個(gè)體化導(dǎo)航模板輔助頸椎椎弓根螺釘置入與徒手螺釘置入的準(zhǔn)確性比較

王慶德，梅偉，張振輝，姜文濤，陳旭義

(1鄭州市骨科醫(yī)院，鄭州450052；2武警后勤學(xué)院附屬腦科醫(yī)院)

個(gè)體化導(dǎo)航模板輔助頸椎椎弓根螺釘置入與徒手螺釘置入的準(zhǔn)確性比較

王慶德1，梅偉1，張振輝1，姜文濤1，陳旭義2

(1鄭州市骨科醫(yī)院，鄭州450052；2武警后勤學(xué)院附屬腦科醫(yī)院)

目的 比較個(gè)體化導(dǎo)航模板輔助頸椎椎弓根螺釘置入與徒手螺釘置入的準(zhǔn)確性。方法 選取頸椎完整的成人尸體8具，隨機(jī)分為導(dǎo)航輔助組和徒手置釘組各4具。導(dǎo)航輔助組對尸體頸椎(C3～7)進(jìn)行CT掃描，重建頸椎三維模型，設(shè)計(jì)與頸椎椎板吻合的反向模板，構(gòu)建個(gè)體化導(dǎo)航模板的數(shù)據(jù)模型，采用快速成型技術(shù)打印個(gè)體化導(dǎo)航模板；將導(dǎo)航模板與頸椎椎體后部緊密貼合，輔助置入頸椎椎弓根螺釘。徒手置釘組采用Abumi椎弓根入口直接暴露法進(jìn)行徒手螺釘置入。術(shù)后即刻行頸椎X線和CT斷層掃描，觀察螺釘置入情況，評價(jià)置釘效果，計(jì)算置釘準(zhǔn)確率。結(jié)果 導(dǎo)航輔助組共置入螺釘32枚，置釘效果為Ⅰ級31枚、Ⅱ級1枚，置釘準(zhǔn)確率為96.8%(31/32)；徒手置釘組共置入螺釘32枚，置釘效果為Ⅰ級29枚、Ⅱ級3枚，置釘準(zhǔn)確率為90.6%(29/32)；導(dǎo)航輔助組置釘準(zhǔn)確率高于徒手置釘組(P<0.05)。結(jié)論 個(gè)體化導(dǎo)航模板輔助頸椎椎弓根螺釘置入的準(zhǔn)確性高于徒手螺釘置入。

頸椎；椎弓根螺釘置入術(shù)；計(jì)算機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)；個(gè)體化設(shè)計(jì)

頸椎椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)能夠維持頸椎穩(wěn)定，提供優(yōu)良的生物力學(xué)穩(wěn)定性[1]。但是頸椎椎弓根周圍毗鄰脊髓、椎動(dòng)脈等重要組織結(jié)構(gòu)，而且頸椎椎弓根直徑狹小、個(gè)體變異性較大，故臨床上頸椎椎弓根螺釘置入困難，限制了頸椎椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)的推廣及應(yīng)用[2]。傳統(tǒng)的頸椎椎弓根螺釘置入常采用解剖學(xué)標(biāo)志定位法，即徒手將螺釘置入(以下稱徒手置釘)，失敗率較高。利用逆向工程原理和快速成型技術(shù)設(shè)計(jì)及制作個(gè)體化導(dǎo)航模板，并將其輔助頸椎椎弓根螺釘置入是臨床上新近發(fā)展起來的一種置釘方法，具有手術(shù)操作簡單的特點(diǎn)，但是其置釘安全性及準(zhǔn)確性鮮見報(bào)道。2014年1月～2015年12月，本研究將個(gè)體化導(dǎo)航模板輔助頸椎椎弓根螺釘置入與徒手置釘?shù)男ЧM(jìn)行對比分析，為其進(jìn)一步臨床應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 標(biāo)本 選取10%甲醛浸泡的成年尸體8具，男、女各4具，將其隨機(jī)分為導(dǎo)航輔助組和徒手置釘組各4具。尸體標(biāo)本包括完整的C3～7骨性結(jié)構(gòu)、頸旁肌肉、韌帶等軟組織結(jié)構(gòu)。所有標(biāo)本經(jīng)過X線及CT檢查，排除骨折、腫瘤、結(jié)核、嚴(yán)重畸形及椎弓根特別細(xì)小等可能影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的因素。本研究通過醫(yī)院倫理委員會(huì)審核。

