3D 打印導航模板輔助椎弓根螺釘在脊柱側(cè)彎矯形術(shù)中的置釘效果

李洪珂，郝申申，王鵬程，董勝利，劉 帥，陳紅磊，張志芳，曹心浩

（1.平煤神馬醫(yī)療集團總醫(yī)院脊柱骨科，河南平頂山467002；2.西安市紅會醫(yī)院急診科，西安710054）

0 引言

脊柱側(cè)彎矯形術(shù)常用的置釘方法是椎弓根螺釘徒手置釘法，其可以貫通脊椎三柱而獲得滿意的矯形效果和可靠的三維固定效果[1]。然而徒手置釘法主要依靠術(shù)者的臨床經(jīng)驗與手術(shù)技能，面對解剖結(jié)構(gòu)明顯變異的脊柱側(cè)彎患者時置釘難度增加，操作風險增大，術(shù)中難免反復透視驗證，延長了置釘時間，增加了置釘出血量及透視次數(shù)，置釘準確性亦受到影響[2]。3D 打印技術(shù)大大地促進了精準醫(yī)學的發(fā)展，可為精準化置釘提供參考[3]。采用3D 打印導航模板輔助椎弓根螺釘置釘能夠優(yōu)化置釘效果，降低置釘難度及風險，減少置釘時間、出血量及透視次數(shù)等[4-6]。基于此，本研究探討在脊柱側(cè)彎矯形術(shù)中采用3D打印導航模板輔助椎弓根螺釘置釘?shù)男Ч?/p>

1.1 一般資料

納入標準：術(shù)前影像學資料完整、行全身麻醉手術(shù)、要求手術(shù)矯形者；排除標準：伴有神經(jīng)癥狀、骨折損傷等導致的脊柱側(cè)彎畸形、不能配合手術(shù)治療方案而放棄矯形手術(shù)者。本研究回顧性收集了2018 年1月至2020 年6 月在我院采用椎弓根螺釘置釘法治療的39 例脊柱側(cè)彎患者的病例資料。其中，采用3D打印導航模板輔助椎弓根螺釘置釘患者（3D 組）18例，采用常規(guī)徒手置釘方法置釘患者（徒手組）21 例。所有患者術(shù)前均知情同意并簽署手術(shù)知情同意書。2組患者一般資料比較，差異均無統(tǒng)計學意義（P>0.05），詳見表1。

1.2 3D 打印導航模板制作

3D 打印導航模板的制作步驟具體如下：（1）獲取原始全脊椎斷層圖像數(shù)據(jù)（Dicom 格式），行全脊椎連續(xù)薄層CT 平掃（層厚0.5 mm）并保存。（2）全脊椎三維建模（STL 格式），使用Mimics 17.0 軟件（Materialise company，Belgium）對導入的CT 數(shù)據(jù)進行建模并保存。（3）設(shè)計置釘通道（STL 格式），在3-Matic軟件中對導入的全脊椎模型標記椎弓根軸線，以此為圓心進行拓展并調(diào)整生成圓柱形即為置釘通道。（4）設(shè)計導航模板（STL 格式），提取椎體后部骨性結(jié)構(gòu)（棘突、椎板、橫突）設(shè)計反向模板（厚度4 mm），貫通、擬合后設(shè)計輔助置釘?shù)膶蚩祝ǜ叨? mm），最后修整邊界形成導航模板。（5）3D 打印導航模板，使用光固化3D 打印機采用光敏樹脂材料打印出導入的導航模板。（6）術(shù)前在3D 打印模型上進行導航模板與擬置釘脊柱模型配合度檢驗，并進行低溫等離子消毒備用。

1.3 置釘方法

2 組患者手術(shù)由同一組高年資醫(yī)生實施，置釘操作前步驟相似，均俯臥位、全身麻醉，C 臂透視定位后正中入路，逐層切開皮膚及皮下組織，顯露、剝離脊椎背側(cè)骨性結(jié)構(gòu)，如棘突、椎板和關(guān)節(jié)突背側(cè)的軟組織。2 組手術(shù)方法的不同主要在于置釘方法。3D組置釘方法：（1）依術(shù)前規(guī)劃并參照實物模型將3D打印導航模板貼敷于椎體背側(cè)的骨性結(jié)構(gòu)（棘突、椎板和關(guān)節(jié)突）表面，由助手維持其貼敷固定狀態(tài)。若出現(xiàn)脊柱模型與術(shù)中脊柱形態(tài)不符合，則在參考模型的基礎(chǔ)上結(jié)合術(shù)前影像學資料及術(shù)中透視像進行定位。（2）術(shù)者沿導向孔方向進行打孔。（3）使用球形探針探查釘?shù)浪谋冢来螖U展釘?shù)馈⒐ソz，再次探查釘?shù)浪谋凇＃?）擰入術(shù)前臻選的螺釘，并在置釘全部完成后透視驗證。3D 組置釘具體步驟如圖1 所示。若出現(xiàn)螺釘位置不滿意，則放棄應(yīng)用導航模板，采用徒手置釘方法并仔細對比實物模型與透視像進行徒手置釘。徒手組置釘方法：（1）依術(shù)前規(guī)劃并小心仔細分離出進釘?shù)慕馄饰稽c。（2）術(shù)者持開路器在選取的進釘位點打孔、擴展釘?shù)溃褂们蛐翁结樚讲獒樀浪谋冢萌攵ㄎ会槨＃?）待所有定位針置入完成后透視驗證，若釘?shù)牢恢谩⒔嵌炔粷M意，進行修正至滿意。（4）使用絲攻攻絲，再次探查釘?shù)啦y量釘?shù)篱L度。（5）依術(shù)前影像、術(shù)中透視及測量結(jié)果選取合適的螺釘，并在置釘全部完成后透視驗證。

