3D打印、逆向工程技術結合體外模擬手術輔助寰樞椎置釘治療Ⅱ型齒突骨折

李 陽，王 靜，宗海洋，林 瑋，徐永清

解放軍聯勤保障部隊第920醫院骨科，昆明 650032

齒突骨折占脊柱骨折的1%～2%，占頸椎骨折的10%～14%[1］。Anderson分型分為3型：Ⅰ型為齒突尖部骨折，占1%～5%；Ⅱ型為基底部骨折，最為常見，占38%～80%；Ⅲ型為骨折線通過C2椎體，占15%～30%[2］。其中Ⅱ型齒突骨折容易繼發寰樞椎不穩，患者可無神經癥狀或有輕度脊髓損傷癥狀，但頸髓處于高風險狀態，非手術治療不愈合風險高[3］，常需要手術治療。寰樞椎后路椎弓根螺釘內固定是目前臨床公認的治療齒突骨折的有效術式之一，然而由于頭頸交界處解剖結構復雜，如何準確安全有效地置入C1，2椎弓根螺釘一直是臨床手術的難點。筆者應用3D打印結合逆向工程技術實施體外模擬手術后，術中采用模板導航輔助C1，2置釘，提高了手術的安全性和準確性，節約了手術時間，減少了術中出血量，現報告如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

回顧性分析2010年1月—2018年3月接受椎弓根螺釘內固定治療的23例Ⅱ型齒突骨折患者資料。12例常規徒手置入C1，2椎弓根螺釘（徒手組），其中男8例、女4例，年齡（37.0±5.5）歲；重物砸傷3例，車禍傷7例，摔傷2例；1例合并右肱骨骨折、2例合并右側尺橈骨骨折。11例在利用3D打印和逆向工程技術實施體外模擬手術成功后，術中利用導航模板輔助置入C1，2椎弓根螺釘（導航組），其中男7例、女4例，年齡（39.0±6.2）歲；重物砸傷3例，車禍傷5例，高處墜落傷2例，摔傷1例；2例合并右上肢軟組織損傷，1例合并左側跟骨骨折。2組患者術前一般資料差異無統計學意義（P＞0.05），具有可比性。

1.2 制作3D打印及逆向工程導航模板

患者平躺于64排螺旋 CT（GE Medieal Systems，美國）平臺，對上頸椎進行薄層掃描。掃描數據設定：電壓120 kV，電流150 mA，矩陣512×512，層厚0.625 mm。將原始CT圖像數據以dicom格式導入Mimics 17.0軟件（Materialise Corporation，比利時）。在Mimics 17.0軟件中利用閾值分割功能，沿剖面線灰度值分布曲線，跨過頸椎雙側皮質繪制剖面線，拖動分割線選擇最適合的閾值，分割結果保存為蒙板。隨后利用區域增長選擇所要細分的原始蒙板，將互不連接的分割區域漂浮像素和噪聲點濾除，得到新的蒙板，最后利用計算3D模型選項完成頸椎三維模型的重建。利用SPS 350B固體激光快速成型機（陜西恒通智能機械有限公司，中國），以光敏樹脂14120（DSM Somos公司，美國）為材料，打印出1∶1頸椎模型。

利用Mimics 17.0軟件Med CAD模塊設計模板的導航管部分，分別在矢狀面、冠狀面、橫斷面視圖中，仔細手動調整導航管位置，確定最佳椎弓根螺釘進針角度及位置（圖1）。通過上述步驟確定寰樞椎的最佳進釘通道后，在Mimics 17.0軟件中利用測量功能測量導航管進針深度。將stl數據導入Geomagic studio 12.0軟件（Geomagic Corporation，美國），在寰樞椎的棘突、椎板區域勾勒出導板形狀，逆向建立同該模板域表面骨性解剖結構相通的定位模板，以2.0 mm厚度做抽殼處理，以stl格式保存。將抽殼后的定位模板同導航管精確配準，數字化生成stl格式的虛擬導航模板，最后利用SPS 350B固體激光快速成型機，以光敏樹脂14120為材料，打印實物導航模板（圖2）。將加工完成的導航模板進行再處理，去除殘余支撐，進行光固化處理，增強物理性能。術前對導航模板進行低溫等離子消毒以備術中使用。

1.3 體外模擬手術

利用3D打印頸椎模型和原比例數字倒模取得的導航模板，術前常規行體外手術演練。將導航模板緊密貼附于C1后弓和C2椎板及棘突，測試模板與骨性結構的貼附性。沿導航管利用2 mm克氏針電鉆在C1，2椎弓根開路，直至從椎體前方穿出，觀察克氏針是否完全位于骨道內（圖3a～c）。如進釘點偏外，進釘方向外翻角偏大，則重新設計模板，在保證開路均位于骨性結構內的前提下，進釘點盡量偏內，外翻角盡量減小，以利于手術操作（圖3d～f）。測量記錄骨性通道的長度，從而得到術中開路深度及置入螺釘長度，并測量左右進釘點到后弓中點或棘突頂點間的距離。

