3D打印技術在腰椎滑脫椎體椎弓根螺釘置入技術中的應用

陳勤　陳榮春　游輝

【摘要】 目的：探討3D打印技術在滑脫腰椎椎體中椎弓根釘置入過程中的應用價值。方法：選取本院2014年7月-2015年6月間因腰椎滑脫施行手術的40例患者分為兩組，每組各20例。手術方案均采用傳統腰椎后路椎板切除椎管減壓椎間植骨融合椎弓根釘內固定術（PLIF）手術，傳統徒手穿刺組采用傳統徒手穿刺完成椎弓根釘置入，3D打印組術前進行3D實體腰椎模型的打印，記錄兩組在滑脫椎體椎弓根釘置入過程中的工作時間、穿刺次數，均在術后復查CT以判斷椎弓根釘置入的準確性。結果：應用3D打印組在滑脫椎體中置入單個椎弓根的平均時間為（5.60±1.85）min，明顯短于傳統徒手穿刺組的（8.10±1.63）min；穿刺次數平均為（1.20±0.20）次，少于傳統徒手穿刺組的（1.80±0.50）次；術后CT平掃提示3D打印組的38枚（95.00%）椎弓根螺釘完全位于椎弓根內，準確率明顯高于傳統徒手組的80.00%，兩組比較差異均有統計學意義（P<0.05）。結論：應用3D打印技術有助于椎弓根螺釘置入術前計劃的制定，在滑脫腰椎椎體椎弓根釘的置入過程中可有效減少置釘時間并且明顯提高置釘的準確性。

【關鍵詞】 3D打印； 腰椎滑脫； 椎弓根螺釘技術

【Abstract】 Objective：To discuss the value of the 3D Printing Technology in lumbar spondylolisthesis pedicle screws.Method：40 patients with lumbar spondylolisthesis were selected in our hospital from July 2014 to June 2015，they were divided into two groups，20 cases in each group.All patients were instrumented with posterior lumber interbody fusion（PLIF），the conventional hand puncture group was treated by traditional method of pedicle screws，the 3D printing group was treated by the help of 3D printing technology. The finish time of single pedicle screw and the number of replacement times were recorded， all the position of perdicle screw of spondylolisthesis were observed by CT scan to evaluate the screw placement accuracy.Result：The finish time of single screw in 3D printing group was （5.60±1.85）min，which was shorter than（8.10±1.63）min of conventional hand puncture group；the number of replacement times in 3D printing group was （1.20±0.20）times，which was less than（1.80±0.50）times of conventional hand puncture group；according to the CT results， the excellent rate of pedicle screw position in 3D printing group was 95.00%，which was higher than 80.00% of the conventional hand puncture group，the differences were statistically significant（P<0.05）.Conclusion：Application of 3D printing technology is helpful to the development of the pedicle screw placement plan，can effectively reduce the time of the pedicle screw placement in the course of the pedicle screw placement and improve the accuracy of the screw placement.

【Key words】 3D Printing Technology； Lumbar spondylolisthesis； Pedicle screws

First-authors address：The Peoples Hospital of Ganzhou，Ganzhou 341000，China

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2015.35.019

目前腰椎滑脫癥的手術治療主要以后路PLIF手術為主，雖然在滑脫椎體的復位與否上目前存在一定爭議，然而目前達成共識的觀點都認為腰椎滑脫手術的目的在于解決滑脫椎體的失穩定，手術治療的最終目的為實現腰椎滑脫節段的融合[1-2]。在傳統脊柱融合技術當中，椎弓根釘棒系統是目前應用最多且最為重要的技術，其中椎弓根螺釘的置入準確性與否直接影響最終的手術治療效果，由于滑脫椎體與正常椎體解剖標志差異較大，以往經驗的定位方法常導致椎弓根釘置入的困難以及螺釘的穿出，并導致嚴重的神經損傷[3-4]。本科自2014年開始引進美國Makerbot公司的3D打印機及配套MakerBot Desktop 3.6軟件，并在腰椎滑脫患者術前進行應用，結合腰椎滑脫節段打印出的實體模型制定相應的椎弓根釘置釘計劃，取得了較好的置釘效果，現報道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選取2014年7月-2015年6月在贛州市人民醫院脊柱外科手術治療的腰椎滑脫患者40例，均為單節段滑脫，共計40個滑脫椎體，共80個椎弓根；其中退變性滑脫14例，真性滑脫26例；1度滑脫31例，2度滑脫7例，3度滑脫2例；年齡38～72歲，平均（52.40±6.80）歲；男17例，女23例；腰3椎體滑脫5例，腰4椎體滑脫24例，腰5椎體11例。根據術前計劃是否引入3D打印技術，將所有病例分為傳統徒手穿刺組與3D打印組，每組各20例，手術方式均為后路PLIF手術。傳統徒手穿刺組術中椎弓根釘的置入依靠術前相關影像資料確定，術中根據經驗手法穿刺；3D打印組選擇術前通過三維CT資料導入軟件建模，使用3D打印機進行實體模型打印。兩組術中均采用C臂機透視進一步證實置釘的準確性。