1.4 觀察指標

記錄置釘時間、置釘出血量、置釘透視次數(shù)、置釘?shù)燃壖皽蚀_率、置釘可接受率、置釘并發(fā)癥和主彎矯形率。置釘?shù)燃墸郝葆斖耆谧倒鶅?nèi)為Ⅰ級；穿出椎弓根壁不超過2 mm 為Ⅱ級；穿出但不超過4 mm為Ⅲ級；穿出超過4 mm 為Ⅳ級。Ⅰ級、Ⅱ級為可接受螺釘，Ⅲ級、Ⅳ級為不可接受螺釘[7]。置釘準確率指一次性成功置釘數(shù)量占總置釘數(shù)量的百分比。置釘可接受率指Ⅰ級、Ⅱ級置釘數(shù)量占總置釘數(shù)量的百分比。

圖1 3D 打印導航模板輔助脊柱側(cè)彎椎弓根螺釘置釘步驟

1.5 統(tǒng)計學方法

采用SPSS 19.0 軟件進行統(tǒng)計分析。符合正態(tài)分布的計量資料以±s表示，采用兩獨立樣本t檢驗；計數(shù)資料以n（%）表示，采用χ2檢驗；置釘?shù)燃壉容^采用秩和Z檢驗。檢驗水準α 取雙側(cè)0.05。

2 結(jié)果

39 例患者均順利完成手術(shù)。3D 組脊柱模型與實際術(shù)中的脊柱形態(tài)基本一致，符合率達100%。3D 組置入298 枚螺釘，其中一次性成功置釘289 枚，可接受螺釘286 枚。3D 打印導航模板輔助脊柱側(cè)彎椎弓根螺釘置釘手術(shù)前、后影像圖如圖2 所示。徒手組共置入326 枚螺釘，其中一次性成功置釘293 枚，可接受螺釘284 枚。徒手置釘方法脊柱側(cè)彎置釘手術(shù)前、后X射線片如圖3 所示。39 例患者術(shù)中無置釘相關(guān)的血管神經(jīng)損傷發(fā)生。術(shù)后徒手組出現(xiàn)1 例背部疼痛、3例下肢疼痛，經(jīng)對癥治療后癥狀消失；3D 組無相關(guān)并發(fā)癥出現(xiàn)。3D 組置釘時間、置釘出血量、置釘透視次數(shù)少于徒手組，置釘?shù)燃壖皽蚀_率、置釘可接受率優(yōu)于徒手組，差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）；2 組主彎矯形率比較，差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。詳見表2、3。

圖2 3D 打印導航模板輔助脊柱側(cè)彎椎弓根螺釘置釘手術(shù)前、后影像圖

圖3 使用徒手置釘方法進行脊柱側(cè)彎置釘手術(shù)前、后X 射線片

表2 3D 組與徒手組置釘參數(shù)與矯形效果比較

表3 3D 組與徒手組置釘情況比較

3 討論

3D 打印技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學領(lǐng)域，不僅促進了醫(yī)療設(shè)備的改進，也促進了生物組織工程的發(fā)展，可為臨床醫(yī)生提供諸多便利，如初級應(yīng)用階段的3D 打印骨骼模型有助于了解病變結(jié)構(gòu)和指導手術(shù)、3D 打印導航模板有助于降低置釘難度和提升置釘精度；中級應(yīng)用階段的3D 打印個體化植入物可用于替換病變的骨組織結(jié)構(gòu)；高級應(yīng)用階段是生物3D 打印，以活細胞為原料打印出適合人體的模型和組織器官，用于修復損傷組織和器官移植[8-12]。脊柱側(cè)彎椎弓根螺釘固定矯形術(shù)中應(yīng)用3D 打印技術(shù)具有以下優(yōu)點：（1）可將虛擬的三維影像轉(zhuǎn)化為立體實物，有利于術(shù)前溝通、術(shù)前規(guī)劃、術(shù)前模擬等[10-12]；（2）3D 打印導航模板只涉及單個椎體的解剖結(jié)構(gòu)，規(guī)避了體位變化可能造成的誤差影響[13]；（3）術(shù)中可以實時對比觀察病變脊柱與實物模型，有利于辨認局部解剖結(jié)構(gòu)與毗鄰組織的關(guān)系，有效減少因判斷失誤而導致的置釘偏差；（4）結(jié)合術(shù)前已經(jīng)精確測算的螺釘規(guī)格、進釘角度、進釘深度等進行置釘，可有效提高置釘準確性與安全性，降低置釘風險[14]；（5）可減少術(shù)中穿刺、調(diào)整螺釘?shù)拇螖?shù)，提升椎弓根對螺釘?shù)陌殉至Γ档统C形操作過程中發(fā)生椎弓根再骨折的風險[15]；（6）可減少置釘透視次數(shù)，縮短置釘時間，減少置釘出血量。

