虛擬仿真結合3D打印技術在脊柱骨折手術中的應用

伍漢強，鄭仕強，伍家志

廣寧縣中醫醫院骨傷科，廣東 肇慶 526600

脊柱骨折在全身骨折較為常見，也是骨科診室中常見的創傷類型，其中最為多見的則是胸腰段部位的骨折，可導致患者出現脊柱疼痛、畸形等，從而影響到正常的生活能力[1-2]。手術是促進骨折復位的重要手段，較為常用的屬椎弓根螺釘內固定術，但脊柱骨折的解剖關系較為復雜，常規的手術過程中容易出現置釘位置偏差，降低了應有的手術療效。虛擬仿真技術主要是以計算機軟硬件為基礎、并配合傳感器等輔助手段的一種高度仿真技術，可有效到對物體進行圖像重現，目前在較多外科手術、病灶定位方面也得到了開展應用[3]。3D打印技術則主要是通過影像學技術，并經過計算機打印出具有個體化、精確性的醫療器械，也是目前外科手術室中一種重要的輔助技術[4]。近年來，有研究將虛擬仿真和3D打印技術聯合應用于脛骨平臺骨折的治療，發現其可明顯提高鋼板一次性放置率，且有助于促進患者功能恢復[5]。本文主要探討虛擬仿真結合3D打印技術在脊柱骨折手術中的應用效果，現將結果報道如下：

1 資料與方法

1.1 一般資料選擇2018年1月至2020年12月廣寧縣中醫醫院骨傷科收治的80例脊柱骨折患者為研究對象。納入標準：(1)有外傷史，經過X線、CT等影像學檢查確診為脊柱骨折[6]；(2)新鮮骨折，單純閉合性損傷；(3)具有椎弓根螺釘內固定術適應證；(4)無脊髓、神經損傷。排除標準：(1)伴有嚴重骨質疏松、先天性椎弓發育不良、強直性脊柱炎、脊柱結核等；(2)同時伴有其余部位骨折者；(3)術前檢查有凝血功能障礙、重要器官組織功能異常、惡性腫瘤等，無法耐受手術治療者；(4)精神異常，無法配合研究者。按照隨機數表法將患者分為觀察組和對照組，每組40例。兩組患者的基線資料比較差異均無統計學意義(P＞0.05)，具有可比性，見表1。本研究經醫院醫學倫理委員會批準，所有患者知情并簽署同意書。

表1 兩組患者的基線資料比較[±s，例(%)]

表1 兩組患者的基線資料比較[±s，例(%)]

組別觀察組對照組χ2/t值P值例數40 40男21(52.50)24(60.00)女19(47.50)16(40.00)0.457 0.499年齡(歲)41.67±8.15 42.05±7.58 0.216 0.830受傷到手術時間(d)3.03±0.54 2.97±0.61 0.466 0.643胸腰段24(60.00)25(62.50)腰段12(30.00)10(25.00)其他4(10.00)5(12.50)車禍17(42.50)18(45.00)高處墜落13(32.50)10(25.00)重物砸傷6(15.00)7(17.50)其他4(10.00)5(12.50)性別 骨折部位 致傷原因0.313 0.855 0.608 0.895

1.2 治療方法

1.2.1 對照組該組患者使用常規置釘方法。術前結合患者的臨床病史、CT等影像學資料制定合適的手術方案，從二維角度建立對手術部位的印象。患者接受椎弓根螺釘內固定術治療，取俯臥位，根據脊柱的弧度對俯臥位角度予以調節，將腹部懸空，全麻下開展手術，手術切口選擇脊柱傷椎椎體中心的后正中部位，將皮下肌肉逐層分離，直至到達技術椎體，并仔細分離椎旁組織、神經血管部位。根據術前的手術方案，在上下關節突之間殘留的關節間隙，胸椎損傷則使用Roy-Gamille法進行置釘，腰椎損傷則采用人字嵴頂點法進行置釘。在傷錐上下部位固定1～2個椎體，并在C型臂X線的透視下確保椎弓根螺釘位置固定滿意后安裝釘尾，傷椎椎體撐開后連接螺帽。再次在C型臂X線的透視下確保復位滿意，仔細沖洗切口，常規放置引流管，逐層將切口縫合。術后常規使用抗生素預防感染，引流管留置時間24～48 h，根據患者恢復情況，術后1個月左右開始進行下地康復訓練。

