計算機輔助設計聯合3D打印技術在胸腰椎骨折椎弓根螺釘置入術中的應用

王雅輝，劉正蓬，褚立，明穎，張義龍，孫志杰，王建華，李哲，孫賀(承德醫學院附屬醫院，河北承德 067000； 中國人民解放軍第二六六醫院)

胸腰椎骨折是指胸腰椎的連續性遭到破壞，主要致傷誘因為外界暴力、車禍傷、骨質疏松等。高能量損傷可導致胸腰椎骨質的連續性及穩定性遭到破壞，出現軸向壓縮或者側方、扭轉壓縮，直接導致骨皮質斷裂，韌帶和關節囊受損，神經受刺激，椎間盤被撕裂；嚴重者受損骨質可直接損傷機體重要臟器，出現腹腔大出血，如不及時處理，患者病死率極高[1～4]。椎弓根螺釘植入術是目前治療胸腰椎骨折的主要手段，但手術復雜、對手術操作的準確度要求較高，稍有不慎會導致術后腦脊液漏、神經損傷[5,6]。近年來計算機輔助設計聯合3D打印技術在骨科領域得到廣泛應用，其輔助進行椎弓根螺釘置入手術有助于制備完善的術前計劃，提前充分考慮傷椎情況，有利于復雜精細手術的進行，術后并發癥較低。本研究探討計算機輔助設計聯合3D打印技術在胸腰椎骨折椎弓根螺釘置入術中的應用效果。

1 資料與方法

1.1 臨床資料 選擇承德醫學院附屬醫院2015年1～12月收治的胸腰椎骨折患者37例為觀察組，2014年1～12月收治的胸腰椎骨折患者23例為對照組。納入標準：①單純閉合性胸腰椎骨折；②保守治療未見明顯效果；③椎體壓縮超過椎體高度的1/3或脊柱生理彎曲改變；④椎弓根狀況良好，未見骨折；⑤胸腰椎損傷TLIC評分≥3分。排除標準：①伴嚴重骨質疏松；②伴脊柱腫瘤；③合并嚴重心腦血管等內科疾病；④凝血障礙。觀察組男22例、女15例，年齡19～67(46.9±13.4)歲，病程1～9(4.5±2.6)d；致傷原因：車禍11例，墜落傷12例，暴力損傷8例，其他6例；骨折部位：胸椎骨折5例，腰椎骨折24例，胸腰椎連續骨折8例；神經功能Frankel分級[6]：A級1例、B級2例、C級1例、D級5例、E級28例。對照組男16例、女7例，年齡20～65(44.4±12.5)歲，病程1～14(8.1±4.3)d；致傷原因：車禍10例，墜落傷6例，暴力損傷4例，其他3例；骨折部位：胸椎骨折7例，腰椎骨折14例，胸腰椎連續骨折2例；神經功能Frankel分級：B級1例、C級2例、D級4例、E級16例。兩組性別、年齡等一般資料均具有可比性。本研究通過承德醫學院附屬醫院醫學倫理委員會審核，患者及其家屬均簽署知情同意書。

1.2 手術方法 觀察組行計算機輔助設計聯合3D打印技術輔助椎弓根螺釘置入術。術前計劃：對傷椎及上、下臨近節段椎體進行薄層CT掃描，層厚1 mm，螺距1.0，將數據保存為DICOM格式；將CT數據導入Mimics16.0，重建脊柱骨骼三維模型，在軟件中觀察脊柱椎弓根三維結構，模擬置釘，尋找最佳置釘入點及方向，以STL格式導出保存。將STL格式數據導入Geomagic Studio 2013進行光滑處理、鋪面、封裝，用PLA材料對其進行打印，建立仿真椎體模型。按照手術正規流程椎體模型進行預手術，對手術中螺釘置入角度、椎弓根釘長度以及置入準確度、入針點等進行充分測量和模擬，觀察椎體活動度，評測結果。術中操作：患者進行全麻，根據傷椎部位和具體情況選擇舒適體位，調節手術臺彎曲度以適應患者脊柱曲度，必要時墊軟枕于腹部下方。使用C型臂X線機定位傷椎，選擇進針點，根據術前測量頭尾傾角、螺釘外展角差值、螺釘進釘點水平位置差值等確定置釘角度和椎弓根釘長度；打開皮質骨，恒力穩持開路器緩慢進入，置入螺釘。對照組采用常規CT檢查進行評估和預測，對手術中螺釘置入角度、椎弓根釘長度以及置入準確度、入針點等進行充分測量，手術方法同上。兩組術后常規給予抗生素預防感染，盡早進行康復鍛煉。

