng)回顧性調(diào)取2012年9月至2015年9月行頸椎CT三維重建影像資料，排除枕、頸部畸形、外傷等情況，隨機(jī)選取12例受試者(健康成人)頸椎CT連續(xù)掃描數(shù)據(jù)集。其中男性6例，女性6例；年齡30～68歲，平均45歲。

1.2 數(shù)據(jù)處理 在Mimics 10.01(比利時(shí)Materialise公司)軟件中利用灰度分割提取頸椎信息區(qū)，獲得3D圖像，重建后獲得.stl文件。

1.3 導(dǎo)板設(shè)計(jì) 將數(shù)據(jù)導(dǎo)入U(xiǎn)G7.0(美國(guó)Siemens PLM Software公司)取選棘突中垂線和下關(guān)節(jié)突最下緣上方9 mm的交點(diǎn)為進(jìn)釘點(diǎn)。模擬螺釘采用直徑3 mm圓柱體替代，置釘方向內(nèi)傾35.2°、上傾38.5°，根據(jù)置釘方向設(shè)計(jì)直徑8 mm，高度25 mm圓柱形導(dǎo)板，通過(guò)布爾運(yùn)算獲得最終互補(bǔ)導(dǎo)板3D模型(圖1)。

1.4 檢測(cè)板設(shè)計(jì) 在UG7.0中設(shè)計(jì)L形檢測(cè)板，檢測(cè)板后側(cè)同樞椎椎體前緣垂直，并生成.stl文件。

1.5 頸椎模型、檢測(cè)板及導(dǎo)板制造 將頸椎模型、檢測(cè)板及導(dǎo)板部件用.stl文件輸入大格Mecrea-BC 3D打印機(jī)制作，材料使用PLA(聚乳酸)。

圖1 利用Mimics10.01和UG7.0設(shè)計(jì)微型導(dǎo)向模板

1.6 模擬置釘及三維測(cè)量 分別在計(jì)算機(jī)和利用導(dǎo)板引導(dǎo)置釘，用直徑3 mm克氏針模擬經(jīng)后路樞椎椎弓根螺釘置入過(guò)程。選擇導(dǎo)板右上角為坐標(biāo)系原點(diǎn)，測(cè)量出釘點(diǎn)距X軸，Y軸位移，克氏針置入長(zhǎng)度(圖2、圖3)。

1.7 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 應(yīng)用SPSS10統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)表示，組間比較采用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 置釘效果 本研究置入樞椎椎弓根螺釘24枚，均未穿破椎弓根內(nèi)、外側(cè)骨皮質(zhì)。在實(shí)際模擬置釘過(guò)程中，導(dǎo)板在樞椎后緣滑動(dòng)度小。24枚克氏針均成功的通過(guò)樞椎后緣經(jīng)過(guò)椎弓根至椎體前方到達(dá)測(cè)量導(dǎo)板。

2.2 導(dǎo)板偏差評(píng)估 計(jì)算機(jī)測(cè)量組和游標(biāo)卡尺測(cè)量組左右側(cè)進(jìn)釘深度，左右側(cè)X、Y軸出釘點(diǎn)位移通過(guò)配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05)，見(jiàn)表1。

圖2 利用計(jì)算機(jī)、游標(biāo)卡尺分別測(cè)量出釘點(diǎn)距X軸，Y軸位移，克氏針置入長(zhǎng)度

圖33 D打印和游標(biāo)卡尺術(shù)后測(cè)量

表1 計(jì)算機(jī)測(cè)量組和游標(biāo)卡尺測(cè)量組各項(xiàng)測(cè)量值比較(mm，±s)

表1 計(jì)算機(jī)測(cè)量組和游標(biāo)卡尺測(cè)量組各項(xiàng)測(cè)量值比較(mm，±s)

組別計(jì)算機(jī)測(cè)量組游標(biāo)卡尺組t值P值左側(cè)進(jìn)釘深度64.68±1.99 64.5±2.10 1.00 0.34右側(cè)進(jìn)釘深度63.65±2.09 62.73±3.02 1.36 0.20左側(cè)出釘點(diǎn)X軸位移32.84±1.41 32.62±1.99 0.65 0.53左側(cè)出釘點(diǎn)Y軸位移6.48±0.47 6.75±0.87 -1.08 0.30右側(cè)出釘點(diǎn)X軸位移32.79±1.04 32.79±2.69 0.00 1.00右側(cè)出釘點(diǎn)Y軸位移29.58±0.85 29.77±2.04 -0.45 0.66

3 討論

樞椎橫突孔內(nèi)椎動(dòng)脈呈“C”形或“S”形走行，上關(guān)節(jié)面外側(cè)1/3懸空，造成了解剖結(jié)構(gòu)的薄弱[3]。樞椎椎弓根存在較大個(gè)體差異性，不同的學(xué)者測(cè)量的上傾角和內(nèi)斜角度存在很大的差別[3-4]。為了提高置釘?shù)臏?zhǔn)確性和安全性，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者根據(jù)對(duì)樞椎解剖、影像學(xué)的研究提出了多種進(jìn)釘點(diǎn)的定位和置釘方法，但螺釘穿破骨皮質(zhì)損傷血管、脊髓的風(fēng)險(xiǎn)依然存在。近年來(lái)隨著數(shù)字骨科技術(shù)的迅速發(fā)展，一些學(xué)者將數(shù)字設(shè)計(jì)、RP技術(shù)與脊柱內(nèi)固定技術(shù)結(jié)合應(yīng)用于臨床，極大地提高了置釘安全性，取得良好的手術(shù)效果[5-6]。此項(xiàng)技術(shù)里用逆向工程原理，利用術(shù)前薄層CT掃描數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)螺釘進(jìn)釘點(diǎn)和置釘通道，并利用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)出同椎板后方互補(bǔ)的置釘導(dǎo)航模板，可在術(shù)前進(jìn)行手術(shù)預(yù)演、在術(shù)中引導(dǎo)置釘，極大提高手術(shù)精度。

