3D打印輔助寰樞椎置釘的臨床分析

陳磊,朱斌,次仁倫珠,鐘華璋,王濤,田大勝*,荊玨華

(1.安徽醫科大學第二附屬醫院骨科,安徽 合肥 230601;2.西藏自治區山南市人民醫院骨科,西藏 山南 856000)

寰樞椎骨折、脫位、不穩等疾病是比較常見的脊柱疾病,在其治療過程中常需做寰樞椎固定融合等[1-2]。而寰樞椎解剖結構較為復雜且變異較多,傳統徒手置釘難度及風險較大[3]。盡管近年來機器人、導航等技術一定程度上提高了置釘的準確性和安全性,但相關設備的高成本、高射線暴露及使用不便限制了其普及[4-5]。近年來,關于3D打印在脊柱外科方面的應用研究越來越多[6-7],多數相關研究集中在特殊椎弓根螺釘(如寰樞椎螺釘)置入過程中使用3D打印導板進行輔助[8-10]。但3D打印導板輔助的寰樞椎螺釘置入也存在很多缺陷,比如導板誤差、導板消毒過程中產生變形、術中需剝離的范圍較大、導板難以準確貼附骨表面等[11]。有研究者提出了借助寰樞椎3D打印模型,幫助外科醫生診斷骨折類型、制定術前計劃的方法,既避免了導板的缺點,也取得了良好的效果[12]。本研究回顧性分析安徽醫科大學第二附屬醫院骨科2014年3月到2022年9月期間由同一手術團隊完成的33例寰樞椎后路釘棒固定融合術患者的臨床資料,其中研究組在觀察分析3D模型的基礎上,增加了術前在3D模型上的理想釘道制備,并用制備好釘道的3D模型作為術中置釘的參考,比較了3D打印輔助置釘技術和傳統常規技術的臨床療效和安全性,現報告如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料 納入標準：(1)外傷導致的不穩定寰樞椎骨折或脫位;(2)其他原因導致的寰樞椎不穩。排除標準：(1)采用齒狀突螺釘等其他技術治療;(2)病理性骨折;(3)患者一般情況無法耐受全麻或手術;(4)失訪或無法獲得完整隨訪資料。

本研究共納入33例患者,按手術方式分為3D打印組和對照組。3D打印組進行3D打印模型的制作、模型研讀、模型模擬制作釘道、預制好理想釘道的模型術中參考置釘;對照組根據術者經驗常規徒手置釘。3D打印組15例,男11例,女4例;年齡20～80歲,平均(52.87±16.97)歲。對照組18例,其中男13例,女5例;年齡19～68歲,平均(43.39±13.59)歲。兩組患者一般資料比較,差異無統計學意義(P>0.05,見表1)。

表1 兩組一般資料比較

1.2 治療方法

1.2.1 3D打印組 3D打印模型制作方法：完善包括顱底在內的上頸椎薄層連續CT或CT血管造影(CT angiography,CTA)檢查,獲得DICOM格式的CT數據。電腦上用mimics 21.0軟件提取包含顱底的上頸椎骨性結構并進行三維重建,生成stl格式模型文件。將stl格式文件導入到3D打印機配套切片軟件行打印參數設置,并且切片生成可打印的gcode格式文件。將gcode模型文件導入3D打印機進行打印[1.75 mm直徑聚乳酸(polylactic acid,PLA)線材],所有過程按照與真實大小1∶1進行制作。模型研讀及模擬手術方法：由術者在個體化的3D打印模型上觀察寰樞椎的解剖特點,并在直視下用電鉆進行釘道制作,若發現釘道不良則調整釘道至最理想狀態。分析進釘點、釘道等的可行性和特征,如C1后弓是否過度細小需改用側塊螺釘、C1進釘點和椎動脈壓跡的相對位置關系(見圖1)、骨折線和進釘點的相對位置關系(見圖2)。手術方法：全身麻醉,取俯臥位,行頸后正中縱切口,暴露C1后弓、C2棘突椎板等。根據術前模擬手術情況并參考制作好釘道的3D打印模型選擇進釘點及方向,制作術中真實釘道。釘道放入定位針透視確認位置良好后置入螺釘,安裝連接棒,制作植骨床并植骨融合,最后放置引流管并逐層縫合切口。

