微型快速成型導向模板輔助樞椎椎弓根螺釘置釘偏差分析

嚴超，陳劍鋒，尚崢輝，梁杰，覃濤

(三峽大學人民醫院宜昌市第一人民醫院骨科，湖北 宜昌443000)

微型快速成型導向模板輔助樞椎椎弓根螺釘置釘偏差分析

嚴超，陳劍鋒，尚崢輝，梁杰，覃濤

(三峽大學人民醫院宜昌市第一人民醫院骨科，湖北 宜昌443000)

目的 驗證微型快速成型導板輔助后路樞椎椎弓根螺釘置釘的準確性及其偏差分析。方法 隨機選取2012年9月至2015年9月三峽大學人民醫院12例受試者的樞椎CT連續掃描數據，利用Mimics10.01重建后，導入UG7.0，設計偏差檢測板及樞椎后表面互補基板。在桌面3D打印機器制作頸椎及導板模型，利用導板、直徑3 mm克氏針在3D頸椎模型模擬置釘。最后利用游標卡尺在偏差檢測導板上測量出釘點距X軸、Y軸位移，克氏針置入長度，并同計算機測量數值比較。結果 游標卡尺測量組同計算機測量組比較，在進釘深度、X軸位移、Y軸位移方面差異均無統計學意義(P＞0.05)，導板置釘準確性可靠。結論 使用微型導板在減少設計、制造時間同時能有效的輔助樞椎椎弓根螺釘置入，提高了該手術的安全性,同時為數字化導航手術的實現奠定了基礎。

微型導板；樞椎；椎弓根螺釘；偏差

自Leconte[1]于1964年提出使用樞椎椎弓根螺釘技術治療樞椎創傷性滑脫以來，樞椎椎弓根螺釘技術已成為高位頸椎后路手術中一項基本技術。樞椎椎弓根螺釘具有承上啟下的重要作用，在寰樞椎失穩、Hangman骨折、枕頸畸形、上頸椎腫瘤以及結核需行后路手術固定者均可使用樞椎椎弓根螺釘技術。雖然還有側塊螺釘、椎板釘等固定技術，但樞椎椎弓根螺釘技術較其他固定方式穩定性更佳[2]。樞椎椎弓根置釘存在脊髓及椎動脈損傷的風險，限制了該技術的推廣應用。為了簡化樞椎椎弓根螺釘的定位和提高置釘的安全性，筆者開發設計了后路樞椎椎弓根螺釘置釘微型導板，并驗證其安全性、準確性，現報道如下：

1 資料與方法

1.1 一般資料 通過三峽大學人民醫院Light Speed 64排螺旋CT(GE公司，美國)PACS系統回顧性調取2012年9月至2015年9月行頸椎CT三維重建影像資料，排除枕、頸部畸形、外傷等情況，隨機選取12例受試者(健康成人)頸椎CT連續掃描數據集。其中男性6例，女性6例；年齡30～68歲，平均45歲。

1.2 數據處理 在Mimics 10.01(比利時Materialise公司)軟件中利用灰度分割提取頸椎信息區，獲得3D圖像，重建后獲得.stl文件。

1.3 導板設計 將數據導入UG7.0(美國Siemens PLM Software公司)取選棘突中垂線和下關節突最下緣上方9 mm的交點為進釘點。模擬螺釘采用直徑3 mm圓柱體替代，置釘方向內傾35.2°、上傾38.5°，根據置釘方向設計直徑8 mm，高度25 mm圓柱形導板，通過布爾運算獲得最終互補導板3D模型(圖1)。

1.4 檢測板設計 在UG7.0中設計L形檢測板，檢測板后側同樞椎椎體前緣垂直，并生成.stl文件。

1.5 頸椎模型、檢測板及導板制造 將頸椎模型、檢測板及導板部件用.stl文件輸入大格Mecrea-BC 3D打印機制作，材料使用PLA(聚乳酸)。

圖1 利用Mimics10.01和UG7.0設計微型導向模板

1.6 模擬置釘及三維測量 分別在計算機和利用導板引導置釘，用直徑3 mm克氏針模擬經后路樞椎椎弓根螺釘置入過程。選擇導板右上角為坐標系原點，測量出釘點距X軸，Y軸位移，克氏針置入長度(圖2、圖3)。