1.2 方法 所有納入患者術前均行64排螺旋CT檢查對腰椎滑脫節段進行三維重建，傳統徒手穿刺組根據CT及X線影像資料并結合Magerl定位方法確定滑脫椎體的穿刺方案，術中徒手進行穿刺；3D打印組將所得CT檢查DICOM文件導入軟件進行建模并進行滑脫椎體節段的實體打印，在實體標本及模擬對滑脫腰椎椎體進行椎弓根入釘點解剖標志的判定及定位，并確定置釘方向及深度。所有手術均由同一組手術團隊施行，鈦合金材質椎弓根螺釘系統均由天津正天醫療器械有限公司生產。患者均使用脊柱專用手術床擺放體位，全麻插管麻醉完成后取俯臥位，對腰背部手術區域進行常規消毒鋪巾，對手術節段C臂機準確定位后取腰椎后正中入路，切開皮膚及筋膜層后沿棘突向兩側剝離椎旁肌群，充分暴露滑脫需固定節段的關節突關節。依據術前手術計劃在椎體的上關節突上進一步確認椎弓根螺釘的入釘點以及方向并進行椎弓根穿刺，穿刺完成后通過C臂機進一步確認椎弓根穿刺方向及深度，如確認無誤則隨后植入椎弓根釘，隨后臨時連接釘棒系統并稍撐開椎間隙，對椎體的后方椎板部分進行切除以完成椎管減壓。檢查并松解雙側上位及下位神經根，保護好硬膜及神經根對滑脫節段的椎間盤進行切除，并對椎間隙充分松解后對滑脫節段進行復位，復位完成后對椎間隙進行植骨并置入椎間融合器，隨后完成椎弓根釘棒系統的加壓及鎖定。主要記錄椎弓根釘置入時間（穿刺開始到螺釘置入完畢時間）、穿刺次數（包含椎弓根穿刺調整次數），手術后行CT檢查明確椎弓根螺釘置入后是否在椎弓根內，是否存在穿破皮質的情況。

1.3 統計學處理 使用SPSS 17.0統計軟件進行分析，計量資料采用（x±s）表示，比較采用t檢驗，計數資料采用 字2檢驗，以P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

80個滑脫椎體經統計學分析，兩組的性別與年齡比較差異無統計學意義（P>0.05）；3D打印組在滑脫椎體中置入單個椎弓根螺釘的平均時間為（5.60±1.85）min，明顯短于傳統手法穿刺組的（8.10±1.63）min，兩組比較差異均有統計學意義（P<0.05）；3D打印組穿刺次數平均為（1.20±0.20）次，少于傳統徒手穿刺組（1.80±0.50）次，兩組比較差異均有統計學意義（P<0.05）。術后CT平掃提示3D打印組38枚（95.00%）椎弓根螺釘完全位于椎弓根內，2枚椎弓根螺釘部分穿破內側壁（未產生神經癥狀體征），穿出率為5.00%，分別為腰5椎體3度滑脫單側及腰4椎體2度滑脫單側；傳統徒手穿刺組32枚（80.00%）椎弓根螺釘完全位于椎弓根內，8枚部分穿破內側壁（未產生神經癥狀體征），穿出率為20.00%，分別為4例腰5椎體1度滑脫單側、2例腰4椎體滑脫單側以及2例腰4椎體2度滑脫雙側，3D打印組在椎弓根螺釘的準確性方面明顯優于傳統手法穿刺組，兩組比較差異有統計學意義（P<0.05），典型病例見圖1。

3 討論

在腰椎滑脫癥病例中，椎弓根釘的準確置入對于抵抗滑脫椎體的各個方向的剪切應力對實現椎體的滑脫順利復位以及恢復椎體穩定性的過程起著至關重要的作用，椎弓根螺釘的準確植入是手術成功的基礎，穿破椎弓根的螺釘對于鄰近重要神經組織損傷將導致嚴重不良后果[5-6]。對于解剖結構復雜多變的滑脫椎體，由于長期慢性的炎癥介質刺激，關節突關節嚴重增生，椎弓根的解剖結構存在巨大的變異性，人字嵴等傳統定位解剖標識往往難以識別，甚至橫突結構也存在一定的改變，傳統椎弓根釘入釘點的確定更為困難，腰椎滑脫椎體植入椎弓根釘的準確性也難以得到保障。