圖1 C1左側進釘點與椎動脈壓跡(星號處)位置關系

1.2.2 對照組 全身麻醉,取俯臥位,行頸后正中縱切口,暴露C1后弓、C2棘突椎板等。根據術者的經驗采用譚明生法(椎弓根釘)[13]或Goel法(C1寰椎后弓細小等致椎弓根釘置釘困難時改用側塊釘)[14]結合影像學和術中透視情況選擇進釘點和方向并制作釘道。釘道放入定位針透視確認,必要時調整,位置良好后置入螺釘。安裝連接棒,制作植骨床并植骨融合,最后放置引流管并逐層縫合切口。

1.3 療效觀察 記錄患者手術時間、術中出血量、透視次數、術后住院天數、術后三維CT置釘準確性Kawaguchi分級[15](0級：螺釘完全在椎弓根壁內;1級：螺釘穿出椎弓根壁2 mm以下,無臨床后遺癥;2級：螺釘穿出椎弓根壁2 mm以上,無臨床后遺癥;3級：有動脈或神經根損傷等臨床后遺癥)。記錄患者術前、術后3 d、術后3個月、術后12個月時疼痛視覺模擬評分(visual analogue scale,VAS)、頸椎功能障礙指數(neck disability index,NDI)。

2 結 果

兩組患者順利完成手術并獲得隨訪,隨訪時間12～36個月,平均(32.88±7.15)個月。隨訪期間均未發生神經血管損傷、切口感染、內固定失敗、翻修手術等嚴重并發癥。3D打印組手術時間(131.07±28.65)min,短于對照組(168.11±61.75)min,差異有統計學意義(P<0.05)。3D打印組透視次數(9.80±2.21)次,少于對照組(14.00±3.36)次,差異有統計學意義(P<0.05)。兩組術中出血量、術后住院天數比較,差異無統計學意義(P>0.05,見表2)。

兩組患者術后3 d、3個月、12個月VAS、NDI與術前比較,差異有統計學意義,且隨時間推后均明顯改善。術后3 d 3D打印組VAS評分(2.84±1.04)分,較對照組(3.37±1.26)分更低(P<0.05)。兩組各時間節點其他VAS、NDI比較,差異無統計學意義(P>0.05,見表3～4)。

表3 兩組術前及術后頸痛VAS比較分)

表4 兩組術前及術后NDI比較

置釘準確率：3D打印組置釘60枚,Kawaguchi分級0級56枚,優良率(0級)93.33%;對照組置釘72枚,Kawaguchi分級0級57枚,優良率(0級)79.17%;3D打印組置釘準確率優于對照組,差異有統計學意義(P<0.05,見表5)。

表5 螺釘置入準確性Kawaguchi分級

典型病例為一50歲男性患者,診斷：齒狀突骨折(2型)、頸部脊髓損傷。術中參考3D打印模型及模型理想釘道進行置釘,手術順利,術后CT提示置釘位置良好。手術前后影像學資料見圖3～5。

圖3 術前MRI及CT示齒狀突骨折伴移位、脊髓內高信號

圖4 術后正側位X線片示骨折復位固定良好

圖5 術后CT示螺釘位置良好

3 討 論

本研究在術前制作患者個體化3D打印寰樞椎模型,通過對模型研讀和模型模擬手術置釘,指導真實手術,驗證了該技術的安全性、準確性和有效性,并與傳統徒手置釘技術進行了對比,顯示了其優越性。

