3D打印個(gè)體化導(dǎo)向板輔助經(jīng)皮椎體成形術(shù)治療雙節(jié)段骨質(zhì)疏松性椎體壓縮骨折: 新技術(shù)報(bào)道

胡佩倫，林吉生，費(fèi)琦，孟海，蘇楠，范子寒，李錦軍，李東，楊雍

(首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京友誼醫(yī)院骨科，北京 100050)

骨質(zhì)疏松性椎體壓縮骨折(osteoporotic vertebral compression fracture, OVCF)作為骨質(zhì)疏松性骨折中最常見(jiàn)的一種類型，因其可引起急慢性腰痛、日常活動(dòng)的限制、增加患者臥床時(shí)間及死亡率等原因，越來(lái)越引起臨床醫(yī)師的重視。自1987年Galibert等[1]將經(jīng)皮椎體成形術(shù)(percutaneous vertebroplasty, PVP)應(yīng)用于頸椎椎體血管瘤的治療后，該技術(shù)憑借其手術(shù)創(chuàng)傷小、術(shù)中出血少、術(shù)后恢復(fù)快等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于治療OVCF[2]。目前，PVP手術(shù)主要依賴于術(shù)中C型臂X線機(jī)的反復(fù)透視，得以不斷調(diào)整穿刺針的進(jìn)針角度及方向，以確保手術(shù)穿刺的精準(zhǔn)性，降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)及并發(fā)癥的發(fā)生。該術(shù)式不僅增加了醫(yī)生、患者的放射暴露，手術(shù)相關(guān)并發(fā)癥的報(bào)道也屢見(jiàn)不鮮[3-7]，如：穿刺損傷脊髓或神經(jīng)根、椎弓根斷裂、骨水泥滲漏等，嚴(yán)重者甚至癱瘓或死亡。準(zhǔn)確的經(jīng)皮椎弓根穿刺技術(shù)是預(yù)防大多數(shù)PVP手術(shù)并發(fā)癥的關(guān)鍵。

目前，臨床上陸續(xù)出現(xiàn)了各種輔助技術(shù)用以提高PVP手術(shù)的精準(zhǔn)性，如手術(shù)機(jī)器人技術(shù)、術(shù)中計(jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)等，但這些技術(shù)復(fù)雜，相關(guān)設(shè)備價(jià)格高昂，一般醫(yī)院難以承受。因此，探索一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)且精準(zhǔn)的PVP手術(shù)穿刺輔助技術(shù)非常必要。本課題組前期基于患者術(shù)前CT影像資料，在MIMICS(Materialise's interactive medical image control system，Materialise Company)軟件內(nèi)重建出患者病椎的三維圖像，并在軟件內(nèi)模擬穿刺針的進(jìn)針角度、方向及進(jìn)針深度，將上述數(shù)據(jù)記錄后，在真實(shí)手術(shù)中通過(guò)測(cè)量上述數(shù)據(jù)來(lái)輔助穿刺操作，以實(shí)現(xiàn)個(gè)體化、精準(zhǔn)的穿刺方案，保證手術(shù)安全進(jìn)行[8]。此方式在一定程度上可減少手術(shù)穿刺的偏差，提高手術(shù)精準(zhǔn)性，但本團(tuán)隊(duì)也發(fā)現(xiàn)了該技術(shù)存在的一些弊端，例如，術(shù)中對(duì)于術(shù)前設(shè)計(jì)的參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，需額外耗費(fèi)一定的時(shí)間；此外，有時(shí)術(shù)中測(cè)量無(wú)法完全還原術(shù)前設(shè)計(jì)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的穿刺路徑。在以上基礎(chǔ)上，本團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步改進(jìn)該技術(shù)，將基于患者術(shù)前CT影像學(xué)資料所設(shè)計(jì)出的3D打印導(dǎo)向板應(yīng)用于PVP手術(shù)之中，在前期研究中，筆者發(fā)現(xiàn)將之應(yīng)用于治療單節(jié)段骨質(zhì)疏松性椎體壓縮骨折取得了良好的臨床療效，可以縮短手術(shù)時(shí)間，減少手術(shù)暴露，并實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)穿刺[9]。本次研究在此基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步將該技術(shù)應(yīng)用于雙節(jié)段骨質(zhì)疏松性椎體壓縮骨折，現(xiàn)報(bào)道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

