基于3D打印的腰椎椎弓根螺釘在腰椎退變性疾病治療中的應用效果

郝為民

[摘要] 目的 研究在腰椎退變性疾病治療中應用基于3D打印的腰椎椎弓根螺釘的臨床效果。方法 方便選擇2016年1月—2017年12月該院收治的腰椎退變性疾病患者100例，依據應用的治療方式不同分為觀察組、對照組，各50例，其中對照組患者接受微創腰椎椎間固定融合術實施治療，觀察組應用CT詳細數據資料聯合3D 打印技術制作的導航模板輔助實施腰椎椎弓根螺釘置入治療，比較兩組臨床效果。 結果 觀察組治療總有效率為92.00%，對照組總有效率70.00%，差異有統計學意義（χ2=5.632 8，P=0.010 5）;觀察組術后1周及術后1個月腰椎功能評分均低于對照組，差異有統計學意義（t=5.331 7、6.822 4，P=0.000 0、0.000 0）;觀察組置釘的準確率為96.44%，對照組88.74%，差異有統計學意義（χ2=3.854 5， P=0.001 6）。 結論 在腰椎退變性疾病治療中應用基于3D打印的腰椎椎弓根螺釘能夠提升置釘準確性，提升腰椎功能，有推廣意義。

[關鍵詞] 3D打印;腰椎椎弓根螺釘;腰椎退變性疾病;治療

[中圖分類號] R687.3? ? ? ? ? [文獻標識碼] A? ? ? ? ? [文章編號] 1674-0742（2018）08（c）-0010-04

Application of Lumbar Pedicle Screw Based on 3D Printing in Treatment of Lumbar Degenerative Disease

HAO Wei-min

Department of Spinal Surgery， Heze Hospital， Heze， Shandong Province， 274000 China

[Abstract] Objective To study the clinical effect of lumbar pedicle screws based on 3D printing in the treatment of lumbar degenerative diseases. Methods A total of 100 patients with lumbar degenerative diseases in the hospital from January 2016 to December 2017 were convenient selected and divided into observation group and control group according to different treatment methods. 50 patients in the control group received minimally invasive lumbar interbody fusion. The treatment was performed， and the observation group was assisted in the treatment of lumbar pedicle screw placement using CT detailed data combined with a navigation template made with 3D printing technology. The clinical effects of the two groups were compared. Results The total effective rate was 92.00% in the observation group and 70.00% in the control group，the different was statistically significant（χ2=5.632 8， P=0.010 5）. The lumbar function scores in the observation group were lower than the control group one week after the operation and one month after the operation，the different was statistically significant（t=5.331 7， 6.822 4， P=0.000 0， 0.000 0）; The accuracy rate of nail placement in the observation group was 96.44%， 88.74% in the control group， the different was statistically significant（χ2=3.854 5， P=0.001 6）. Conclusion Application of lumbar pedicle screws based on 3D printing in the treatment of lumbar degenerative diseases can improve the accuracy of nail placement and promote lumbar function.

[Key words] 3D printing; Lumbar pedicle screw; Lumbar degenerative disease; Treatment

非手術方式的保守治療、外科手術治療是臨床治療腰椎退變性疾病的重要方法，針對早期腰椎退變性疾病患者，80%以上的患者經非手術保守治療就能獲得滿意效果，其中基因治療、細胞因子治療是兩種應用較廣且療效明顯的保守治療方法[1]。腰椎椎弓根螺釘植入手術是脊柱內固定應用較多一類方法，腰椎椎弓根螺釘生物力學性能良好，能夠保證脊柱重建時三柱穩定性，對于腰椎退變性疾病如腰椎骨折等的治療具有重要意義。腰椎椎弓根螺釘是否能夠成功植入主要看植入的腰椎椎弓根螺釘是否從腰椎椎弓根這一狹長的骨性管道準確地經過。

