3D打印技術(shù)輔助椎弓根螺釘置入治療胸腰椎骨折的臨床分析

劉正蓬，王雅輝，褚立，明穎，張義龍，李哲，王建華，孫賀

(1.承德醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院骨科，河北 承德 067000；2.中國(guó)人民解放軍第266醫(yī)院骨科，河北 承德 067000)

胸腰椎骨折是脊柱外科的多發(fā)病，指胸腰椎的連續(xù)性受到破壞，多由外界暴力、車(chē)禍傷、骨質(zhì)疏松等引起，好發(fā)于青少年和老年人。骨折發(fā)生后，神經(jīng)功能受損，椎體移位，脊柱曲度發(fā)生改變，嚴(yán)重者臟器受損，危及生命[1]。椎弓根螺釘植入術(shù)是目前治療此類(lèi)疾病的主要手段，但是手術(shù)復(fù)雜，準(zhǔn)確度要求高，稍有不慎會(huì)導(dǎo)致術(shù)后腦脊液漏，因此，神經(jīng)損傷給醫(yī)生帶來(lái)巨大壓力并損害患者的利益[2]。3D打印技術(shù)輔助手術(shù)開(kāi)展可以制備完善的術(shù)前計(jì)劃，提前將患者傷椎情況充分考慮，有利于進(jìn)行復(fù)雜精細(xì)的手術(shù)，降低術(shù)后并發(fā)癥。我院采用3D打印技術(shù)輔助治療胸腰椎骨折，現(xiàn)階段臨床效果較好，現(xiàn)做如下報(bào)道。

1 資料與方法

1.1 一般資料 本研究納入了2014年1月至2015年12月在承德醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院住院的66例胸腰椎骨折患者。根據(jù)不同的治療方法將患者分為2組，每組33個(gè)樣本。對(duì)照組：男19例，女14例；年齡22～72歲，平均(47.4±4.8)歲；病程1～14 d，平均(6.8±1.1)d；致傷原因：車(chē)禍傷14例，墜落傷9例，暴力傷7例，其他傷3例。骨折部位：胸椎骨折8例，腰椎骨折11例，胸腰椎骨折14例，神經(jīng)功能Frankel分級(jí)[3]：B級(jí)6例，C級(jí)7例，D級(jí)9例，E級(jí)11例。觀察組：男16例，女17例；年齡24～71歲，平均(52.3±9.2)歲；病程1～12d，平均(5.9±1.4)d；致傷原因：車(chē)禍傷11例，墜落傷12例，暴力傷6例，其他傷4例。骨折部位：胸椎骨折6例，腰椎骨折9例，胸腰椎骨折16例。神經(jīng)功能Frankel分級(jí)：B級(jí)7例，C級(jí)6例，D級(jí)10例，E級(jí)10例。兩組在性別、年齡、疾病持續(xù)時(shí)間、損傷原因和Frankel神經(jīng)功能分類(lèi)方面差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，兩組都簽署了知情同意書(shū)。納入標(biāo)準(zhǔn)：a)單純閉合胸腰椎椎體骨折；b)患者經(jīng)過(guò)非手術(shù)治療未見(jiàn)明顯效果；c)椎體壓縮超過(guò)椎體高度的1/3或脊柱的生理曲度發(fā)生變化；d)未伴隨嚴(yán)重臟器損傷；e)椎弓根良好，未見(jiàn)骨折情況出現(xiàn)。排除標(biāo)準(zhǔn)：a)椎管?chē)?yán)重狹窄或者伴有嚴(yán)重神經(jīng)損傷；b)脊柱伴有腫瘤；c)精神異常；d)凝血障礙。