患者，女性，65歲，主訴：跌倒后致腰背部疼痛5d。入院查體：脊柱無(wú)明顯后凸畸形，胸腰段棘突壓痛(+)，叩痛(+)，脊柱屈伸活動(dòng)明顯受限；雙下肢感覺(jué)、運(yùn)動(dòng)正常，雙下肢肌力V級(jí)，肌張力正常；雙下肢直腿抬高試驗(yàn)(-)、加強(qiáng)試驗(yàn)(-)，病理征未引出。肛門括約肌收縮可。X線及MRI示：T12、L1新發(fā)椎體壓縮性骨折。入院診斷為：骨質(zhì)疏松性椎體壓縮骨折(T12,L1)；嚴(yán)重骨質(zhì)疏松癥。入院VAS評(píng)分9分。

本研究已通過(guò)首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京友誼醫(yī)院倫理委員會(huì)審批，批號(hào)為：2016-P2-042-01?；颊咭押炇鹬橥鈺?shū)，研究資料獲得患者授權(quán)。

1.2 研究方法

1.2.1 術(shù)前傷椎CT影像學(xué)資料的采集

于手術(shù)前1d將3枚標(biāo)記物(圓形不銹鋼墊片)置于患者背部皮膚正中，平對(duì)傷椎水平，用馬克筆描繪出3枚標(biāo)記物的輪廓，再用透明皮膚貼膜覆蓋并固定標(biāo)記物，防止其移動(dòng)?；颊吒┡P位，行傷椎及相鄰椎體的CT薄層掃描(圖1-A)。行CT檢查前，用手機(jī)水平儀軟件調(diào)整患者體位，使標(biāo)記物兩側(cè)的背部皮膚處于同一水平，并用手機(jī)水平儀軟件記錄患者行俯臥位CT時(shí)的體位數(shù)據(jù)(圖1-B)。在真實(shí)手術(shù)時(shí)，需根據(jù)此數(shù)據(jù)，盡可能保證患者手術(shù)俯臥位的體位與行術(shù)前CT時(shí)的體位相一致。完成CT檢查后，將術(shù)前CT影像學(xué)資料以DICOM格式文件儲(chǔ)存。

圖1 A:患者行術(shù)前俯臥位CT檢查；B：用手機(jī)水平儀軟件記錄患者行俯臥位CT時(shí)的體位數(shù)據(jù)

1.2.2 MIMICS軟件內(nèi)模擬PVP手術(shù)操作

①骨折椎體的建模：將包含患者CT影像學(xué)資料的DICOM格式文件導(dǎo)入MIMICS 17.0軟件內(nèi)。在軟件內(nèi)通過(guò)橫斷面、矢狀面和冠狀面3個(gè)視窗中再次確認(rèn)目標(biāo)椎體(T12、L1)。選擇閾值工具設(shè)定恰當(dāng)?shù)腃T值(125～3071 H)，將骨骼組織與其他組織分割開(kāi)，建立新蒙版。利用形態(tài)學(xué)操作工具，對(duì)新蒙版中的傷椎經(jīng)行擦除操作，以此重建出傷椎的三維模型(圖2-A)。②模擬經(jīng)傷椎雙側(cè)椎弓根穿刺路徑：利用軟件內(nèi)的繪圖工具，繪制出圓柱圖形以模擬穿刺針，其具體參數(shù)參考實(shí)際穿刺針的長(zhǎng)度及直徑(真實(shí)手術(shù)穿刺針型號(hào)：VertePort needle，美國(guó)Stryker公司)。在傷椎蒙版內(nèi)，利用平移和旋轉(zhuǎn)功能調(diào)整圓柱圖形的位置，模擬經(jīng)雙側(cè)椎弓根入路的椎體成形術(shù)，并在橫斷面、矢狀面和冠狀面三個(gè)窗口內(nèi)再次調(diào)整細(xì)節(jié)，達(dá)到真實(shí)手術(shù)時(shí)所能達(dá)到的最理想穿刺進(jìn)針點(diǎn)、角度及深度(圖2-B)。③記錄關(guān)鍵參數(shù)：利用MIMICS軟件內(nèi)的測(cè)量工具，測(cè)量背部3枚標(biāo)記物(圓形不銹鋼墊片)中心的距離，穿刺針穿刺進(jìn)入椎體的深度(圖3-A，B，C)。④將軟件內(nèi)重建出的椎體三維圖像、自動(dòng)提取的患者皮膚數(shù)據(jù)、模擬的PVP操作過(guò)程及記錄的相關(guān)數(shù)據(jù)等文件以STL格式文件儲(chǔ)存。