1.7 統計學方法 應用SPSS10統計軟件進行數據分析，計量資料以均數±標準差(±s)表示，組間比較采用配對樣本t檢驗，以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 置釘效果 本研究置入樞椎椎弓根螺釘24枚，均未穿破椎弓根內、外側骨皮質。在實際模擬置釘過程中，導板在樞椎后緣滑動度小。24枚克氏針均成功的通過樞椎后緣經過椎弓根至椎體前方到達測量導板。

2.2 導板偏差評估 計算機測量組和游標卡尺測量組左右側進釘深度，左右側X、Y軸出釘點位移通過配對樣本t檢驗，差異均無統計學意義(P＞0.05)，見表1。

圖2 利用計算機、游標卡尺分別測量出釘點距X軸，Y軸位移，克氏針置入長度

圖33 D打印和游標卡尺術后測量

表1 計算機測量組和游標卡尺測量組各項測量值比較(mm，±s)

表1 計算機測量組和游標卡尺測量組各項測量值比較(mm，±s)

組別計算機測量組游標卡尺組t值P值左側進釘深度64.68±1.99 64.5±2.10 1.00 0.34右側進釘深度63.65±2.09 62.73±3.02 1.36 0.20左側出釘點X軸位移32.84±1.41 32.62±1.99 0.65 0.53左側出釘點Y軸位移6.48±0.47 6.75±0.87 -1.08 0.30右側出釘點X軸位移32.79±1.04 32.79±2.69 0.00 1.00右側出釘點Y軸位移29.58±0.85 29.77±2.04 -0.45 0.66

3 討論

樞椎橫突孔內椎動脈呈“C”形或“S”形走行，上關節面外側1/3懸空，造成了解剖結構的薄弱[3]。樞椎椎弓根存在較大個體差異性，不同的學者測量的上傾角和內斜角度存在很大的差別[3-4]。為了提高置釘的準確性和安全性，國內外許多學者根據對樞椎解剖、影像學的研究提出了多種進釘點的定位和置釘方法，但螺釘穿破骨皮質損傷血管、脊髓的風險依然存在。近年來隨著數字骨科技術的迅速發展，一些學者將數字設計、RP技術與脊柱內固定技術結合應用于臨床，極大地提高了置釘安全性，取得良好的手術效果[5-6]。此項技術里用逆向工程原理，利用術前薄層CT掃描數據設計螺釘進釘點和置釘通道，并利用計算機設計出同椎板后方互補的置釘導航模板，可在術前進行手術預演、在術中引導置釘，極大提高手術精度。

樞椎椎弓根螺釘進釘點的定位方法有多種，但為了降低對脊髓和椎動脈損傷的機率，目前在置釘的過程中大多數醫生都選擇用神經剝離子骨膜下剝離顯露樞椎椎弓根峽部的上面和內側緣，直視下確定樞椎椎弓根螺釘的進針點及置釘角度。在顯露樞椎椎弓根峽部的過程中極易損傷靜脈叢導致大量的出血，增加了手術時間、手術出血量及剝離范圍。另外顱椎區的椎動脈走行存在一定變異率，顯露樞椎椎弓峽部的上面和內側緣極易損傷椎動脈。微型快速成型導向模板無需暴露椎弓根，可以減少手術時間、手術出血量及剝離范圍[7-9]。陸聲等[10]認為導板與骨面的貼合程度是影響置釘準確性的因素之一。為了達到最大的貼合和在實際操作中導板的穩定，目前各種導板的設計多需貼合樞椎后部的全部椎板和棘突，以減少軟組織的干擾，這種充分的剝離無疑會延長手術時間、增加手術的出血量。筆者認為在不影響置釘準確性前提下減少貼合面積有利于減少手術對頸椎后方韌帶復合體的破壞，降低頸椎后路術后出現頸椎后凸等失穩并發癥的發生。本研究為了更加真實模擬手術環境，設計了無需貼合棘突的微型導板，并利用3D打印機制作了C1～5的3D模型。此外為了檢測導板精度，研究者設計了同椎體前方垂直的測量板，用來測量置釘誤差。在導板的引導置釘過程中，微型導板和椎體表面貼合好、滑動度小，24枚模擬置釘均未穿破椎弓根內、外側骨皮質，計算機測量組和游標卡尺測量組各項測量值比較差異無統計學意義(P＞0.05)，說明該微型導板的精確度、可操作性可以勝任輔助置釘的任務。

