基于3D打印的腰椎椎弓根螺釘在腰椎退變性疾病治療中的應(yīng)用效果

郝為民

[摘要] 目的 研究在腰椎退變性疾病治療中應(yīng)用基于3D打印的腰椎椎弓根螺釘?shù)呐R床效果。方法 方便選擇2016年1月—2017年12月該院收治的腰椎退變性疾病患者100例，依據(jù)應(yīng)用的治療方式不同分為觀察組、對(duì)照組，各50例，其中對(duì)照組患者接受微創(chuàng)腰椎椎間固定融合術(shù)實(shí)施治療，觀察組應(yīng)用CT詳細(xì)數(shù)據(jù)資料聯(lián)合3D 打印技術(shù)制作的導(dǎo)航模板輔助實(shí)施腰椎椎弓根螺釘置入治療，比較兩組臨床效果。 結(jié)果 觀察組治療總有效率為92.00%，對(duì)照組總有效率70.00%，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（χ2=5.632 8，P=0.010 5）;觀察組術(shù)后1周及術(shù)后1個(gè)月腰椎功能評(píng)分均低于對(duì)照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=5.331 7、6.822 4，P=0.000 0、0.000 0）;觀察組置釘?shù)臏?zhǔn)確率為96.44%，對(duì)照組88.74%，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（χ2=3.854 5， P=0.001 6）。 結(jié)論 在腰椎退變性疾病治療中應(yīng)用基于3D打印的腰椎椎弓根螺釘能夠提升置釘準(zhǔn)確性，提升腰椎功能，有推廣意義。

[關(guān)鍵詞] 3D打印;腰椎椎弓根螺釘;腰椎退變性疾病;治療

[中圖分類(lèi)號(hào)] R687.3? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? ? ? ? [文章編號(hào)] 1674-0742（2018）08（c）-0010-04

Application of Lumbar Pedicle Screw Based on 3D Printing in Treatment of Lumbar Degenerative Disease

HAO Wei-min

Department of Spinal Surgery， Heze Hospital， Heze， Shandong Province， 274000 China

[Abstract] Objective To study the clinical effect of lumbar pedicle screws based on 3D printing in the treatment of lumbar degenerative diseases. Methods A total of 100 patients with lumbar degenerative diseases in the hospital from January 2016 to December 2017 were convenient selected and divided into observation group and control group according to different treatment methods. 50 patients in the control group received minimally invasive lumbar interbody fusion. The treatment was performed， and the observation group was assisted in the treatment of lumbar pedicle screw placement using CT detailed data combined with a navigation template made with 3D printing technology. The clinical effects of the two groups were compared. Results The total effective rate was 92.00% in the observation group and 70.00% in the control group，the different was statistically significant（χ2=5.632 8， P=0.010 5）. The lumbar function scores in the observation group were lower than the control group one week after the operation and one month after the operation，the different was statistically significant（t=5.331 7， 6.822 4， P=0.000 0， 0.000 0）; The accuracy rate of nail placement in the observation group was 96.44%， 88.74% in the control group， the different was statistically significant（χ2=3.854 5， P=0.001 6）. Conclusion Application of lumbar pedicle screws based on 3D printing in the treatment of lumbar degenerative diseases can improve the accuracy of nail placement and promote lumbar function.

[Key words] 3D printing; Lumbar pedicle screw; Lumbar degenerative disease; Treatment

非手術(shù)方式的保守治療、外科手術(shù)治療是臨床治療腰椎退變性疾病的重要方法，針對(duì)早期腰椎退變性疾病患者，80%以上的患者經(jīng)非手術(shù)保守治療就能獲得滿(mǎn)意效果，其中基因治療、細(xì)胞因子治療是兩種應(yīng)用較廣且療效明顯的保守治療方法[1]。腰椎椎弓根螺釘植入手術(shù)是脊柱內(nèi)固定應(yīng)用較多一類(lèi)方法，腰椎椎弓根螺釘生物力學(xué)性能良好，能夠保證脊柱重建時(shí)三柱穩(wěn)定性，對(duì)于腰椎退變性疾病如腰椎骨折等的治療具有重要意義。腰椎椎弓根螺釘是否能夠成功植入主要看植入的腰椎椎弓根螺釘是否從腰椎椎弓根這一狹長(zhǎng)的骨性管道準(zhǔn)確地經(jīng)過(guò)。