1.2 個(gè)體化導(dǎo)航模板設(shè)計(jì)與制作 對導(dǎo)航輔助組4具尸體的頸椎(C3～7)行64排螺旋CT掃描(層厚0.65 mm，電流220 mA，電壓120 kV)，以DICOM格式保存數(shù)據(jù)，并導(dǎo)入三維重建軟件Mimics10.01(比利時(shí)Materialise公司)進(jìn)行頸椎三維模型重建，方法如下：打開Mimics軟件，首先采用閾值選取技術(shù)，根據(jù)骨組織的密度選定頸椎骨性結(jié)構(gòu)，得出該組織的閾值范圍，接受這一范圍并獲得頸椎的原始蒙罩。運(yùn)用三維區(qū)域增長技術(shù)，選取欲重建的頸椎區(qū)域，對原始蒙罩進(jìn)行處理，得到新蒙罩。在三維實(shí)體欄導(dǎo)入新蒙罩并加以運(yùn)算，獲得所選取實(shí)體結(jié)構(gòu)區(qū)域的三維重建模型。將三維重建模型透明化，參考Resnick頸椎椎弓根螺釘置入法[3,4]標(biāo)記椎弓根軸線。軸線確定后，用直徑3.5 mm的圓柱體代替椎弓根螺釘，通過軟件設(shè)計(jì)椎弓根的最佳進(jìn)釘通道，分別在矢狀面、冠狀面和軸面觀察圓柱體通過椎弓根的位置。提取C3～7椎體后方對應(yīng)骨性表面的解剖數(shù)據(jù)，建立與其解剖形態(tài)一致的反向模板。將設(shè)計(jì)好的椎弓根螺釘進(jìn)釘通道和反向模板擬合在一起，形成帶有雙側(cè)定位定向孔的單椎體個(gè)體化導(dǎo)航模板，以STL格式保存。采用快速成型技術(shù)，用丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物(ABS)樹脂材料打印椎弓根螺釘個(gè)體化導(dǎo)航模板。

1.3 置釘方法 導(dǎo)航輔助組：采取頸椎后正中入路，充分顯露后方結(jié)構(gòu)至雙側(cè)小關(guān)節(jié)突外側(cè)緣。將導(dǎo)航模板與頸椎椎體后部緊密貼合，并將其固定，用電鉆沿著導(dǎo)向孔鉆出進(jìn)釘通道，應(yīng)用探針對置釘通道四壁及底部進(jìn)行探查，確定釘?shù)罌]有偏離椎弓根后，置入頸椎椎弓根螺釘。攻絲后緩慢擰入相應(yīng)長度和直徑的螺釘。徒手置釘組：采用Abumi椎弓根入口直接暴露法[3,4]，一般將進(jìn)釘點(diǎn)選擇在側(cè)塊中點(diǎn)的外側(cè)，離上關(guān)節(jié)面下緣1～2 mm。將進(jìn)釘點(diǎn)后方側(cè)塊的皮質(zhì)骨及松質(zhì)骨完全磨除，顯露椎弓根入口處，置入頸椎椎弓根螺釘。釘?shù)纼?nèi)傾角為25°～45°，C3、4進(jìn)釘角度稍微向頭側(cè)傾斜，C5進(jìn)行角度平行于上終板，C6、7進(jìn)釘角度稍微向尾側(cè)傾斜。兩組均由同一經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)師操作。

1.4 置釘效果觀察 術(shù)后即刻行頸椎X線和CT斷層掃描，觀察螺釘置入的情況。按照椎弓根螺釘與椎弓根側(cè)壁及周圍結(jié)構(gòu)的關(guān)系，將置釘效果分為4級：Ⅰ 級為螺釘完全位于椎弓根內(nèi)，未突破椎弓根皮質(zhì)；Ⅱ 級為螺釘突破椎弓根皮質(zhì)<1 mm；Ⅲ 級為螺釘突破椎弓根皮質(zhì)1～2 mm：Ⅳ 級為螺釘突破椎弓根皮質(zhì)>2 mm。Ⅰ 級為準(zhǔn)確置入，計(jì)算兩組置釘準(zhǔn)確率。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用SPSS13.0統(tǒng)計(jì)軟件。計(jì)數(shù)資料以率表示，組間比較采用χ2檢驗(yàn)。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