1.2.2 觀察組該組患者給予虛擬仿真結合3D打印技術。術前接受高分辨率的CT和X線掃描檢查，重建骨窗、軟組織窗，將掃描的數據結果導入到醫學軟件Mimics17.0中，對數據進行處理，根據術中需求，采用Multiple Slice Edit模擬出所需要的像素集合，包括最佳的內固定部位、螺釘置入的方向、位置、長度等，最終以STL的格式進行數據輸出。采用Maker Bot Desk top軟件，導入之前的SLT文件，并建立三維模型，對模型的空間位置進行合理調整，并根據不同的模擬效果確定最合理的螺釘置入方法，設置層厚為0.1 mm，溫度設置為230℃，添加支撐平臺，最終生成X3g文件儲存于SD卡中。將文件導入3D打印機中，使用聚乳酸材料、熔融沉積制造技術制備成3D胸腰椎模型。患者接受椎弓根螺釘內固定術治療，取俯臥位，根據脊柱的弧度對俯臥位角度予以調節，將腹部懸空，全麻下開展手術。手術切口選擇脊柱傷椎椎體中心的后正中部位，將皮下肌肉逐層分離，直至到達技術椎體，并仔細分離椎旁組織、神經血管部位。根據術前虛擬仿真結合3D打印技術設計的最優手術方案置入椎弓根螺釘，在C型臂X線的透視下，確保椎弓根螺釘位置固定滿意后安裝釘尾，傷椎椎體撐開后，連接螺帽。再次在C型臂X線的透視下確保復位滿意，仔細沖洗切口，常規放置引流管，逐層將切口縫合。術后常規使用抗生素預防感染，引流管留置時間為24～48 h，根據患者恢復情況，術后1個月左右開始進行下地康復訓練。

1.3 觀察指標與評價方法(1)圍術期情況：記錄并比較兩組患者的手術時間、術中出血量、術中透視次數、置釘準確率；(2)手術前后的日本骨科協會評估治療(JOA)[7]評分：記錄兩組患者術前、術后1個月、3個月、6個月時的JOA評分變化，主要評估內容包括主觀癥狀、臨床體征、日常活動受限程度和膀胱功能，最高分值29分，分值越低則代表患者的功能障礙程度越嚴重；(3)手術前后的傷椎復位情況：術前、術后6個月時兩組患者均接受X線、CT等檢查，記錄傷椎前后緣高度比、矢狀位后凸Cobb角的變化；(4)并發癥：記錄兩組患者術后感染、內固定物松動、神經損傷、腦脊液漏等并發癥的發生情況。

1.4 統計學方法應用SPSS18.0軟件進行數據統計學分析。計量資料符合正態分布，以均數±標準差(±s)表示，組間均數比較采用獨立樣本t檢驗，組內比較采用配對樣本t檢驗，計數資料比較采用χ2檢驗。以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 兩組患者的圍術期情況比較觀察組患者的手術時間、術中出血量、術中透視次數明顯短于/少于對照組，置釘準確率明顯高于對照組，差異均有統計學意義(P＜0.05)，見表2。觀察組患者手術前后影像學圖片見圖1。

表2 兩組患者的圍術期情況比較[±s，例(%)]

表2 兩組患者的圍術期情況比較[±s，例(%)]

組別觀察組對照組t/χ2值P值例數40 40手術時間(min)93.11±8.52 120.63±15.71 9.739 0.001術中出血量(mL)98.16±7.51 134.25±13.26 14.978 0.001術中透視次數(次)12.01±2.37 14.98±2.04 6.007 0.001一次性置釘準確率36(90.00)28(70.00)5.000 0.025

圖1 患者，女性，43歲，后入路切開復位內固定術前后圖

2.2 兩組患者手術前后的JOA評分比較兩組患者術后1個月、3個月、6個月時JOA評分明顯高于術前，且觀察組患者術后1個月、3個月、6個月時JOA評分明顯高于對照組，差異均有統計學意義(P＜0.05)，見表3。

表3 兩組患者手術前后的JOA評分比較(±s，分)

表3 兩組患者手術前后的JOA評分比較(±s，分)

注：與本組術前比較，aP＜0.05。

組別例數術前術后1個月術后3個月術后6個月觀察組對照組t值P值40 40 13.16±2.31 13.09±2.56 0.128 0.898 19.56±2.88a 17.15±2.17a 4.227 0.001 23.11±2.32a 20.08±2.15a 6.059 0.001 25.81±2.47a 22.36±2.04a 6.811 0.001

2.3 兩組患者手術前后的傷椎復位情況比較術后6個月時，兩組患者傷椎前后緣高度比均高于術前，矢狀位后凸Cobb角均低于術前，且觀察組患者傷椎前后緣高度明顯高于對照組，矢狀位后凸Cobb角明顯低于對照組，差異均有統計學意義(P＜0.05)，見表4。

表4 兩組患者手術前后的傷椎復位情況比較(±s)

表4 兩組患者手術前后的傷椎復位情況比較(±s)

