數(shù)字骨科學技術(shù)在胸腰椎骨折個體化治療中的應用

楊宇，徐偉，金剛，劉大鵬，凱賽爾江·艾合買提

（1.溫州醫(yī)科大學附屬臺州醫(yī)院 骨科，浙江 臺州 317000；2.新疆醫(yī)科大學附屬第五醫(yī)院 骨科，新疆 烏魯木齊 830011）

椎體后路切開復位椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)是目前治療胸腰椎骨折最主要的手術(shù)方式。傳統(tǒng)依靠主刀醫(yī)師個人經(jīng)驗、主觀判斷及術(shù)中反復透視輔助參考的置釘方法，存在著椎弓根螺釘置入位置欠佳甚至失準，進而損傷椎體周圍神經(jīng)、血管和組織的風險，影響著手術(shù)的安全性和準確性。數(shù)字骨科學技術(shù)（計算機輔助設計與制造、逆向工程技術(shù)、快速成形技術(shù)等）是一項以數(shù)字骨科學理論為基礎，以計算機科學與骨科學相交叉為特點的新興交叉學科[1]。該項技術(shù)通過多維度轉(zhuǎn)換、逐層剖切、參數(shù)獲取、數(shù)字重建及計算設計與分析，不但可精確顯示病損骨骼復雜的三維結(jié)構(gòu)，而且還可用于手術(shù)設計、模擬操作及輔助手術(shù)等操作，最終使骨科手術(shù)更精確、更安全[2]。本研究中，筆者通過利用數(shù)字骨科學相關(guān)技術(shù)與軟件（Mimics17.0、Geomagic studio12.0、Unigraphics NX10.0、數(shù)字化快速成型技術(shù)），將其用于腰椎骨折的個體化治療中，取得了良好的臨床效果，現(xiàn)報告如下。

1 資料和方法

1.1 一般資料 回顧性分析2015年12月至2017年6月間，在新疆醫(yī)科大學附屬第五醫(yī)院利用數(shù)字骨科學技術(shù)輔助治療的10 例胸腰椎骨折患者，均為單椎體受累骨折，其中男6例，女4例，年齡24～57（47.9±18.7）歲；傷椎部位：T12 4例，L1 3例，L2 3例；根據(jù)Denis椎體骨折分型標準：A型4例，B型 5例，C型1例。所有患者入院后均常規(guī)予胸腰椎X 線、CT平掃或MRI檢查；術(shù)后予胸腰段X線、CT復 查，用于評價椎弓根螺釘置釘效果。本研究經(jīng)本院倫理委員會批準，且所有患者術(shù)前均簽署知情同意書。

1.2 數(shù)據(jù)采集 通過64排螺旋雙源CT（SIEMENS，德國）對患者胸腰椎骨折數(shù)據(jù)進行采集，具體掃描條件與參數(shù)設置如下：電壓120 kV，電流166 mA，層厚為0.625 mm，層距為1.0 mm，矩陣512×512。平掃后將所獲數(shù)據(jù)以“DICOM”格式整體輸出保存，備做后續(xù)編輯及處理。

1.3 數(shù)字骨科學技術(shù)的應用

1.3.1 置釘椎體模型的設計：平掃后將所得數(shù)據(jù)通過醫(yī)學影像控制系統(tǒng)Mimics 17.0軟件（Materialise，比利時）進行圖像處理、閾值分析、區(qū)域增長及蒙版分割等操作建立所需置釘椎體的三維數(shù)字模型，然后以“STL”格式儲存數(shù)據(jù)。

1.3.2 導航模板的設計：具體步驟包括：①將處理所獲“STL”格式的數(shù)據(jù)導入到逆向工程軟件Geomagic studio12.0（Geomagic，美國）中，并逐次進行點操作、多邊形運算、形狀階段操作，然后以“IGS”格式輸出目標文件；②通過工程設計軟件Unigraphics NX10.0（SIEMENS，德國），縫合導入數(shù)據(jù)的片體結(jié)構(gòu)，建立工作坐標系，對置釘椎體進行剖切、編輯（拉伸、邊倒圓、修剪體等），尋找最佳置釘釘?shù)?，然后利用卡扣原理與布爾運算，設計與所需置釘椎體后側(cè)附件骨（棘突、乳突、椎板等）三維互補的椎弓根導航模板。以上操作完成后，以“S-IL”格式保存。

1.3.3 快速成型技術(shù)的應用：利用切片軟件Cura14.7（Ultimaker，荷蘭）設置患者胸腰椎骨折數(shù)字模型和導航模板快速成型的支撐結(jié)構(gòu)，并以醫(yī)用級PLA-3001D（NatureWorks，美國）為材料，通過快速成型設備CreatBot DX Plus（科瑞特，鄭州）打印出實物樣品，同時進行模型間的匹配測試。