當前由于科技進步，越來越多的新型科技產品逐漸應用于臨床，3D打印技術就是其中代表性的一種，在各個醫學領域都有應用。借助3D 打印技術制作個體性、差異性的腰椎實體和螺釘導航模塊，在此基礎上實施手術治療，能夠明顯提升手術效果[2-3]。通過術前模擬螺釘植入，以及術中導航模塊的輔助，置釘的準確率得到明顯提升[4]。該研究具體分析該院2016年1月—2017年12月在50例腰椎退變性疾病患者的治療中應用基于3D打印的腰椎椎弓根螺釘的效果，現報道如下。

1? 資料與方法

1.1? 一般資料

該次研究方便選取該院100例腰椎退變性疾病患者參與研究。其中50例為觀察組，包括27例男以及23例女，平均年齡（58.28±5.36）歲，腰椎滑脫癥4例、腰椎管狹窄癥14例、腰椎間盤突出癥22例、腰椎失穩癥10例;另外50例為對照組，包括28例男以及22例女，平均年齡（58.59±5.14）歲，腰椎滑脫癥5例、腰椎管狹窄癥13例、腰椎間盤突出癥21例、腰椎失穩癥11例。該研究全部患者均對該研究內容知情同意且簽訂知情同意書，該研究經該院倫理委員會批準。兩組各項基本資料比較差異無統計學意義（P>0.05）。

1.2? 方法

觀察組應用CT詳細數據資料聯合 3D 打印技術制作的導航模板輔助實施腰椎椎弓根螺釘置入治療。①重建腰椎三維數據，設計腰椎導航模板：以 Dicom 斷層圖像格式將CT 掃描得到的詳細數據向Mimics14.0 軟件中輸入，完成三維立體重建。先對不同方位的位置進行確認，選擇Segmentation→Thresholding，依照患者實際情況設置具體閾值，接著能夠獲取“Mask”，然后就能夠完成數據的三維重建，流程為Action→Calcu-late 3D，這樣就能夠獲取腰椎虛擬三維模型。通過Edit Mask in 3D 功能可以對虛擬三維模型進行編輯。之后按照順序選擇Med CAD→Create Cylin-der→Radius，接著按照各個三維模型確定進釘的最佳點，接著適當調節 Cylinder 方向以及位置，設置畫面整個為透明狀，對腰椎椎弓根最狹窄位置的寬度以及高度進行測量，并且測量虛擬螺釘貫穿腰椎骨質的長度。這樣就能夠得到導航桿的有關數據。根據這一結果進行導航模塊的設計，確保導航模塊的前端應契合患者“人”字形腰椎峭處，表現為“凹”“凸”骨面完全反向貼合。②3D 打印腰椎導航模板、腰椎實體：在相配套的3D打印機中輸入設計好的導航模板數據、腰椎虛擬三維模型，選擇聚乳酸材料（Nature Works， IngeoTM3251D）作為打印材料，將有關數據輸入進入后就能夠完成批量打印，最后將導航模塊的實體、腰椎模型實體導出。③微創腰椎椎間固定融合術：選擇后路正中切口切入，之后經將“人”字嵴周圍的軟組織清除，完全暴露“人”字嵴，接著進行腰椎椎弓根導航模板的安裝，確保模板緊密貼合患者腰椎。順著導航模塊借助2 mm 克氏針鉆頭鉆出一條進釘通道，利用椎弓根探子探測，對螺釘長度進行確定，另外借助球形探針對四周骨質的光滑程度進行探測，如果沒有顯示存在異常則將合適的螺釘植入。手術后通過X線機對植入效果進行觀察評價，如果沒有顯示異常，將切口縫合，手術結束。

對照組全麻后保持俯臥，懸空腹部，消毒鋪巾后通過X線機進行定位，做椎間隙正中切口，4 cm左右。將部分關節突關節顯露出來，進針后咬除骨皮質，利用X線機確認后將椎弓根釘置入。相同方法完成對側操作，進行連接棒的安裝。將患側下關節突切除，實施神經根減壓，將下位神經根、硬膜囊拉向對側，將纖維環切開后切除椎間盤，在椎間隙植入適量自體骨粒。