與其他方法相比,3D打印輔助的寰樞椎置釘有以下幾個優點：(1)3D打印模型具有特異性,可減少解剖變異對手術的影響,觀察模型能夠幫助術者在術前對手術細節進行一定程度的規劃。(2)通過在3D模型上的模擬預手術,術者可將自己對病例解剖和手術規劃理解提前預演,并進行修正。(3)相比3D打印導板,3D打印輔助的寰樞椎置釘更為簡單易實施,同時避免了導板消毒過程中產生變形、術中需剝離范圍較大、難以準確貼附骨表面等缺點[11]。(4)時間及耗材成本較低,使用科室自有小型3D打印機就可完成模型制作。每個模型打印使用的PLA耗材成本僅需30～40元人民幣,每個模型電腦制作時間約30 min,3D打印機自動打印時間(不需人工值守)12～24 h,模擬手術時間15～30 min。Lam等[16]也發現3D打印在骨科手術方面具有學習曲線短、易于獲得、成本較低等特點,特別是科室自有小型3D打印機,經濟和時間成本遠低于商業化3D打印,且不需向打印公司泄露患者數據,更利于保護患者隱私。

本研究結果顯示,3D打印組輔助置釘的優良率為93.33%,高于對照組傳統徒手置釘的79.17%。Buchmann等[3]報道徒手置釘的優良率為79.2%,Zhang等[17]報道徒手置釘的優良率為80.7%。本研究中3D打印輔助寰樞椎置釘較傳統徒手置釘優,可能的原因如下：(1)3D打印模型能很好地顯示一些有特征的解剖細節與理想進釘點的相對位置關系,可更精準的選擇進釘點。(2)3D打印技術使手術團隊能依據病例特點改進術前計劃,預演手術過程,修正手術方案,減少在真實手術中出現置釘偏差的可能性。

本研究結果顯示3D打印組手術時間更短,術后3 d頸痛VAS評分更低,表明手術創傷更小、恢復速度更快。原因可能和以下兩方面有關：(1)3D打印骨骼模型能比較精準還原骨性結構真實情況,適用于術前規劃和操作[18]。(2)通過對3D模型的研讀和預演手術,能對手術細節進行規劃。3D打印模型給術者提供了真實的視覺和觸覺參考,幫助術者選擇進釘點、螺釘方向等,使得螺釘置釘的過程更為個體化。根據術前模擬結果僅暴露到進釘點即可,不需盲目擴大暴露范圍,減少了肌肉損傷,減輕了術后早期的頸痛,從而減少了手術時間。Galvez等[19]和Yang等[20]研究也表明3D打印技術輔助脊柱手術能減少手術出血和手術時間。

寰樞椎置釘還可采用術中導航、機器人輔助等新技術[4-5,21]。Hur等[5]報道O臂導航輔助的寰樞椎置釘,發現4.4%的C1螺釘和7.6%的C2螺釘的皮質突破超過2 mm。Lang等[22]報道的機器人輔助寰樞椎置釘,發現3.7%的螺釘突破皮質超過2 mm。而本研究中3D打印組無突破皮質超2 mm螺釘,說明3D打印輔助置釘準確性并不低于導航、機器人等技術。Wada等[21]研究發現O臂導航輔助的寰樞椎螺釘融合術手術時間為212 min,Zhan等[23]報道機器人手術時間為266 min,相比本研究中采用的3D技術(131 min)也無優勢。Smith等[24]報道了O臂輔助寰樞椎融合的射線暴露量約為39.0 mGy,Zhan等[23]報道的機器人輔助寰樞椎融合的射線暴露量約為49.6 mGy,均顯著大于本研究中的9.8次透視(1次劑量1.03～1.15 mGy[25])。相對于這些昂貴的技術,采用3D打印輔助技術最大的優勢是廉價和易獲得,易于廣泛推廣。

本研究的局限性在于樣本量有限,為單中心回顧性研究。下一步需開展多中心、大樣本量、前瞻隨機對照研究。此外還有一些值得改進的地方,比如近期的病例已將制作好理想釘道的3D打印模型進行低溫等離子消毒,拿到手術臺上供術者在術中進行近距離的觀察和觸摸,以提供更好的術中參考。

綜上所述,3D打印模型可術前研讀、模型模擬手術及術中參考,縮短手術時間,減輕術后早期疼痛,提高寰樞椎置釘安全性,減少潛在的神經血管損傷風險,療效滿意,值得推廣。