張 斌 綜述， 譚 軍 審校

(1. 同濟大學附屬東方醫(yī)院脊柱外科，上海 200120； 2. 余姚市人民醫(yī)院急診創(chuàng)傷科，浙江 余姚 315400)

?

·綜 述·

釘棒系統(tǒng)導向模板在脊柱外科中的應用進展

張 斌1，2綜述， 譚 軍1審校

(1. 同濟大學附屬東方醫(yī)院脊柱外科，上海 200120； 2. 余姚市人民醫(yī)院急診創(chuàng)傷科，浙江 余姚 315400)

總結(jié)近年來國內(nèi)外釘棒系統(tǒng)導向模板在脊柱外科領域的臨床研究，闡述釘棒系統(tǒng)導向模板的產(chǎn)生、發(fā)展和技術(shù)特點，為導向模板的臨床應用和導向模板的設計提供參考。

快速成型； 模板； 導航； 脊柱

在脊柱外科手術(shù)中，椎弓釘置入技術(shù)已成為脊柱內(nèi)固定的主流技術(shù)。在置釘過程中，通過C臂透視技術(shù)和影像導航技術(shù)可以大大減少椎弓根釘偏移的風險，已成為置釘過程中不可缺少的步驟。近年來，隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，打印導向模板也成為椎弓根釘置入的輔助技術(shù)，給椎弓釘置入起到導向作用，進而減少徒手置釘中偏差的發(fā)生。椎弓根釘導向模板操作簡便，置釘準確度高。隨著計算機輔助應用技術(shù)的發(fā)展和3D打印技術(shù)的推廣，使得導向模板技術(shù)在臨床應用的推廣成為可能。

1 導向模板的概念和制作過程

快速成型導向模板是快速成型技術(shù)或增材制造技術(shù)的一種臨床應用導板。在手術(shù)過程中利用快速成型導向模板，協(xié)助骨科醫(yī)師進行定位導向，進而實現(xiàn)鉆孔、置釘、截骨等臨床操作。

解剖模型和快速成型導板的制作。 (1) 解剖數(shù)據(jù)的重建和快速成型導板的設計： 利用螺旋CT連續(xù)掃描手術(shù)部位解剖結(jié)構(gòu)，將CT連續(xù)斷層圖像以DICOM格式保存。將DICOM文件輸入三維建模軟件(如Mimics)，建立三維模型，以STL格式導出。在3D-CAD軟件(如Freeform Date Design)中打開三維模型，設計手術(shù)方案。根據(jù)方案制定設計釘?shù)?，制作釘?shù)肋M針表面的解剖反向模板，將釘?shù)篮头聪蚰０褰Y(jié)合一體完成個體化導板的設計。(2) 將三維解剖模型和導板設計以STL文件格式輸入3D打印機，根據(jù)要求制作解剖模型和個體化導板。

2 釘棒系統(tǒng)導向模板在脊柱外科的發(fā)展進程

Radermacher等[1]及Birnbaum等[2]通過DISOS planning workstation技術(shù)平臺，應用銑床技術(shù)制作的導板是最早設計的個體化導板。其制作的導板是單節(jié)段單側(cè)椎弓根釘導板，設計理念： 將導板覆蓋單節(jié)段半側(cè)棘突、椎板、橫突，固定導板后進行鉆孔。2001年，Birnbaum 等[2]進行了在13具尸體標本上應用銑床技術(shù)制作的個體化定向?qū)О迮c傳統(tǒng)手術(shù)方式的比較研究，認為應用個體化導板技術(shù)是一種方便、準確，能減少操作時間的新技術(shù)。

Goffin等[3]較早報道了應用立體光固化技術(shù)打印制作的丙烯酸樹脂頸椎導板，并利用導板在尸體標本及臨床患者置入了magerl螺釘。Berry等[4]也報道了應用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)打印制作的聚酰胺尼龍導板，共制作了4種類型的導板應用于頸、胸、腰椎的椎弓釘置入。

早期的導板設計有著各自的設計特點。Van Brussel最早提出了用V型夾固定橫突和棘突的導板設計。Goffin等[3]設計的寰樞椎關(guān)節(jié)突螺釘導板以寰椎椎弓和樞椎的棘突、椎板為解剖標記點，用多個似刀口設計的夾具來固定。Berry等[4]在Van Brussel的基礎上用V型鉤聯(lián)合多個圓柱支撐點來設計導板。以上的導板設計理念都以點面接觸方式來固定導板。他們的基本特征為： 導板與脊椎接觸有限，不是通過導板與脊柱面面接觸的貼附方式來實現(xiàn)，通常需要夾具、V型鉤的局部接觸來實現(xiàn)貼附固定。這可以也是第1代導板的技術(shù)特點。