綜合利用逆向工程原理和快速成型技術(shù)成功打印個(gè)體化導(dǎo)航模板，充分暴露頸椎后部骨性結(jié)構(gòu)后，模板能夠與頸椎椎體后部緊密貼合(插頁Ⅱ圖1A)。兩組均順利完成置釘手術(shù)。導(dǎo)航模板在置釘過程中具有較高的穩(wěn)定性，置釘順利，肉眼觀察螺釘置入角度準(zhǔn)確，排列規(guī)則(插頁Ⅱ圖1B)。導(dǎo)航輔助組共置入螺釘32枚，置釘效果為Ⅰ級31枚、Ⅱ級1枚，置釘準(zhǔn)確率為96.8%(31/32)；徒手置釘組共置入螺釘32枚，置釘效果為Ⅰ級29枚、Ⅱ級3枚，置釘準(zhǔn)確率為90.6%(29/32)；導(dǎo)航輔助組置釘準(zhǔn)確率高于徒手置釘組(P<0.05)。

3 討論

Abumi等[5]在1994年首次開展頸椎椎弓根螺釘內(nèi)固定技術(shù)，取得了滿意療效；但手術(shù)并發(fā)癥較多，限制了其推廣應(yīng)用[6]。為降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，提高置釘準(zhǔn)確率，國內(nèi)外學(xué)者提出多種不同置釘方法，計(jì)算機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)輔助置釘和徒手置釘均為常用的置釘技術(shù)[7]。Ludwig等[8]采用解剖標(biāo)志法、椎板開窗法、計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行椎弓根螺釘置入，結(jié)果顯示計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)輔助置釘?shù)臏?zhǔn)確率最高；解剖標(biāo)志法置釘穿破椎弓根皮質(zhì)的發(fā)生率為66%，椎板開窗法為40%，而計(jì)算機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)為11%。計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航置釘技術(shù)的應(yīng)用大大提高了椎弓根螺釘置入的準(zhǔn)確率和安全性，減少了神經(jīng)、血管損傷等并發(fā)癥的發(fā)生[9]。但計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航置釘技術(shù)使用的儀器價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜、學(xué)習(xí)時(shí)間較長，且存在注冊誤差、體位變化等影響因素[10]。采用傳統(tǒng)徒手置釘法時(shí)，其進(jìn)釘點(diǎn)及進(jìn)釘方向主要依賴于術(shù)者的經(jīng)驗(yàn)，具有一定的盲目性，很容易導(dǎo)致椎弓根螺釘被穿透[11]。有研究顯示，下頸椎的椎弓根外側(cè)壁是最薄的，椎弓根螺釘置入時(shí)穿透外側(cè)壁的風(fēng)險(xiǎn)是內(nèi)側(cè)壁的2倍，而外側(cè)壁穿孔很可能會(huì)損傷椎動(dòng)脈[4,12]。本研究中徒手置釘組3枚Ⅱ級螺釘，其中有2枚穿透外側(cè)壁，1枚穿透內(nèi)側(cè)壁。

解剖學(xué)研究顯示，人頸椎椎弓根參數(shù)變異性較大，不同個(gè)體及節(jié)段水平都存在顯著差別。為進(jìn)一步提高頸椎置釘?shù)臏?zhǔn)確性，近年來有學(xué)者提出椎弓根螺釘置入的“個(gè)體化原則”，即根據(jù)每個(gè)不同的椎弓根釘?shù)绤?shù)設(shè)計(jì)與其匹配的置釘入點(diǎn)及方向[13,14]。本研究中，導(dǎo)航輔助組利用逆向工程原理和快速成型技術(shù)制備個(gè)體化的導(dǎo)航模板，可以實(shí)現(xiàn)不同節(jié)段水平的個(gè)體化設(shè)計(jì)，易于操作。胡勇等[15]通過結(jié)合快速成型技術(shù)和逆向工程軟件設(shè)計(jì)出不同患者的頸椎導(dǎo)航模板，結(jié)果顯示術(shù)后實(shí)際螺釘軌道與術(shù)前設(shè)計(jì)一致，能顯著提高螺釘置入的準(zhǔn)確率，且均無神經(jīng)、血管損傷等并發(fā)癥發(fā)生。本研究導(dǎo)航輔助組置釘準(zhǔn)確率明顯高于徒手置釘組，與以往研究結(jié)論一致[16]。

