3D打印個(gè)性化異形解剖導(dǎo)向鋼板輔助經(jīng)口前路寰樞椎置釘?shù)臄?shù)字化研究

鄭 軼，張嘉鍇，吳君龍，袁欣華

1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)寧波華美醫(yī)院骨科，寧波 315010

2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)寧波生命與健康產(chǎn)業(yè)研究院，寧波 315010

寰樞椎脫位通常由創(chuàng)傷、感染、腫瘤及先天性發(fā)育畸形等引起。對(duì)于顱頸交界區(qū)畸形及其他疾病引起的寰樞椎脫位常需減壓內(nèi)固定。目前主流的手術(shù)方法仍為后路寰樞椎減壓融合內(nèi)固定術(shù)。但是，后路減壓融合手術(shù)失敗需要翻修的寰樞椎脫位，顱脊段脊髓的壓迫主要來(lái)自前方，寰樞椎后部先天性結(jié)構(gòu)缺失，常需行經(jīng)口入路減壓植骨內(nèi)固定［1-3］。經(jīng)口入路具有入路直接、解剖層次簡(jiǎn)單、不直接牽拉延髓、直接解除脊髓腹側(cè)壓迫等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在以下局限性。①逆向寰樞椎螺釘置入依靠術(shù)者經(jīng)驗(yàn)；②前路寰樞椎鋼板切跡較高，為非解剖型鋼板，置釘區(qū)域受限；③寰樞椎后方即為延髓，外側(cè)為椎動(dòng)脈，置入螺釘可能造成脊髓血腫，甚至呼吸抑制等嚴(yán)重并發(fā)癥［4-6］。為了彌補(bǔ)前路寰樞椎鋼板的不足，寰樞椎個(gè)性化異形解剖導(dǎo)向鋼板的數(shù)字化研究具有重要意義。本研究探討3D打印個(gè)性化異形解剖導(dǎo)向鋼板輔助經(jīng)口前路寰樞椎置釘?shù)目尚行?，旨在為寰樞椎脫位的治療提供一種更為精確的新方法。

1 資料與方法

1.1 寰樞椎3D數(shù)字模型的建立

選取2018年6月—2020年12月中國(guó)科學(xué)院大學(xué)寧波華美醫(yī)院收治的5例難復(fù)性寰樞椎脫位（脫位經(jīng)大質(zhì)量牽引不可復(fù)位）患者的影像學(xué)資料，其中男3例、女2例，年齡42 ～ 55（49.0±5.8）歲。采用64排螺旋CT以層厚1.0 mm對(duì)所有患者寰樞椎進(jìn)行掃描，將原始CT圖像數(shù)據(jù)以DICOM格式導(dǎo)入Mimics 15.01軟件，利用Threshold工具選取骨組織密度、Calculate 3D工具重建寰樞椎3D模型（圖1a、b）。

1.2 螺釘最佳釘?shù)赖脑O(shè)計(jì)及相關(guān)參數(shù)的測(cè)量

在Mimics 15.01軟件中利用Toggle transparency工具調(diào)整模型的透明度，利用模擬復(fù)位功能進(jìn)行難復(fù)性寰樞椎脫位的復(fù)位，全面觀察椎動(dòng)脈走行。在透明化處理的重建圖像中標(biāo)記寰樞椎的軸線，以該軸線的垂直平面對(duì)寰樞椎進(jìn)行切割，使之處于寰樞椎正中。利用Measurements測(cè)量工具測(cè)量經(jīng)口前路寰椎側(cè)塊軸線長(zhǎng)度、樞椎椎弓根長(zhǎng)度、寰樞椎釘?shù)篱L(zhǎng)度及傾斜角度。根據(jù)以上測(cè)量結(jié)果選擇直徑為3.5 mm，長(zhǎng)度合適的虛擬螺釘按照軸線置入寰樞椎。利用NX12.0軟件將寰樞椎模型的曲面抽殼2.4 mm作為鋼板厚度，根據(jù)Mimics 15.01軟件所設(shè)計(jì)的最佳釘?shù)涝O(shè)計(jì)異形解剖鋼板，異形鋼板四角可設(shè)定位孔，定位孔的直徑為1.0 mm，根據(jù)傾斜角度決定鎖定導(dǎo)向孔的螺紋方向，螺紋的螺距為0.5 mm，并設(shè)計(jì)4.0 cm長(zhǎng)度的鎖定導(dǎo)向管便于置釘，其中導(dǎo)向管的螺紋與鎖定導(dǎo)向孔的螺紋相契合，通過(guò)布爾運(yùn)算完成對(duì)鋼板的切孔操作（圖1c、d）。按照測(cè)量的最佳進(jìn)釘點(diǎn)位置及外傾角、尾傾角，將異形鋼板貼附于寰樞椎表面，虛擬螺釘置入寰椎側(cè)塊和樞椎椎弓根。置入后將3D數(shù)字圖像多方位、多層面切割，觀察虛擬螺釘是否穿破寰椎側(cè)塊和樞椎內(nèi)側(cè)壁進(jìn)入椎管或橫突孔。然后通過(guò)微調(diào)螺釘至最佳位置，測(cè)量最佳釘?shù)绤?shù)（圖1e、f）。