2007年，Owen等[5]介紹了一種應用逆向工程技術(shù)制作的新型頸椎椎弓根釘導板，并在尸體標本上應用該導板進行了臨床研究。Owen等[5]設計的導板是第2代導板的經(jīng)典代表。他在數(shù)字解剖模型上通過逆向工程技術(shù)制作接觸導板，實現(xiàn)了完全面面接觸貼附固定的導板設計。這種設計大大提高了導板的穩(wěn)定性和定位的精確性。此后的導板設計都以該設計理念為主。Lu等[6-11]是我國早期個體化導板應用的開拓者。他們借鑒了Owen等[5]的逆向工程技術(shù)，設計的面面接觸固定導板，已經(jīng)在國內(nèi)臨床患者中應用，并且取得良好療效。雖然完全面面接觸的導板有其穩(wěn)定、精準的優(yōu)點，但也暴露出一些客觀存在的問題。(1) 因為需要完全面面接觸貼附，使得手術(shù)創(chuàng)傷較大；(2) 手術(shù)中要求精確暴露骨面，徹底剔除周圍軟組織。倘若軟組織解剖不徹底，會使導板貼附不穩(wěn)定，導致置釘不準確。Merc等[12-13]也報道了一種多節(jié)段腰椎椎弓釘導板在腰椎骶椎脊柱手術(shù)的臨床應用。

日本學者[14-16]在第2代導板設計中提出多步驟導板設計的理念。Sugawara等[14]介紹了三步驟的胸椎椎弓根釘導板，將同一節(jié)段的導板分為開孔、鉆孔、置釘三步驟導板。Kaneyama等[15]介紹了中段頸椎椎弓釘三步驟導板。以往的導板設計都以開孔為設計理念，認為開孔后可以直接沿孔道置入螺釘。應用三步曲的導板設計避免了徒手置釘?shù)陌l(fā)生。操作者通過置釘導板能沿著導向一次置釘。雖然多步驟的導板設計，增加了術(shù)前準備，增加了手術(shù)的操作步驟，但能更為安全可靠地使用導板，提高導板技術(shù)的精確性和安全性。

Merc等[12-13]介紹了一種多節(jié)段腰骶椎椎弓根釘導板。這是一種跨椎體節(jié)段的導板，優(yōu)點是組織損傷相關(guān)較小，只需徹底暴露腰椎上下關(guān)節(jié)突，缺點是導板的穩(wěn)定性、準確性較單節(jié)段導板差。

在第2代導板應用中，隨著計算機技術(shù)的進步和導板制作工藝的改進，導板的穩(wěn)定性、準確性越來越高。個體化定向?qū)О宀辉偈菃我坏闹冕敿夹g(shù)。Wu等[17]報道了應用置釘導板來治療先天性脊柱側(cè)彎畸形。Chen等[18]介紹了個體化定向?qū)О逵糜邝竟枪钦酆枉诀年P(guān)節(jié)脫位的治療。

2015年，Takemoto等[19]報道了一種新型3D金屬打印胸椎椎弓釘導板，使用該導板為36位脊柱側(cè)彎畸形及4位后縱韌帶骨化患者分別置入胸椎椎弓根釘420枚、46枚，置釘準確率達98%。該導板不同于以往的導板設計。Takemoto等[19]通過對建模后局部區(qū)域的數(shù)據(jù)分析，選取了7個較為可靠的解剖標記點。利用該解剖標記點來逆向工程設計導板貼附接觸面。接觸面采用了用直徑為4、6mm的圈，7個小圈圍成一個大的環(huán)形貼附圈。該設計利用多個點、面結(jié)合的辦法來減少軟組織的暴露及軟組織的損傷，通過選擇可靠的解剖標記點來設計導板，達到穩(wěn)固貼附脊柱的目的。該設計可以認為是第3代導板設計。

