3D打印模板導(dǎo)航經(jīng)皮椎弓根螺釘置釘在經(jīng)椎間孔腰椎椎間融合術(shù)治療腰椎椎管狹窄癥中的初步應(yīng)用

趙昌松，張 強(qiáng)，趙汝崗，張 耀，孫 勝，李 鑫，王晶晶，蔡 娟

首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京地壇醫(yī)院骨科，北京 100015

隨著微創(chuàng)理念在脊柱外科的普及，過(guò)去10年內(nèi)經(jīng)皮椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)逐漸增多。大量研究表明，微創(chuàng)置釘技術(shù)具有與開(kāi)放置釘相同的手術(shù)效果與準(zhǔn)確性［1-2］，甚至有文獻(xiàn)報(bào)道經(jīng)皮置釘?shù)臏?zhǔn)確性高于開(kāi)放手術(shù)［3］。3D打印，又稱(chēng)快速成型，是通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)、規(guī)劃和模擬后，將結(jié)果輸入到3D打印機(jī)中，按照設(shè)計(jì)圖，逐層精確制造出每一層面后疊加起來(lái)，從而得到1∶1的實(shí)物模型。其在醫(yī)學(xué)中最先應(yīng)用于牙科及頜面外科［4-6］，近年在骨科模型制作、假體設(shè)計(jì)中的應(yīng)用日趨成熟［7-10］。目前，脊柱外科主要將其應(yīng)用于椎弓根體內(nèi)模板導(dǎo)航。本科室創(chuàng)新性地將3D打印模板應(yīng)用于腰椎椎管狹窄癥患者，在模板導(dǎo)航下進(jìn)行經(jīng)皮椎弓根螺釘?shù)闹萌搿?016年1月—2017年3月共對(duì)10例腰椎椎管狹窄癥患者應(yīng)用該技術(shù)進(jìn)行手術(shù)治療，觀察其應(yīng)用療效，并與同期10例腰椎椎管狹窄癥接受常規(guī)手術(shù)（開(kāi)放手術(shù)）的患者進(jìn)行對(duì)比分析，現(xiàn)報(bào)告如下。

1　資料與方法

1.1　一般資料

2016年1月—2017年3月選取在本科接受經(jīng)椎間孔腰椎椎間融合術(shù)（TLIF）治療的單節(jié)段腰椎椎管狹窄癥患者作為研究對(duì)象，均行腰椎正側(cè)位、過(guò)屈過(guò)伸位X線，腰椎CT和MRI及骨密度檢查，排除椎體感染、腫瘤等其他疾病。選取10例應(yīng)用3D打印模板導(dǎo)航置釘?shù)幕颊咦鳛樵囼?yàn)組，同時(shí)選取一般情況相匹配的10例患者作為對(duì)照組。所有患者均表現(xiàn)為腰背部疼痛伴一側(cè)下肢疼痛和/或麻木、間歇性跛行，動(dòng)力位X線示病變節(jié)段腰椎不穩(wěn)。記錄患者性別、年齡、手術(shù)節(jié)段、骨質(zhì)疏松程度等信息（表1）。

表1　一般資料Tab. 1 General data

1.2　模板制作

在患者手術(shù)節(jié)段周?chē)つw上選取定位標(biāo)志點(diǎn)并做好標(biāo)志，標(biāo)志物貼于皮膚上并能在CT掃描中顯影?；颊呷「┡P位進(jìn)行CT掃描，層厚1 mm。采集CT原始dicom數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，用CAD Mimics 10.01軟件進(jìn)行數(shù)字化三維重建，并進(jìn)行手術(shù)計(jì)劃和模擬，尋找最佳置釘位置，設(shè)定虛擬進(jìn)針?lè)较蚝蜕疃龋缓笫褂媚嫦蚬こ誊浖礼eomagic Studio 7設(shè)計(jì)出與皮膚緊密貼合、帶有導(dǎo)向通道的導(dǎo)航模板，將重建結(jié)果輸入到3D打印機(jī)中，根據(jù)設(shè)計(jì)圖制作出模板模型（圖1）。