當(dāng)前由于科技進(jìn)步，越來(lái)越多的新型科技產(chǎn)品逐漸應(yīng)用于臨床，3D打印技術(shù)就是其中代表性的一種，在各個(gè)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域都有應(yīng)用。借助3D 打印技術(shù)制作個(gè)體性、差異性的腰椎實(shí)體和螺釘導(dǎo)航模塊，在此基礎(chǔ)上實(shí)施手術(shù)治療，能夠明顯提升手術(shù)效果[2-3]。通過(guò)術(shù)前模擬螺釘植入，以及術(shù)中導(dǎo)航模塊的輔助，置釘?shù)臏?zhǔn)確率得到明顯提升[4]。該研究具體分析該院2016年1月—2017年12月在50例腰椎退變性疾病患者的治療中應(yīng)用基于3D打印的腰椎椎弓根螺釘?shù)男Ч?，現(xiàn)報(bào)道如下。

1? 資料與方法

1.1? 一般資料

該次研究方便選取該院100例腰椎退變性疾病患者參與研究。其中50例為觀察組，包括27例男以及23例女，平均年齡（58.28±5.36）歲，腰椎滑脫癥4例、腰椎管狹窄癥14例、腰椎間盤(pán)突出癥22例、腰椎失穩(wěn)癥10例;另外50例為對(duì)照組，包括28例男以及22例女，平均年齡（58.59±5.14）歲，腰椎滑脫癥5例、腰椎管狹窄癥13例、腰椎間盤(pán)突出癥21例、腰椎失穩(wěn)癥11例。該研究全部患者均對(duì)該研究?jī)?nèi)容知情同意且簽訂知情同意書(shū)，該研究經(jīng)該院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。兩組各項(xiàng)基本資料比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。

1.2? 方法

觀察組應(yīng)用CT詳細(xì)數(shù)據(jù)資料聯(lián)合 3D 打印技術(shù)制作的導(dǎo)航模板輔助實(shí)施腰椎椎弓根螺釘置入治療。①重建腰椎三維數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)腰椎導(dǎo)航模板：以 Dicom 斷層圖像格式將CT 掃描得到的詳細(xì)數(shù)據(jù)向Mimics14.0 軟件中輸入，完成三維立體重建。先對(duì)不同方位的位置進(jìn)行確認(rèn)，選擇Segmentation→Thresholding，依照患者實(shí)際情況設(shè)置具體閾值，接著能夠獲取“Mask”，然后就能夠完成數(shù)據(jù)的三維重建，流程為Action→Calcu-late 3D，這樣就能夠獲取腰椎虛擬三維模型。通過(guò)Edit Mask in 3D 功能可以對(duì)虛擬三維模型進(jìn)行編輯。之后按照順序選擇Med CAD→Create Cylin-der→Radius，接著按照各個(gè)三維模型確定進(jìn)釘?shù)淖罴腰c(diǎn)，接著適當(dāng)調(diào)節(jié) Cylinder 方向以及位置，設(shè)置畫(huà)面整個(gè)為透明狀，對(duì)腰椎椎弓根最狹窄位置的寬度以及高度進(jìn)行測(cè)量，并且測(cè)量虛擬螺釘貫穿腰椎骨質(zhì)的長(zhǎng)度。這樣就能夠得到導(dǎo)航桿的有關(guān)數(shù)據(jù)。根據(jù)這一結(jié)果進(jìn)行導(dǎo)航模塊的設(shè)計(jì)，確保導(dǎo)航模塊的前端應(yīng)契合患者“人”字形腰椎峭處，表現(xiàn)為“凹”“凸”骨面完全反向貼合。②3D 打印腰椎導(dǎo)航模板、腰椎實(shí)體：在相配套的3D打印機(jī)中輸入設(shè)計(jì)好的導(dǎo)航模板數(shù)據(jù)、腰椎虛擬三維模型，選擇聚乳酸材料（Nature Works， IngeoTM3251D）作為打印材料，將有關(guān)數(shù)據(jù)輸入進(jìn)入后就能夠完成批量打印，最后將導(dǎo)航模塊的實(shí)體、腰椎模型實(shí)體導(dǎo)出。③微創(chuàng)腰椎椎間固定融合術(shù)：選擇后路正中切口切入，之后經(jīng)將“人”字嵴周?chē)能浗M織清除，完全暴露“人”字嵴，接著進(jìn)行腰椎椎弓根導(dǎo)航模板的安裝，確保模板緊密貼合患者腰椎。順著導(dǎo)航模塊借助2 mm 克氏針鉆頭鉆出一條進(jìn)釘通道，利用椎弓根探子探測(cè)，對(duì)螺釘長(zhǎng)度進(jìn)行確定，另外借助球形探針對(duì)四周骨質(zhì)的光滑程度進(jìn)行探測(cè)，如果沒(méi)有顯示存在異常則將合適的螺釘植入。手術(shù)后通過(guò)X線(xiàn)機(jī)對(duì)植入效果進(jìn)行觀察評(píng)價(jià)，如果沒(méi)有顯示異常，將切口縫合，手術(shù)結(jié)束。