1.3 相關指標觀察 ①圍術期相關指標：手術時間、術中出血量、術中X線暴露次數、術中輸血量。②置釘情況：記錄兩組術中置釘數量、置釘準確數，計算置釘準確率；③螺釘一致性相關指標：術后即刻進行CT檢查，測量兩組螺釘矢狀面夾角、螺釘內傾角差值、螺釘進釘點水平位置差值；④傷椎復位相關指標：兩組術前、術后6個月進行CT檢查，根據工作臺圖像系統處理軟件計算傷椎手術前后高度比、矢狀位后凸Cobb角。⑤記錄兩組術前、術后6個月胸腰椎日本骨科協會(JOA)評分及疼痛視覺模擬評分(VAS)，JOA評分越高表示患者恢復越好，VAS越低表示患者疼痛程度越輕。⑥記錄兩組術后6個月出血、感染、神經損傷、腦脊液漏等并發癥發生情況。

2 結果

2.1 兩組圍術期相關指標比較 觀察組與對照組手術時間分別為(101.54±21.34)、(140.83±23.33)min，術中出血量分別為(94.84±15.17)、(158.90±21.18)mL，術中X線暴露次數分別為(9.92±2.12)、(14.56±4.34)次，術中輸血量分別為(95.88±23.19)、(149.14±34.78)mL；觀察組手術時間短于對照組，術中出血量、術中X線暴露次數、術中輸血量均少于對照組(P均<0.05)。

2.2 兩組置釘情況比較 觀察組術中置釘256個、置釘準確數242個、置釘準確率為94.5%，對照組分別為154、115個及74.6%；觀察組置釘準確率高于對照組(P<0.05)。

2.3 兩組螺釘一致性相關指標比較 觀察組螺釘矢狀面夾角、螺釘內傾角差值、螺釘進釘點水平位置差值均低于對照組(P均<0.05)。見表1。

表1 兩組螺釘一致性相關指標比較

注：與對照組比較，*P<0.05。

2.4 兩組傷椎復位相關指標比較 兩組術后6個月傷椎前后高度比均高于術前，矢狀位后凸Cobb角均低于術前(P均<0.05)。觀察組術后6個月傷椎前后高度比高于對照組，矢狀位后凸Cobb角低于對照組(P均<0.05)。見表2。

表2 兩組手術前后傷椎復位相關指標比較

注：與同組術前比較，*P<0.05；與對照組同時間點比較，#P<0.05。

2.5 兩組手術前后胸腰椎JOA評分、VAS比較 兩組術后6個月胸腰椎JOA評分均高于術前，VAS均低于術前(P均<0.05)。觀察組術后6個月胸腰椎JOA評分高于對照組，VAS低于對照組(P均<0.05)。見表3。

表3 兩組手術前后胸腰椎JOA評分、VAS比較(分，

注：與同組術前比較，*P<0.05；與對照組同時間點比較，#P<0.05。

2.6 兩組并發癥發生率比較 觀察組術后發生出血1例、感染1例，對照組術后發生出血1例、感染1例、神經損傷1例、腦脊液漏1例；觀察組與對照組并發癥發生率分別為5.4%、17.3%，P<0.05。

3 討論

椎弓根螺釘置入術是生物力學研究的產物，對患者創傷小，術中剝離肌肉，以人字脊、橫突根及上關節突等解剖標志參考入釘點，通過術中C型臂X線機透視確定位置，最后通過螺釘置入的方法恢復脊柱屈伸、側彎及旋轉等活動[4,7]。若術中置入螺釘位置不當，如螺釘擊穿椎體前方，則會損傷大血管或者胸腹腔重要臟器，導致術后并發癥發生[8]。因此，術前如果能夠充分模擬傷椎螺釘置入或者精確測量各種角度，將有助于減少術后并發癥的發生并減少術中出血量[9,10]。3D打印技術可在術前對傷椎進行造模，于制作的專門的導板上模擬椎弓根螺釘術，有助于提高手術成功率及螺釘置入準確性。Parthiban等[11]術前采用3D打印技術輔助治療胸腰椎椎體壓縮骨折，結果顯示該技術能夠提高兩側螺釘的一致性，提高置釘成功率，術后恢復效果優于術前用X線評估的患者。