1.3　術(shù)前處理

所有患者術(shù)前至少由2名經(jīng)驗(yàn)豐富的脊柱外科醫(yī)師閱片，其中至少1名具備高級(jí)職稱(chēng)，討論并確定手術(shù)方案，手術(shù)由高年資脊柱外科醫(yī)師完成。對(duì)于合并高血壓、糖尿病等內(nèi)科系統(tǒng)疾病患者，請(qǐng)相關(guān)科室會(huì)診并治療，排除禁忌證后方可手術(shù)。術(shù)前根據(jù)腰椎椎弓根層面軸位CT片測(cè)定椎弓根螺釘長(zhǎng)度。

圖1　模板制作Fig. 1 Production of template

1.4　手術(shù)方法

2組患者均采用全身麻醉，取俯臥位，腹部懸空。術(shù)前透視確定病變節(jié)段的椎弓根體表投影并做好標(biāo)志。

試驗(yàn)組（圖2）：下肢無(wú)臨床表現(xiàn)一側(cè)術(shù)中應(yīng)用模板導(dǎo)航置釘（模板側(cè)），下肢有臨床表現(xiàn)側(cè)切開(kāi)后經(jīng)Wiltse入路順導(dǎo)針置入螺釘（穿刺側(cè)）。術(shù)前將3D打印模板及皮膚標(biāo)志物進(jìn)行低溫等離子消毒。手術(shù)床常規(guī)消毒、鋪巾。將體表標(biāo)志物貼于皮膚標(biāo)志點(diǎn)上，由此定位模板位置，使導(dǎo)航模板與皮膚緊密貼合，通過(guò)模板上的導(dǎo)向通道于模板側(cè)打入克氏針，透視證實(shí)克氏針位置良好。于穿刺側(cè)取椎弓根體表投影連線做切口，依次切開(kāi)皮膚、皮下組織、腰背筋膜，經(jīng)多裂肌與最長(zhǎng)肌間隙進(jìn)入，暴露上、下關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)及椎板，用骨刀及椎板咬骨鉗去除病變節(jié)段上位椎體下關(guān)節(jié)突、下位椎體上關(guān)節(jié)突及上下椎板外側(cè)部分椎板，清除黃韌帶，顯露突出的椎間盤(pán)、神經(jīng)根及硬膜囊，探查神經(jīng)根管，并予充分減壓。將神經(jīng)根及硬膜囊牽向內(nèi)側(cè)，保護(hù)上位神經(jīng)根。切開(kāi)纖維環(huán)，取出突出的髓核組織，依次用不同型號(hào)的椎間盤(pán)絞刀及刮勺清除椎間盤(pán)及軟骨終板，直至上、下椎體的骨性終板。徹底完成椎管及神經(jīng)根管的減壓。將減壓咬下的自體骨塊或同種異體骨塊修剪后置入椎間隙，將填滿(mǎn)骨粒的單枚Cage斜行置入椎間隙。穿刺側(cè)根據(jù)解剖標(biāo)志進(jìn)行椎弓根穿刺，透視調(diào)整穿刺點(diǎn)及穿刺方向，定位良好后放置導(dǎo)針，根據(jù)術(shù)前測(cè)定長(zhǎng)度選取椎弓根螺釘并順導(dǎo)針置入。模板側(cè)先順克氏針穿刺，于穿刺針針道內(nèi)放置導(dǎo)針，根據(jù)術(shù)前測(cè)定長(zhǎng)度選取椎弓根螺釘并順導(dǎo)針置入。穿刺側(cè)直視下放置縱向連接桿，模板側(cè)經(jīng)皮放置縱向連接桿。兩側(cè)加壓后旋緊椎弓根螺釘尾端螺帽固定。術(shù)后于穿刺側(cè)放置1根引流管，縫合切口。

圖2　試驗(yàn)組手術(shù)過(guò)程Fig. 2 Surgical process in experimental group

對(duì)照組：以病變節(jié)段椎體椎弓根體表投影為參照，做后正中縱行切口，依次切開(kāi)皮膚、皮下組織、腰背筋膜，沿棘突分離椎旁肌，顯露病變節(jié)段椎板、關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)。分別于病變的上下椎體雙側(cè)椎弓根徒手置入椎弓根螺釘。椎管、神經(jīng)根管減壓等操作同試驗(yàn)組。