對(duì)照組全麻后保持俯臥，懸空腹部，消毒鋪巾后通過(guò)X線(xiàn)機(jī)進(jìn)行定位，做椎間隙正中切口，4 cm左右。將部分關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)顯露出來(lái)，進(jìn)針后咬除骨皮質(zhì)，利用X線(xiàn)機(jī)確認(rèn)后將椎弓根釘置入。相同方法完成對(duì)側(cè)操作，進(jìn)行連接棒的安裝。將患側(cè)下關(guān)節(jié)突切除，實(shí)施神經(jīng)根減壓，將下位神經(jīng)根、硬膜囊拉向?qū)?cè)，將纖維環(huán)切開(kāi)后切除椎間盤(pán)，在椎間隙植入適量自體骨粒。

1.3? 評(píng)價(jià)指標(biāo)

療效標(biāo)準(zhǔn)：在術(shù)前以及術(shù)后分別對(duì)患者進(jìn)行一次腰椎功能評(píng)分，量表總分29分，得分越低，腰椎功能越差。通過(guò)比較術(shù)前、術(shù)后得分改善情況對(duì)患者治療效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，顯效：治療后腰椎功能評(píng)分較治療前改善超過(guò)75%;好轉(zhuǎn)：治療后腰椎功能評(píng)分較治療前改善30%～75%;無(wú)效：治療后腰椎功能評(píng)分較治療前改善不足30%。

腰椎功能評(píng)價(jià)：利用Oswestry功能障礙指數(shù)評(píng)價(jià)患者腰椎功能，量表評(píng)分總分為50分，得分越高證實(shí)患者腰椎功能越差。術(shù)后置釘效果：手術(shù)結(jié)束后通過(guò)X線(xiàn)機(jī)、CT探測(cè)螺釘置入的位置、長(zhǎng)度、狀態(tài)、方向，對(duì)照軟件模擬與實(shí)際操作的參數(shù)符合情況。

1.4? 統(tǒng)計(jì)方法

采用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件對(duì)獲取數(shù)據(jù)開(kāi)展分析，（x±s）表示計(jì)量資料，行t檢驗(yàn)，[n（%）]表示計(jì)數(shù)資料，行χ2檢驗(yàn)，P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2? 結(jié)果

2.1? 治療效果

觀察組治療后總有效率為92.00%，對(duì)照組治療后總有效率為70.00%，結(jié)果對(duì)比差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。見(jiàn)表1。

2.2? 腰椎功能

術(shù)前兩組腰椎功能評(píng)分結(jié)果差異差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05），術(shù)后1周以及術(shù)后1個(gè)月兩組腰椎功能評(píng)分均有明顯下降，與術(shù)前比較組內(nèi)差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05），術(shù)后1周及術(shù)后1個(gè)月觀察組腰椎功能評(píng)分均明顯低于對(duì)照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。見(jiàn)表2。

2.3? 手術(shù)置釘效果

該研究觀察組設(shè)計(jì)并制作的導(dǎo)航模塊共有281個(gè)，腰椎椎弓根螺釘植入281枚，手術(shù)結(jié)束后通過(guò)X線(xiàn)機(jī)以及CT探測(cè)植入螺釘?shù)拈L(zhǎng)度、位置、方向、狀態(tài)，結(jié)果顯示相較于術(shù)前模擬的位置有10枚螺釘稍微出現(xiàn)偏移，不過(guò)沒(méi)有對(duì)置入螺釘?shù)恼w情況形成影響，剩下的271枚螺釘和手術(shù)之前模擬的方向、位置、長(zhǎng)度沒(méi)有差別，手術(shù)置釘?shù)臏?zhǔn)確率為96.44%。對(duì)照組手術(shù)中腰椎椎弓根螺釘植入共231枚，結(jié)果術(shù)中置入位置不佳或者穿破腰椎椎弓根皮質(zhì)的螺釘共有26枚，手術(shù)置釘準(zhǔn)確率為88.74%。兩組置釘準(zhǔn)確率差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（χ2=3.854 5，P=0.001 6）。

