3D打印技術輔助椎弓根螺釘置入治療胸腰椎骨折的臨床分析

劉正蓬，王雅輝，褚立，明穎，張義龍，李哲，王建華，孫賀

(1.承德醫學院附屬醫院骨科，河北 承德 067000；2.中國人民解放軍第266醫院骨科，河北 承德 067000)

胸腰椎骨折是脊柱外科的多發病，指胸腰椎的連續性受到破壞，多由外界暴力、車禍傷、骨質疏松等引起，好發于青少年和老年人。骨折發生后，神經功能受損，椎體移位，脊柱曲度發生改變，嚴重者臟器受損，危及生命[1]。椎弓根螺釘植入術是目前治療此類疾病的主要手段，但是手術復雜，準確度要求高，稍有不慎會導致術后腦脊液漏，因此，神經損傷給醫生帶來巨大壓力并損害患者的利益[2]。3D打印技術輔助手術開展可以制備完善的術前計劃，提前將患者傷椎情況充分考慮，有利于進行復雜精細的手術，降低術后并發癥。我院采用3D打印技術輔助治療胸腰椎骨折，現階段臨床效果較好，現做如下報道。

1 資料與方法

1.1 一般資料 本研究納入了2014年1月至2015年12月在承德醫學院附屬醫院住院的66例胸腰椎骨折患者。根據不同的治療方法將患者分為2組，每組33個樣本。對照組：男19例，女14例；年齡22～72歲，平均(47.4±4.8)歲；病程1～14 d，平均(6.8±1.1)d；致傷原因：車禍傷14例，墜落傷9例，暴力傷7例，其他傷3例。骨折部位：胸椎骨折8例，腰椎骨折11例，胸腰椎骨折14例，神經功能Frankel分級[3]：B級6例，C級7例，D級9例，E級11例。觀察組：男16例，女17例；年齡24～71歲，平均(52.3±9.2)歲；病程1～12d，平均(5.9±1.4)d；致傷原因：車禍傷11例，墜落傷12例，暴力傷6例，其他傷4例。骨折部位：胸椎骨折6例，腰椎骨折9例，胸腰椎骨折16例。神經功能Frankel分級：B級7例，C級6例，D級10例，E級10例。兩組在性別、年齡、疾病持續時間、損傷原因和Frankel神經功能分類方面差異無統計學意義(P>0.05)，兩組都簽署了知情同意書。納入標準：a)單純閉合胸腰椎椎體骨折；b)患者經過非手術治療未見明顯效果；c)椎體壓縮超過椎體高度的1/3或脊柱的生理曲度發生變化；d)未伴隨嚴重臟器損傷；e)椎弓根良好，未見骨折情況出現。排除標準：a)椎管嚴重狹窄或者伴有嚴重神經損傷；b)脊柱伴有腫瘤；c)精神異常；d)凝血障礙。

1.2 手術方法 觀察組采用3D打印技術進行治療，以輔助椎弓根螺釘置入。術前計劃：受傷椎骨和患者相鄰節段的CT掃描(距離該層1 mm處，間距：1.0 mm)，然后對其數據保存，格式為DICOM，導入Mimics 16.0進行重建。重建模型后導出到3D，格式為STL，導入Geomagic 13.0進行光滑處理、鋪面、封裝。用PLA材料對其打印，建立成仿真椎體模型，并按照手術正規流程在椎體上進行預手術，對手術中螺釘的置入角度、椎弓根釘長度以及置入準確度、入針點等進行一個充分的測量和模擬，觀察椎體的活動度，評測結果。術中操作：所有患者均采取全麻，根據患者傷椎部位和具體情況將患者置于舒適體位，調節手術臺彎曲度適應患者脊柱曲度，必要時墊軟枕于腹部下方。定位受傷的椎骨(使用C型臂X線機)，選擇進針點，確定置釘角度(術前測量的矢狀面螺釘植入角、螺釘內傾角差值、螺釘插入點水平位置的差異等)和椎弓根螺釘的長度等。打開手術切口和皮質骨，然后用力握住開溝器并插入螺釘。在手術過程中觀察患者的呼吸機參數，并及時處理不良變化。術后處理：術后定期抗感染，盡快康復鍛煉。對照組采用傳統X線、CT、MRI等影像進行術前評估，術中使用C型臂X線機定位傷椎，依據術前規劃，徒手置釘，術后處理同觀察組。

