3D打印個體化導航模板在腰椎螺釘植入中的應用效果及對患者腰椎功能應激激素的影響

潘玉軍, 時長江, 穆懷昭, 張義龍

(承德醫學院附屬醫院， 河北 承德 067000)

目前腰椎螺釘植入是治療腰椎間盤突出癥、腰椎管狹窄重要手段，但腰椎椎弓根與脊髓、神經根等重要結構相毗鄰，一旦腰椎螺釘植入方向、長度出現偏差，極易損傷脊髓、神經根，造成永久肢體癱瘓、大小便失禁[1,2]。以往臨床多采用徒手置釘法，但該法主要從樣本中獲取一般規律，忽略個體化差異，最終導致30%～40%誤置率[3]。隨著輔助器械不斷完善，3D打印技術個體化導向模板逐漸應用于脊柱外科領域，通過數字技術、信息技術及材料技術引導術中精準置釘，提高腰椎疾病患者置釘準確度。目前針對3D打印個體化導航模板輔助腰椎螺釘植入已有相關研究，研究內容集中于手術情況、并發癥、腰椎功能[4]，近年研究發現，腰椎疾病圍術期多伴有氧化應激反應、脊髓損傷，進而影響術后康復[5]，但相關研究報道較少，，本研究首次嘗試從氧化應激激素、脊髓功能對比兩種術式效果，以期為3D打印個體化導航模板在腰椎螺釘植入中應用提供有利依據。結果如下。

1 資料與方法

1.1臨床資料:選取2019年1月至2021年1月我院122例腰椎間盤突出癥及腰椎管狹窄患者，納入標準：腰椎CT、MRI結合臨床表現確診；年齡≥45歲，病程≥6個月，不限男女；均為單節段病變，手術指征明確；經保守治療3個月以上無效；患者家屬知曉手術及研究，自愿簽署知曉同意書；排除標準：腰椎手術史；肝腎異常；凝血機制異常；嚴重骨質疏松；雙節段及多階段腰椎病變。采用隨機數字表將122例患者簡單隨機分為兩組，各61例。兩組臨床資料均衡可比(P>0.05)。本研究經醫院倫理委員會審核批準，見表1。

表1 兩組患者的一般特征及臨床特征比較

1.2方法:對照組行腰椎螺釘植入術，全麻，俯臥位，自病變正中做一切口，剝離棘突、椎板表面肌肉、軟組織、韌帶，直至腰椎“人”字嵴充分顯露，于病變上下正常節段植入椎弓根螺釘，C型臂X線透視下確診位置滿意，后行椎間融合、安裝連接棒，結合患者病情給予減壓手術，留置1根引流管，閉合切口，引流量不足80mL/d時，拔除引流管。研究組3D打印個體化導航模板輔助下腰椎螺釘植入術：CT掃描：選用64排128層容積CT，行腰椎CT薄層掃描，電流21.6mAs，電壓130kV，獲取Dicom格式圖像，像素512×512pxl，刻錄DVD光盤形式輸出保存；三維重建：①設計釘道桿：將Dicom格式圖像導入三維重建軟件Mimics19.0，行腰椎三維模型重建(見圖1、圖2)，新建Cylinder(模擬進釘通道的釘道桿，見圖3)，調整屬性，結合病變節段腰椎形態調整釘道桿位置，使其以最佳位置穿過椎弓根中心，同時測量椎弓根最狹窄處高度、寬度及釘道桿貫穿骨質長度(釘道桿長度)；②設計導航模板并3D打印實體：基于釘道桿，創建新Cylinder(導航模板前體，半徑7mm、長度2cm，見圖4)，使其與腰椎“人”字嵴處骨面重合，獲取病變椎體棘突根部背側、橫突橫部、椎板解剖形態，據此在軟件上設計反向模板，結合導航模板前體與反向模板，獲取有導航通道的導航模板(見圖5)，并將其固定在腰椎棘突，以STL格式導入打印機，打印出導航模板實體(見圖6)；手術操作：麻醉及暴露過程同對照組，待腰椎“人”字嵴充分顯露后，安裝腰椎導航模板，2mm克氏針鉆頭順導航模板中心鉆出進釘通道，順著釘道放入大小合適椎弓根螺釘，剩余步驟同對照組。術后兩組均常規應用抗生素、脫水、止痛、營養神經藥物，遵醫囑下床活動。