3? 討論

腰椎是機(jī)體軀體活動(dòng)的樞紐組織，需要承受大部分機(jī)體活動(dòng)產(chǎn)生的壓力，所以出現(xiàn)腰椎病變的可能性也較大[5]。隨著年齡的逐漸增加，勞累過(guò)度會(huì)使得腰椎出現(xiàn)退變性疾病，具體會(huì)有腰椎滑脫癥、腰椎間盤(pán)突出癥、腰椎失穩(wěn)癥、腰椎管狹窄癥等，對(duì)患者的生活質(zhì)量存在嚴(yán)重影響[6]。腰椎對(duì)機(jī)體而言具備非常重要的生理功能，同時(shí)其本身解剖結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，臨床開(kāi)展脊柱外科手術(shù)必須保證解剖定位足夠精準(zhǔn)，并且手術(shù)操作者還必須克服手術(shù)期間存在的清晰度不高、視野不開(kāi)闊的多類(lèi)問(wèn)題，必須如此才可以確保手術(shù)實(shí)施有效性[7]。腰椎內(nèi)固定多利用腰椎植入椎弓根螺釘，但是椎弓根和神經(jīng)、脊髓等重要結(jié)構(gòu)非常接近，同時(shí)腰椎椎弓根椎管比較狹長(zhǎng)，怎樣在減少損傷、確保精確度的前提下在椎弓根中植入螺釘，是臨床醫(yī)師必須重視的問(wèn)題。

腰椎退變性疾病治療中腰椎椎弓根螺釘置入內(nèi)固定方法應(yīng)用已有較長(zhǎng)時(shí)間，臨床經(jīng)驗(yàn)非常豐富，但是由于患者存在的個(gè)體差異，所以選擇的進(jìn)釘方向、進(jìn)釘深度、進(jìn)釘點(diǎn)都有明顯差別，同時(shí)腰椎椎弓根臨近重要解剖結(jié)構(gòu)，包括神經(jīng)、脊髓、血管等，特別是針對(duì)骨腫瘤、脊柱側(cè)凸、嚴(yán)重腰椎骨折等患者，無(wú)法直接依據(jù)人群共性研究的解剖學(xué)測(cè)量數(shù)據(jù)精確地植入腰椎椎弓根螺釘。所以即便相同方法下不同患者的手術(shù)具體實(shí)施效果也會(huì)存在差異。植入腰椎椎弓根螺釘時(shí)，如果腰椎椎弓根螺釘位置存在比較大的偏差，那么可能直接導(dǎo)致非常嚴(yán)重的并發(fā)癥，直接影響手術(shù)植入的成功率。以往臨床會(huì)有配套瞄準(zhǔn)器械輔助進(jìn)行腰椎器械的內(nèi)固定，不過(guò)在植入腰椎椎弓根螺釘時(shí)，還是需要多次的應(yīng)用X線(xiàn)機(jī)對(duì)植入的腰椎椎弓根螺釘位置是否滿(mǎn)意進(jìn)行確定。另外也可以應(yīng)用電磁技術(shù)、紅外線(xiàn)等計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)，其能夠明顯提升植入腰椎椎弓根螺釘?shù)臏?zhǔn)確性，不過(guò)這一方法所利用到的設(shè)備非常昂貴，操作非常繁雜，應(yīng)用前工作人員需要接受長(zhǎng)時(shí)間的培訓(xùn)才能上崗，所以其應(yīng)用也受到了限制。