綜上所述，根據(jù)導板設計的技術(shù)特點，可以將導板設計分為3代。第1代導板的設計以點面接觸貼附固定為特征。其優(yōu)點為手術(shù)暴露部位小，軟組織剔除少，創(chuàng)傷小，適合頸、胸、腰椎。其缺點為導板穩(wěn)定性差，固定不可靠，導致精度和安全性不高。第2代設計以完全面面接觸貼附固定為特征。其優(yōu)點為導板貼附固定可靠，導板的精度和安全性高，適合胸椎、頸椎；其缺點為手術(shù)部位創(chuàng)面暴露大，軟組織剔除要求高，而且要求徹底剔除軟組織同時不損傷骨皮質(zhì)。第3代的導板設計是更為堅固的金屬打印導板，分析選取可靠的解剖標記點，利用多個點面結(jié)合的辦法，既能可靠地貼附固定、精準定位，又能達到減小創(chuàng)面暴露減少對軟組織的創(chuàng)傷。

3 釘棒系統(tǒng)導板技術(shù)在脊柱外科的臨床應用

個體化導板技術(shù)它是計算機技術(shù)、逆向工程技術(shù)、分層制作技術(shù)的集成。在實體應用或虛擬應用中，個體化導板技術(shù)都具有重要臨床意義。在術(shù)前準備中，可以利用計算機技術(shù)做好手術(shù)規(guī)劃，可以虛擬呈現(xiàn)手術(shù)部位的解剖結(jié)構(gòu)，通過二維或三維的視覺方式呈現(xiàn)相關(guān)解剖關(guān)系。在規(guī)劃手術(shù)方案時，能發(fā)現(xiàn)手術(shù)可能遭遇的困難和問題。Lu等[10]介紹了在胸椎側(cè)突畸形術(shù)前導板規(guī)劃中，遇到椎弓根變異的情況。椎弓根特別細，不能以常規(guī)方式置入螺釘，采取了特殊的置釘方式(內(nèi)-外-內(nèi))，從而避免相關(guān)的手術(shù)并發(fā)癥。在寰樞椎復位固定導板設計中，當遇到椎動脈解剖異常的患者，可以根據(jù)椎動脈的變異情況來制定手術(shù)方案，選擇關(guān)節(jié)突螺釘或側(cè)塊螺釘還是椎板螺釘來固定頸椎。選擇更為安全有效的手術(shù)方式，降低手術(shù)風險，減少手術(shù)創(chuàng)傷。

手術(shù)區(qū)域3D實物模型可以呈現(xiàn)更為直觀的手術(shù)區(qū)域解剖，可以發(fā)現(xiàn)細微的解剖結(jié)構(gòu)[20]。通過3D解剖模型可以更好地和同事團隊交流病情和制定手術(shù)方案，也能更好地和患者家屬溝通。實體模型可以在體外驗證導板的可靠性及準確性，同時在手術(shù)中協(xié)助術(shù)者有效地操作。

隨著技術(shù)發(fā)展，導板技術(shù)不再是單一的開孔技術(shù)?，F(xiàn)在導板技術(shù)正不斷運用于脊柱側(cè)彎畸形、后凸畸形等矯形手術(shù)治療中[19，21-22]。在解剖畸形的患者，個體化導板可以協(xié)助術(shù)者能更為安全、精準的操作。在臨床操作中因為患者的個體解剖差異，每項臨床技術(shù)的學習都有其各自的學習曲線。而個體化導板能很好解決每位患者的解剖差異。因此在個體化導板的應用中沒有發(fā)現(xiàn)明顯的學習曲線。

4 脊柱椎弓根釘導向模板的準確性和安全性分析

個體化導板的準確性評估主要通過術(shù)后CT影像觀察來實現(xiàn)。在早期的評價體系中通過判斷椎弓根螺釘與椎弓根的關(guān)系來評價導板使用的準確性。常根據(jù)在椎弓根有無皮質(zhì)損傷情況來評價分類。通常認為螺釘超出椎弓根皮質(zhì)2mm認為置入螺釘不準確。近年來，評判標準更為嚴格，常通過術(shù)后CT觀察的螺釘釘?shù)琅c預先設計釘?shù)涝谑笭钗缓蜋M斷位上比較，認定偏差>2mm為不準確。隨著導板設計的優(yōu)化，制作工藝的提高，有文獻報道頸椎、胸椎的椎弓根導板準確率分別為100%[15]和98%[19]。