1.4 手術方法

患者全身麻醉成功后，俯臥于手術臺，頭部用Myfiled頭架固定。取枕骨隆突至C3棘突正中切口，依次切開皮膚、皮下組織、筋膜，緊貼棘突分離肌肉，防止出血，暴露C1后弓、C2棘突及椎板。徒手組常規徒手置釘。導航組將消毒后的導航模板緊密貼附于C1后弓和C2椎板，利用2 mm克氏針電鉆沿導航管開路，直至模擬手術中預設的深度，探針探及周圍均為骨性結構后攻絲，置入直徑3.5 mm椎弓根螺釘，其長度略小于或等于模擬手術中所得螺釘長度。透視確認椎弓根螺釘位置良好，利用釘棒連接復位齒突骨折及C1/C2半脫位。從髂后上棘取松質骨，于C1后弓與C2椎板、棘突間植骨，取帶三面皮質骨的松質骨塊，修整至雙側“H”型，將骨塊嵌入C1后弓與C2棘突間，完成植骨。檢查無活動性出血，常規沖洗切口，置入1根“半管”進行引流，逐層縫合切口并進行包扎。

圖1 手動調整虛擬導航管位置Fig. 1 Adjust position of navigation tube manually

圖2 虛擬導航模板和3D打印模板與頸椎模型的匹配情況Fig. 2 Matching of virtual navigation template and 3D printing template with cervical model

圖3 體外模擬手術Fig. 3 Extracorporeal simulated surgery

1.5 術后處理

術后常規補液治療。24 h拔出“半管”引流管，復查頸椎X線、CT平掃及三維重建。臥床期間防止呼吸、泌尿系統感染，指導患者行雙下肢功能鍛煉，防止深靜脈血栓形成，3 d后佩戴頭頸胸支具下床行功能鍛煉。

1.6 影像學測量及療效評定

術后1、3、6、12、18個月行頸椎正側位X線和/或CT三維重建檢查，觀察骨折位置、螺釘位置、植骨融合情況，并進行影像學測量。置釘偏差定義為CT三維重建示椎弓根螺釘突破椎弓根側方骨皮質超過1 mm和/或椎弓根螺釘突破前方骨皮質超過2 mm。術前和術后6個月采用視覺模擬量表（VAS）評分[4］評估疼痛情況，按美國脊髓損傷協會（ASIA）分級[5］標準評定術后脊髓功能恢復情況。

1.7 統計學處理

應用SPSS 17.0軟件對數據進行統計學分析。計量資料以±s表示，組內不同時間數據比較采用配對t檢驗，組間比較采用獨立樣本t檢驗；計數資料以例數或百分數表示，組間置釘偏差率比較采用χ2檢驗；等級資料以例數或百分數表示，組間ASIA分級比較采用秩和檢驗；以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結 果

所有手術順利完成，術中無脊髓損傷、椎動脈損傷等嚴重并發癥發生。所后患者隨訪超過6個月。導航組手術時間、術中出血量及置釘偏差率低于徒手組，差異均有統計學意義（P＜0.05，表1）。2組術后6個月VAS評分均較術前顯著改善，差異有統計學意義（P＜0.05，表1），組間比較差異無統計學意義（P＞0.05，表1）。徒手組術前ASIA分級D級4例、E級8例，導航組術前D級3例、E級8例，術后均為E級；2組差異無統計學意義（P＞0.05）。導航組典型病例影像學資料見圖4。

表1 2組統計數據Tab. 1 Statistical data of 2 groups

圖4 導航組典型病例影像學資料Fig. 4 Imaging data of a typical case in navigation group

3 討 論

目前治療齒突骨折常用的手術入路主要有前路和后路，患者骨質及全身情況好，骨折非粉碎性，骨折線呈橫行或前上向后下斜行，同時不伴有C1/C2不穩或半脫位時，可采用前路齒突螺釘固定，但其穩定性不如后路螺釘穩定性強[6-7］。伴有C1/C2不穩或半脫位時，前路手術需要行C1/C2固定融合，但手術部位深、操作視野受限，術區難以徹底消毒，中樞神經系統潛在感染風險極高，國內外僅少數醫院能開展此類術式，報道及應用相對較少[8］。后路手術應用較廣，其中頸枕融合術因其融合節段多、創傷大、術后頸椎旋轉活動范圍影響大，逐漸被后路寰樞椎融合術代替[9］。鈦纜捆扎及椎板夾技術存在椎管內占位風險，抗旋轉及平移力量較差，術后存在松動風險，臨床單獨應用較少[10］。C1，2關節突關節螺釘技術要求置釘前骨折解剖復位，屈頸畸形、鵝頸畸形、胸椎后凸畸形、短頸畸形及C1后弓缺如患者不能采用此術式[11］。C1側塊螺釘及椎弓根螺釘是新興的后路內固定技術[12］，C1側塊螺釘進釘點位于寰椎后弓下緣與側塊后緣移行處，術中必須暴露C1側塊后方，該位置靜脈叢豐富、枕大神經穿出，易發生大出血，術后易出現神經牽拉麻木癥狀[13-14］。相比較而言，C1椎弓根螺釘置釘位置偏內側，置釘通道長，把持力好。頸椎椎弓根螺釘是三柱固定，可提供即刻的三維穩定性，生物力學強度好，臨床應用后植骨融合率高，適用于絕大多數患者，顯示出其他內固定方法無可比擬的優越性[15-17］。

