個體化3D打印導板在寰樞椎椎弓根置釘中的初步應用

周全 趙加力 張少先 徐進 潘偉 王新宏 張佳園

·論著·

個體化3D打印導板在寰樞椎椎弓根置釘中的初步應用

周全 趙加力 張少先 徐進 潘偉 王新宏 張佳園

目的 評估個體化3D打印導板輔助寰樞椎椎弓根螺釘技術在臨床應用中的安全性及準確性。方法 樞椎齒狀突Ⅱ型骨折行后路椎弓根螺釘內固定術病人3例，根據寰樞椎后方骨性結構數據設計個體化導板，術中根據導板確定進針點，磨鉆磨除進針點骨皮質，根據導板方向建立釘道，根據術前測量選擇并擰入合適長度螺釘。術后通過觀察螺釘在CT橫斷面和矢狀面的位置來評估螺釘置入的安全性。結果 術后CT檢查顯示共置入寰椎椎弓根螺釘6枚，樞椎椎弓根螺釘6枚，12枚螺釘均為0級螺釘。結論 個體化3D打印導板能輔助寰樞椎椎弓根螺釘置釘技術，提高臨床手術置釘的準確率和安全性，減少神經血管損傷。

3D打印； 頸椎； 椎弓根螺釘

寰樞椎后路椎弓根螺釘內固定植骨融合術是治療樞椎齒狀突Ⅱ型骨折的有效方法。椎弓根螺釘內固定具有更好的生物力學，從而獲得更好的融合率，臨床應用逐漸增多[1-3]。但寰樞椎周圍有椎動脈、靜脈叢及頸髓等，而且椎動脈和寰椎椎弓根變異較大，偏離椎弓根容易導致椎動脈和神經損傷，導致嚴重后果[4]。Lee等[4]采用導航技術提高頸椎椎弓根螺釘的置釘準確性，減少并發癥的發生，但導航設備費用昂貴，難以推廣。3D打印技術是快速成型技術的一種，能夠根據病人的個體數據，結合計算機輔助設計個體化定制、快速準確制備出適合不同病人需求的醫用材料和器械。我們采用3D打印技術設計打印個體化導向模板，輔助寰樞椎椎弓根螺釘置入。現將結果報道如下。

對象與方法

一、對象

2015年10月～2016年8月收治的樞椎齒狀突骨折病人行后路椎弓根螺釘內固定術病人3例，均為男性；年齡23～46歲，平均年齡37.4歲。均為Ⅱ型齒狀突骨折。病人均存在不同程度的枕頸部疼痛，均無神經損傷癥狀及體征。所有病人均行寰樞椎椎弓根螺釘內固定+植骨融合。

二、方法

1.導板制作：頸椎CT掃描，掃描參數層厚1 mm，層間距0.5 mm，窗位300。參照胡勇[5]等方法，將掃描數據以DICOM格式保存，導入三維重建軟件Mimics 10.0軟件，運用閾值選取技術，獲得寰樞椎原始蒙罩，然后運用填充技術，修補因數據轉換產生的結構間隙漏洞，得到新的蒙罩；再運用三維重建獲得目的區域的三維重建圖像。在CAD模塊中，以3.5 mm的圓柱體模擬椎弓根螺釘，通過軟件設計椎弓根螺釘的最佳進針點和進針方向及通道，將三維重建模型透明化，分別在冠狀面、矢狀面和橫斷面觀察圓柱體和椎弓根的關系，確保圓柱體位于椎弓根內，不穿破周圍骨皮質。以圓柱體中軸線為中心，在椎板表面做內徑為2.5 mm、長度5 cm的進針導管。提取目的椎體后部的解剖學形態，建立反向模板，并將進針導管與反向模板復合，形成個體化進針導板，將頸椎三維模型及導向模板文件導入3D打印機，利用光敏樹脂材料，1∶1 3D打印個體化椎體模型和導向模板(打印精度50 μm)，體外驗證導板與椎體后部對應骨性結構貼合緊密且穩定。過氧化氫低溫等離子消毒導板備用。