1.2 手術(shù)方法 觀察組采用3D打印技術(shù)進(jìn)行治療，以輔助椎弓根螺釘置入。術(shù)前計(jì)劃：受傷椎骨和患者相鄰節(jié)段的CT掃描(距離該層1 mm處，間距：1.0 mm)，然后對(duì)其數(shù)據(jù)保存，格式為DICOM，導(dǎo)入Mimics 16.0進(jìn)行重建。重建模型后導(dǎo)出到3D，格式為STL，導(dǎo)入Geomagic 13.0進(jìn)行光滑處理、鋪面、封裝。用PLA材料對(duì)其打印，建立成仿真椎體模型，并按照手術(shù)正規(guī)流程在椎體上進(jìn)行預(yù)手術(shù)，對(duì)手術(shù)中螺釘?shù)闹萌虢嵌?、椎弓根釘長(zhǎng)度以及置入準(zhǔn)確度、入針點(diǎn)等進(jìn)行一個(gè)充分的測(cè)量和模擬，觀察椎體的活動(dòng)度，評(píng)測(cè)結(jié)果。術(shù)中操作：所有患者均采取全麻，根據(jù)患者傷椎部位和具體情況將患者置于舒適體位，調(diào)節(jié)手術(shù)臺(tái)彎曲度適應(yīng)患者脊柱曲度，必要時(shí)墊軟枕于腹部下方。定位受傷的椎骨(使用C型臂X線機(jī))，選擇進(jìn)針點(diǎn)，確定置釘角度(術(shù)前測(cè)量的矢狀面螺釘植入角、螺釘內(nèi)傾角差值、螺釘插入點(diǎn)水平位置的差異等)和椎弓根螺釘?shù)拈L(zhǎng)度等。打開(kāi)手術(shù)切口和皮質(zhì)骨，然后用力握住開(kāi)溝器并插入螺釘。在手術(shù)過(guò)程中觀察患者的呼吸機(jī)參數(shù)，并及時(shí)處理不良變化。術(shù)后處理：術(shù)后定期抗感染，盡快康復(fù)鍛煉。對(duì)照組采用傳統(tǒng)X線、CT、MRI等影像進(jìn)行術(shù)前評(píng)估，術(shù)中使用C型臂X線機(jī)定位傷椎，依據(jù)術(shù)前規(guī)劃，徒手置釘，術(shù)后處理同觀察組。

1.3 觀察指標(biāo) a)治療后，記錄患者的手術(shù)時(shí)間、術(shù)中出血量、術(shù)中X線暴露量及輸血情況；b)治療后復(fù)查CT，記錄螺釘數(shù)量，并計(jì)算螺釘放置的準(zhǔn)確性；c)治療后復(fù)查CT，測(cè)量患者矢狀螺釘插入角度、螺釘內(nèi)傾角的差值，螺釘插入點(diǎn)的水平位置差異；d)術(shù)前、術(shù)后半年和術(shù)后1年，前后椎體高度比和矢狀后凸Cobb角；e)統(tǒng)計(jì)術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生情況：出血、感染、神經(jīng)損傷、腦脊液漏等發(fā)生率。其中置釘準(zhǔn)確評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)如下，優(yōu)：螺釘方向和位置準(zhǔn)確，螺釘均在椎弓根內(nèi)；良：置釘方向、位置存在一定誤差，但屬于允許范圍內(nèi)，小部分螺釘穿出椎體；差：置釘方向、位置誤差大，大部分螺釘穿出椎體；以?xún)?yōu)、良椎弓根釘比例作為置釘準(zhǔn)確率。

2 結(jié) 果

2.1 兩組患者圍手術(shù)期指標(biāo)的比較 治療后觀察組手術(shù)時(shí)間、術(shù)中出血量、術(shù)中X線暴露量和術(shù)中輸血量均明顯低于對(duì)照組(P<0.05)。結(jié)果見(jiàn)表1。

2.2 兩組患者置釘情況比較 治療后，觀察組置釘數(shù)量306個(gè)，置釘準(zhǔn)確數(shù)289個(gè)，置釘準(zhǔn)確率94.4%；對(duì)照組置釘數(shù)量359個(gè)，置釘準(zhǔn)確數(shù)266個(gè)，置釘準(zhǔn)確率74.5%，觀察組顯著高于對(duì)照組，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。

表1 兩組患者圍術(shù)期指標(biāo)比較

2.3 兩組患者螺釘一致性比較 治療后，觀察組矢狀角的差異，螺釘內(nèi)傾角與螺釘插入點(diǎn)水平位置的差異明顯低于對(duì)照組(P<0.05)。結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 兩組患者螺釘一致性比較