1.3 觀察指標 a)治療后，記錄患者的手術時間、術中出血量、術中X線暴露量及輸血情況；b)治療后復查CT，記錄螺釘數量，并計算螺釘放置的準確性；c)治療后復查CT，測量患者矢狀螺釘插入角度、螺釘內傾角的差值，螺釘插入點的水平位置差異；d)術前、術后半年和術后1年，前后椎體高度比和矢狀后凸Cobb角；e)統計術后并發癥發生情況：出血、感染、神經損傷、腦脊液漏等發生率。其中置釘準確評判標準如下，優：螺釘方向和位置準確，螺釘均在椎弓根內；良：置釘方向、位置存在一定誤差，但屬于允許范圍內，小部分螺釘穿出椎體；差：置釘方向、位置誤差大，大部分螺釘穿出椎體；以優、良椎弓根釘比例作為置釘準確率。

2 結 果

2.1 兩組患者圍手術期指標的比較 治療后觀察組手術時間、術中出血量、術中X線暴露量和術中輸血量均明顯低于對照組(P<0.05)。結果見表1。

2.2 兩組患者置釘情況比較 治療后，觀察組置釘數量306個，置釘準確數289個，置釘準確率94.4%；對照組置釘數量359個，置釘準確數266個，置釘準確率74.5%，觀察組顯著高于對照組，差異具有統計學意義(P<0.05)。

表1 兩組患者圍術期指標比較

2.3 兩組患者螺釘一致性比較 治療后，觀察組矢狀角的差異，螺釘內傾角與螺釘插入點水平位置的差異明顯低于對照組(P<0.05)。結果見表2。

表2 兩組患者螺釘一致性比較

2.4 兩組受傷椎體復位指數的比較(見表3) 治療后，前后椎體高度比顯著增加，矢狀后凸畸形的Cobb角明顯減小(P<0.05)。治療后半年和1年，對照組受傷椎體高度比顯著低于觀察組(P<0.05)，對照組矢狀后凸Cobb角明顯高于觀察組(P<0.05)。

表3 兩組患者傷椎復位指標的比較

2.5 比較兩組并發癥的發生率(見表4) 觀察組的總體并發癥發生率(6.1%)顯著低于對照組(12.2%)(P<0.05)。

表4 兩組并發癥發生率比較[例(%)]

2.6 典型病例 a)29歲男性患者，車禍致T12節段胸椎椎體骨折，行3D打印技術輔助胸腰椎骨折椎弓根螺釘植入術，術后隨訪1年，傷椎前后高度比恢復到94%，螺釘固定好，脊柱生理彎曲正常，患者滿意，手術前后影像學資料見圖1～3。b)34歲男性患者，高處墜落傷致T9節段胸椎椎體骨折，行普通CT、X線技術輔助胸腰椎骨折椎弓根螺釘植入術，術后隨訪1年，傷椎前后高度比恢復到78%，手術前后影像學資料見圖4～6。