術(shù)后臥床7 d后可佩戴胸腰圍支具下床活動(dòng)，支具佩戴3個(gè)月，術(shù)后定期隨訪。

1.5　觀察指標(biāo)

記錄患者手術(shù)時(shí)間、出血量、透視時(shí)間及次數(shù)、脊髓及神經(jīng)損傷并發(fā)癥的發(fā)生情況。試驗(yàn)組的透視時(shí)間及次數(shù)分為穿刺側(cè)及模板側(cè)分別進(jìn)行觀察。根據(jù)術(shù)后矢狀位及軸位CT影像觀察椎弓根螺釘與椎弓根皮質(zhì)的關(guān)系，評(píng)價(jià)置釘準(zhǔn)確性：0級(jí)，螺釘完全在椎弓根內(nèi)；1級(jí)，螺釘突破皮質(zhì)≤2 mm；2級(jí)，螺釘突破皮質(zhì)＞ 2 mm且 ＜ 4 mm；3級(jí)，螺釘突破皮質(zhì)≥ 4 mm［11］。

1.6　統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

采用SPSS 13.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。試驗(yàn)組和對(duì)照組之間手術(shù)時(shí)間和出血量比較采用獨(dú)立樣本W(wǎng)ilcoxon秩和檢驗(yàn)，模板側(cè)和穿刺側(cè)透視時(shí)間和透視次數(shù)比較采用配對(duì)樣本W(wǎng)ilcoxon秩和檢驗(yàn)；各組之間椎弓根螺釘置入準(zhǔn)確性比較采用Fisher檢驗(yàn)。以P＜ 0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2　結(jié)　果

2組均順利完成手術(shù)，每組各置入40枚椎弓根螺釘，試驗(yàn)組模板側(cè)及穿刺側(cè)各20枚?；颊呤中g(shù)時(shí)間、出血量、透視時(shí)間、透視次數(shù)及置釘準(zhǔn)確性情況見(jiàn)表2。試驗(yàn)組手術(shù)時(shí)間、出血量均少于對(duì)照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜ 0.05）。試驗(yàn)組模板側(cè)透視時(shí)間及透視次數(shù)少于穿刺側(cè)及對(duì)照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜ 0.05）；穿刺側(cè)與對(duì)照組之間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞ 0.05）。試驗(yàn)組無(wú)2級(jí)螺釘，對(duì)照組2級(jí)螺釘有4枚。0級(jí)螺釘比例，試驗(yàn)組兩側(cè)均優(yōu)于對(duì)照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜ 0.05）；試驗(yàn)組兩側(cè)差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞ 0.05）。所有患者均無(wú)脊髓、神經(jīng)損傷等并發(fā)癥發(fā)生。

表2　術(shù)后資料Tab. 2 Postoperative data

3　討　論

對(duì)腰椎椎管狹窄癥患者行傳統(tǒng)開(kāi)放TLIF需要?jiǎng)冸x椎旁肌肉，易造成失神經(jīng)及術(shù)后腰背部不適、椎旁組織損傷、腰椎穩(wěn)定性下降。多裂肌與最長(zhǎng)肌間存在間隙，Wiltse入路即通過(guò)該間隙到達(dá)手術(shù)區(qū)域，可通過(guò)擴(kuò)張通道到達(dá)病變椎間隙上下關(guān)節(jié)突、椎板及椎弓根螺釘進(jìn)釘點(diǎn)。對(duì)于沒(méi)有擴(kuò)張通道的可采用本研究中的方法，仍從多裂肌與最長(zhǎng)肌間隙進(jìn)入，利用拉鉤完成手術(shù)。因?yàn)槠つw的移動(dòng)性，可通過(guò)牽拉切口處皮膚完成椎弓根螺釘?shù)闹萌?，手術(shù)切口也不大。本研究模板側(cè)不需要?jiǎng)冸x椎旁肌肉，經(jīng)皮置入椎弓根螺釘；穿刺側(cè)經(jīng)Wiltse入路進(jìn)行減壓手術(shù)，與傳統(tǒng)開(kāi)放手術(shù)相比創(chuàng)傷小、時(shí)間短、出血量少，術(shù)中減壓、融合及內(nèi)固定情況與傳統(tǒng)開(kāi)放手術(shù)相比沒(méi)有差異。Cawley等［12］通過(guò)腰椎手術(shù)對(duì)多裂肌進(jìn)行超聲肌肉量化測(cè)量和肌電圖研究發(fā)現(xiàn)，Wiltse入路較好地保留了多裂肌的神經(jīng)支配，減少了肌肉萎縮的發(fā)生，可明顯減少術(shù)后腰部不適的發(fā)生率。