目前雖有多種椎弓根螺釘置入的定位及穿刺辦法，然而目前僅依靠解剖結構的定位，并沒有哪一種穿刺定位手段可以達到高度準確的成功率。有學者提出手術者的經驗在一定程度上決定著置釘的準確性，因此有部分學者提出在椎弓根釘的置入中應當采用個體化治療的手段，可以在術前通過個體化的影像數據進行數字化技術處理，在術前模擬完成椎弓根釘置入的計劃以提升置釘的準確性[7-9]。也有學者指出采用術中導航技術對椎弓根釘置入實現實時監控，可以大大提高椎弓根釘植入的準確程度[10]。然而由于導航設備的昂貴及操作的復雜程度，限制了該技術的進一步發展，可以確定的是，為了保證在椎弓根螺釘的置入中的準確率，應當采取個體化的原則。近年來3D打印技術逐漸運用于醫療，尤其在骨科學領域逐漸得到重視，在骨科手術的個體化診斷以及治療中，有研究發現在椎弓根釘的植入方面可制作出專門的導板以進一步提高成功率，并有較多研究指出3D打印快速成型技術在指導創傷骨科手術以及關節置換等方面可以提高手術的效率以及準確性[11-15]。

本研究通過利用3D打印技術，對手術節段進行建模并打印出與實體1∶1等大的實體腰椎滑脫節段模型，在術前通過結合影像測量以及觀察實體模型的方法，對滑脫椎體椎弓根釘的植入產生立體的概念及構型，并在術前可對實體模型進行模擬的椎弓根釘置入，確定準確的入釘點及相關標志、方向以及深度。在本次研究的實際運用中，使用了3D打印技術組的病例在置釘時間上明顯短于傳統徒手置釘組，穿刺的次數也比徒手組減少，術后的CT影像上穿破椎弓根皮質的情況也少于徒手置釘組。3D打印技術在術前的運用有助于提高腰椎滑脫椎體椎弓根釘植入的準確率，同時減少穿刺次數以及手術的時間，提高了置釘效率，并且減少了因穿刺次數增加的C臂透視所帶來的射線暴露。分析其原因，筆者認為可能與下列原因有關：（1）傳統的CT三維重建僅能提供虛擬的三維圖像，醫者對于疾病的評估僅能通過想象在腦中進行空間的三維圖像再重建，而3D打印技術所形成的三維實體模型提供了傳統二維圖像以及虛擬三維圖像所不能給予的直觀感受，在術前提供更為宏觀的模型有利于術者對手術節段的整體把握，3D打印實體模型有助于術者在術前滑脫節段進行全面的整體評估[16]。（2）3D打印模型在術前可以充分評估腰椎滑脫節段在手術中可能帶來的難點及重點，對關節突關節增生導致的骨性標志的模糊充分評估，去偽存真，選擇出正確的椎弓根釘置釘點，減少增生組織導致的誤判，在術前即可形成良好的手術計劃；然而椎弓根的置釘仍需要術者豐富的經驗和技術作為支持，椎弓根釘植入的基本技術是椎弓根成功置入的根本。

由于3D打印技術在現階段仍然存在一定的設計局限性，在打印模型的精確度上存在一定的誤差，可能與本次研究中3D打印組出現2例滑脫程度較重的椎弓根釘有一定的相關性。在術前的計劃中應充分考慮打印精度的不足所導致的誤差，不能過度依靠3D打印模型，盡量在認真閱片的基礎上選擇更為明顯的骨性標志物作為進針參照點，穿刺過程中，經驗豐富的術者也可在一定程度上抵消設計精度的缺陷。術前詳細作出置釘計劃，利用3D打印技術軟件重建腰椎滑脫節段的三維模型，立體的從各個角度、層面完成滑脫椎體及正常椎體的椎弓根釘方向及深度測量，減少螺釘置入失敗幾率以保證手術的安全性，同時也節省手術時間。尤其在結合微創技術置釘的過程中，由于微創切口小且暴露的組織結構有限，3D打印技術模型的運用可能將更有助于術者在術前的充分評估，依靠模型使用手指接觸相關骨性標志進行模擬的置釘可能將進一步減少置釘的失敗幾率，術前3D實體模型的運用也更有利于年輕脊柱外科醫生的學習。

由于現階段醫學領域3D打印技術的迅速發展，其成本及實用性、門檻在不斷下降，也有利于該技術的進一步普及。3D打印技術充分體現了骨科手術的個體化治療的趨勢及原則，在個體化的椎弓根釘置入方面不失為一種好的方法。

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（收稿日期：2015-09-23） （本文編輯：周亞杰）