由于寰樞椎解剖結構的特殊性，術中無法完全暴露其椎弓根，完全依靠術者術中肉眼觀察測量，是導致置釘相關并發癥發生率高的一個重要原因。尤其是寰椎正常解剖上下、左右徑只能容下3.5 mm直徑的螺釘通過，進釘點和進釘內外、上下角度的一點偏移都可能導致置釘相關嚴重并發癥的發生。有研究報道，徒手寰椎椎弓根螺釘置釘錯誤占所有并發癥的55.45%[18］。寰樞椎椎弓根解剖結構個體差異較大，變異較多，同樣的置釘方式對不同的患者可能產生不同的結果，每例手術均應根據每個椎弓根的實際影像學測量結果來置釘，才能提高手術成功率。圖像導航技術在置釘方面顯示出其獨特的優越性[19-23］，但設備昂貴，操作復雜，目前尚未大范圍開展應用。

數字骨科技術已廣泛應用于骨科臨床各個分學科，快速成型技術、倒模技術可行3D模型打印與導航模板的打印，符合個體化原則，能有效指導手術方案的制訂和手術的實施，與徒手置釘技術比較可減少手術時間，提高手術準確性和安全性[24-27］。筆者在3D打印的1∶1頸椎模型上，利用逆向工程技術，為患者量身定做導航模板，利用導航模板在3D模型上體外模擬手術輔助寰樞椎置釘，結果顯示，導航組與徒手組手術療效相當，但導航組置釘安全性、準確性更高，且手術效率更高。實踐證實3D打印、逆向工程技術結合體外模擬手術輔助寰樞椎置釘有以下優點。①個體化直觀展現患者上頸椎及骨折脫位特點，讓術者心中有數；②個體化導航模板為術中置釘準確性和安全性提供保障；③體外模擬手術可查找模板的各種缺陷，反復模擬手術，不斷優化導航模板，最大程度地提高手術安全性和準確性；④在導航輔助下的個體化置釘方案可大大減少手術時間，設計的進釘點較徒手置釘位置更偏內側，需剝離的靜脈叢減少，減少了術中出血量，同時也降低了損傷C1神經根的風險。

為保證手術成功，手術操作應注意以下事項。①體外模擬手術所得進釘點位置、進釘長度等數據，術中需核對左右側，并反復驗證，避免產生置釘位置錯誤或螺釘過長、過短等錯誤。②在計算機制作導航模板的過程中，利用C1后弓中點、C2棘突上緣等骨性凸起作為重要標定點，制作出的導航模板貼附性更好，不易產生位移。③計算機制作導航模板過程中，進釘點的選擇應在保證骨性釘道完整性、不進入椎管、不損傷椎動脈的前提下，盡量靠內，進釘外翻角盡量偏小。如進釘位置偏向外側，外翻角必然會相應偏大，勢必增加暴露的寬度，損傷靜脈叢，容易引起大出血；同時后方的肌肉和皮膚會阻礙導航管和克氏針，導致誤差甚至釘道偏移，損傷椎動脈或脊髓。④術前應對1∶1模型及導航模板進行低溫等離子消毒，高溫高壓消毒可能會導致其變形。⑤術中需充分剝離寰椎、樞椎后部的骨組織，將軟組織清除干凈，利于導航模板與骨性結構完全貼合。C2棘突部位剝離的肌肉予以帶線標記，手術結束時便于各肌肉起點重建。⑥骨皮質光滑，直接開路可能會打滑，導致釘道偏移，可先行進釘點單層骨皮質部分咬除。⑦為確保導孔在導航過程中的穩定，導航管管壁須有一定的厚度，建議至少3 mm。⑧徒手置釘的原則和經驗是導航模板手術成功的基本保障。

綜上所述，3D打印和逆向工程技術結合體外模擬手術輔助寰樞椎椎弓根螺釘置釘治療Ⅱ型齒突骨折，置釘方案完全個體化，提高了置釘的準確性和安全性，是一種安全有效的寰樞椎置釘輔助手段。但本研究樣本量偏小，隨訪時間短，今后仍需進一步積累病例，延長隨訪時間，驗證該技術的臨床效果。