椎弓根置釘手術(shù)導(dǎo)航模板的個(gè)體化設(shè)計(jì)一例報(bào)告

林 澤 陳思穎 林 果 鄒婷婷 葉博文 向子淵 羅浩威 彭鳒僑

1.廣州醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，廣東廣州 511436；2.廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院廣東省矯形植入骨科重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510120

椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)在脊柱內(nèi)固定手術(shù)中有最可靠的三維穩(wěn)定性和良好的骨性融合，得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)椎弓根置釘術(shù)依賴術(shù)者對(duì)解剖標(biāo)志點(diǎn)的辨認(rèn)和定位，與術(shù)者的臨床經(jīng)驗(yàn)緊密聯(lián)系。此后，椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)的改良一方面是借助計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航技術(shù)，另一方面是通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（computer aided design，CAD）設(shè)計(jì)個(gè)體化導(dǎo)航模板。1998 年Radermacher［1］最初報(bào)道了使用導(dǎo)航模板輔助螺釘置入，此后許多研究證實(shí)了個(gè)體化導(dǎo)航模板輔助下的椎弓根螺釘置入較傳統(tǒng)的徒手置入更準(zhǔn)確［2-5］，與計(jì)算機(jī)輔助椎弓根螺釘置入比較有近似效果［6-8］。本研究將敘述如何使用醫(yī)學(xué)圖像處理軟件Mimics 制作個(gè)體化導(dǎo)航模板［9-10］，降低術(shù)中尋找解剖標(biāo)志點(diǎn)及判斷進(jìn)釘情況的難度，減少對(duì)術(shù)者臨床經(jīng)驗(yàn)的依賴［11-15］，同時(shí)探究在Mimics 設(shè)計(jì)模板的過程中進(jìn)行解剖教學(xué)和模擬手術(shù)的可行性［16］。

1 材料與方法

1.1 材料

選取64 排螺旋CT 薄層掃描的腰椎圖像1 例，醫(yī)學(xué)圖像處理軟件Mimics-17，三維繪圖軟件Pro/E 5.0。

1.2 導(dǎo)航模板的設(shè)計(jì)方法

1.2.1 2018 年6 月于廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院（以下簡(jiǎn)稱“我院”）放射科保存的舊病號(hào)數(shù)據(jù)中抽取1 份64 排螺旋CT 薄層掃描的正常成人腰椎，數(shù)據(jù)以DICOM 格式保存并導(dǎo)入醫(yī)學(xué)交互影像軟件MIMICS，通過Bone Segmentation 快速建立腰部骨骼蒙版（Mask），以Calculate 3D 建造腰椎3D 模型。以Smothing 光滑操作，使模型更加接近真實(shí)。本研究經(jīng)我院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。

1.2.2 將已建好的腰椎模型透視，在CAD Object 生成小圓柱體替代螺釘，尋找理想的置釘方位和角度。在小圓柱體位置上生成直徑稍大的大圓柱體，在Boolean中作Minus 操作，獲得導(dǎo)航模板的通道。

1.2.3 對(duì)原先的模版進(jìn)行Morphology Operation/Dilate操作，計(jì)算3D 模型，經(jīng)Boolean/Minus，得到與腰椎模型貼合的外殼，適當(dāng)切割得到導(dǎo)航模板卡合部位。

1.2.4 對(duì)腰椎模型、大小圓柱體、腰椎外殼運(yùn)行Boolean/Minus 和Unit，最終得到用于確定置釘方位和角度的導(dǎo)航模板與預(yù)設(shè)的釘?shù)?。見圖1。

圖1 導(dǎo)航模板制作步驟

1.3 螺釘?shù)脑O(shè)計(jì)

1.3.1 以Mimics 測(cè)量位于腰椎內(nèi)小圓柱體的長(zhǎng)度和直徑，之后設(shè)計(jì)螺釘長(zhǎng)度和直徑。

1.3.2 運(yùn)用Pro/E 旋轉(zhuǎn)命令繪制基礎(chǔ)螺釘模型，調(diào)整螺釘長(zhǎng)度與內(nèi)芯直徑，使其與小圓柱體相同，螺釘頭部直徑應(yīng)等于螺釘內(nèi)芯直徑合并螺紋高度的數(shù)值。

1.3.2 在螺旋“掃描/伸出”項(xiàng)中，選擇Front 為草繪平面，掃引軌跡繪制時(shí)，將軌跡頭尾內(nèi)收實(shí)現(xiàn)螺紋漸進(jìn)收尾，把螺釘內(nèi)芯螺紋掃引軌跡往中軸靠近，避免螺釘末端螺紋與內(nèi)芯之間出現(xiàn)縫隙，最后繪制截面時(shí)，在螺釘頭部半徑減去內(nèi)芯半徑的基礎(chǔ)上，應(yīng)保留螺釘內(nèi)芯螺紋掃引軌跡距離邊緣的長(zhǎng)度，以使螺釘整體的直徑相一致。見圖2。