1.3.4 術(shù)前宣教與教學：利用椎體骨折模型和導航模板對患者進行術(shù)前健康宣教。在進行模擬手術(shù)時，對低年資醫(yī)師及規(guī)培輪轉(zhuǎn)人員進行相關(guān)知識的專業(yè)講解與教學操作。而后將椎體骨折模型和導航模板送手麻科消毒，以備術(shù)中使用。

1.3.5 手術(shù)操作：本組研究所選患者植入耗材均為脊柱釘棒內(nèi)固定系統(tǒng)。麻醉平穩(wěn)后，常規(guī)消毒、鋪巾。取傷椎為中心的后正中切口，充分顯露所需置釘椎體棘突及雙側(cè)椎板，利用椎弓根導航模板上預置的卡扣設計，將其解剖貼合于置釘椎體后側(cè)附件骨（棘突、乳突、椎板等）上，而后依次進行克氏針定位、空心鉆頭鉆孔及置入椎弓根螺釘?shù)炔僮?。C型臂X線機確認螺釘位置滿意后，用撐開器撐開上下位椎弓根螺釘，在專用手柄的幫助下先行前、中柱的復位，然后進行后柱的撐開復位，最后連接釘棒進行固定。C型臂X線機再次透視確認位置滿意 后，沖洗傷口，逐層關(guān)閉切口，術(shù)畢。

1.4 隨訪與評價 術(shù)后3 d內(nèi)，根據(jù)Gertzbein和Robbins評級標準[3]對手術(shù)置釘效果進行評級；術(shù)后12～24個月內(nèi)門診定期隨訪，通過查體、影像學檢查等方式評價患者有無脊髓神經(jīng)損傷、內(nèi)固定失效等并發(fā)癥發(fā)生。

2 結(jié)果

10例均順利完成椎弓根釘置釘操作，共置入64枚椎弓根釘，置入螺釘長度為30～45 mm，直徑為5.0～7.0 mm。術(shù)后對64枚椎弓根釘行CT復查，按照改良置釘分級標準[2]評定：I級（椎弓根釘完全在椎弓根內(nèi)）53 枚，II級（椎弓根釘穿出椎弓根皮質(zhì)＜2 mm）9枚，III級（椎弓根釘穿出椎弓根皮質(zhì)距離為≥2 mm且＜4 mm）2枚。無螺釘穿破椎弓根上、下方，可接受置釘（I、II級）為62（占96.9%）枚。未發(fā)現(xiàn)與置釘相關(guān)的螺釘誤置、脊髓損傷、內(nèi)固定失效等手術(shù)并發(fā)癥。典型病例見圖1。

3 討論

圖1 典型病例[患者，女，46歲，高處墜落傷，入院診斷：腰1椎體壓縮性骨折。術(shù)前行MRI及CT檢查，其中MRI矢狀面（A）示：腰1椎體壓縮骨折，骨髓水腫，椎體后壁不完整，骨折碎片突入椎管；第2天將CT所得的DICOM數(shù)據(jù)導入Mimics17.0中，建立置釘椎體三維影像（B），并利用卡扣設計原理，經(jīng)剖切、測量、運算、分析（C），設計椎弓根導航模板，然后利用快速成型技術(shù)進行打印制作，并借助于實物模型模擬置釘操作（D-E）；第3天按術(shù)前計劃行手術(shù)治療（F），術(shù)中按照預先設計的釘?shù)腊惭b椎弓根螺釘；術(shù)后1 d復查胸腰椎CT（G-J）示：椎弓根螺釘均完全位于椎弓根內(nèi)，位置佳，根據(jù)改良置釘分級標準評定6枚椎弓根螺釘置釘效果均為I級]