術前采用3D打印技術模擬手術能更加清晰地顯示傷椎形態，提前精準地對傷椎病情進行個體化分析[12～14]。本研究結果顯示，觀察組手術時間短于對照組，術中出血量、術中X線暴露次數、術中輸血量均少于對照組；置釘準確率高于對照組，螺釘矢狀面夾角、螺釘內傾角差值、螺釘進釘點水平位置差值均低于對照組；術后6個月胸腰椎JOA評分高于對照組，VAS低于對照組。進一步證實計算機輔助設計聯合3D打印技術可提高置釘準確率，減少手術操作誤差，更加準確地契合傷椎及正常椎體，使脊柱更加穩定。本研究觀察組并發癥發生率低于對照組，說明胸腰椎骨折患者采用計算機輔助設計聯合3D打印技術輔助進行椎弓根螺釘置入術的安全性更高。

綜上所述，胸腰椎骨折患者采用計算機輔助設計聯合3D打印技術輔助進行椎弓根螺釘置入術的手術時間短、損傷小、治療效果好、安全性高，值得臨床借鑒。

參考文獻：

[1] 薛文,劉舒嬈,管曉鸝,等.微創經皮與傳統開放椎弓根螺釘置入固定胸腰椎骨折的文獻薈萃[J].中國組織工程研究,2016,20(13):1961-1969.

[2] 吳梅祥,白波,何二興,等.小切口椎弓根螺釘技術治療胸腰椎骨折的初步應用[J].中華創傷骨科雜志,2014,16(7):629-631.

[3] Borcek AO, Suner HI, Emmez H, et al. Accuracy of pedicle screw placement in thoracolumbar spine with conventional open technique[J]. Turk Neurosurg, 2014,24(3):398-402.

[4] Li K, Li Z, Ren X, et al. Effect of the percutaneous pedicle screw fixation at the fractured vertebra on the treatment of thoracolumbar fractures[J]. Int Orthop, 2016,40(6):1103-1110.

[5] Wang L, Li J, Wang H, et al. Posterior short segment pedicle screw fixation and TLIF for the treatment of unstable thoracolumbar/lumbar fracture[J]. BMC Musculoskelet Disord, 2014,11(15):40-41.

[6] Aoude AA, Fortin M, Figueiredo R, et al. Methods to determine pedicle screw placement accuracy in spine surgery: a systematic review[J]. Eur Spine J, 2015,24(5):990-1004.

[7] 鄧海棠.有限元法分析胸腰椎骨折椎弓根釘置入內固定的應力分布[J].中國組織工程研究,2016,20(17):24493-24499.

[8] 張瓊美,孫俊明,劉德美,等.經椎旁肌間隙行后路椎弓根螺釘內固定術治療胸腰椎骨折的效果觀察[J].中國當代醫藥,2014,21(20):41-42.

[9] Phan K, Ramachandran V, Tran TM, et al. Systematic review of cortical bone trajectory versus pedicle screw techniques for lumbosacral spine fusion[J]. J Spine Surg, 2017,3(4):679-688.

[10] 李開南,聶海,何智勇,等.后路腰椎間盤鏡下胸腰椎椎弓根螺釘置釘技術的臨床評價[J].中華創傷骨科雜志,2015,17(9):770-775.

[11] Parthiban JKB. Osteoporotic lumbar spine - Principles of pedicle screw fixation and interbody fusion[J]. Neurol India, 2017,66(1):126-132.

[12] 劉蘭澤,劉夢揚,逯強,等.椎弓根定向爆裂器在胸腰段椎體骨折后路固定術中的應用[J].中華創傷骨科雜志,2015,17(3):205-208.

[13] 王剛.通用型脊柱內固定系統與椎弓根螺釘固定系統治療胸腰椎骨折的比較[J].中國現代藥物應用,2016,10(2):46-47.

[14] Chandra Vemula VR, Prasad BC, Jagadeesh MA, et al. Minimally invasive transforaminal lumbar interbody fusion using bone cement-augmented pedicle screws for lumbar spondylolisthesis in patients with osteoporosis. Case series and review of literature[J]. Neurol India, 2017,66(1):118-125.