1.3? 評價指標

療效標準：在術前以及術后分別對患者進行一次腰椎功能評分，量表總分29分，得分越低，腰椎功能越差。通過比較術前、術后得分改善情況對患者治療效果進行評價，顯效：治療后腰椎功能評分較治療前改善超過75%;好轉：治療后腰椎功能評分較治療前改善30%～75%;無效：治療后腰椎功能評分較治療前改善不足30%。

腰椎功能評價：利用Oswestry功能障礙指數評價患者腰椎功能，量表評分總分為50分，得分越高證實患者腰椎功能越差。術后置釘效果：手術結束后通過X線機、CT探測螺釘置入的位置、長度、狀態、方向，對照軟件模擬與實際操作的參數符合情況。

1.4? 統計方法

采用SPSS 22.0統計學軟件對獲取數據開展分析，（x±s）表示計量資料，行t檢驗，[n（%）]表示計數資料，行χ2檢驗，P<0.05為差異有統計學意義。

2? 結果

2.1? 治療效果

觀察組治療后總有效率為92.00%，對照組治療后總有效率為70.00%，結果對比差異有統計學意義（P<0.05）。見表1。

2.2? 腰椎功能

術前兩組腰椎功能評分結果差異差異無統計學意義（P>0.05），術后1周以及術后1個月兩組腰椎功能評分均有明顯下降，與術前比較組內差異有統計學意義（P<0.05），術后1周及術后1個月觀察組腰椎功能評分均明顯低于對照組，差異有統計學意義（P<0.05）。見表2。

2.3? 手術置釘效果

該研究觀察組設計并制作的導航模塊共有281個，腰椎椎弓根螺釘植入281枚，手術結束后通過X線機以及CT探測植入螺釘的長度、位置、方向、狀態，結果顯示相較于術前模擬的位置有10枚螺釘稍微出現偏移，不過沒有對置入螺釘的整體情況形成影響，剩下的271枚螺釘和手術之前模擬的方向、位置、長度沒有差別，手術置釘的準確率為96.44%。對照組手術中腰椎椎弓根螺釘植入共231枚，結果術中置入位置不佳或者穿破腰椎椎弓根皮質的螺釘共有26枚，手術置釘準確率為88.74%。兩組置釘準確率差異有統計學意義（χ2=3.854 5，P=0.001 6）。

3? 討論

腰椎是機體軀體活動的樞紐組織，需要承受大部分機體活動產生的壓力，所以出現腰椎病變的可能性也較大[5]。隨著年齡的逐漸增加，勞累過度會使得腰椎出現退變性疾病，具體會有腰椎滑脫癥、腰椎間盤突出癥、腰椎失穩癥、腰椎管狹窄癥等，對患者的生活質量存在嚴重影響[6]。腰椎對機體而言具備非常重要的生理功能，同時其本身解剖結構比較復雜，臨床開展脊柱外科手術必須保證解剖定位足夠精準，并且手術操作者還必須克服手術期間存在的清晰度不高、視野不開闊的多類問題，必須如此才可以確保手術實施有效性[7]。腰椎內固定多利用腰椎植入椎弓根螺釘，但是椎弓根和神經、脊髓等重要結構非常接近，同時腰椎椎弓根椎管比較狹長，怎樣在減少損傷、確保精確度的前提下在椎弓根中植入螺釘，是臨床醫師必須重視的問題。

腰椎退變性疾病治療中腰椎椎弓根螺釘置入內固定方法應用已有較長時間，臨床經驗非常豐富，但是由于患者存在的個體差異，所以選擇的進釘方向、進釘深度、進釘點都有明顯差別，同時腰椎椎弓根臨近重要解剖結構，包括神經、脊髓、血管等，特別是針對骨腫瘤、脊柱側凸、嚴重腰椎骨折等患者，無法直接依據人群共性研究的解剖學測量數據精確地植入腰椎椎弓根螺釘。所以即便相同方法下不同患者的手術具體實施效果也會存在差異。植入腰椎椎弓根螺釘時，如果腰椎椎弓根螺釘位置存在比較大的偏差，那么可能直接導致非常嚴重的并發癥，直接影響手術植入的成功率。以往臨床會有配套瞄準器械輔助進行腰椎器械的內固定，不過在植入腰椎椎弓根螺釘時，還是需要多次的應用X線機對植入的腰椎椎弓根螺釘位置是否滿意進行確定。另外也可以應用電磁技術、紅外線等計算機輔助系統，其能夠明顯提升植入腰椎椎弓根螺釘的準確性，不過這一方法所利用到的設備非常昂貴，操作非常繁雜，應用前工作人員需要接受長時間的培訓才能上崗，所以其應用也受到了限制。

