3D打印導航技術應用于后路手術治療青少年特發型脊柱側凸

李雷，楊國志

(南陽市中心醫院骨二科，河南南陽 473000)

青少年特發性脊柱側凸(adolescent idiopathic scoliosis,AIS)約占整個脊柱側凸的80%，國內發病率達0.61%～1.9%[1]。手術是治療進展性AIS的主要方式，其治療目的是完全或部分矯正畸形、重建或保持脊柱平衡[2]。近年來，3D打印技術在脊柱外科得到廣泛應用，通過脊柱畸形的CT掃描數據可重建和快速打印1：1的聚苯乙烯脊柱模型，用于模擬手術[3]。3D打印技術在脊柱手術中的應用促進了椎弓根導向器的應用，但其在AIS術中的有效性尚需進一步論證。本研究觀察了3D打印技術和椎弓根引導技術對AIS患者手術時間和并發癥的影響，現報告如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選擇2016年6月～2019年12月在本院接受后路固定矯形治療的AIS患者作為研究對象。納入標準：①符合AIS的診斷標準，年齡10～18歲；②進展性AIS，具有手術指征；③心肺功能足以承受脊柱手術。排除標準：①精神疾病或溝通障礙者；②先天性、骨軟骨發育不良、結締組織疾病、腫瘤等導致的脊柱側凸患者；③合并嚴重基礎疾病不能耐受手術或可保守治療的AIS患者；④既往有脊柱手術史者。共納入64例AIS患者，根據椎弓根置釘技術的不同分為觀察組(n=31)和對照組(n=33)。觀察組中，男9例，女22例；年齡10～17歲，平均(14.32±3.16)歲。對照組中，男10例，女23例；年齡10～18歲，平均(14.79±2.87)歲。兩組患者性別、年齡等一般資料差異均無統計學意義(P>0.05)，具有可比性。

1.2 研究方法

兩組患者術前、術后均采用64排螺旋CT，采用基于模型的迭代重建降低輻射劑量。觀察組從工作站下載Dicom格式的數據并上傳到mimics14.0軟件重建數字三維脊柱模型。重建的三維脊柱模型可以從任何方向觀察和測量，以評估椎弓根長度、橫徑和椎體旋轉角度等各種特征。從重建的三維脊柱模型獲得的數據保存為立體光刻(STL)格式的文件。基于mimics14.0軟件生成的STL格式文件應用Makerbot replicator2打印機打印一個三維的脊柱模型。采用激光熔融技術將聚苯乙烯粉末固化成三維模型。三維脊柱模型按照1：1比例打印，可直觀地觀察椎體和椎弓根發育等表現(見圖1)。在術前制訂方案時使用三維脊柱模型確定截骨方案和適合融合的節段。利用mimics14.0軟件，基于該軟件重建的虛擬脊柱模型，設計了椎弓根螺釘導向器。通過反復調整虛擬桿的插入點和角度確定理想的置入軌跡。根據虛擬桿坐標設計了一個空心隧道，以允許手術中克氏針通過。設計了連桿穩定左右椎弓根的引導通道。基底由板層、棘突和橫突的內側邊緣支撐，與局部骨表面完全吻合。椎弓根螺釘導向器由基底、兩個空心隧道和一個連桿組成。椎弓根引導器用相應的椎體標記，并采用聚乳酸材料用三維打印機打印。術前在三維脊柱模型表面測試了每個椎弓根螺釘導向器。患者全身麻醉后，剝離椎旁肌，顯露椎板、上下關節突和棘突，將椎弓根導向器固定于椎板和關節突上，通過提供插入點和角度的引導通道將一根3.0 mm的K形導針鉆入椎弓根，用椎弓根探針擴大椎弓根軌跡，并置入椎弓根螺釘。對照組采用徒手技術置入椎弓根螺釘(見圖2)。兩組均根據術前討論行預定截骨術。

1.3 2觀察指標

術后2周觀察椎弓根螺釘置入的CT分型和準確性。根據CT檢查，將螺釘置入分為四個等級：①0級：螺釘未穿過椎弓根皮質；②1級：螺釘穿過椎弓根皮質0～2 mm；③2級：螺釘穿過椎弓根皮質2～4 mm；④3級：螺釘穿過椎弓根皮質>4 mm。0～1級定義為精確置釘，2～3級定義為錯位。