圖2 A:在MIMICS軟件內(nèi)重建出傷椎的三維模型；B：在橫斷面、矢狀面和冠狀面3個(gè)窗口內(nèi)調(diào)整穿刺針的進(jìn)針點(diǎn)、角度及深度

1.2.3 術(shù)前個(gè)體化3D導(dǎo)板的制作及打印

將儲(chǔ)存的STL格式文件發(fā)送至3D打印公司(北京華勝普天科技有限公司)，公司將STL文件導(dǎo)入逆向工程軟件Design X中，根據(jù)所選取的皮膚區(qū)域，設(shè)計(jì)出貼合皮膚外形的導(dǎo)板底座；根據(jù)患者背部標(biāo)記物的位置及形狀，在導(dǎo)板底座上切割出定位孔用于術(shù)中導(dǎo)板與患者背部匹配；根據(jù)MIMICS軟件內(nèi)模擬的穿刺針直徑、角度及深度，設(shè)計(jì)出雙側(cè)空心導(dǎo)向柱；利用熔融沉積成型技術(shù)(fused deposition modeling,FDM)，使用聚乳酸材料，打印出導(dǎo)向柱及導(dǎo)板底座；最終將打印好的3D導(dǎo)板進(jìn)行組裝并打磨毛刺，查看有無(wú)變形等問(wèn)題。3D打印導(dǎo)向板共打印兩套，一套用于術(shù)前匹配確定手術(shù)理想穿刺點(diǎn)位置，另一套用于術(shù)中穿刺時(shí)導(dǎo)向使用(圖3-D)。

圖3 A:左側(cè)視圖下穿刺針的最終位置及深度；B：后前位視圖下穿刺針的最終位置及深度；C：右側(cè)視圖下穿刺針的最終位置及深度；D：最終打印出的3D個(gè)體化導(dǎo)向板

1.2.4 真實(shí)手術(shù)

患者在脊柱手術(shù)床上保持俯臥位，利用手機(jī)水平儀軟件記錄的數(shù)據(jù)調(diào)整患者體位，使患者體位盡可能與術(shù)前行俯臥位CT檢查時(shí)的體位保持一致，以減少導(dǎo)向板與患者背部匹配時(shí)的誤差(圖4-A)。先將一套導(dǎo)向板放置于患者背部皮膚上，保證底座的3個(gè)圓形定位孔與術(shù)前背部放置的標(biāo)記物相吻合(圖4-B)，再將棉簽分別插入兩側(cè)的導(dǎo)向柱內(nèi)，稍用力按壓，使其在患者背部皮膚上形成4個(gè)壓痕，這4處壓痕便為手術(shù)時(shí)皮膚理想的穿刺入點(diǎn)，用馬克筆標(biāo)記壓痕及標(biāo)志物輪廓(圖4-C)。常規(guī)消毒、鋪巾，將穿刺針針尖放置于4處標(biāo)記好的穿刺點(diǎn)處，用C型臂X線機(jī)行正位透視以檢驗(yàn)導(dǎo)向板所確定的皮膚穿刺進(jìn)針點(diǎn)是否理想(圖4-D，D1，D2)，若穿刺點(diǎn)無(wú)誤，則于穿刺點(diǎn)皮膚處行局部麻醉，在各穿刺點(diǎn)切一小口，將另一套已行低溫蒸汽消毒后的導(dǎo)向板貼附于患者皮膚上并以無(wú)菌貼膜固定，要保證此導(dǎo)向板底座上的3個(gè)圓形定位孔與患者背部皮膚上的3個(gè)圓形標(biāo)記物輪廓相吻合。之后，將4根穿刺針?lè)謩e插入導(dǎo)向柱內(nèi)，再次驗(yàn)證皮膚穿刺入點(diǎn)是否可行(圖4-E，E1，E2)，確定皮膚穿刺點(diǎn)無(wú)誤后，繼續(xù)進(jìn)針至針尖抵達(dá)骨膜處時(shí)，用正側(cè)位C型臂X線機(jī)透視，以驗(yàn)證骨性穿刺點(diǎn)是否為設(shè)計(jì)的理想穿刺點(diǎn)(圖4-F，F(xiàn)1，F(xiàn)2)，骨性穿刺點(diǎn)位置滿意后，則按照導(dǎo)向柱所設(shè)計(jì)的長(zhǎng)度進(jìn)針至理想深度，穿刺結(jié)束后再次行正側(cè)位X線透視，檢查穿刺針的最終位置(圖4-G，G1，G2)。確定進(jìn)針位置滿意后，保留針管，退出針芯。調(diào)制骨水泥(型號(hào)：SpinePlex，Stryker公司，美國(guó))后，置入旋轉(zhuǎn)螺旋推進(jìn)器內(nèi)(Stryker 公司，美國(guó))，用螺旋推進(jìn)器分別推動(dòng)骨水泥4 mL進(jìn)入T12及L1椎體內(nèi)。注射過(guò)程中行C型臂X線機(jī)透視，確保骨水泥彌散位置良好，避免出現(xiàn)骨水泥滲漏造成神經(jīng)損傷、脊髓壓迫等并發(fā)癥(圖4-H，H1-8)。術(shù)畢縫合傷口。