1.3.3 在“混合/切口”命令完成螺釘頭部的繪制。將設(shè)計(jì)完成的螺釘輸出為*.STL 格式。

1.4 三維打印

圖2 個(gè)體化螺釘制作步驟

用于術(shù)前制定手術(shù)方案或者是臨床練習(xí)的模型可用塑料以熔融沉積成型法（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）作3D 打印。使用Flash print 導(dǎo)入設(shè)計(jì)模型，利用視圖查看模型薄弱區(qū)并調(diào)整模型以減少薄弱區(qū)，設(shè)定支撐參數(shù)，加入樹狀支撐結(jié)構(gòu)，將所有已添加支撐的模型導(dǎo)入Cura 打印。本次的成品以BT600 3D打印機(jī)按1∶1 打印。見圖3。

2 結(jié)果

2.1 虛擬組合

將設(shè)計(jì)成品輸入Mimics 軟件中組合，觀察效果，確保導(dǎo)航支架與脊骨貼合面積足夠以保證兩者能牢固卡合并精準(zhǔn)對(duì)應(yīng)預(yù)設(shè)的釘?shù)?，螺釘符合預(yù)設(shè)釘?shù)赖拈L(zhǎng)度。見圖4。

圖3 打印設(shè)定參數(shù)及效果圖

圖4 螺釘、導(dǎo)架、脊椎組合虛擬鎖釘

2.2 現(xiàn)實(shí)鎖釘

將帶有預(yù)設(shè)釘?shù)赖募构悄Ｐ?、?dǎo)航模板和螺釘3D 打印，實(shí)物進(jìn)行組合。導(dǎo)航模板與脊骨模型之間能夠牢固穩(wěn)定的卡合，用螺釘進(jìn)行實(shí)際鎖釘，導(dǎo)航模板通道與脊骨內(nèi)預(yù)設(shè)釘?shù)谰珳?zhǔn)對(duì)應(yīng)，螺釘進(jìn)釘深度符合術(shù)前設(shè)計(jì)。見圖5。

圖5 3D 打印實(shí)體效果圖

3 討論

FDM 打印工序包括加熱絲狀熱熔性材料并透過噴嘴擠出。融化材料按照設(shè)計(jì)模型每一層的預(yù)定軌跡沉積于制作面板或者前一層已固化的材料上，一邊沉積一邊固化，通過層層疊加形成成品［17-18］。FDM 的優(yōu)點(diǎn)包括安全、干凈、環(huán)保，價(jià)格便宜，材料利用率高。然而FDM 技術(shù)打印的成品表面粗糙，需要后期拋光處理［19］；由于噴頭只做機(jī)械運(yùn)動(dòng)，打印速度較慢；另外，橫面打印的噴頭不支持懸垂物的打印，因此模型需要設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)。添加支撐結(jié)構(gòu)需要遵從兩個(gè)原則：①當(dāng)模型的懸垂物與垂直方向傾斜的角度大于或等于45°便需要支撐結(jié)構(gòu)；②在打印橫橋時(shí)，支撐結(jié)構(gòu)之間不能少于5 mm［20-21］。支撐結(jié)構(gòu)的種類有樹狀支撐和線性支撐，前者能承力性弱，僅能支撐在某些點(diǎn)觸及突出物；后者承力性強(qiáng)，能支撐整個(gè)懸伸部分但比樹狀支撐更難以移除并且耗用更多材料［22-23］。

個(gè)體化導(dǎo)航模板設(shè)計(jì)至今已出現(xiàn)許多新的設(shè)計(jì)方案，如經(jīng)皮個(gè)體化導(dǎo)航模板［24］、點(diǎn)接觸導(dǎo)航模板等［25］。本研究設(shè)計(jì)的導(dǎo)航模板為基礎(chǔ)方式，手術(shù)與傳統(tǒng)術(shù)程基本相同。導(dǎo)航模板的精準(zhǔn)度很大程度上取決于與脊骨貼合程度，與脊骨貼合面積越大，貼合越緊密，精準(zhǔn)度就越高，同時(shí)也需更大的創(chuàng)口和剝離更大范圍的軟組織，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況權(quán)衡利弊。

Mimics 作為三維編輯軟件，其三維模型重建功能可以讓醫(yī)師在直觀模型上學(xué)習(xí)解剖結(jié)構(gòu)，導(dǎo)航模板的設(shè)計(jì)過程中可學(xué)習(xí)選擇最佳的進(jìn)釘點(diǎn)和進(jìn)釘角度，軟件自帶的Simulation 模塊可讓醫(yī)師模擬手術(shù)，進(jìn)一步提升對(duì)椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)的認(rèn)知，實(shí)現(xiàn)“以教代練”。同時(shí)，導(dǎo)航模板輔助置釘降低了手術(shù)難度和對(duì)醫(yī)師的要求，在保證教學(xué)效果的同時(shí)縮短醫(yī)師的培訓(xùn)周期。

綜上所述，個(gè)體化設(shè)計(jì)的脊術(shù)導(dǎo)航無論是應(yīng)用于教學(xué)培訓(xùn)還是臨床實(shí)踐都有現(xiàn)實(shí)意義。