通過全脊柱X線片測量術前和術后主要影像學參數，由2名脊柱外科副主任醫師獨立測量，并協商一致。詳細記錄手術時間、螺釘放置時間及螺釘放置相關并發癥。

1.4 統計學方法

圖1 三維打印脊柱模型((a)模型冠狀面，(b)模型矢狀面，(c)導向模板設計，(d)導向模型的三維打印模型)

圖2 患者，15歲，采用徒手技術置入椎弓根螺釘，(a、b)示術前正側位片，(c、d)示術后正側位片。

2 結果

觀察組31例患者置入505枚螺釘，平均(16.29±3.17)枚/例，對照組33例患者置入561枚螺釘，平均(17.00±2.76)枚/例。兩組患者平均置釘數相比，差異無統計學意義(P>0.05)。觀察組螺釘置釘準確率高于對照組，差異有統計學意義(P<0.05)，見表1。術后兩組患者主彎、C7鉛垂線與骶骨中垂線相對距離(C7plumb line- center sacral vertical line,C7PL-CSVL)、脊柱后凸角、矢狀面平衡距離均較術前顯著降低(P<0.05)，但兩組差異均無統計學意義(P>0.05)，見表2。觀察組手術時間和單枚螺釘放置時間顯著短于對照組，差異有統計學意義(P<0.05)；觀察組置釘相關并發癥發生率低于對照組，但差異無統計學意義(P>0.05)，見表3。

表1 兩組患者椎弓根螺釘準確性比較[n(%)]

表2 兩組患者影像學參數比較

表3 兩組圍手術期結局比較

3 討論

后路手術是AIS最常用的矯形方式，椎弓根螺釘系統可為側凸矯形提供堅強固定，在AIS得到廣泛應用[4]。嚴重AIS患者椎弓根明顯旋轉，椎弓根小，椎弓根螺釘置入仍是一個難題。本研究比較了3D打印結合椎弓根導航技術與傳統徒手矯正技術在AIS中的應用，結果顯示，前者可有效提高AIS患者椎弓根螺釘置入的準確性、縮短手術時間，體現了3D打印結合椎弓根導航技術的前景。

一項關于嚴重先天性脊柱側凸患者的研究顯示，采用椎弓根導航技術的患者84%螺釘完全固定于椎弓根內，沒有發生穿孔[5]。另一項針對嚴重脊柱側凸(主彎>70°)患者應用椎弓根引導模板植入48枚螺釘的研究中，椎弓根置入的準確率為93.8%[6]，與本研究94.47%的準確率類似。既往研究顯示，CT和O型臂導航輔助置釘均可獲得90%左右的置入精確率[7-8]，但CT導航存在配準過程復雜和患者體位變化可能引起圖像漂移等缺點，O型臂導航則增加了患者的輻射量，且費用昂貴。相比之下，椎弓根螺釘導向器植入過程簡單，不增加額外的放射定位和放射量，具有明顯優勢。

本研究中，3D打印技術和椎弓根螺釘導向器技術縮短了總手術時間和每枚螺釘的置入時間。在椎體嚴重旋轉、椎弓根狹窄等狀況下，徒手置釘需要反復透視和調整螺釘，無疑增加了AIS患者的手術時間。既往研究顯示，手術時間是脊柱側凸患者術后并發癥的獨立風險因素[9-10]，因此在理論上，縮短手術時間有助于降低AIS患者術后并發癥的發生率。既往研究顯示，AIS患者椎弓根螺釘錯位可能導致神經損傷，嚴重的螺釘位置不當可能導致癱瘓和潛在的血管損傷[11]，常見包括胸主動脈損傷、髂動脈損傷。但本研究未發現兩組并發癥發生率差異，這可能與病例數較少有關。

綜上所述，3D打印聯合椎弓根螺釘導向器引導技術應用于AIS后路內固定矯形手術，可提高螺釘置入準確性，縮短手術時間。本研究樣本量較小，無法精確統計單項并發癥發生率的差異，因此3D打印和椎弓根螺釘導向器對手術安全的影響尚需要大樣本、多中心研究進一步論證。