椎弓根螺釘在重建脊柱的三柱穩(wěn)定性中起著重要作用，在治療腰椎椎管狹窄癥等疾病時(shí)被廣泛應(yīng)用。椎弓根螺釘置入位置不佳，很容易造成毗鄰神經(jīng)、血管及脊髓等重要解剖結(jié)構(gòu)的損傷，造成不可挽回的后果［13］。腰椎椎管狹窄癥患者多為老年人，存在腰椎退行性變、骨質(zhì)增生，解剖結(jié)構(gòu)紊亂，需要醫(yī)師有豐富的臨床經(jīng)驗(yàn)和術(shù)中反復(fù)多次透視。早期報(bào)道徒手置釘穿破椎弓根的概率為1.5%～58.0%［14-16］。

本研究術(shù)前根據(jù)患者CT資料，在計(jì)算機(jī)輔助下進(jìn)行個(gè)體化設(shè)計(jì)，利用3D打印技術(shù)制作模板。手術(shù)在模板導(dǎo)航下完成螺釘置入，不受因骨質(zhì)增生引起的解剖結(jié)構(gòu)異常的影響，可提高螺釘置入的準(zhǔn)確性，減少并發(fā)癥的發(fā)生；最終試驗(yàn)組模板側(cè)螺釘均為0或1級(jí)，0級(jí)螺釘可達(dá)90%，充分說(shuō)明應(yīng)用模板導(dǎo)航置釘?shù)臏?zhǔn)確性較高。另外，本研究結(jié)果顯示，雖然試驗(yàn)組穿刺側(cè)及對(duì)照組都用徒手法置釘，但試驗(yàn)組穿刺側(cè)的置釘準(zhǔn)確率高于對(duì)照組，與試驗(yàn)組模板側(cè)差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。其原因可能是，穿刺側(cè)穿刺后置入導(dǎo)針，順導(dǎo)針置入螺釘，能保證置釘位置與透視下相同；而對(duì)照組透視下雖然定位針位置較好，但拔出定位針后置釘時(shí)會(huì)出現(xiàn)螺釘位置異常。這說(shuō)明徒手法穿刺后置入導(dǎo)針，再順導(dǎo)針置釘也能提高螺釘置入的準(zhǔn)確性。

本研究未出現(xiàn)3級(jí)螺釘，無(wú)脊髓、神經(jīng)損傷等并發(fā)癥出現(xiàn)，這是因?yàn)楸狙芯克惺中g(shù)均由高年資脊柱外科醫(yī)師完成。傳統(tǒng)徒手置釘?shù)膶W(xué)習(xí)曲線陡峭，難度高，需要醫(yī)師對(duì)手術(shù)方式和過(guò)程非常熟悉并充分發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力，年輕醫(yī)師需一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程才能掌握。應(yīng)用模板導(dǎo)航置釘，術(shù)前可以應(yīng)用Mimics軟件進(jìn)行腰椎的個(gè)體化三維重建，進(jìn)行手術(shù)計(jì)劃和模擬，尋找最佳置釘位置，設(shè)定虛擬進(jìn)針?lè)较蚝蜕疃?，術(shù)中通過(guò)模板導(dǎo)航置釘，過(guò)程簡(jiǎn)便，短期培訓(xùn)即可熟練掌握。通過(guò)設(shè)計(jì)虛擬手術(shù)，給沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的年輕醫(yī)師提供了術(shù)前訓(xùn)練機(jī)會(huì)，使其了解周?chē)馄式Y(jié)構(gòu)、熟練手術(shù)操作，降低了手術(shù)難度和導(dǎo)致并發(fā)癥的可能性，有助于提高實(shí)際手術(shù)的效率和成功率。