2 結(jié)果

本例患者手術(shù)共耗時(shí)(從消毒鋪單開(kāi)始計(jì)時(shí)到最終透視結(jié)束)25 min，術(shù)中2次透視即確定T12及L1椎體的雙側(cè)皮膚穿刺入點(diǎn)，術(shù)中總透視次數(shù)為20次，總透視劑量5.55 mGy?；颊咝g(shù)中未出現(xiàn)任何手術(shù)相關(guān)并發(fā)癥，VAS評(píng)分由術(shù)前9分改善至術(shù)后2分。術(shù)后復(fù)查X線示骨水泥彌散良好，無(wú)滲漏(圖4-J，K)。3個(gè)月后隨訪，患者手術(shù)效果滿意，VAS評(píng)分降至0分；無(wú)任何手術(shù)相關(guān)并發(fā)癥發(fā)生。

圖4 A:利用手機(jī)水平儀軟件匹配患者體位；B：導(dǎo)板與皮膚匹配確定皮膚入點(diǎn)；C : 最終確定好的皮膚入點(diǎn)；D，D1，D2: 放置克氏針檢驗(yàn)穿刺點(diǎn)位置；E，E1，E2：檢驗(yàn)皮膚穿刺進(jìn)針點(diǎn)是否理想；F，F(xiàn)1，F(xiàn)2：驗(yàn)證骨性穿刺點(diǎn)是否理想；G，G1，G2：完成穿刺并檢查穿刺針最終位置；H，H1-8：注入骨水泥；I：拔出穿刺針后的最終情況；J，K：術(shù)后復(fù)查腰椎正側(cè)位X線

3 討論

對(duì)于OVCF患者，常采用后路經(jīng)椎弓根雙側(cè)入路的經(jīng)皮椎體成形術(shù)治療。為了提高PVP手術(shù)的成功率，穿刺前，在C型臂X線機(jī)的透視下用克氏針確定好皮膚穿刺入點(diǎn)及最佳的骨性穿刺點(diǎn)至關(guān)重要。傳統(tǒng)手術(shù)穿刺方法存在以下缺點(diǎn)：①術(shù)中穿刺針的進(jìn)針角度主要依賴于手術(shù)醫(yī)生的手術(shù)經(jīng)驗(yàn)和手感。不同患者背部皮膚和肌肉的厚薄程度以及椎弓根的解剖結(jié)構(gòu)不盡相同，影響了術(shù)者對(duì)皮膚入點(diǎn)及角度的確定，進(jìn)而影響穿刺的成功率，而且穿刺相關(guān)并發(fā)癥及骨水泥滲漏相關(guān)并發(fā)癥的發(fā)生也會(huì)隨之增加。②穿刺過(guò)程中需反復(fù)X線透視，增加了患者、手術(shù)醫(yī)師及麻醉醫(yī)師的放射暴露風(fēng)險(xiǎn)。Fitousi等[10]的研究顯示，在傳統(tǒng)PVP手術(shù)過(guò)程中，外科醫(yī)生手的平均暴露劑量為1.661mGy。這一研究表明，一名外科醫(yī)生每年最多只能主刀約150臺(tái)PVP手術(shù)，才能保證不會(huì)超過(guò)放射劑量安全限制值。