目前，3D 打印導航模板輔助椎弓根螺釘置釘在脊柱側(cè)彎固定矯形術(shù)中的應(yīng)用尚處于初步階段，其臨床應(yīng)用價值仍需進一步驗證。本研究中3D 組均順利完成置釘操作，術(shù)中無置釘相關(guān)并發(fā)癥出現(xiàn)，且置釘?shù)燃壖皽蚀_率、置釘可接受率均顯著優(yōu)于徒手組，說明采用3D 打印導航模板輔助置釘具有良好的可行性與安全性。張宇鵬等[16]亦認為采用3D 打印導航模板輔助置釘治療脊柱側(cè)彎是提高脊柱側(cè)彎手術(shù)安全性和置釘準確性的理想方法。雖然本研究中有數(shù)枚不可接受螺釘，但出現(xiàn)臨床癥狀者僅4 例（徒手組），治療后均痊愈。筆者認為這與神經(jīng)、血管遇到破裂的椎弓根或穿破椎弓根壁的螺釘時會發(fā)生主動逃逸現(xiàn)象和椎管具有一定的容納體積有關(guān)[17]。同時，本研究中3D 組置釘時間、置釘出血量、置釘透視次數(shù)均顯著少于徒手組。李鑫等[18]亦報道采用3D打印導航模板輔助置釘治療嚴重脊柱側(cè)彎可以減少或避免術(shù)中透視次數(shù)，有效縮短手術(shù)時間，減少術(shù)中出血量。此外，本研究中3D 組和徒手組在矯形效果方面（主彎矯形率）無顯著差異，說明了3D 打印導航模板輔助置釘可獲得與徒手置釘相似的矯形效果，另一方面也說明了3D 打印技術(shù)在脊柱側(cè)彎矯形效果方面無顯著優(yōu)勢。

3D 打印導航模板的應(yīng)用需注意以下幾點：（1）脊柱側(cè)彎的解剖結(jié)構(gòu)變異且復雜，導致兩側(cè)的神經(jīng)根與硬膜位置不對稱，術(shù)中顯露時需小心、謹慎，避免損傷或造成腦脊液漏[19]。（2）置釘準確性的關(guān)鍵在于導航模板是否能夠良好地貼敷于預(yù)設(shè)位置，因為只有達到良好的貼敷，螺釘方可按設(shè)定軌跡置入，故術(shù)中剝離不干凈或棘突遮擋均可影響導航模板的貼敷效果。因此，本研究設(shè)計的導航模板在棘突處采用跨越式的弓形連接方式，減少了棘突部位對模板安放的影響，只需將導航模板所覆蓋范圍內(nèi)軟組織清理干凈即可[20]。但在實際操作中可能存在軟組織難以完全剝離的情況，這也是本研究出現(xiàn)Ⅲ級螺釘與置釘準確率不一致的可能原因。（3）3D 打印脊柱模型是在術(shù)前較理想狀態(tài)下顯示的解剖形態(tài)，術(shù)中的解剖形態(tài)還受實際的體位、麻醉、操作等情況影響[21]。因此，需要術(shù)中仔細辨認并結(jié)合術(shù)中透視像來綜合指導矯形操作。（4）3D 打印模型和實物涉及術(shù)前數(shù)據(jù)采集、模型設(shè)計、實物打印、消毒應(yīng)用等諸多步驟，一般會存在較小誤差（0～1 mm）。因此，其定位、定向的精準性難免會受到影響，仍有必要對置釘通道進行探查驗證以最大限度地確保置釘?shù)陌踩玔22]。一旦出現(xiàn)置釘位置不滿意，應(yīng)即時放棄應(yīng)用導航模板，采用徒手置釘方法并仔細對比3D 打印模型與透視像進行補救。（5）術(shù)前規(guī)劃是在理想狀態(tài)下設(shè)計的置釘與矯形效果，術(shù)中實際操作未必能達到術(shù)前規(guī)劃效果[23]，如果一味地追求達到術(shù)前設(shè)計的矯形效果，不僅會加重手術(shù)創(chuàng)傷程度，還會使得骨折損傷及神經(jīng)損傷的發(fā)生概率大大增加。（6）目前，3D 打印的費用仍較昂貴，尚無統(tǒng)一規(guī)范和納入醫(yī)保范疇，這可能會增加患者的經(jīng)濟負擔。

綜上所述，在脊柱側(cè)彎矯形術(shù)中采用3D 打印導航模板輔助椎弓根螺釘置釘，可顯著降低置釘難度、優(yōu)化置釘操作、提升置釘效果，不失為一種較好的置釘方法，但在改善脊柱側(cè)彎矯形效果方面并無顯著性優(yōu)勢，下一步將對此進行進一步研究。