圖1 三維重建模型后視圖

圖2 三維重建模型左視圖

圖3 進釘通道的釘道桿

圖4 導航模板前體

圖5 有導航通道的導航模板

1.3觀察指標:①兩組置釘時間、X線機透視次數、手術時間、術中出血量。②手術效果分為優(CT顯示螺釘完全位于椎弓根內)、良(螺釘穿出椎弓根壁2mm以內，無血管及神經損傷)、可(螺釘穿出椎弓根2mm及以上，無血管及神經損傷)、差(螺釘穿出椎弓根2mm及以上，伴血管及神經損傷)4個等級，優良率=(優+良)/總例數×100%。③術前、術后3d、7d，空腹狀態下，取2mL肘靜脈血，離心取上清液，-20℃冰箱保存，參照上海晶抗生物工程有限公司提供試劑盒說明書，以化學發光法測定過氧化氫酶(Catalase，CAT)、活性氧(Reactive oxygen species，ROS)，比色法測定丙二醛(Malondialdehyde，MDA)。④術前、術后7d、術后3個月，應用肌電圖檢測儀測得量腓總神經傳導速度(Nerve conduction velocity，NCV)、潛伏期(Distal latency，DL)，各指標均測量3次，相差<10%取3次測量均值。⑤術前、術后3個月、6個月，采用Oswestry功能障礙指數問卷表(Oswestry dability index，ODI)評價腰椎功能障礙，該問卷包括疼痛、行走、提物等10項，每項評分0～5分，ODI=實際得分/所能得到的最高分×100%,數值越高功能障礙越嚴重；采用視覺模擬評分法(Visual analogue scale，VAS)評估疼痛程度，VAS總分10分，分值越高疼痛越劇烈。⑥并發癥含下肢麻木、螺釘脫落、腰背部疼痛、螺釘松動等。

2 結 果

圖6 導航模板實體

2.1圍手術期指標:兩組手術時間、術中出血量比較，差異無統計學意義(P>0.05)，研究組置釘時間短于對照組，X線機透視次數少于對照組(P<0.05)。見表2。

表2 兩組患者圍手術期指標比較

2.2手術效果:研究組手術優良率高于對照組(P<0.05)。見表3。

表3 兩組患者手術效果比較n(%)

2.3應激激素:MDA、CAT、ROS在不同組間、不同時間的差別及分組與時間的交互作用均有統計學意義(P<0.05)；研究組對MDA、CAT、ROS水平的影響小于對照組(P<0.05)。見表4。

表4 兩組患者應激激素比較

2.4脊髓功能:NCV、DL在不同組間、不同時間的差別及分組與時間的交互作用均無統計學意義(P>0.05)。見表5。

表5 兩組患者脊髓功能比較

2.5功能評分:ODI、VAS評分:ODI、VAS在不同組間、不同時間的差別及分組與時間的交互作用均有統計學意義(P<0.05)，隨時間變化均呈現下降趨勢，研究組下降幅度大于對照組(P<0.05)。見表6。

表6 兩組患者ODI VAS評分比較分)

2.6并發癥:研究組并發癥總發生率低于對照組(P<0.05)。見表7。

表7 兩組患者并發癥比較n(%)

3 討 論

腰椎椎弓根周徑相對細小，橫徑、水平面角及螺釘通道存在個體化差異，加以鄰近脊髓、椎動脈、主動脈等結構，一旦螺釘穿破椎弓根，極易誘發脊髓、神經損傷等嚴重并發癥[6]。徒手置釘多憑借操作者手術經驗，主觀性強，置釘準確度低，反復置釘可加重周圍血管、神經損傷，增加并發癥發生風險，精確置釘已成為腰椎螺釘植入內固定研究熱點之一[7,8]。