A：術前CT矢狀面重建示樞椎齒狀突骨折；B：根據CT掃描數據設計和打印寰樞椎置釘導板及1：1打印C1-3椎體，體外驗證導板安放準確、穩定，釘道安全，并根據導板安放情況確定術中顯露范圍；C：術中經過寰椎導板鉆入克氏針；D：術中透視見椎弓根螺釘位置良好；E：術后CT顯示椎弓根螺釘位于寰樞椎椎弓根內；F：術后6周復查可見寰樞椎椎板間有連續性骨性連接，寰樞椎穩定性重建

圖1 個體化3D打印導板下寰樞椎椎弓根螺釘內固定植骨融合術

2.手術操作：全身麻醉，病人取俯臥位，頭部位置以mayfield頭架固定維持牽引，取頸部后正中長約12～18cm縱行切口，逐層切開，骨膜下剝離后方肌肉至側塊外緣。安放個體化導板，以2.0 mm克氏針通過導板作進針點標記，取出導板，磨鉆去除進針點皮質，重新安放導板，助手固定導板，沿進針導管鉆入2.0 mm克氏針至預定深度，同法處理對側。透視檢測定位克氏針位置，去除克氏針及導板，攻絲，測深，擰入螺釘，再次透視確認椎弓根螺釘位置，連接鈦棒，完成固定，磨鉆去除寰椎后弓及樞椎椎板表面骨皮質，自體骨或同種異體骨植骨。

3.螺釘安全性及準確性評估：術后所有病人均復查頸椎正側位X線片和頸椎CT平掃及三維重建。根據CT片顯示螺釘與椎弓根的相對位置，使用Kawaquchi等[6]方法評價置釘準確性。0級：螺釘完全在椎弓根內；1級：螺釘穿出椎弓根壁不超過2 mm，未出現并發癥；2級：螺釘穿出椎弓根壁超過2 mm；3級：出現臨床并發癥，如椎動脈、神經損傷等。

結 果

本研究均使用雙邊導板完成椎弓根螺釘置入，共置入12枚椎弓根螺釘，全部為0級螺釘，置釘準確率100%，無椎動脈、神經損傷等并發癥。1例左側靜脈叢破裂出血，予明膠海綿壓迫后止血。

典型病例：病人，男，44歲，車禍傷。診斷為樞椎齒狀突骨折，多發肋骨骨折，雙側血氣胸，雙側肺挫傷，左股骨骨折，左鎖骨骨折，右脛腓骨骨折伴右腓總神經損傷，右髕骨骨折；低血容量性休克。傷后1周病情平穩后行左股骨、鎖骨、右脛骨骨折、髕骨骨折手術治療，傷后2周行個體化3D打印置釘導板下寰樞椎椎弓根螺釘內固定術+植骨融合術(圖1)。

討 論

樞椎Ⅱ型齒狀突骨折的治療方法較多，如齒狀突中空拉力螺釘、經C1/2關節突螺釘內固定和寰樞椎椎弓根螺釘內固定融合術。這些方法各有利弊，齒狀突中空拉力螺釘固定可以保留寰樞椎之間的旋轉功能，但適應范圍較窄，僅適用于前上斜向后下的齒狀突骨折。近些年，采用寰樞椎椎弓根螺釘內固定融合術治療新鮮和陳舊的樞椎齒狀突骨折取得了較好的臨床療效，但寰樞椎椎弓根的直徑、角度等參數變化大；周圍重要組織多，內側為脊髓，外側為椎動脈，寰椎上方還有椎動脈跨過，上下均有神經根通過，導致寰樞椎椎弓根螺釘置入難度和手術風險較胸腰椎顯著加大[7]。

目前，臨床上常用的頸椎椎弓根螺釘置釘方法主要包括徒手置釘技術、計算機輔助導航技術和導向模板技術。徒手置釘技術需要有很高的手術技巧和經驗，有的學者采用椎板開窗，探查椎弓根內壁，或者用微型刮匙沿椎弓根內刮出通道，增加了手術創傷和風險。計算機輔助導航技術能夠提高頸椎椎弓根螺釘置入的安全性，準確率高，但其價格昂貴，而且手術時體位和椎體受力時位置和方向改變導致手術操作準確性降低[8]。吳聰等[9]采用可視化虛擬技術對寰樞椎椎弓根螺釘置入提供術前的虛擬手術演練，導向模板根據單個椎體的后方數據，通過逆向工程軟件，獲得最佳的椎弓根螺釘進針點及進針方向，個體化制作，進而引導椎弓根螺釘的置入，不受頸椎的位置和方向影響，是該可視化虛擬技術的發展，具有定位準確、使用方便、費用低等優點[10]。