個(gè)體化導(dǎo)航模板具有操作簡單、對術(shù)者無特別經(jīng)驗(yàn)要求、術(shù)中無需注冊和透視，且模板不會(huì)由于術(shù)中患者體位變動(dòng)而導(dǎo)致定位失敗等特點(diǎn)[16]。但導(dǎo)航模板在設(shè)計(jì)、制作及應(yīng)用過程中也存在一些不足：術(shù)前設(shè)計(jì)較復(fù)雜，需要術(shù)者熟練掌握相關(guān)計(jì)算機(jī)軟件；頸椎三維模型的建立、STL格式的轉(zhuǎn)化、打印材料性質(zhì)的不穩(wěn)定等都會(huì)影響模板制作的精確度；導(dǎo)航模板體積過大或過小會(huì)導(dǎo)致術(shù)中模板固定不牢靠，進(jìn)而影響進(jìn)釘方向。導(dǎo)航模板和頸椎相應(yīng)骨性結(jié)構(gòu)是否能緊密貼合，是手術(shù)準(zhǔn)確定位定向、置釘成敗的關(guān)鍵所在[17]。為提高個(gè)體化導(dǎo)航模板輔助置釘?shù)臏?zhǔn)確性，術(shù)中應(yīng)注意：①術(shù)中一定要將頸椎椎板表面軟組織剝離干凈，并避免破壞椎板后方骨性結(jié)構(gòu)，以利于導(dǎo)航模板盡量緊密貼合于骨性結(jié)構(gòu)；②最好使用電鉆進(jìn)行釘?shù)楞@孔，以避免因鉆頭晃動(dòng)而導(dǎo)致釘?shù)榔x方向；③螺釘置入前應(yīng)常規(guī)使用椎弓根探子對置釘通道進(jìn)行探查，以保證置釘通道完全在椎弓根內(nèi)。

綜上所述，個(gè)體化導(dǎo)航模板輔助頸椎椎弓根螺釘置入的準(zhǔn)確性高于徒手置釘。個(gè)體化導(dǎo)航模板輔助頸椎椎弓根螺釘置入符合椎弓根個(gè)體化、節(jié)段性差異的解剖學(xué)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了椎弓根螺釘置入的準(zhǔn)確定位和定向。參考文獻(xiàn)：

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Comparison of the accuracy of cervical pedicle screw placement between individual navigational template and free hand placement

WANGQingde1,MEIWei,ZHANGZhenhui,JIANGWentao,CHENXuyi

(1OrthopaedicHospitalofZhengzhouCity,Zhengzhou450052,China)

Objective To compare the accuracy between cervical pedicle screw placement assisted by the individual navigation template and free hand pedicle screw placement. Methods Eight adult cadavers (4 male and 4 famale) were randomly divided into two groups: individual navigation template group and free hand pedicle screw placement group. The cadaver cervical specimens (C3-7) of the individual navigation template group were scanned by CT and the 3D model was reestablished. According to the morphological feature of the posterior cervical spine elements, the reverse template was designed. Then, the best pedicle screw channels were fused into bilateral navigation template. The navigation template was manufactured by rapid prototyping technology. Cervical pedicle screws were inserted with the assistance of navigation templates. Patients in the free hand pedicle screw placement group were treated with Abumi pedicle entrance method. Postoperative X-ray and CT scanning were used to evaluate the accuracy of screw placement. Results A total of 32 pedicle screws were implanted in the individual navigation template group, 31 screws were placed entirely within the pedicle (grade Ⅰ), 1 screw perforated the medial cortex of pedicle (grade Ⅱ), and the accuracy of screw placement was 96.8%. A total of 32 pedicle screws were implanted in the free hand pedicle screw placement group, 29 screws were placed entirely within the pedicle (grade Ⅰ), 3 screws perforated the medial cortex of pedicle (grade Ⅱ) and the accuracy of screw placement was 90.6%. The accuracy of screw placement of the individual navigation template group was higher than that of the free hand pedicle screw placement group (P<0.05). Conclusion The individual navigation template-assist pedicle screw placement has a higher accuracy than the free hand pedicle screw placement.

cervical vertebra; pedicle screw placement; computer navigation system; individual design

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11102235)；鄭州市普通科技攻關(guān)項(xiàng)目(141PPTGG327)。

王慶德(1974-)，男，副主任醫(yī)師，研究方向?yàn)榧怪饪萍膊〉脑\斷與治療。E-mail：15093483697@163.com

10.3969/j.issn.1002-266X.2017.16.002

R687.1

A

1002-266X(2017)16-0005-03

2016-11-09)