近年3D打印個體化導航模板輔助脊柱外科內固定手術效果得到諸多研究者證實，如王雅輝等[9]發現，3D打印技術輔助下腰椎后路椎弓根釘植入，可提高置釘精準度，減少手術并發癥。研究組置釘時間短于對照組，X線機透視次數少于對照組，觀察組手術優良率顯著高于對照組,(P<0.05)，與上述報道結果一致，其原因在于：3D打印技術具有精準還原、快速制造等優點，根據患者病變椎體解剖特點設計、制作1∶1腰椎模型，使其與病變椎體緊密貼合，為螺釘準確植入提供有利條件，同時良好的內固定效果能夠促進椎間融合，提升節段穩定性，有助于提高手術預后；術前模擬演練可精準確定置釘點、置釘方向及深度，簡化手術步驟，縮短置釘時間，減少X線暴露次數；椎弓根導向模板自帶定位及導向功能，利于螺釘植入，加以其學習曲線短，經驗較少的年輕脊柱外科醫師亦能短時間內掌握置釘方法。同時發現研究組并發癥總發生率低于對照組(P<0.05)，原因在于，術者可通過3D打印技術直觀模擬手術操作，確定精準置釘點、置釘方向及深度，減少周圍神經損傷；徒手置釘為尋找精準置釘點，稍有不慎螺釘便會穿透椎弓根，引起相關并發癥。本研究還發現，ODI、VAS在不同時間的差異俱有統計學意義(P<0.05)，說明經手術治療后兩組患者腰椎功能障礙以及疼痛癥狀均得到顯著改善；但ODI、VAS F組間分別為18.523、17.512，P均<0.001，提示研究組療效更佳，主要原因在于，3D打印個體化導航模板輔助手術置釘準確度高，可顯著緩解腰椎椎體壓迫癥狀，恢復腰椎生理彎曲，改善腰椎功能。

氧化應激是了解圍手術期患者受應激程度重要指標，一旦遭受手術創傷，機體產生劇烈氧化應激反應。因此，監測腰椎疾病圍手術期氧化應激指標水平變化，有助于了解機體綜合應激程度及術后恢復。MDA、ROS為脂質過氧化反應產物，其水平變化可直接反映組織損傷程度。CAT為酶類抗氧化劑，主要作用是清除有害ROS，其含量與應激程度密切相關。從本研究結果來看，術后3d 兩組CAT低于術前，MDA、ROS高于術前，CAT、MDA、ROS F時間分別為15.999、19.976、28.213，P均<0.001，提示兩組患者術后均出現了明顯的氧化應激反應；但研究組CAT高于對照組，MDA、ROS低于對照組，MDA、CAT、ROS F組間分別為13.364、15.662、10.015,P均<0.001,可見3D打印個體化導航模板輔助腰椎螺釘植入創傷小，氧化應激反應輕。另腰椎椎弓根與脊髓相鄰，置釘期間極易損傷脊髓，故本研究采用肌電圖檢測儀測定兩組脊髓功能，結果發現術后7d 兩組腓總神經NCL低于術前，DL高于術前，說明兩種手術均會給脊髓功能帶來負面影響。術后3個月兩組腓總神經NCL、DL趨于術前水平，可見兩組手術所致脊髓功能損傷并未帶來遠期影響。

筆者還總結以下經驗：模擬手術期間，導板與相匹配椎體模型吻合良好后不可隨意移動，以免降低置釘準確率；置釘過程中應當感覺到均勻阻力，若阻力過大或阻力突然消失，提示釘道可能穿出椎弓根；三維重建如導板設計、導板打印均需一定時間完成，在急診手術中具有一定局限性，建議根據患者實際情況選取適宜手術方案。

綜上所知，3D打印個體化導航模板應用于腰椎螺釘植入中，可縮短置釘時間，降低并發癥，提高手術優良率，改善腰椎功能，且對氧化應激影響較小。但本研究僅納入腰椎間盤突出癥、腰椎狹窄癥為研究樣本，且樣本量少，并未展開長期隨訪，建議后續研究擴大疾病范圍，增加樣本量，延長隨訪時間。