本實驗尚處于模型設計、驗證階段，目前還存在一定的缺陷。如尚未進行大量的骨骼標本的測試、使用克氏針替代直徑更大的椎弓根螺釘等。但筆者認為隨著實驗次數的增多和更加先進科技手段的運用，必然使該項技術更加迅速、便捷的為骨科臨床手術服務。

[1]Leconte P.Fracture et luxation des deux premieres vertebres cervicales[M]//Judet R,Luxation Congenitale de la Hanche,Fractures du Cou-de-pied Rachis Cervical.Actualites de Chirurgie Orthopedique de l’Hopital Raymond-Poincare.Vol 3.Paris:Masson et Cie,1964: 147-166.

[2]Jones EL,eller JG.Cervical pedicle screws versus lateral mass screws.Anatomic feasibility and biomechanical comparison[J]. Spine,1997,22(9):977-982.

[3]曹正霖,鐘世鎮,徐達傳.寰樞椎的解剖學測量及其臨床意義[J].中國臨床解剖學雜志,2000,18(4):299-301.

[4]孫宇,王志國,黨耕町.頸椎椎弓根的觀測及其臨床意義[J].北京醫科大學學報,1993,25(4):279-280.

[5]楊文玖,鄒云雯,褚言琛,等.枕骨髁螺釘固定的三維解剖學研究[J].中華創傷骨科雜志,2013,15(1):45-49.

[6]覃濤,杜遠立,王華,等.數字矩陣建模在寰椎椎弓根螺釘通道研究中的應用[J].中華創傷骨科雜志,2013,15(1):41-44.

[7]Xu H,Chi YL,Wang XY,et al.Comparison of the anatomic risk for vertebral artery injury associated with percutaneous atlantoaxial anterior and posterior transarticular screws[J].Spine J,2012,12(8): 656-662.

[8]Ferrari V,Parehi P,Condino S,et al.An optimal design for patient-specific templates for pedicle spine screws placement[J].Med Robot,2013,9(3):298-304.

[9]Lu S,Zhang YZ,Wang Z,et al.Accuracy and efficacy of thoracic pedicle screws in scoliosis with patient-specific drill template[J]. Med Biol Eng Comput,2012,50(7):751-758.

[10]陸聲,徐永清,張元智,等.計算機輔助個體化導航模板在Hangman骨折中的臨床應用[J].中華創傷雜志,2009,25(8):886-889.

Deviation analysis of pedicle screw placement in axis assisted by micro rapid prototyping drill guide template.

YAN Chao,CHEN Jian-feng,SHANG Zheng-hui,LIANG Jie,QIN Tao.Department of Orthopedics,Three Gorges University People's Hospital/the First People's Hospital of Yichang,Yichang 443000,Hubei,CHINA

ObjectiveTo verify the accuracy and deviation of pedicle screw placement in axis assisted by micro rapid prototyping drill guide template.MethodsThis study was based upon CT scans in axis of 12 subjects from Three Gorges University People's Hospital between Sep.2012 and Sep.2015,using the Mimics10.01 for reconstruction and then UG7.0 for design of deviation detection plate and the axial inverse plate.Cervical model and guide plate were made by desktop 3D printing machine,and guide plate and the Kirschner wire of 3 mm in diameter were used to simulate the cervical screw drilling.The vernier caliper was applied to measure the length of Kirschner wire in the vertebra, displacement in the X axis and Y axis in deviation detection plate.The obtained data was compared with the computer measurement.ResultsNo statistically difference existed in the length of Kirschner wire in the vertebra,displacement in the X axis and Y axis between the vernier caliper measurement group and the computer measurement group(P＞0.05). ConclusionMicro rapid prototyping drill guide template could reduce the designing and manufacturing time and at the same time improve the surgery safety of posterior pedicle screw placement in axis.

Micro rapid prototyping drill guide template;Axis;Pedicle screw;Deviation

R686.1

A

1003—6350（2017）02—0227—03

10.3969/j.issn.1003-6350.2017.02.018

2016-06-28)

覃濤。E-mail：2293699909@qq.com