圖1 術前CT重建圖像示T12節段胸椎椎體壓縮性骨折

圖2 骨折節段及鄰近節段3D打印模型 圖3 術后X線片示椎體高度恢復，螺釘固定良好，脊柱生理彎曲正常

圖4 術前矢狀面CT示T9節段胸椎椎體爆裂性骨折 圖5 術前矢狀面MRI示T9節段胸椎椎體爆裂性骨折，無神經根、脊髓壓迫

圖6 術后正側位X線片示椎體高度恢復，螺釘固定良好，脊柱生理彎曲正常

3 討 論

胸腰椎椎體骨折是目前骨科的常見病和多發疾病，脊柱在受到壓縮、垂直、旋轉等外力損傷時，穩定性遭到破壞，出現軸向壓縮或側方、扭轉壓縮，直接導致骨皮質斷裂[4-5]。同時，韌帶和關節囊也會受損，神經受刺激，椎間盤被撕裂，嚴重者破壞的骨質直接損傷機體重要臟器，出現腹腔大出血，如若處理不及時，死亡率極高[6-7]。椎弓根螺釘置入是脊柱手術史上的重要技術工具。通過螺釘置入的方法恢復脊柱的屈伸、側彎及旋轉等活動[7-8]。但是，螺釘本身極易造成患者術中正常組織的損傷，手術復雜而且對螺釘的精確置入要求極高，不正確的放置(如穿過椎體前部的螺釘)會損壞胸部和腹部的大血管或重要器官。手術后導致許多與損傷相關的并發癥，這不利于術后恢復[9]。如果術前能夠很好的對傷椎進行螺釘置入模擬或者角度的精確測量，將會極大的減少術后并發癥和術中出血量[10-11]。

3D打印模型的核心是執行CT掃描以獲得器官組織結構的三維數據，并在相應的醫學圖像軟件上構建三維模型，然后通過3D打印機的分層實體制造將實體模型打印為手術模擬和術中參考。模擬釘可提高手術成功率和螺釘置入的準確性，縮短手術時間，減少出血量，提高術后效果。Liu等[12]在他的3D打印技術中指出了治療胸腰椎壓縮性骨折的方法：術前采用3D打印技術能夠提高螺釘一致性，增加置釘成功率，術后恢復效果也優于術前用X線評估的患者。本研究得出結論：治療后，觀察組螺釘置入準確率為94.4%，顯著高于對照組74.5%(P<0.05)；治療后，觀察組矢狀面螺釘植入角差異明顯低于對照組(P<0.05)。可以看出，使用3D打印技術可以在放置螺釘時使螺釘更準確地貼合患者受傷的椎骨，并且脊柱更穩定。

由于術前采用3D打印技術造模，能夠更加清晰的展示患者骨折傷椎的形態，提前精準的個體化的分析椎體傷情，醫生能夠精準的選擇螺釘長度和直徑，避免了術中不必要的出血，有利于術中有把握的置入螺釘，減少了術中輔助設備的X線照射，降低患者損傷[13]。本研究顯示：治療后觀察組手術時間、術中出血量、術中X線暴露量和術中輸血量均明顯低于對照組(P<0.05)。可以看出，術前使用3D打印技術可以有效縮短手術時間，減少術中出血量和輸血量，降低患者放射性損傷的風險。

3D打印技術能夠在術前直觀觀測患者傷椎情況，減輕患者的壓力，而且有利于向患者解釋病情，螺釘選擇恰當了，就避免了術中螺釘對患者臟器等的損傷，治療效果更佳[14]。本研究結果得出：半年后和最后一次隨訪后，觀察組前后椎體高度比顯著高于對照組，矢狀后凸Cobb角低于對照組，說明術后矯正丟失更少。觀察組的并發癥總發生率顯著下降(6.1%)，顯著低于對照組(12.2%，P<0.05)。一般認為螺釘進入椎體距離以2/3為宜，根據脊柱穩定性的三柱理論，有學者認為，螺釘到達或接近椎體前緣是防止矯正丟失的主要措施，這需要螺釘進入椎體Cobb角和傷椎高度丟失的距離足夠遠且準確，而3D打印技術通過個性化術前模擬置釘，有助于手術期間置釘的有效性與準確性，能有效防止術后矯正丟失[15]。因此本研究3D打印技術置釘效果更優，有利于預防傷椎前后高度丟失。可見，利用3D打印技術能夠減少術后并發癥的發生，而且能夠有效恢復傷椎高度，恢復脊柱正常生理彎曲。

總之，使用3D打印技術輔助椎弓根螺釘放置，能夠縮短手術時間、減少術中出血量和輸血量、降低患者輻射危害、提高置釘準確率、有效恢復患者的脊柱畸形、降低并發癥的發生率，治療效果優于普通X線或CT機輔助組，臨床上值得推廣。