圖1 寰樞椎模型數(shù)字化處理Fig. 1 Digitization of atlantoaxial model

1.3 3D打印模型及個(gè)性化異形解剖導(dǎo)向鋼板制作

將復(fù)位后的寰樞椎數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為stl格式導(dǎo)入3D打印機(jī)，打印1∶1寰樞椎模型（圖2a）。將NX 12.0軟件設(shè)計(jì)的異形解剖導(dǎo)向鋼板數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D金屬打印機(jī)中進(jìn)行打?。▓D2b、c），并在實(shí)體模型上進(jìn)行貼合實(shí)驗(yàn)，觀察鋼板貼合度并觀察螺釘是否穿破寰椎側(cè)塊和樞椎椎弓根內(nèi)側(cè)壁，以分析評(píng)價(jià)螺釘置入的安全性和準(zhǔn)確性（圖2d ～ f），并采用X線和CT檢查進(jìn)行驗(yàn)證。

圖2 寰樞椎異形解剖導(dǎo)向鋼板實(shí)體貼合實(shí)驗(yàn)Fig. 2 Physical fitting experiment of atlantoaxial special-shaped anatomical guide plate system

1.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

記錄3D模型的打印時(shí)間、釘?shù)涝O(shè)計(jì)時(shí)間及異形解剖導(dǎo)向鋼板制作時(shí)間。記錄導(dǎo)向鋼板的釘?shù)婪较?、角度及長(zhǎng)度，并與基于CT 3D重建數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的虛擬釘?shù)肋M(jìn)行對(duì)比，評(píng)估螺釘位置的準(zhǔn)確性。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

采用SPSS 19.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。符合正態(tài)分布的計(jì)量資料以±s描述，正態(tài)分布且方差齊的計(jì)量資料組間均數(shù)比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)；以P＜ 0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié) 果

寰樞椎3D模型打印時(shí)間、釘?shù)涝O(shè)計(jì)時(shí)間及異形解剖導(dǎo)向鋼板制作時(shí)間分別為（210.0±10.3）min、（15.0±2.7）min、（1 440.0±25.3）min，總費(fèi)用平均約為4 000元。3D打印寰樞椎個(gè)性化異形解剖導(dǎo)向鋼板與模型貼合良好，X線和CT檢查證實(shí)寰樞椎螺釘位于骨性釘?shù)纼?nèi)（圖3）。逆向寰樞椎椎弓根螺釘釘?shù)婪较?、角度及長(zhǎng)度與基于CT 3D重建數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的虛擬釘?shù)酪恢拢ū?）。

圖3 螺釘位置驗(yàn)證Fig. 3 Screw position verification

表1 虛擬及異形解剖導(dǎo)向鋼板釘?shù)绤?shù)Tab. 1 Screw path parameters of virtual and special-shaped anatomical guide plate N=5，±s

表1 虛擬及異形解剖導(dǎo)向鋼板釘?shù)绤?shù)Tab. 1 Screw path parameters of virtual and special-shaped anatomical guide plate N=5，±s

寰椎A(chǔ)tlas樞椎A(chǔ)xis左側(cè)釘?shù)篱L(zhǎng)度/mm Length of left screw path/mm組別Group左側(cè)釘?shù)劳鈨A角/（°）Camber of left screw path/（°）右側(cè)釘?shù)篱L(zhǎng)度/mm Length of right screw path/mm右側(cè)釘?shù)劳鈨A角/（°）Camber of right screw path/（°）左側(cè)釘?shù)篱L(zhǎng)度/mm Length of left screw path/mm左側(cè)釘?shù)劳鈨A角/（°）Camber of left screw path/（°）左側(cè)釘?shù)牢矁A角/（°）Tail angle of left screw path/（°）右側(cè)釘?shù)篱L(zhǎng)度/mm Length of right screw path/mm右側(cè)釘?shù)劳鈨A角/（°）Camber of right screw path/（°）右側(cè)釘?shù)牢矁A角/（°）Tail angle of right screw path/（°）虛擬Virtual 29.5±0.5 9.5±1.2 28.7±0.8 8.7±1.0 26.5±0.8 19.6±1.4 13.9±1.8 26.8±0.7 19.5±1.7 13.8±1.4導(dǎo)向鋼板Guide plate 29.2±0.5 9.2±1.0 29.4±0.6 8.8±1.1 26.7±0.7 19.8±1.3 13.7±1.7 26.5±0.8 19.3±1.8 13.9±1.5

