3D打印導航模板輔助寰樞椎椎弓根螺釘置釘準確性的實驗研究

吳炳華 徐 聰 鄧高榮 高 翔 繆 鋅 凌 強 懂財榮 張魁忠

南昌大學第四附屬醫院骨科，江西南昌 330003

經后路頸椎椎弓根螺釘內固定具有明顯的生物力學優勢，置釘是手術的關鍵，直接影響手術的成敗。近年來計算機導航下的輔助置釘得到很大的發展，尤其是其較高的置釘準確性對臨床醫生很有吸引力，雖然準確率大大增加[1]，但導航設備價格昂貴、操作繁瑣，在國內得到廣泛應用及推廣的路程還很漫長[2]，為進一步提高椎弓根螺釘置入的準確率，需要尋找簡單、安全、有效的置釘方法。3D 打印技術（three dimension printing） 為這種方法提供了理論上的可能，由于3D 打印技術具有很強的三維直觀性，價格相對便宜，近年來在國內外醫學領域得到了廣泛發展[3-6]。本研究選取南昌大學醫學院解剖教研室提供的10 例成人頸椎標本作為研究對象，通過醫學數字化技術，利用計算機輔助設計及3D 打印制作一種專門應用于輔助頸椎椎弓根螺釘置入的個體化導航模板，探討個性化導航模板輔助頸椎椎弓根螺釘置入的可行性及準確性，為臨床應用提供實驗依據，現報道如下。

1 資料與方法

1.1 實驗器材

Philips Brilliance 型64 排螺旋CT儀（飛利浦醫療設備有限公司）；Geomagic Studio 9 軟件；Mimics Research 21.0（試用版），3-matic researchl 軟件（Materialise 公司，比利時）（試用版）；Magics 9.5 軟件（Materialise company，比利時）；（試用版）華碩筆記本電腦（家用型電腦），Windows 7（微軟公司），32 位操作系統；電鉆及鉆頭由江西林華醫用設備技術有限公司提供；頸椎固定器一付（自制）。

1.2 實驗標本

成人頸椎（C1～C7）標本10 具，由南昌大學醫學院解剖教研室提供，見圖1。男6 例，女4 例。經10%甲醛處理，所有標本清除寰樞椎椎板后方、側塊的皮膚及軟組織，充分暴露出寰樞椎骨性解剖結構。本研究經我院醫學倫理委員會審核及同意。

圖1 實驗標本

1.3 導航模板制作及置釘

將尸體標本進行CT 掃描，掃描條件：電壓140 kV，電流150 mA，層厚0.625 mm，512×512 矩陣。CT 圖像數據以DICOM 格式保存，將頸椎CT 圖像導入Mimics 軟件處理后，生成寰樞椎三維模型；利用逆向工程軟件3-matic 9.0，依據椎弓根形態設計反向導航模板，模板兩側各有一個鉆孔導向器，鉆孔導向器正好通過椎弓根中央，將此導板以STL 格式保存；將寰樞椎三維模型及相應導航模板發送給專業3D 打印公司實施打印。將10 套打印好的導航模板與相對應的寰樞椎標本進行組合，模板與標本完全貼合后，從導向孔置入2.0 mm 導針，然后用攻絲處理釘道，沿導針置入3.0 mm 普通螺釘。本研究中螺釘只是用于驗證釘道的準確性，故在實驗過程中，未使用椎弓根螺釘，而用普通螺釘代替。

1.4 檢驗置釘的準確性

把置好椎弓根釘的標本進行CT 掃描，以及對掃描后的DICOM 圖像進行三維重建，最后對標本進行解剖，通過三種方法檢驗螺釘置入的準確性。根據Lee 等[7]的方法評價頸椎椎弓根螺釘的準確性.