數字化設計的最突出特色是能夠在虛擬環境中經反復、多次修改最終得到最優化的虛擬手術方案，并且經設計并3D 打印導航模塊輔助完成實踐手術中的設計方案[8]。該研究實施的基于3D 打印技術制作的導航模板進行腰椎椎弓根螺釘置入術的輔助治療，其優勢主要包括如下：①具備非常高的置釘準確性，且能夠確保置釘的安全性;②這一技術方法操作難度小，只要醫生具備腰椎椎弓根螺釘內固定經驗，就能夠順利完成操作;③這一技術方法的應用能夠使手術整個用時明顯縮短，能夠減小對患者機體的創傷，減少手術相關出血，同時能夠使手術中X射線暴露的時間明顯縮短;④觀察組應用的導航模版都是按照個體化數據設計后得到的，所以使用期間不會出現由于術中體位改變、椎體間相對移動影響植入螺釘的成功;⑤術后患者能夠迅速恢復，患者能夠在術后早期即開始參與功能康復鍛煉，這樣能夠使患者整個病程明顯縮短，明顯減輕患者痛苦。不過這一技術在當前來看也存在一些不足，包括設計模版、制作模版都需要較長時間，不能實施在急診手術患者的治療中;另外操作必須確保對相關軟件的操作方法有明確掌握，否則會影響操作的順利進行;并且3D打印費較高，無法推廣應用在基層醫療單位的臨床治療中[9-10]。不過從整體上看，這一技術的優勢要多于不足，應用價值值得肯定。

在應用3D 打印技術制作的導航模板時，為了保證效果及質量，應該注意以下幾點，①如果患者腰椎“人”字嵴位置骨面平坦，無法牢固固定導航模塊，無法保證較高穩定性，因而置釘的穩定性會受影響。這種情況下手術操作必須用手將導航模塊握緊，防止導航模塊松動。②進行影像數據提取時，無法保證持續良好的數據質量，保真度不佳，并且進行三維重建時也會有數據失真情況出現，同時由于3D打印機會存在固有誤差，所以可能影響實際手術時的導航效果[11]，針對這一情況，應該收集質量高的影像學數據，實施三維重建時必須保證細致操作，以最高標準完成重建，另外應該設置最高精度的打印精度，以最大程度減小誤差。

該研究觀察組應用基于3D打印的腰椎椎弓根螺釘治療腰椎退變性疾病患者，結果顯示治療總有效率為92.00%，明顯高于對照組治療后總有效率70.00%（P<0.05）;觀察組術后1周及術后1個月腰椎功能評分分別為（27.41±4.15）分、（20.16±3.30）分，均明顯低于對照組評分結果（32.46±5.01）分、（27.42±4.62）分（P<0.05）;觀察組置釘的準確率為96.44%，明顯高于對照組置釘準確率88.74%（P<0.05）。類似研究顯示[12]，模擬置釘組置入椎弓根螺釘后均未發生相關并發癥，置釘后復查156枚螺釘中153枚位于椎弓根內，置釘正確率顯著高于對照組（98.1%，88.5%，χ2=11.49，P<0.05）。且模擬置釘組手術時間、出血量及患者放射線暴露時間少于對照組，差異有統計學意義（P<0.05）。該研究結論與之存在一致性。

綜上所述，基于3D打印的腰椎椎弓根螺釘應用在腰椎退變性疾病治療中能夠提升置釘的準確率，更明顯改善患者腰椎功能，值得推廣。

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