椎弓根置釘手術導航模板的個體化設計一例報告

林 澤 陳思穎 林 果 鄒婷婷 葉博文 向子淵 羅浩威 彭鳒僑

1.廣州醫科大學基礎醫學院，廣東廣州 511436；2.廣州醫科大學附屬第一醫院廣東省矯形植入骨科重點實驗室，廣東廣州 510120

椎弓根螺釘內固定術在脊柱內固定手術中有最可靠的三維穩定性和良好的骨性融合，得到了廣泛的應用。傳統椎弓根置釘術依賴術者對解剖標志點的辨認和定位，與術者的臨床經驗緊密聯系。此后，椎弓根螺釘內固定術的改良一方面是借助計算機輔助導航技術，另一方面是通過計算機輔助設計（computer aided design，CAD）設計個體化導航模板。1998 年Radermacher［1］最初報道了使用導航模板輔助螺釘置入，此后許多研究證實了個體化導航模板輔助下的椎弓根螺釘置入較傳統的徒手置入更準確［2-5］，與計算機輔助椎弓根螺釘置入比較有近似效果［6-8］。本研究將敘述如何使用醫學圖像處理軟件Mimics 制作個體化導航模板［9-10］，降低術中尋找解剖標志點及判斷進釘情況的難度，減少對術者臨床經驗的依賴［11-15］，同時探究在Mimics 設計模板的過程中進行解剖教學和模擬手術的可行性［16］。

1 材料與方法

1.1 材料

選取64 排螺旋CT 薄層掃描的腰椎圖像1 例，醫學圖像處理軟件Mimics-17，三維繪圖軟件Pro/E 5.0。

1.2 導航模板的設計方法

1.2.1 2018 年6 月于廣州醫科大學附屬第一醫院（以下簡稱“我院”）放射科保存的舊病號數據中抽取1 份64 排螺旋CT 薄層掃描的正常成人腰椎，數據以DICOM 格式保存并導入醫學交互影像軟件MIMICS，通過Bone Segmentation 快速建立腰部骨骼蒙版（Mask），以Calculate 3D 建造腰椎3D 模型。以Smothing 光滑操作，使模型更加接近真實。本研究經我院醫學倫理委員會批準。

1.2.2 將已建好的腰椎模型透視，在CAD Object 生成小圓柱體替代螺釘，尋找理想的置釘方位和角度。在小圓柱體位置上生成直徑稍大的大圓柱體，在Boolean中作Minus 操作，獲得導航模板的通道。

1.2.3 對原先的模版進行Morphology Operation/Dilate操作，計算3D 模型，經Boolean/Minus，得到與腰椎模型貼合的外殼，適當切割得到導航模板卡合部位。

1.2.4 對腰椎模型、大小圓柱體、腰椎外殼運行Boolean/Minus 和Unit，最終得到用于確定置釘方位和角度的導航模板與預設的釘道。見圖1。

圖1 導航模板制作步驟

1.3 螺釘的設計

1.3.1 以Mimics 測量位于腰椎內小圓柱體的長度和直徑，之后設計螺釘長度和直徑。

1.3.2 運用Pro/E 旋轉命令繪制基礎螺釘模型，調整螺釘長度與內芯直徑，使其與小圓柱體相同，螺釘頭部直徑應等于螺釘內芯直徑合并螺紋高度的數值。

1.3.2 在螺旋“掃描/伸出”項中，選擇Front 為草繪平面，掃引軌跡繪制時，將軌跡頭尾內收實現螺紋漸進收尾，把螺釘內芯螺紋掃引軌跡往中軸靠近，避免螺釘末端螺紋與內芯之間出現縫隙，最后繪制截面時，在螺釘頭部半徑減去內芯半徑的基礎上，應保留螺釘內芯螺紋掃引軌跡距離邊緣的長度，以使螺釘整體的直徑相一致。見圖2。

1.3.3 在“混合/切口”命令完成螺釘頭部的繪制。將設計完成的螺釘輸出為*.STL 格式。

1.4 三維打印

圖2 個體化螺釘制作步驟

用于術前制定手術方案或者是臨床練習的模型可用塑料以熔融沉積成型法（Fused Deposition Modeling，FDM）作3D 打印。使用Flash print 導入設計模型，利用視圖查看模型薄弱區并調整模型以減少薄弱區，設定支撐參數，加入樹狀支撐結構，將所有已添加支撐的模型導入Cura 打印。本次的成品以BT600 3D打印機按1∶1 打印。見圖3。

2 結果

2.1 虛擬組合

將設計成品輸入Mimics 軟件中組合，觀察效果，確保導航支架與脊骨貼合面積足夠以保證兩者能牢固卡合并精準對應預設的釘道，螺釘符合預設釘道的長度。見圖4。

圖3 打印設定參數及效果圖

圖4 螺釘、導架、脊椎組合虛擬鎖釘

2.2 現實鎖釘

將帶有預設釘道的脊骨模型、導航模板和螺釘3D 打印，實物進行組合。導航模板與脊骨模型之間能夠牢固穩定的卡合，用螺釘進行實際鎖釘，導航模板通道與脊骨內預設釘道精準對應，螺釘進釘深度符合術前設計。見圖5。

圖5 3D 打印實體效果圖

3 討論

FDM 打印工序包括加熱絲狀熱熔性材料并透過噴嘴擠出。融化材料按照設計模型每一層的預定軌跡沉積于制作面板或者前一層已固化的材料上，一邊沉積一邊固化，通過層層疊加形成成品［17-18］。FDM 的優點包括安全、干凈、環保，價格便宜，材料利用率高。然而FDM 技術打印的成品表面粗糙，需要后期拋光處理［19］；由于噴頭只做機械運動，打印速度較慢；另外，橫面打印的噴頭不支持懸垂物的打印，因此模型需要設計支撐結構。添加支撐結構需要遵從兩個原則：①當模型的懸垂物與垂直方向傾斜的角度大于或等于45°便需要支撐結構；②在打印橫橋時，支撐結構之間不能少于5 mm［20-21］。支撐結構的種類有樹狀支撐和線性支撐，前者能承力性弱，僅能支撐在某些點觸及突出物；后者承力性強，能支撐整個懸伸部分但比樹狀支撐更難以移除并且耗用更多材料［22-23］。

個體化導航模板設計至今已出現許多新的設計方案，如經皮個體化導航模板［24］、點接觸導航模板等［25］。本研究設計的導航模板為基礎方式，手術與傳統術程基本相同。導航模板的精準度很大程度上取決于與脊骨貼合程度，與脊骨貼合面積越大，貼合越緊密，精準度就越高，同時也需更大的創口和剝離更大范圍的軟組織，應根據實際情況權衡利弊。

Mimics 作為三維編輯軟件，其三維模型重建功能可以讓醫師在直觀模型上學習解剖結構，導航模板的設計過程中可學習選擇最佳的進釘點和進釘角度，軟件自帶的Simulation 模塊可讓醫師模擬手術，進一步提升對椎弓根螺釘內固定術的認知，實現“以教代練”。同時，導航模板輔助置釘降低了手術難度和對醫師的要求，在保證教學效果的同時縮短醫師的培訓周期。

綜上所述，個體化設計的脊術導航無論是應用于教學培訓還是臨床實踐都有現實意義。