如何提高胸腰椎骨折患者術(shù)中椎弓根螺釘置入的安全性和有效性，一直是當前的熱門課題[4-5]。傳統(tǒng)的椎弓根置釘方法主要依靠X線、CT、MRI等二維影像資料進行手術(shù)方案設計，不能在三維空間內(nèi)形象、具體地反映所需置釘椎體椎弓根的骨質(zhì)情況，可發(fā)生術(shù)者因主觀判斷失誤，致使螺釘置入位置發(fā)生偏差甚至失誤的風險；而三維重建技術(shù)所得到的傷椎影像又相對較抽象，不能進行參數(shù)設計，術(shù)中只能依靠主刀醫(yī)師的經(jīng)驗、主觀判斷以及術(shù)中反復透視的方法，來尋找最佳螺釘進釘通道，不但增加醫(yī)患的輻射傷害，而且影響手術(shù)的安全性和精準性。隨著現(xiàn)代醫(yī)學技術(shù)的快速發(fā)展，外科手術(shù)已進入到了個體化、精確化的嶄新時代[6]。骨科數(shù)字解剖（三維重建）、計算機輔助設計、逆向工程技術(shù)與快速成型技術(shù)相結(jié)合的數(shù)字骨科技術(shù)就是現(xiàn)代醫(yī)學技術(shù)進步的產(chǎn)物。白波等[7]認為數(shù)字骨科學技術(shù)使傳統(tǒng)骨科步入到數(shù)字化時代，為當代骨科的發(fā)展注入了新的活力和變革。張鷹等[8]研究證實，借助于數(shù)字骨科學技術(shù)，術(shù)前可對患者骨折情況進行全面的剖切、觀察以及參數(shù)測量，進而合理制定手術(shù)計劃，模擬術(shù)中操作，開展臨床教學，全面提高骨科手術(shù)的安全與質(zhì)量。在本研究中，筆者利用數(shù)字骨科學技術(shù)，根據(jù)每位手術(shù)患者傷椎在三維空間內(nèi)的骨折分型、病損特點以及椎弓根骨性通道的實際解剖情況，參數(shù)化重建與編輯每位患者所需置釘?shù)淖刁w，個體化地制定與預演手術(shù)方案，然后根據(jù)術(shù)中實際置釘需要，定制每位患者所需的導航模板，同時利用相關(guān)組件進行術(shù)前健康宣教和術(shù)前實操演練，最終安全、精準地完成胸腰椎骨折患者的個體化手術(shù)治療。

筆者認為數(shù)字骨科技術(shù)在胸腰椎骨折個體化治療中具有如下優(yōu)勢：①通過利用數(shù)字骨科術(shù)制造的骨折模型，可全面、直觀地了解傷椎骨折信息，便于醫(yī)師對于病情的分析了解，制定個體化手術(shù)方案，進而提高醫(yī)療質(zhì)量與醫(yī)療安全；②椎弓根導航模板可以精確、快速、安全置釘，可縮短手術(shù)時間、減少術(shù)中出血及周圍軟組織的損傷，利于患者預后；③數(shù)字骨科技 術(shù)可克服不同患者脊柱各節(jié)段椎弓根直徑的差異性以及不同個體間的變異性對手術(shù)置釘?shù)挠绊?，使患者得到個體化的治療；④術(shù)前通過實物模型可以讓患者更加直觀地了解手術(shù)過程及可能的預后信息，減少患 者及其家屬的焦慮和擔憂，使患者及家屬能更好地理解并配合治療，提高術(shù)前宣教及談話簽字的效果，促進醫(yī)患溝通；⑤通過術(shù)前模擬，熟練術(shù)中操作的同時，還可以在模型上開展針對于低年資骨科醫(yī)師、規(guī)培輪轉(zhuǎn)人員的臨床教學[9]，促進其對胸腰段骨折專業(yè)理論與手術(shù)操作的理解；⑥降低置釘操作技術(shù)門檻，便于低年資醫(yī)師對于椎弓根螺釘置入技術(shù)的掌握。

受限于現(xiàn)階段技術(shù)、材料以及相關(guān)政策的影響，該項技術(shù)也存在如下不足：①數(shù)字骨科學技術(shù)的了解與掌握，涉及到多款專業(yè)參數(shù)設計軟件的交叉應用，學習曲線較為陡峭；②此項技術(shù)的臨床應用需要具備相關(guān)專業(yè)設備（圖形工作站、快速成型設備等），而且數(shù)字骨科學技術(shù)和耗材尚未收錄于國家醫(yī)保目錄中，無法進行報銷，因此限制了其在臨床治療中的進一步推廣和應用；③快速成型技術(shù)打印制品，因工藝與材料的限制，模型制品存在一定程度的臺階和熱脹冷縮效應，本研究中雖未發(fā)生，但仍不排除其有著影響置釘精度的風險，需在術(shù)前進行模型間的匹配測試。

4 總結(jié)與展望

數(shù)字骨科學技術(shù)對于提升胸腰椎骨折患者的手術(shù)質(zhì)量、預后療效，以及促進術(shù)前健康宣教和開展臨床教學工作等均有著積極的應用意義。數(shù)字骨科學技術(shù)在為胸腰椎骨折患者個體化、精益化治療提供一種新的選擇和方案的同時，也可為將來精確、微創(chuàng)的人工智能機器人胸腰椎骨折手術(shù)，提供一定的經(jīng)驗積累。筆者相信，隨著未來相關(guān)政策與設計制造技術(shù)的完善和發(fā)展，數(shù)字骨科技術(shù)在骨科領(lǐng)域的應用前景一定會更加廣闊。