隨著精準(zhǔn)外科概念的提出和快速發(fā)展，3D打印技術(shù)也越來(lái)越多地應(yīng)用于臨床實(shí)踐中，與傳統(tǒng)手術(shù)方式相結(jié)合以改良手術(shù)技術(shù)，其中包括復(fù)雜骨折的治療、關(guān)節(jié)置換、個(gè)性化植入物等[11-13]。3D打印個(gè)體化導(dǎo)向板作為3D打印技術(shù)的一項(xiàng)分支技術(shù)，已在多種脊柱外科的手術(shù)中得到了應(yīng)用[14]。并且隨著CT、MRI等影像學(xué)技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件以及3D打印技術(shù)在近年來(lái)的不斷進(jìn)步，3D打印個(gè)體化導(dǎo)向板技術(shù)發(fā)展迅速且愈發(fā)成熟，因其自身所具備的一些優(yōu)勢(shì)，如提高手術(shù)精準(zhǔn)性，縮短手術(shù)時(shí)間等[15-16]，已在脊柱外科領(lǐng)域得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。為此，在本研究中，本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制作了3D打印個(gè)體化導(dǎo)向板來(lái)改良傳統(tǒng)的經(jīng)皮椎體成形術(shù)，以期可以提高PVP穿刺技術(shù)的準(zhǔn)確性和安全性，并獲得了理想的治療效果。

通過(guò)本例手術(shù)的研究，筆者發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)手術(shù)相比，3D打印個(gè)體化導(dǎo)向板輔助的PVP手術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：①通過(guò)術(shù)前在MIMICS軟件內(nèi)重建出骨折椎體的三維形態(tài)，手術(shù)醫(yī)師可以更好地了解椎體的形態(tài)特點(diǎn)，包括有無(wú)上、下終板的破損，有無(wú)前、后緣的破裂?；趯?duì)于目標(biāo)椎體的了解，可設(shè)計(jì)出最佳的個(gè)體化穿刺路徑用于手術(shù)之中，盡可能地避免穿刺相關(guān)并發(fā)癥的出現(xiàn)。②因?yàn)榇蛴〕鲇糜谑中g(shù)的3D個(gè)體化導(dǎo)向板上的導(dǎo)向柱已預(yù)先確定好了穿刺針的方向和深度，所以與傳統(tǒng)術(shù)式相比，3D導(dǎo)板輔助的手術(shù)只需要在穿刺前使用極少次數(shù)的X線透視來(lái)確定導(dǎo)向柱的準(zhǔn)確性，當(dāng)導(dǎo)向柱的精準(zhǔn)性確認(rèn)無(wú)誤時(shí)，便無(wú)需在術(shù)中多次使用X線透視來(lái)調(diào)整穿刺針的方向及角度，從而節(jié)省了術(shù)中調(diào)整穿刺針的時(shí)間以及反復(fù)透視的時(shí)間，也進(jìn)而減少了術(shù)中X線透射的次數(shù)和劑量，并縮短了手術(shù)的時(shí)間。③本團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，此技術(shù)在術(shù)前重建了骨折椎體的三維圖形，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出個(gè)體化的手術(shù)穿刺路徑，所以該技術(shù)可能有助于減少術(shù)中穿刺相關(guān)并發(fā)癥的發(fā)生及降低術(shù)中、術(shù)后骨水泥滲漏的概率，但是此假說(shuō)需后續(xù)進(jìn)一步開(kāi)展大樣本的研究來(lái)證實(shí)；④對(duì)于初學(xué)手術(shù)的青年醫(yī)師而言，該技術(shù)可能有助于縮短PVP的學(xué)習(xí)曲線，并有助于更容易地找到穿刺點(diǎn)。

在本團(tuán)隊(duì)的實(shí)際臨床操作中，筆者也發(fā)現(xiàn)該手術(shù)技術(shù)的如下不足：①熟練地掌握MIMICS這項(xiàng)軟件的應(yīng)用操作需要一定的學(xué)習(xí)時(shí)間；②術(shù)前在軟件內(nèi)設(shè)計(jì)導(dǎo)向板需要花費(fèi)一些額外的時(shí)間，消耗一定的人力，而導(dǎo)向板的打印也會(huì)增加患者少量額外的費(fèi)用；③在真實(shí)手術(shù)操作時(shí)，需保證患者手術(shù)時(shí)的體位與術(shù)前行俯臥位CT檢查時(shí)的體位完全一致，如果體位確定不好，可能會(huì)造成術(shù)中無(wú)法完全復(fù)原術(shù)前的設(shè)計(jì)，從而造成些許的穿刺角度的偏差，但這并不一定會(huì)影響手術(shù)的效果和成功率。