數(shù)字化設(shè)計(jì)的最突出特色是能夠在虛擬環(huán)境中經(jīng)反復(fù)、多次修改最終得到最優(yōu)化的虛擬手術(shù)方案，并且經(jīng)設(shè)計(jì)并3D 打印導(dǎo)航模塊輔助完成實(shí)踐手術(shù)中的設(shè)計(jì)方案[8]。該研究實(shí)施的基于3D 打印技術(shù)制作的導(dǎo)航模板進(jìn)行腰椎椎弓根螺釘置入術(shù)的輔助治療，其優(yōu)勢(shì)主要包括如下：①具備非常高的置釘準(zhǔn)確性，且能夠確保置釘?shù)陌踩?②這一技術(shù)方法操作難度小，只要醫(yī)生具備腰椎椎弓根螺釘內(nèi)固定經(jīng)驗(yàn)，就能夠順利完成操作;③這一技術(shù)方法的應(yīng)用能夠使手術(shù)整個(gè)用時(shí)明顯縮短，能夠減小對(duì)患者機(jī)體的創(chuàng)傷，減少手術(shù)相關(guān)出血，同時(shí)能夠使手術(shù)中X射線(xiàn)暴露的時(shí)間明顯縮短;④觀察組應(yīng)用的導(dǎo)航模版都是按照個(gè)體化數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)后得到的，所以使用期間不會(huì)出現(xiàn)由于術(shù)中體位改變、椎體間相對(duì)移動(dòng)影響植入螺釘?shù)某晒?⑤術(shù)后患者能夠迅速恢復(fù)，患者能夠在術(shù)后早期即開(kāi)始參與功能康復(fù)鍛煉，這樣能夠使患者整個(gè)病程明顯縮短，明顯減輕患者痛苦。不過(guò)這一技術(shù)在當(dāng)前來(lái)看也存在一些不足，包括設(shè)計(jì)模版、制作模版都需要較長(zhǎng)時(shí)間，不能實(shí)施在急診手術(shù)患者的治療中;另外操作必須確保對(duì)相關(guān)軟件的操作方法有明確掌握，否則會(huì)影響操作的順利進(jìn)行;并且3D打印費(fèi)較高，無(wú)法推廣應(yīng)用在基層醫(yī)療單位的臨床治療中[9-10]。不過(guò)從整體上看，這一技術(shù)的優(yōu)勢(shì)要多于不足，應(yīng)用價(jià)值值得肯定。

在應(yīng)用3D 打印技術(shù)制作的導(dǎo)航模板時(shí)，為了保證效果及質(zhì)量，應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)，①如果患者腰椎“人”字嵴位置骨面平坦，無(wú)法牢固固定導(dǎo)航模塊，無(wú)法保證較高穩(wěn)定性，因而置釘?shù)姆€(wěn)定性會(huì)受影響。這種情況下手術(shù)操作必須用手將導(dǎo)航模塊握緊，防止導(dǎo)航模塊松動(dòng)。②進(jìn)行影像數(shù)據(jù)提取時(shí)，無(wú)法保證持續(xù)良好的數(shù)據(jù)質(zhì)量，保真度不佳，并且進(jìn)行三維重建時(shí)也會(huì)有數(shù)據(jù)失真情況出現(xiàn)，同時(shí)由于3D打印機(jī)會(huì)存在固有誤差，所以可能影響實(shí)際手術(shù)時(shí)的導(dǎo)航效果[11]，針對(duì)這一情況，應(yīng)該收集質(zhì)量高的影像學(xué)數(shù)據(jù)，實(shí)施三維重建時(shí)必須保證細(xì)致操作，以最高標(biāo)準(zhǔn)完成重建，另外應(yīng)該設(shè)置最高精度的打印精度，以最大程度減小誤差。

該研究觀察組應(yīng)用基于3D打印的腰椎椎弓根螺釘治療腰椎退變性疾病患者，結(jié)果顯示治療總有效率為92.00%，明顯高于對(duì)照組治療后總有效率70.00%（P<0.05）;觀察組術(shù)后1周及術(shù)后1個(gè)月腰椎功能評(píng)分分別為（27.41±4.15）分、（20.16±3.30）分，均明顯低于對(duì)照組評(píng)分結(jié)果（32.46±5.01）分、（27.42±4.62）分（P<0.05）;觀察組置釘?shù)臏?zhǔn)確率為96.44%，明顯高于對(duì)照組置釘準(zhǔn)確率88.74%（P<0.05）。類(lèi)似研究顯示[12]，模擬置釘組置入椎弓根螺釘后均未發(fā)生相關(guān)并發(fā)癥，置釘后復(fù)查156枚螺釘中153枚位于椎弓根內(nèi)，置釘正確率顯著高于對(duì)照組（98.1%，88.5%，χ2=11.49，P<0.05）。且模擬置釘組手術(shù)時(shí)間、出血量及患者放射線(xiàn)暴露時(shí)間少于對(duì)照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。該研究結(jié)論與之存在一致性。

綜上所述，基于3D打印的腰椎椎弓根螺釘應(yīng)用在腰椎退變性疾病治療中能夠提升置釘?shù)臏?zhǔn)確率，更明顯改善患者腰椎功能，值得推廣。

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