個體化頸椎椎弓根置釘導航模板的設計制作及其應用觀察

張振輝,王慶德,梅偉,毛克政,朱耀輝,姜文濤,劉沛霖,郭潤棟,陳旭義

(1鄭州市骨科醫院，鄭州450052；2天津武警后勤學院附屬醫院)

個體化頸椎椎弓根置釘導航模板的設計制作及其應用觀察

張振輝1,王慶德1,梅偉1,毛克政1,朱耀輝1,姜文濤1,劉沛霖1,郭潤棟1,陳旭義2

(1鄭州市骨科醫院，鄭州450052；2天津武警后勤學院附屬醫院)

目的 設計制作個體化頸椎椎弓根置釘導航模板，觀察其輔助頸椎椎弓根螺釘置入的效果。方法 對8具成人尸體標本頸椎(C3～C6)進行CT掃描獲取數據，用MIMICS軟件重建頸椎三維模型，設計頸椎椎弓根的最佳進釘通道。根據頸椎椎板的表面解剖學形態，設計與頸椎椎板相吻合的反向模板。最后將椎弓根螺釘進釘通道和反向模板合成在一起，建立個體化頸椎椎弓根置釘導航模板的數據模型并以STL格式保存。用快速成型技術打印出導航模板實物。將導航模板與尸體椎體的后部結構貼合，輔助置入頸椎椎弓根螺釘，術后X線及CT檢查評價椎弓根螺釘位置。結果 共制作出個體化頸椎椎弓根置釘導航模板32個，充分暴露尸體椎體后部骨性結構，模板能夠和椎體后部結構很好地貼合在一起。在無透視情況下置釘64枚。置釘過程中導航模板穩定性高，置釘順利。術后X線和CT檢查結果顯示62枚螺釘完全在椎弓根內，1枚螺釘穿破椎弓根內側壁，1枚螺釘穿破椎弓根外側壁。結論 成功設計制作了個體化頸椎椎弓根置釘導航模板，用其輔助頸椎椎弓根螺釘置入效果滿意。

頸椎；椎弓根螺釘植入術；導航模板

頸椎椎弓根螺釘置入內固定技術符合脊柱三柱固定原理，提供了較傳統固定方法更為可靠的生物力學穩定性，對脊柱活動度影響較小[1, 2]。但由于頸椎解剖結構復雜，椎弓根細小且個體變異性大，增大了椎弓根螺釘的置入的難度[3～5]。因此，如何提高頸椎椎弓根螺釘置入的準確性一直都是研究熱點[6]。目前對于椎弓根螺釘置入技術標準尚未達成共識[7]。2014年1月～2015年12月，我們綜合利用影像學、計算機三維重建、逆向工程原理以及快速成型技術設計制作了一種新型個體化頸椎椎弓根置釘導航模板，并用其輔助尸體頸椎椎弓根螺釘置入，效果滿意。現報告如下。

1 材料與方法

1.1 材料 10%甲醛浸泡的成年尸體標本8具，由鄭州市衛生學校解剖教研室提供。標本包括完整的C3～C7骨性結構及頸旁肌肉、韌帶等軟組織。所有標本均通過X線及CT檢查，排除骨折、結核、腫瘤、嚴重畸形以及椎弓根特別細小等可能會影響實驗結果的因素。

1.2 個體化頸椎椎弓根置釘導航模板的設計和制作方法 對8具尸體標本頸椎行64排螺旋CT掃描(層厚0.65 mm，電流220 mA，電壓120 kV)，數據以DICOM格式保存，導入三維重建軟件MIMICS10．01件(比利時Materialise公司)進行頸椎三維模型重建。在MIMICS軟件中，首先運用閾值選取技術根據骨組織密度范圍選定頸椎骨性結構，得出該組織的閾值范圍，接受這一范圍并獲得頸椎的原始蒙罩。然后運用三維區域增長技術選取欲重建的頸椎區域，對原始蒙罩進行處理，得到新蒙罩。隨后在三維實體(3D Object)欄導入新蒙罩并加以運算，便獲得所選取實體結構區域的三維重建模型。將三維重建模型透明化，參考 Resnick頸椎椎弓根螺釘置入法標記出椎弓根軸線。軸線確定后，用直徑3.5 mm的圓柱體代替椎弓根螺釘，通過軟件設計椎弓根的最佳進釘通道，分別在矢狀面、冠狀面和軸面觀察圓柱體通過椎弓根的位置。提取C3～C6椎體后方對應骨性表面解剖數據，建立與其解剖形態一致的反向模板；最后將設計的椎弓根螺釘進釘通道和反向模板合成在一起，形成帶有雙側定位定向孔的單椎體個體化導航模板，以STL格式保存。將STL格式保存的頸椎三維模型及導向模板文件導入三維打印機，采用快速成型技術和丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物(ABS)樹脂材料制作出椎弓根螺釘個體化導航模板。

1.3 個體化頸椎椎弓根置釘導航模板應用效果觀察方法 尸體頸椎后正中入路，充分顯露后方結構至雙側小關節突外側緣。將導航模板和尸椎椎體的后部緊密貼合，助手將其固定，用電鉆沿著導向孔鉆出進釘通道，用探針對置釘通道四壁及底部進行探查，確定釘道沒有偏離椎弓根后進行置釘。攻絲后緩慢擰入相應長度和直徑的螺釘。 術后行頸椎正側位X線片及CT檢查，評估椎弓根螺釘置入的精確性。

