3D打印及術(shù)前數(shù)字化設(shè)計(jì)輔助椎弓根置釘治療寰樞椎不穩(wěn)的臨床療效*

史玉林 王炳武劉偉強(qiáng) 于明東 張曉霞 潘洪發(fā) 李志衛(wèi) 李曰眾

（濰坊市人民醫(yī)院脊柱外科，山東濰坊261041）

創(chuàng)傷、畸形、腫瘤、炎癥等的破壞均可造成寰樞椎局部不穩(wěn)，寰樞椎結(jié)構(gòu)不穩(wěn)可致局部脊髓受壓，造成肢體感覺(jué)、運(yùn)動(dòng)障礙等，嚴(yán)重者甚至呼吸功能障礙危及生命。寰樞椎的固定方法眾多，椎弓根釘內(nèi)固定可提供很好的生物力學(xué)性能，并且還適用于椎體后路棘突和椎板切除術(shù)后的患者，故而該內(nèi)固定技術(shù)被廣泛應(yīng)用于臨床[1]。但是，寰樞椎局部的解剖復(fù)雜，鄰近結(jié)構(gòu)多，局部變異大，椎弓根相對(duì)細(xì)小，從而造成臨床上寰樞椎椎弓根置釘難度大、風(fēng)險(xiǎn)高，而限制著寰樞椎椎弓根釘?shù)呐R床應(yīng)用[2,3]。因此，如何提高置釘?shù)臏?zhǔn)確性一直是臨床中期待解決的重大問(wèn)題，數(shù)字技術(shù)及3D打印的快速發(fā)展為臨床提供了新的解決途徑。本研究回顧性分析2014年8至2017年12月使用術(shù)前數(shù)字化設(shè)計(jì)及3D打印技術(shù)輔助治療的14例寰樞椎不穩(wěn)患者，探討該技術(shù)在臨床應(yīng)用中的作用。

1 資料與方法

1.1 一般資料

本組14例患者中，男8例，女6例，年齡26～67歲，平均（47.3±13.8）歲。陳舊性骨折不穩(wěn)5例，齒狀突畸形8例，類(lèi)風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎1例。所有患者術(shù)前均有不同程度的枕頸部位疼痛及活動(dòng)受限，術(shù)前VAS評(píng)分3～6分，平均（3.9±1.1）分。9例患者術(shù)前存在脊髓損傷表現(xiàn)，均為Frankel D級(jí)。術(shù)前頸椎屈伸位檢查14例患者寰樞椎均可復(fù)位至正常狀態(tài)，且復(fù)位狀態(tài)下無(wú)脊髓神經(jīng)功能損傷征象。

1.2 術(shù)前數(shù)字化設(shè)計(jì)

術(shù)前所有患者均采用西門(mén)子雙源CT行上頸椎CT平掃，掃描層厚0.6 mm。將CT掃描圖像以Dicom格式導(dǎo)入Mimics 17.0軟件中，重建寰樞椎三維模型，生成STL格式文件。在Med CAD模塊中，以3.5 mm直徑圓柱模擬椎弓根釘設(shè)計(jì)，沿平行于椎弓根的方向模擬寰樞椎椎弓根置釘，并在橫斷面、矢狀面、冠狀面對(duì)釘?shù)肋M(jìn)行認(rèn)真調(diào)整，再次生成STL格式文件，從各個(gè)角度觀察釘?shù)赖奈恢?，確保釘?shù)罌](méi)有侵入椎孔和椎動(dòng)脈孔等結(jié)構(gòu)（圖1）。確定釘?shù)篮蠓謩e在其橫斷面與矢狀面上測(cè)量椎弓根釘?shù)膬?nèi)傾角與頭傾角。分別測(cè)量寰椎、樞椎進(jìn)釘點(diǎn)的解剖位置，寰椎以進(jìn)釘點(diǎn)距中線(xiàn)距離與距上緣距離交點(diǎn)確定，樞椎以進(jìn)釘點(diǎn)距椎管內(nèi)緣與距椎板上緣距離確定。