2 結果

通過標本CT 掃描，利用Mimics 軟件成功建立寰、樞椎模型20 套以及寰樞椎導航模板20 套，而且導航模板與標本實體解剖形態匹配良好。通過導航模板置入寰樞椎雙側螺釘40 枚，對置釘后標本行CT掃描，結果證實置釘準確（圖2，封四）、對CT 掃描數據行重建，結果證實置釘準確（圖3，封四）以及對標本進行解剖，解剖證實導板置釘準確（圖4），檢測置釘準確性結果提示，置釘正確率為97.5%。

圖4 樞椎及寰椎置釘和去釘后解剖圖像

3 討論

自從寰、樞椎后路椎弓根釘內固定發展起來后，臨床上最常用的椎弓根螺釘置釘方法有徒手置釘和計算機導航系統置釘[8-9]。徒手置釘法由法國醫生Leconte 在1964年首次應用。徒手置釘技術不需要特殊設備，徒手置釘都是以解剖結構表面為定位標準，但由于寰、樞椎缺乏固定的解剖標志，而且椎弓根結構變異較大，臨床普遍建議個體化的置釘方案[10-11]。陳曉明等[12]在57 例先天性脊柱側彎手術中應用三維CT 導航輔助置釘，準確率高達92%。但是CT 導航系統工作原理復雜，要完全掌握這一導航方法尚需一定的學習曲線，這一缺陷也不利于該設備的推廣應用[13]，但是到目前為止臨床上仍未找到一種較為簡單實用而相對安全的置釘技術，這一難題隨著骨科數字技術的發展，逐漸有了解決方向。本研究通過采用醫學數字化技術，利用計算機輔助設計及3D 打印機制作一種專門應用于輔助頸椎椎弓根螺釘置入的個體化導航模板，此導航模板操作簡單，費用低廉，并且在本研究中證實其置釘的正確率為97.5%，這為臨床醫師提供一種簡單有效的置釘方法，值得推廣。

數字化導航模板設計需要掌握：醫學三維重建和逆向工程技術。醫學三維數字重建技術，可使CT、MRI 抽象圖形得到直觀形象的實物模型，有利于患者了解病情，有利于臨床醫師手術模擬和手術方案的制定[14]，使得手術更加精確。逆向工程是機械設計與制造的一個重要分支，它利用各種影像設備（CT，MRI等）對現有的實物進行掃描和測量，獲得其空間點資料，然后通過計算機技術處理得到實物CAD（computer aided design）和三維實體造型的過程。重構后的CAD 模型可用于對實物的分析、修改、制造和檢驗等。本研究正是利用逆向工程技術，設計了寰樞椎椎弓根釘導航模板，使得導航模板的導向孔與椎弓根軸線方向一致，從而達到準確置釘的目的。3D 打印技術是一種以三維數字化模型文件為基礎，運用各類粉末狀材料，通過逐層打印來構建物體。本研究中，醫學三維重建和逆向工程技術都能夠很好的實現，3D 打印技術依托專業3D 打印公司，本研究通過三維重建，反向設計導航模板與標本實體解剖形態完全匹配，并且做到了個體化與精準化。

本研究設計導航模可以提高置釘的準確性，其主要有以下優點[15]：①符合椎弓根個體化置釘的原則，置釘準確率高；②操作簡單，無特別的經驗要求，可以縮短醫師的學習曲線，較好地促進年輕醫師的成長[16]。擁有不同臨床經驗的手術者均可應用，特別適用于年輕缺乏經驗的醫師[17-18]；③模板均為單椎體設計，不受體位因素的影響； ④導航模板的應用可以減少并發癥，避免副損傷。

綜上所述，本研究應用計算機數字化技術輔助設計寰樞椎椎弓根螺釘導航模板，此模板設計具有個體化精確定位，體現了個體化置釘的原則，通過實驗證實導航模板具有良好的解剖貼合度，通過導航模板置釘正確率為97.5%，可以大大減少置釘的并發癥，而且可以縮短醫師的學習曲線，本研究目前僅限于對尸體標本的研究，還需進一步改進，以達到臨床應用的目的。