2 結果

根據尸體標本頸椎CT掃描DICOM格式數據重建頸椎三維模型。將三維重建模型透明化，通過軟件設計椎弓根的最佳進釘通道，并觀察進釘通道的位置。根據椎體后方骨性結構設計與其貼合的反向模板。將帶有導向孔的反向模板與椎體表面相結合。共制作出個體化頸椎椎弓根置釘導航模板32個，充分暴露椎體后部骨性結構，模板能夠和椎體后部結構很好地貼合在一起。在無透視情況下置釘64枚。置釘過程中導航模板穩定性高，置釘順利。術后X線和CT檢查結果顯示62枚螺釘完全在椎弓根內，1枚螺釘穿破椎弓根內側壁，1枚螺釘穿破椎弓根外側壁。

3 討論

頸椎椎弓根螺釘內固定有著抗拔出力強、螺釘穩定性好等優點，廣泛用于治療頸椎骨折、腫瘤、畸形、后縱韌帶骨化等[8]。目前國內外頸椎椎弓根螺釘植入的方法主要有四種：解剖定位法、椎板開窗椎弓根探查法、計算機導航定位法、導航模板法等[9]。解剖定位法主要是依靠術者的經驗及手感來保證椎弓根螺釘的準確置入，有一定的盲目性，對術者要求高且術后并發癥較多[10～15]。通過部分椎板切除行椎弓根螺釘置入一定程度上降低了螺釘誤置率，但椎板開窗有誤傷脊髓的可能，增加手術時間及術中出血量[16]。計算機輔助導航法使術者在直視下評估螺釘進釘點及方向，大大提高了置釘安全性和準確率，降低了神經、血管損傷的風險[5, 17～19]。但考慮目前的導航設備價格昂貴、操作步驟繁瑣、手術時間長、消毒不便等缺點，尚難以在國內廣泛推廣。

數字化骨科是數字醫學在骨科領域中的具體應用。通過計算機三維圖像處理軟件讀取醫學影像設備輸出的計算機斷層掃描圖像，并對骨骼數字圖像進行切割、拼接、測量、分析，規劃術前方案，模擬手術過程，評估術后結果，在骨科領域中尤其在復雜骨科疾患的臨床應用中具有廣闊的發展前景，將成為未來骨科技術發展的主要趨勢[20]。本研究中筆者綜合利用影像學、計算機三維重建、逆向工程原理以及快速成型技術設計制作了個體化頸椎椎弓根置釘導航模板，并用其輔助尸體頸椎椎弓根螺釘置入，效果滿意。逆向工程原理是利用影像設備(CT、MRI等)對實物體進行掃描和測量，通過計算機加工處理重現三維實體造型的過程。快速成型技術是一種集計算機處理、數控技術、激光技術及材料學等多學科交叉的新興成形技術。運用粉末狀金屬或樹脂等可黏合材料，按照逆向工程所構建的數字模型逐層打印實物標本。

本研究所涉及導航模板有以下優點：①便于消毒，導航模板在低溫等離子條件下即可完成消毒；操作方便，術者只需要將導航模板緊密貼合于相應解剖位置上，即可完成椎弓根螺釘的準確定位及定向。②置釘準確率及安全性高。合理的術前規劃使得對每個椎弓根都準確定位、定向以及所置入螺釘直徑、長度的恰當選擇。③導航模板為單椎體雙側定位導向孔設計。模板大小未超過單個椎體范圍，不會因為相鄰椎體間的相對移動而導致定位失敗，術中可以任意改變患者的體位。④相比計算機導航技術，無需人工注冊等繁瑣操作。

用個體化頸椎椎弓根置釘導航模板輔助行頸椎椎弓根置釘目前也存在一些亟待解決的問題，比如術前規劃、導航模板設計和制作時間較長，手術人員同時需要熟練掌握相關計算機軟件等[5]。以下幾個因素可能會影響到模板輔助置釘的準確性，應引起足夠重視。①導航模板設計的穩定性：考慮相鄰頸椎間有相對活動度，設計導航模板時不應超過單個椎體范圍。導航模板的過大或過小都會影響進釘通道的準確性。本研究所設計制造出的個體化導航模板均為單椎體雙側定位導向孔，增加模板應用時的穩定性，術中可以根據需要改變患者的體位。②導航模板制作的精確性：導航模板制作過程中有幾個環節可能影響其精確性：如頸椎三維模型建立過程中CT掃描的層厚、層間距及骨結構輪廓勾勒等；快速成型過程中STL格式轉化的精度；快速成型材料選擇不當導致模板的變形等。有研究表明，快速成型模型和對應實物之間的誤差范圍在0～1 mm。因此，模板在對椎弓根的定位定向上可能會出現輕微的偏差。術者必須在導航模板操作基礎上，應用探針對置釘通道四壁及底部進行探查，確定釘道沒有偏離椎弓根后方可置釘。置釘完成后常規透視以證實螺釘的位置是否正確，確保手術安全。③導航模板的貼合性：導航模板和相應頸椎骨性結構是否能很好地貼附吻合，是手術準確定位定向、置釘成敗的關鍵所在。故術中必須將相應的頸椎棘突、椎板、側塊背側等軟組織剔除干凈，同時避免破壞頸椎后部的骨性解剖結構，使模板能夠緊密貼合于骨性結構，從而提高進釘通道的準確度。④手術操作的穩定性：由于手動鉆頭容易產生晃動，導致模板的移動。因此在置釘通道準備時，最好采用電鉆，使得進釘通道順著定位導向孔方向。否則有可能會引起定位、定向的偏差，影響螺釘置入的準確性。

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國家自然基金青年項目(11102235)；鄭州市普通科技攻關項目(141PPTGG327)。

王慶德(E-mail: 15093483697@163.com)

10.3969/j.issn.1002-266X.2016.47.024

R681.5

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1002-266X(2016)47-0078-03

2016-07-22)