圖1 數(shù)字化釘?shù)涝O(shè)計(jì)（3.5 mm圓柱，A.后面觀；B.前面觀)

1.3 3D模型的制作使用

根據(jù)術(shù)前設(shè)計(jì)的寰樞椎模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D打印機(jī)，打印出1∶1比例的寰樞椎模型。仔細(xì)觀察實(shí)物模型，明確寰樞椎位置關(guān)系，充分了解局部的解剖結(jié)構(gòu)，結(jié)合影像檢查結(jié)果，明確椎動(dòng)脈走行，確定數(shù)字化設(shè)計(jì)的進(jìn)釘點(diǎn)的實(shí)際位置及局部關(guān)系，實(shí)物模型再次測(cè)量確定，便于術(shù)中更加準(zhǔn)確的確定進(jìn)釘點(diǎn)。在實(shí)物模型上分別進(jìn)行寰椎與樞椎的模擬釘?shù)谰毩?xí)，熟悉設(shè)計(jì)釘?shù)赖膬?nèi)傾角和頭傾角，掌握其位置關(guān)系（圖2）。實(shí)物模型消毒后帶入手術(shù)室，方便術(shù)中實(shí)時(shí)觀摩。

圖2 實(shí)物模型（A.后面觀；B.前面觀）

1.4 手術(shù)方法

手術(shù)均由同一名醫(yī)師負(fù)責(zé)確定體位并主刀完成。氣管插管全身麻醉后，患者取俯臥位，頭部位置以頭架支撐固定，行顱骨牽引（3～5 kg），術(shù)中透視寰樞椎位置良好后固定為該體位。取頸部后正中縱行切口，逐層切開(kāi)，骨膜下剝離雙側(cè)肌肉至進(jìn)釘點(diǎn)。根據(jù)術(shù)前數(shù)字設(shè)計(jì)確定進(jìn)釘點(diǎn)，高速磨鉆去除進(jìn)針點(diǎn)處皮質(zhì)骨，根據(jù)術(shù)前設(shè)計(jì)角度使用半圓儀協(xié)助確定角度，開(kāi)路錐逐步進(jìn)至預(yù)定深度，探針確定釘?shù)赖撞科べ|(zhì)完整及四壁光滑。若開(kāi)路錐鉆入困難術(shù)中根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)整方向并通過(guò)透視驗(yàn)證無(wú)誤，同法處理對(duì)側(cè)后插入定位針。正側(cè)位透視檢測(cè)定位針位置良好，去除定位針、攻絲，再次探查釘?shù)赖撞考八谋诤鬁y(cè)深，擰入螺釘。再次透視確認(rèn)椎弓根螺釘位置，連接鈦棒，完成固定，磨鉆去除寰椎后弓及樞椎椎板表面骨皮質(zhì)，行自體骨或結(jié)合同種異體骨植骨。

1.5 術(shù)后處理

術(shù)后拆除顱骨牽引，患者臥床，硬質(zhì)頸托限制活動(dòng)，軸向翻身。術(shù)后給予低分子肝素預(yù)防血栓，抗生素使用24～48 h，術(shù)前存在脊髓損傷癥狀者給予激素及脫水藥物3～5 d，使用自控靜脈泵鎮(zhèn)痛。觀察引流情況，當(dāng)引流量低于50 ml/d時(shí)拔除引流管；通常術(shù)后第2天拔除引流管。復(fù)查頸椎CT，確認(rèn)內(nèi)固定等無(wú)異常后指導(dǎo)患者硬質(zhì)頸托保護(hù)下逐步下床活動(dòng)、功能鍛煉。