3 討 論

后路寰樞椎減壓融合術(shù)是治療寰樞椎脫位的標(biāo)準(zhǔn)方案，具有入路簡(jiǎn)單、固定牢固的優(yōu)點(diǎn)［7-8］，不足之處在于間接減壓對(duì)寰樞椎畸形或后方結(jié)構(gòu)醫(yī)源性損傷的寰樞椎脫位無(wú)法實(shí)施固定［9］。而經(jīng)口前路寰樞椎減壓內(nèi)固定術(shù)可從前方直接減壓、固定，直視下進(jìn)行復(fù)位固定操作。有研究［10-11］顯示，經(jīng)口前路寰樞椎內(nèi)固定和傳統(tǒng)后路寰樞椎內(nèi)固定的生物力學(xué)相比，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。但寰樞椎周圍解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，椎動(dòng)脈在樞椎橫突孔和寰椎上方走行，置釘失誤易傷及鄰近重要血管及神經(jīng)，限制了經(jīng)口前路鋼板-螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)的推廣應(yīng)用［12-13］。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于經(jīng)口前路逆向寰樞椎螺釘最佳置釘方案尚無(wú)統(tǒng)一規(guī)范，由于寰樞椎形態(tài)變異較大，解剖學(xué)測(cè)量數(shù)據(jù)在寰樞椎置釘臨床實(shí)際操作時(shí)只能作為參考，形態(tài)結(jié)構(gòu)的大體觀測(cè)難以適應(yīng)不同個(gè)體寰樞椎內(nèi)固定所經(jīng)通道的變化特點(diǎn)。本研究組前期通過(guò)解剖學(xué)和螺旋CT掃描對(duì)于逆向寰樞椎椎弓根螺釘?shù)倪M(jìn)釘點(diǎn)和安全通道進(jìn)行了形態(tài)學(xué)研究［14］，發(fā)現(xiàn)經(jīng)口入路置入直徑為3.5 mm的C2椎弓根螺釘安全可行。也有文獻(xiàn)［15］報(bào)道，3D影像導(dǎo)航可為手術(shù)過(guò)程提供實(shí)時(shí)圖像，降低置釘難度及并發(fā)癥發(fā)生率，但費(fèi)用較高，目前難以大范圍推廣應(yīng)用。目前，臨床上常用的經(jīng)口前路寰樞椎鋼板系統(tǒng)為經(jīng)口前路寰樞椎復(fù)位鋼板（TARP）［16］。本研究設(shè)計(jì)的個(gè)性化異形解剖導(dǎo)向鋼板與傳統(tǒng)TARP均為一體化經(jīng)口前路寰樞椎鋼板，TARP的不足之處在于寰樞椎螺釘?shù)闹萌胍蕾囆g(shù)者的經(jīng)驗(yàn)和手感，鋼板貼合度欠佳，學(xué)習(xí)曲線陡峭；而本研究設(shè)計(jì)的個(gè)性化異形解剖導(dǎo)向鋼板通過(guò)術(shù)前模擬復(fù)位設(shè)計(jì)螺釘?shù)膶?dǎo)向孔，可實(shí)現(xiàn)螺釘?shù)木_置入，減少神經(jīng)、血管損傷等風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，個(gè)性化異形解剖導(dǎo)向鋼板的設(shè)計(jì)克服了貼合性不佳的問(wèn)題。

3D打印、逆向工程技術(shù)輔助經(jīng)口前路寰樞椎個(gè)性化異形解剖導(dǎo)向鋼板的適應(yīng)證主要包括后路減壓融合手術(shù)失敗需要翻修的寰樞椎脫位、寰樞椎后方先天性結(jié)構(gòu)缺失、醫(yī)源性寰樞椎后部結(jié)構(gòu)切除及顱脊段脊髓壓迫主要來(lái)自前方的患者。禁忌證包括寰樞椎病理性骨折、腫瘤等椎體破壞塌陷無(wú)法進(jìn)行經(jīng)口前路手術(shù)者，嚴(yán)重肺部感染者及其他原因不能耐受手術(shù)者。本研究組研制的經(jīng)口前路寰樞椎個(gè)性化異形解剖導(dǎo)向鋼板由于個(gè)性化設(shè)計(jì)難以批量生產(chǎn)，且制作成本較高，從設(shè)計(jì)制作到臨床應(yīng)用需要2 ～ 3 d，不適用于急性寰樞椎脫位的診治，存在一定的時(shí)間滯后性，尚有待改進(jìn)。

綜上，本研究基于3D打印、逆向工程技術(shù)進(jìn)行經(jīng)口前路寰樞椎個(gè)性化異形解剖導(dǎo)向鋼板的數(shù)字化研究，建立個(gè)性化寰樞椎3D模型并設(shè)計(jì)貼合度良好的帶導(dǎo)向孔的個(gè)性化異形解剖導(dǎo)向鋼板，研究個(gè)性化逆向寰椎側(cè)塊、樞椎椎弓根螺釘?shù)倪M(jìn)釘點(diǎn)及螺釘置入的理想角度和長(zhǎng)度，通過(guò)控制導(dǎo)向螺紋的方法控制螺釘?shù)耐鈨A角和尾傾角，經(jīng)影像學(xué)證實(shí)該系統(tǒng)具有可行性，且安全、準(zhǔn)確，為寰樞椎脫位的治療提供了一種精確的新方法。