樞椎椎弓根螺釘進(jìn)釘點(diǎn)的定位方法有多種，但為了降低對(duì)脊髓和椎動(dòng)脈損傷的機(jī)率，目前在置釘?shù)倪^(guò)程中大多數(shù)醫(yī)生都選擇用神經(jīng)剝離子骨膜下剝離顯露樞椎椎弓根峽部的上面和內(nèi)側(cè)緣，直視下確定樞椎椎弓根螺釘?shù)倪M(jìn)針點(diǎn)及置釘角度。在顯露樞椎椎弓根峽部的過(guò)程中極易損傷靜脈叢導(dǎo)致大量的出血，增加了手術(shù)時(shí)間、手術(shù)出血量及剝離范圍。另外顱椎區(qū)的椎動(dòng)脈走行存在一定變異率，顯露樞椎椎弓峽部的上面和內(nèi)側(cè)緣極易損傷椎動(dòng)脈。微型快速成型導(dǎo)向模板無(wú)需暴露椎弓根，可以減少手術(shù)時(shí)間、手術(shù)出血量及剝離范圍[7-9]。陸聲等[10]認(rèn)為導(dǎo)板與骨面的貼合程度是影響置釘準(zhǔn)確性的因素之一。為了達(dá)到最大的貼合和在實(shí)際操作中導(dǎo)板的穩(wěn)定，目前各種導(dǎo)板的設(shè)計(jì)多需貼合樞椎后部的全部椎板和棘突，以減少軟組織的干擾，這種充分的剝離無(wú)疑會(huì)延長(zhǎng)手術(shù)時(shí)間、增加手術(shù)的出血量。筆者認(rèn)為在不影響置釘準(zhǔn)確性前提下減少貼合面積有利于減少手術(shù)對(duì)頸椎后方韌帶復(fù)合體的破壞，降低頸椎后路術(shù)后出現(xiàn)頸椎后凸等失穩(wěn)并發(fā)癥的發(fā)生。本研究為了更加真實(shí)模擬手術(shù)環(huán)境，設(shè)計(jì)了無(wú)需貼合棘突的微型導(dǎo)板，并利用3D打印機(jī)制作了C1～5的3D模型。此外為了檢測(cè)導(dǎo)板精度，研究者設(shè)計(jì)了同椎體前方垂直的測(cè)量板，用來(lái)測(cè)量置釘誤差。在導(dǎo)板的引導(dǎo)置釘過(guò)程中，微型導(dǎo)板和椎體表面貼合好、滑動(dòng)度小，24枚模擬置釘均未穿破椎弓根內(nèi)、外側(cè)骨皮質(zhì)，計(jì)算機(jī)測(cè)量組和游標(biāo)卡尺測(cè)量組各項(xiàng)測(cè)量值比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05)，說(shuō)明該微型導(dǎo)板的精確度、可操作性可以勝任輔助置釘?shù)娜蝿?wù)。

本實(shí)驗(yàn)尚處于模型設(shè)計(jì)、驗(yàn)證階段，目前還存在一定的缺陷。如尚未進(jìn)行大量的骨骼標(biāo)本的測(cè)試、使用克氏針替代直徑更大的椎弓根螺釘?shù)?。但筆者認(rèn)為隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)的增多和更加先進(jìn)科技手段的運(yùn)用，必然使該項(xiàng)技術(shù)更加迅速、便捷的為骨科臨床手術(shù)服務(wù)。

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Deviation analysis of pedicle screw placement in axis assisted by micro rapid prototyping drill guide template.

YAN Chao,CHEN Jian-feng,SHANG Zheng-hui,LIANG Jie,QIN Tao.Department of Orthopedics,Three Gorges University People's Hospital/the First People's Hospital of Yichang,Yichang 443000,Hubei,CHINA

ObjectiveTo verify the accuracy and deviation of pedicle screw placement in axis assisted by micro rapid prototyping drill guide template.MethodsThis study was based upon CT scans in axis of 12 subjects from Three Gorges University People's Hospital between Sep.2012 and Sep.2015,using the Mimics10.01 for reconstruction and then UG7.0 for design of deviation detection plate and the axial inverse plate.Cervical model and guide plate were made by desktop 3D printing machine,and guide plate and the Kirschner wire of 3 mm in diameter were used to simulate the cervical screw drilling.The vernier caliper was applied to measure the length of Kirschner wire in the vertebra, displacement in the X axis and Y axis in deviation detection plate.The obtained data was compared with the computer measurement.ResultsNo statistically difference existed in the length of Kirschner wire in the vertebra,displacement in the X axis and Y axis between the vernier caliper measurement group and the computer measurement group(P＞0.05). ConclusionMicro rapid prototyping drill guide template could reduce the designing and manufacturing time and at the same time improve the surgery safety of posterior pedicle screw placement in axis.

Micro rapid prototyping drill guide template;Axis;Pedicle screw;Deviation

R686.1

A

1003—6350（2017）02—0227—03

10.3969/j.issn.1003-6350.2017.02.018

2016-06-28)

覃濤。E-mail：2293699909@qq.com