2.4 兩組受傷椎體復(fù)位指數(shù)的比較(見(jiàn)表3) 治療后，前后椎體高度比顯著增加，矢狀后凸畸形的Cobb角明顯減小(P<0.05)。治療后半年和1年，對(duì)照組受傷椎體高度比顯著低于觀察組(P<0.05)，對(duì)照組矢狀后凸Cobb角明顯高于觀察組(P<0.05)。

表3 兩組患者傷椎復(fù)位指標(biāo)的比較

2.5 比較兩組并發(fā)癥的發(fā)生率(見(jiàn)表4) 觀察組的總體并發(fā)癥發(fā)生率(6.1%)顯著低于對(duì)照組(12.2%)(P<0.05)。

表4 兩組并發(fā)癥發(fā)生率比較[例(%)]

2.6 典型病例 a)29歲男性患者，車(chē)禍致T12節(jié)段胸椎椎體骨折，行3D打印技術(shù)輔助胸腰椎骨折椎弓根螺釘植入術(shù)，術(shù)后隨訪1年，傷椎前后高度比恢復(fù)到94%，螺釘固定好，脊柱生理彎曲正常，患者滿(mǎn)意，手術(shù)前后影像學(xué)資料見(jiàn)圖1～3。b)34歲男性患者，高處墜落傷致T9節(jié)段胸椎椎體骨折，行普通CT、X線技術(shù)輔助胸腰椎骨折椎弓根螺釘植入術(shù)，術(shù)后隨訪1年，傷椎前后高度比恢復(fù)到78%，手術(shù)前后影像學(xué)資料見(jiàn)圖4～6。

圖1 術(shù)前CT重建圖像示T12節(jié)段胸椎椎體壓縮性骨折

圖2 骨折節(jié)段及鄰近節(jié)段3D打印模型 圖3 術(shù)后X線片示椎體高度恢復(fù)，螺釘固定良好，脊柱生理彎曲正常

圖4 術(shù)前矢狀面CT示T9節(jié)段胸椎椎體爆裂性骨折 圖5 術(shù)前矢狀面MRI示T9節(jié)段胸椎椎體爆裂性骨折，無(wú)神經(jīng)根、脊髓壓迫

圖6 術(shù)后正側(cè)位X線片示椎體高度恢復(fù)，螺釘固定良好，脊柱生理彎曲正常

3 討 論

胸腰椎椎體骨折是目前骨科的常見(jiàn)病和多發(fā)疾病，脊柱在受到壓縮、垂直、旋轉(zhuǎn)等外力損傷時(shí)，穩(wěn)定性遭到破壞，出現(xiàn)軸向壓縮或側(cè)方、扭轉(zhuǎn)壓縮，直接導(dǎo)致骨皮質(zhì)斷裂[4-5]。同時(shí)，韌帶和關(guān)節(jié)囊也會(huì)受損，神經(jīng)受刺激，椎間盤(pán)被撕裂，嚴(yán)重者破壞的骨質(zhì)直接損傷機(jī)體重要臟器，出現(xiàn)腹腔大出血，如若處理不及時(shí)，死亡率極高[6-7]。椎弓根螺釘置入是脊柱手術(shù)史上的重要技術(shù)工具。通過(guò)螺釘置入的方法恢復(fù)脊柱的屈伸、側(cè)彎及旋轉(zhuǎn)等活動(dòng)[7-8]。但是，螺釘本身極易造成患者術(shù)中正常組織的損傷，手術(shù)復(fù)雜而且對(duì)螺釘?shù)木_置入要求極高，不正確的放置(如穿過(guò)椎體前部的螺釘)會(huì)損壞胸部和腹部的大血管或重要器官。手術(shù)后導(dǎo)致許多與損傷相關(guān)的并發(fā)癥，這不利于術(shù)后恢復(fù)[9]。如果術(shù)前能夠很好的對(duì)傷椎進(jìn)行螺釘置入模擬或者角度的精確測(cè)量，將會(huì)極大的減少術(shù)后并發(fā)癥和術(shù)中出血量[10-11]。