1.6 觀察指標(biāo)及評(píng)估方法

觀察記錄每例患者術(shù)前VAS評(píng)分及脊髓功能，記錄手術(shù)時(shí)間、出血量、透視次數(shù)、術(shù)后引流量，記錄末次隨訪的VAS評(píng)分及脊髓功能。術(shù)后行上頸椎CT掃描，采用在橫斷面和矢狀面CT上測(cè)量實(shí)際螺釘角度，比較數(shù)字設(shè)計(jì)釘?shù)篮蛯?shí)際螺釘?shù)膬?nèi)傾角、頭傾角來(lái)評(píng)價(jià)螺釘?shù)臏?zhǔn)確性[4]。根據(jù)螺釘?shù)奈恢?，采用Kawaguchi等提出的方法對(duì)置釘準(zhǔn)確度進(jìn)行分析[5]：0級(jí)，螺釘完全在椎弓根內(nèi)；1級(jí)，螺釘穿出椎弓根壁不超過(guò)2 mm，未出現(xiàn)并發(fā)癥；2級(jí)，螺釘穿出椎弓根壁超過(guò)2 mm，未出現(xiàn)并發(fā)癥；3級(jí)，出現(xiàn)臨床并發(fā)癥，如椎動(dòng)脈、神經(jīng)根損傷。

1.7 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

使用SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示。對(duì)實(shí)際釘?shù)琅c數(shù)字設(shè)計(jì)釘?shù)澜嵌绕畋容^采用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，P＜0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 手術(shù)效果

14例患者均順利完成手術(shù)，手術(shù)時(shí)間為110～200 min，平均（146±34）min；術(shù)中出血量150～300 ml，平均（213±45）ml；透視5～11次，平均（7.4±1.5）次；術(shù)后拔管時(shí)引流總量90～200 ml，平均（140±34）ml。術(shù)中3例患者出現(xiàn)開(kāi)路錐置入困難，術(shù)中行透視調(diào)整后置入。2例患者術(shù)中局部靜脈叢損傷出血，給予明膠海綿、止血紗布?jí)浩群笾寡?。術(shù)中未出現(xiàn)椎動(dòng)脈損傷，術(shù)后均無(wú)切口感染、腦脊液漏、神經(jīng)損傷等并發(fā)癥。所有患者隨訪8～36個(gè)月，平均（18.6±8.1）個(gè)月。至末次隨訪時(shí)均植骨融合，平均VAS評(píng)分從術(shù)前的（3.9±1.1）分（3～6分）降至末次隨訪的（0.9±0.6）分（0～2分）；9例術(shù)前脊髓功能Frankel D級(jí)患者均恢復(fù)至E級(jí)。典型病例的影像學(xué)資料見(jiàn)圖3。

2.2 螺釘準(zhǔn)確性

14例患者共置入椎弓根螺釘56枚，寰椎與樞椎分別28枚，術(shù)前進(jìn)釘點(diǎn)位置測(cè)量見(jiàn)表1。術(shù)后CT判定：0級(jí)占94.6%（53/56），Ⅰ級(jí)占5.4%（3/56），Ⅱ、Ⅲ級(jí)均為0，準(zhǔn)確率為94.6%。寰椎、樞椎左右側(cè)預(yù)設(shè)釘?shù)篮蛯?shí)際釘?shù)赖膬?nèi)傾角、頭傾角差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05，表2）。

圖3 患者，男，53歲，齒突畸形

表1 術(shù)前進(jìn)釘點(diǎn)位置測(cè)量結(jié)果（±s，mm）

表1 術(shù)前進(jìn)釘點(diǎn)位置測(cè)量結(jié)果（±s，mm）

進(jìn)釘點(diǎn)位置C1進(jìn)釘點(diǎn)距中線(xiàn)距離C1進(jìn)釘點(diǎn)距后弓上緣距離C2進(jìn)釘點(diǎn)距椎管緣距離C2進(jìn)釘點(diǎn)距椎板上緣距離右側(cè)11.8±0.4 2.8±0.3 6.6±0.9 4.6±0.6左側(cè)11.9±0.4 2.7±0.4 6.7±0.8 4.8±0.8