注：與本組術前比較，aP＜0.05。

組別觀察組對照組t值P值例數40 40術前52.07±5.83 51.93±6.15 0.104 0.917術后6個月89.55±6.11a 80.32±7.86a 5.864 0.001術前23.75±3.20 23.61±3.53 0.186 0.853術后6個月9.16±1.33a 11.85±1.52a 8.423 0.001傷椎前后緣高度比(%) 矢狀位后凸Cobb角(°)

2.4 兩組患者術后并發癥比較觀察組患者術后并發癥總發生率為2.50%，明顯低于對照組的15.00%，差異有統計學意義(χ2=3.914，P=0.048＜0.05)，見表5。

表5 兩組患者術后并發癥比較(例)

3 討論

脊柱骨折是臨床上常見的脊柱骨折類型，可給患者日常生活帶來嚴重影響，有效的手術治療在促進患者腰椎功能恢復中占據著重要地位[8-9]。椎弓根螺釘內固定術是脊柱骨折患者常用的術式之一，可有效糾正胸腰椎的畸形，恢復傷椎穩定性，并最大程度保留運動節段，促進患者脊柱功能恢復[10]。而該術式成功的關鍵點在于置釘的位置、方向需準確，若不能將螺釘置于正確的部位，可能會造成螺釘擊穿椎體，致臟器損傷，增加一系列并發癥的發生率，從而影響預后。

CT導航有助于幫助術者準確置釘，但價格較貴，基層醫院普及困難，且有輻射風險，容易影響到患者的身體健康。而常規的影像學技術所提供的多是靜態、平面的圖像，術前進行手術設計時需要憑借醫師的自身經驗及想象力，要求較高，且術中需不停地對比影像學資料，也會增加手術時間。虛擬仿真、3D打印技術的共同載體均是計算機，其中虛擬仿真主要是利用計算機生成具有立體性的三維圖像，3D打印技術則是以三維模型為基礎，制造出各種類型的生物醫學產品，以便用于臨床研究[11-12]。有研究將虛擬仿真、3D打印技術用于復雜Pilon骨折患者的治療中，結果顯示，常規手術相比，3D打印結合虛擬手術設計對患者的損傷更少，且可獲得更好的骨折復位[13]。另有實驗也指出，虛擬仿真結合3D打印技術可明顯提高髖臼骨折的復位情況[14]。任鵬飛等[15]實驗將該其應用脊柱厚凸畸形的矯形手術中，也指出其可對手術過程進行最優化的模擬，縮短手術時間、減少術中出血量，提高手術效果。國外ZAMBORSKY等[16]報道中也認為，該技術在骨科領域中有著光明的應用前景，適用于骨畸形、軟骨及軟組織重建、骨折等患者中。

本研究結果顯示，采用虛擬仿真結合3D打印技術結合置釘的患者手術時間、術中出血量、術中透視次數均明顯更短或更少，術中置釘準確率高達90.00%，且術后的并發癥發生率也更低，總體效果優于常規置釘的患者。通過分析是由于：(1)虛擬仿真結合3D打印技術可為患者制定個性化的手術方案，通過精確的圖像有助于明確螺釘置入的最佳位置，提高置釘準確率。劉正蓬等[17]報道將該方式應用于胸腰段脊柱骨折患者術中，也顯示出該方式可提高置釘準確率，和本研究具有相似性。(2)虛擬仿真結合3D打印技術術中不需要多次進行圖像對比，術者的可操作性更高，積極減少X透視次數、手術時間術中出血量等。(3)虛擬仿真結合3D打印技術術前的設計更具有個體性、精確性，可避免術中過度分離組織，有助于減少對神經、組織臟器等造成的不必要損傷，降低術后并發癥發生率。

本研究結果也顯示，采用虛擬仿真結合3D打印技術置釘的患者術后JOA評分、傷椎前后緣高度比、矢狀位后凸Cobb角的改善程度均更為顯著。主要原因是由于，虛擬仿真結合3D打印技術可將手術效果最優化，所打印出來的模型可清晰地了解不同患者的傷錐形態，并為患者提供準確的置釘方案，在提高手術安全性的同時，也有助于術后傷椎功能的早期恢復。但國外有項研究顯示，臨床上的3D打印材料多以聚乳酸為主，所打印出的骨骼模型在置入螺釘過程中容易出現破裂等情況，從而導致手術失敗[18]。但本研究過程中無此類現象情況發展，考慮是和醫師技術水平相關。但是本研究也存在不足，例如隨訪時間過短，未能持續觀察患者更遠期的功能恢復情況及并發癥發生率，且樣本來源單一、量少，今后也將開展更高質量的研究來驗證本結論。

綜上所述，虛擬仿真結合3D打印技術在脊柱骨折手術的應用效果優于常規置釘方法，可明顯提高手術效果，促進患者術后功能恢復，且可減少并發癥發生率，安全性可靠，值得臨床推廣。