3D打印模型的核心是執(zhí)行CT掃描以獲得器官組織結(jié)構(gòu)的三維數(shù)據(jù)，并在相應(yīng)的醫(yī)學(xué)圖像軟件上構(gòu)建三維模型，然后通過(guò)3D打印機(jī)的分層實(shí)體制造將實(shí)體模型打印為手術(shù)模擬和術(shù)中參考。模擬釘可提高手術(shù)成功率和螺釘置入的準(zhǔn)確性，縮短手術(shù)時(shí)間，減少出血量，提高術(shù)后效果。Liu等[12]在他的3D打印技術(shù)中指出了治療胸腰椎壓縮性骨折的方法：術(shù)前采用3D打印技術(shù)能夠提高螺釘一致性，增加置釘成功率，術(shù)后恢復(fù)效果也優(yōu)于術(shù)前用X線評(píng)估的患者。本研究得出結(jié)論：治療后，觀察組螺釘置入準(zhǔn)確率為94.4%，顯著高于對(duì)照組74.5%(P<0.05)；治療后，觀察組矢狀面螺釘植入角差異明顯低于對(duì)照組(P<0.05)?？梢钥闯?，使用3D打印技術(shù)可以在放置螺釘時(shí)使螺釘更準(zhǔn)確地貼合患者受傷的椎骨，并且脊柱更穩(wěn)定。

由于術(shù)前采用3D打印技術(shù)造模，能夠更加清晰的展示患者骨折傷椎的形態(tài)，提前精準(zhǔn)的個(gè)體化的分析椎體傷情，醫(yī)生能夠精準(zhǔn)的選擇螺釘長(zhǎng)度和直徑，避免了術(shù)中不必要的出血，有利于術(shù)中有把握的置入螺釘，減少了術(shù)中輔助設(shè)備的X線照射，降低患者損傷[13]。本研究顯示：治療后觀察組手術(shù)時(shí)間、術(shù)中出血量、術(shù)中X線暴露量和術(shù)中輸血量均明顯低于對(duì)照組(P<0.05)?？梢钥闯?，術(shù)前使用3D打印技術(shù)可以有效縮短手術(shù)時(shí)間，減少術(shù)中出血量和輸血量，降低患者放射性損傷的風(fēng)險(xiǎn)。

3D打印技術(shù)能夠在術(shù)前直觀觀測(cè)患者傷椎情況，減輕患者的壓力，而且有利于向患者解釋病情，螺釘選擇恰當(dāng)了，就避免了術(shù)中螺釘對(duì)患者臟器等的損傷，治療效果更佳[14]。本研究結(jié)果得出：半年后和最后一次隨訪后，觀察組前后椎體高度比顯著高于對(duì)照組，矢狀后凸Cobb角低于對(duì)照組，說(shuō)明術(shù)后矯正丟失更少。觀察組的并發(fā)癥總發(fā)生率顯著下降(6.1%)，顯著低于對(duì)照組(12.2%，P<0.05)。一般認(rèn)為螺釘進(jìn)入椎體距離以2/3為宜，根據(jù)脊柱穩(wěn)定性的三柱理論，有學(xué)者認(rèn)為，螺釘?shù)竭_(dá)或接近椎體前緣是防止矯正丟失的主要措施，這需要螺釘進(jìn)入椎體Cobb角和傷椎高度丟失的距離足夠遠(yuǎn)且準(zhǔn)確，而3D打印技術(shù)通過(guò)個(gè)性化術(shù)前模擬置釘，有助于手術(shù)期間置釘?shù)挠行耘c準(zhǔn)確性，能有效防止術(shù)后矯正丟失[15]。因此本研究3D打印技術(shù)置釘效果更優(yōu)，有利于預(yù)防傷椎前后高度丟失。可見(jiàn)，利用3D打印技術(shù)能夠減少術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生，而且能夠有效恢復(fù)傷椎高度，恢復(fù)脊柱正常生理彎曲。

總之，使用3D打印技術(shù)輔助椎弓根螺釘放置，能夠縮短手術(shù)時(shí)間、減少術(shù)中出血量和輸血量、降低患者輻射危害、提高置釘準(zhǔn)確率、有效恢復(fù)患者的脊柱畸形、降低并發(fā)癥的發(fā)生率，治療效果優(yōu)于普通X線或CT機(jī)輔助組，臨床上值得推廣。