表2 寰樞椎預(yù)設(shè)釘?shù)篮蛯?shí)際釘?shù)赖膬?nèi)傾角及頭傾角（±s，°）

表2 寰樞椎預(yù)設(shè)釘?shù)篮蛯?shí)際釘?shù)赖膬?nèi)傾角及頭傾角（±s，°）

內(nèi)傾角和頭傾角C1左側(cè)內(nèi)傾角C1左側(cè)頭傾角C1右側(cè)內(nèi)傾角C1右側(cè)頭傾角C2左側(cè)內(nèi)傾角C2左側(cè)頭傾角C2右側(cè)內(nèi)傾角C2右側(cè)頭傾角實(shí)際角度7.3±1.1 5.5±0.8 7.4±1.0 5.5±0.9 25.5±2.0 25.0±2.1 25.6±2.0 24.3±1.6規(guī)劃角度7.6±0.9 5.7±1.0 7.6±0.8 5.7±0.9 25.2±1.6 25.4±2.2 26.0±1.6 24.9±1.0 T值0.64 1.22 0.33 2.14 0.42 0.92 0.96 1.84 P值0.536 0.243 0.75 0.052 0.682 0.373 0.353 0.089

3 討論

寰樞椎不穩(wěn)的后路治療方法眾多，有鋼絲、鈦纜、椎板鉤、經(jīng)關(guān)節(jié)突螺釘、側(cè)塊螺釘、椎弓根螺釘以及幾種方式聯(lián)合內(nèi)固定等方法[6]。寰樞椎的椎弓根內(nèi)固定于2002年由Resnick等[7]首次報(bào)道，是近年來(lái)較新的治療方式與研究熱點(diǎn)，椎弓根螺釘固定相比而言能夠提供更好的生物力學(xué)性能，無(wú)需外固定的輔助，并且因?yàn)樽倒葆攺?fù)位力量大，其適應(yīng)證更加寬泛，國(guó)內(nèi)外有較多的寰樞椎椎弓根內(nèi)固定基礎(chǔ)及臨床研究的文獻(xiàn)報(bào)道，寰樞椎椎弓根螺釘內(nèi)固定已被廣泛用于各種原因引起的寰樞椎不穩(wěn)，但報(bào)道中均指出寰樞椎局部的解剖復(fù)雜，鄰近重要血管、神經(jīng)結(jié)構(gòu)，從而造成臨床上寰樞椎椎弓根置釘難度大、風(fēng)險(xiǎn)高，一直限制著寰樞椎椎弓根釘?shù)呐R床應(yīng)用[1-3,8-10]。傳統(tǒng)的影像學(xué)觀察及置釘方法需要長(zhǎng)時(shí)間的學(xué)習(xí)及經(jīng)驗(yàn)的積累，并且存在不確定性及不易傳承性，而尸體標(biāo)本的練習(xí)十分困難，因?yàn)槭w捐獻(xiàn)率很難達(dá)到臨床教學(xué)科研的要求，很多甲醛固定保存的尸體標(biāo)本，因?yàn)槊撍仍颍趋佬螒B(tài)發(fā)生變化而影響了研究的準(zhǔn)確性[11]。

脊柱外科手術(shù)的基本原理之一就是脊柱內(nèi)固定及重建技術(shù)，而脊柱的重建與內(nèi)固定手術(shù)多需要在脊柱的椎弓根等重要結(jié)構(gòu)精確置入螺釘，且不損傷重要的血管和神經(jīng)[12]。3D打印數(shù)字導(dǎo)航等技術(shù)的迅速發(fā)展為實(shí)現(xiàn)脊柱手術(shù)的精準(zhǔn)提供了方便。目前脊柱外科領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)主要是導(dǎo)航及椎弓根導(dǎo)向模板技術(shù)，有報(bào)道[13-15]在導(dǎo)航技術(shù)輔助下置入寰椎樞椎螺釘?shù)臏?zhǔn)確率明顯提高。導(dǎo)航技術(shù)雖然滿(mǎn)足了不同患者的個(gè)體化需求，但計(jì)算機(jī)導(dǎo)航置釘操作復(fù)雜，學(xué)習(xí)曲線(xiàn)長(zhǎng)，從開(kāi)始接觸到熟練操作需要較長(zhǎng)的時(shí)間。其需要的經(jīng)濟(jì)投入亦較大，且占地空間大，對(duì)手術(shù)室面積有要求。術(shù)中操作過(guò)程中體位的任何變化都可以影響導(dǎo)航結(jié)果，限制了其推廣應(yīng)用。