我們所有導板設計均基于單個椎體，使用時不受頸椎各椎體間相互位置的改變而影響導板的放置。樞椎及以下頸椎后方棘突能夠為導板的放置提供很好的著力點和參照物，維持通過導板進針時的準確性及穩定性；而寰椎后結節較小，不能為導板放置的準確與否提供依據。寰椎椎動脈溝處上下緣較平，容易為寰椎導板提供上下方的參照點，但需要進行椎板上下方顯露，增加椎動脈損傷風險。因此，我們擬在將來的導板設計中選擇一些關鍵點來確定導板安放位置，從而達到既能穩定導板，又減少重要部位的顯露，減少椎動脈損傷的可能性。

[1] Qi L，Li M，Zhang S，et al.C1-C2 pedicle screw fixation for treatment of old odontoid fractures[J].Orthopedics，2015，38(2)：94-100.

[2] Zhang XL，Huang DG，Wang XD，et al.The feasibility of inserting a C1 pedicle screw in patients with ponticulus posticus：a retrospective analysis of eleven patients[J].Eur Spine J，2017，26(4)：1058-1063.

[3] Yoshii T，Hirai T，Sakai K，et al.Cervical pedicle screw placement using intraoperative computed tomography imaging with a mobile scanner gantry[J].Eur Spine J，2016，25(6)：1690-1697.

[4] Lee GW，Kim HJ，Yeom JS，et al.Feasibility study of free-hand technique for pedicle screw insertion at c7 without fluoroscopy-guidance[J].Asian Spine J，2016，10(1)：38-45.

[5] 胡勇，袁振山，董偉鑫，等.數字化導向模版技術輔助置釘治療寰樞椎不穩的臨床應用[J].中華創傷雜志，2014，30(8)：768-773.

[6] Kawaquchi Y，Nakano M，Yasuda T，et al.Development of a new technique for pedicle screw and Magerl screw insertion using a 3-dimensional image guide[J].Spine(Phila Pa 1976)，2012，37(23)：1983-1988.

[7] Yeom JS，Buchowski JM，Kim HJ，et al.Risk of vertebral artery injury：comparison between C1-C2 transarticular and C2 pedicle screws[J].Spine J，2013，13(7)：775-785.

[8] Scheufler KM，Franke J，Eckardt A，et al.Accuracy of image-guided pedicle screw placement using intraoperative computed tomography-based navigation with automated referencing.Part II：thoracolumbar spine[J].Neurosurgery，2011，69(6)：1307-1316.

[9] 吳聰，劉登均.可視化虛擬手術在齒狀突骨折寰樞椎椎弓根螺釘內固定術中的應用[J].臨床外科雜志，2013，21(8)：640-642.

[10]Lu S，Xu YQ，Chen GP，et al.Efficacy and accuracy of a novel rapid prototyping drill template for cervical pedicle screw placement[J].Comput Aided Surg，2011，16(5)：240-248.

(本文編輯：徐文聃)

Preliminary application of individualized 3D printing template for C1-C2 pedicle screw implantation

ZHOU Quan，ZHAO Jiali，ZHANG Shaoxian，et al.

(Department of Spinal Surgery，the Second Hospital of Huaian,Huaian 223002，China)

Objective To evaluate the safety and accuracy of individualized 3D printing template for C1-C2 pedicle screw technique.Methods 3 patients undergoing C1-C2 pedicle screw fixation because of odontoid fracture type Ⅱ.We designed individualized 3D printing template according to the bony structure data，then we determined the insertion point according to the template，and removed the cortex of insertion point with a reamer.We builded screw channels according to the direction and implanted pedicle screw.After the surgery，we evaluated the safety and accurate by CT scan.Results 6 atlas pedicle screws and 6 axis pedicle screws were implanted，and all screws were classified as class 0.Conclusion Individualized 3D printing template can assist and improve the accuracy and safety of C1-C2 pedicle screw implantation，decrease the injury to nerve and vessel.

three-dimensional printing； cervical vertebra； pedicle screw

10.3969/j.issn.1005-6483.2017.08.008

江蘇省“六大人才高峰”基金資助項目(WSW-159)

223002 江蘇省淮安市第二人民醫院脊柱外科

2016-10-29)