傳統(tǒng)徒手置釘需要反復(fù)透視，調(diào)整穿刺點(diǎn)及穿刺方向，增加了透視次數(shù)和時(shí)間、手術(shù)時(shí)間及出血量。本研究結(jié)果顯示，試驗(yàn)組模板側(cè)透視時(shí)間及次數(shù)明顯少于穿刺側(cè)及對(duì)照組（徒手法），說(shuō)明模板導(dǎo)航能明顯縮短透視時(shí)間、減少透視次數(shù)。另外，徒手法置釘后如透視發(fā)現(xiàn)螺釘位置不佳，往往需要調(diào)整螺釘方向，造成螺釘松動(dòng)。模板導(dǎo)航可使透視引導(dǎo)下的置釘變?yōu)橥敢曭?yàn)證置釘，透視1 ～ 2次即可完成手術(shù)。本研究中80%的患者只需1次透視即可完成手術(shù)，減少了透視次數(shù)及手術(shù)時(shí)間。

計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)是采用紅外線或電磁技術(shù)實(shí)現(xiàn)術(shù)中腰椎椎弓根螺釘?shù)臏?zhǔn)確置入［17］，但該系統(tǒng)存在設(shè)備昂貴、操作繁瑣、學(xué)習(xí)曲線陡峭、增加手術(shù)時(shí)間等不足，限制了其在臨床的推廣應(yīng)用。3D打印模板應(yīng)用簡(jiǎn)單，方便開(kāi)展，且可做到個(gè)體化設(shè)計(jì)。脊柱體內(nèi)模板導(dǎo)航由于手術(shù)時(shí)椎體間的相對(duì)活動(dòng)可能造成椎弓根螺釘置入不準(zhǔn)確［18］。同樣，對(duì)于3D打印模板，皮膚的移動(dòng)性對(duì)模板導(dǎo)航的準(zhǔn)確也造成了很大影響。本研究的解決辦法是，CT掃描前在手術(shù)節(jié)段周?chē)つw上選取定位標(biāo)志點(diǎn)，應(yīng)在骨骼較表淺的位置選取，尤其是體表可捫及的骨性解剖標(biāo)志，如棘突及兩側(cè)上下關(guān)節(jié)突；在皮膚上做好標(biāo)志，標(biāo)志物貼于皮膚上并能在CT掃描中顯影；術(shù)中放置體表標(biāo)志物時(shí)與術(shù)前位置相同；CT掃描前所有患者均置于體位固定架上，以保證掃描時(shí)與手術(shù)置釘時(shí)體位相同。結(jié)果顯示，上述辦法可明顯克服皮膚移動(dòng)性給模板導(dǎo)航帶來(lái)的影響。

本研究中納入病例較少，且該手術(shù)方式僅適用于單側(cè)下肢癥狀的腰椎椎管狹窄癥患者；對(duì)于雙下肢均有癥狀、雙側(cè)均需減壓的腰椎椎管狹窄患者，3D打印模板不適用，但仍可雙側(cè)切開(kāi)，不用擴(kuò)張通道，利用拉鉤從多裂肌和最長(zhǎng)肌間隙進(jìn)入，仍能取得較傳統(tǒng)后正中切口開(kāi)放手術(shù)創(chuàng)傷小的效果。

總之，盡管3D打印模板導(dǎo)航下置釘需要注意避免皮膚移動(dòng)、體位變化對(duì)置釘準(zhǔn)確性的影響，但其仍是一種新的、可選擇的微創(chuàng)置釘技術(shù)，可縮短手術(shù)時(shí)間，減少透視時(shí)間及次數(shù)，減小創(chuàng)傷，置釘精準(zhǔn)，避免脊髓、神經(jīng)損傷并發(fā)癥，避免反復(fù)調(diào)整造成螺釘松動(dòng)，對(duì)腰椎退行性變嚴(yán)重、骨性解剖結(jié)構(gòu)不清晰的椎管狹窄癥患者更具優(yōu)勢(shì)，可提高手術(shù)效率。