3D打印椎弓根導(dǎo)板技術(shù)同樣在臨床廣泛應(yīng)用，綜合報(bào)道準(zhǔn)確率均在90%以上，在減少手術(shù)時(shí)間、出血量等方面有優(yōu)勢(shì)，但3D導(dǎo)板同樣存在問(wèn)題[2,8,6-19]：①3D打印導(dǎo)板的設(shè)計(jì)需要脊柱外科醫(yī)師與工程師的協(xié)作，CT、3D打印機(jī)質(zhì)量，設(shè)計(jì)的精度及打印的精度均會(huì)影響椎弓根釘?shù)闹萌霚?zhǔn)確性；②應(yīng)用導(dǎo)板過(guò)程中產(chǎn)生置釘偏差，椎體后部軟組織剝離不充分，導(dǎo)航模板未緊密地與椎板后部骨性結(jié)構(gòu)貼附、釘?shù)罍?zhǔn)備中的震動(dòng)都會(huì)造成置釘偏差，造成術(shù)中舍棄部分導(dǎo)板而根據(jù)術(shù)中透視及術(shù)者經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行椎弓根螺釘置入；③導(dǎo)板材料質(zhì)地脆弱，使用過(guò)程中容易損壞，消毒等操作會(huì)造成模板形變等；④頸部切口深，椎弓根成角較大，導(dǎo)向模板放置困難，易產(chǎn)生微動(dòng)，有時(shí)需向外剝離過(guò)多的軟組織等，損傷局部結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)升高；⑤由于接觸面光滑、較小，術(shù)中難以準(zhǔn)確扶持固定，覆蓋遮擋影響導(dǎo)板及通道位置、方向準(zhǔn)確性的觀察。

本組所有患者均順利完成手術(shù)，無(wú)嚴(yán)重并發(fā)癥發(fā)生。文獻(xiàn)報(bào)道中無(wú)輔助下徒手置釘?shù)臏?zhǔn)確率在53%～76%[2,18,20]。本組共植入椎弓根螺釘56枚，準(zhǔn)確率為94.6%，所有螺釘均無(wú)臨床并發(fā)癥，實(shí)際臨床中均可接受，明顯高于普通的徒手置釘。我們認(rèn)為，術(shù)前的數(shù)字化設(shè)計(jì)及模型模擬手術(shù)可能起到了關(guān)鍵的作用。通過(guò)術(shù)前3D實(shí)物模型的仔細(xì)觀察及術(shù)前設(shè)計(jì)從而達(dá)到精準(zhǔn)、精確。需要說(shuō)明的是，所有的測(cè)量設(shè)計(jì)均是以寰椎及樞椎單椎體的解剖定位為基礎(chǔ)，相互參照觀察作為參考，避免術(shù)中體位變化及寰樞椎位置變化影響準(zhǔn)確性。但本研究為回顧性總結(jié)分析，樣本量較小，仍需在臨床中進(jìn)一步加強(qiáng)實(shí)踐。也有學(xué)者[21-26]在其他臨床工作中發(fā)現(xiàn)應(yīng)用3D打印技術(shù)等進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃在減少并發(fā)癥、控制失血和輸血量、降低輻射暴露、降低住院綜合費(fèi)用等方面有很多優(yōu)勢(shì)，同時(shí)認(rèn)為應(yīng)用3D實(shí)物模型可更好地與患者及家屬溝通，顯著增進(jìn)醫(yī)患溝通。

綜上，3D打印數(shù)字技術(shù)是當(dāng)今脊柱外科醫(yī)師的重要輔助手段。采用術(shù)前數(shù)字化設(shè)計(jì)及3D打印技術(shù)輔助寰樞椎不穩(wěn)的治療，可顯著提高寰樞椎疾患治療的準(zhǔn)確性及安全性，是治療寰樞椎疾患的安全、有效途徑。