影響導板準確使用的因素包括3個方面： 導板設計、導板制作和導板應用操作。

導板的設計需要將手術(shù)部位連續(xù)CT掃描，將CT影像轉(zhuǎn)變?yōu)槿S模型。這需要在數(shù)字平臺上建立，現(xiàn)在常用軟件有Mimics軟件、VG Studio軟件、Freeform Date Design軟件等。軟件算法的優(yōu)化直接影響到數(shù)據(jù)建模的準確性。在三維模型建立時，需要使用到CT閾值的感念。在不同閾值下，其三維輪廓是存在差異的。Takemoto等[19]指出，HU100和HU350的三維椎體輪廓閾值最多可相差1.5mm 以上。由此在建立三維模型時，虛擬得到三維模型與手術(shù)臺上暴露的解剖結(jié)構(gòu)還是有差異的。在數(shù)據(jù)建模時，需要選用合適的閾值，來建立虛擬三維模型。同時根據(jù)閾值的變化找到解剖模型中差異最小的解剖點或面，作為解剖標記點，進而根據(jù)標記點設計導板。

導板的制作是通過3D打印機來實現(xiàn)的。在以往的導板制作中Goffin等[3]、Kaneyama等[15]和Lu等[6-10]選擇立體光固化技術(shù)打印機，而Berry等[4]、Merc等[12-13]和Takemoto等[19]都應用了選擇性激光燒結(jié)技術(shù)打印機。前者打印成本相對便宜，以光敏樹脂為材料。后者打印成本相對高昂，選擇材質(zhì)多樣化(聚酰胺、鈦合金)?，F(xiàn)有的工業(yè)級打印機精度都在毫米級以上，基本可以滿足臨床需求。

導板的應用操作是影響導板精準的重要因素。個體化導板的穩(wěn)定操作是導板精準實用的前提，這又是和導板設計相關(guān)的。導板的固定可以通過克氏針固定或徒手加壓來實現(xiàn)。在操作中唯有良好的固定貼附，才有可能達到精準定位、安全使用。

5 展 望

釘棒系統(tǒng)導向模板技術(shù)是計算機輔助技術(shù)、逆向工程技術(shù)、3D打印技術(shù)的集合。計算機技術(shù)是快速成型技術(shù)的基石。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，快速成型導板設計的軟件平臺日益成熟。Mimics軟件平臺、VG Studio軟件平臺等都具有成熟的計算機技術(shù)，使得個體化導板的推廣應用能成為可能?？焖俪尚蛯蚰０寮夹g(shù)的核心是設計。隨著個體化導板臨床應用的不斷深入，導板設計將不斷優(yōu)化。導板設計趨向于精準設計、微創(chuàng)設計、實用設計。特別是在脊柱椎弓根釘?shù)脑O計領域，勢必出現(xiàn)成熟的第三代設計理念。通過CT閾值分析，找到合適的閾值建立三維數(shù)據(jù)模型和可靠的解剖標記點。根據(jù)數(shù)據(jù)模型和解剖標記點來設計導板。利用逆向工程技術(shù)來制作導板的貼附面，但又不至于需要完全的面面接觸，利用局部點、面相結(jié)合的辦法，較少組織暴露，達到精準、微創(chuàng)、實用的目的。相信隨著計算機輔助應用技術(shù)的發(fā)展、3D打印技術(shù)的推廣，必然會使得導板技術(shù)在我國得到推廣使用。

[1] Radermacher K, Portheine F, Anton M, et al. Computer assisted orthopaedic surgery with image based individual templates [J]. Clin Orthop Relat Res, 1998(354)： 28-38.

[2] Birnbaum K, Schkommodau E, Decker N, et al. Computer-assisted orthopedic surgery with individual templates and comparison to conventional operation method [J]. Spine (Phila Pa 1976), 2001,26(4)： 365-370.

[3] Goffin J, Van Brussel K, Martens K, et al. Three dimensional computed tomography-based personalized drill guide for posterior cervical stabilization at C1-C2[J]. Spine (Phila Pa 1976), 2001,26(12)： 1343-1347.

[4] Berry E, Cuppone M, Porada S, et al. Personalised image-based templates for intra-operative guidance [J]. Proc Inst Mech Eng H, 2005,219(2)： 11-18.

[5] Owen BD, Christensen GE, Reinhardt JM, et al. Rapid prototype patient-specific drill template for cervical pedicle screw placement [J],Comput Aided Surg, 2007,12(5)： 303-308.

[6] Lu S, Xu YQ, Zhang YZ, et al. A novel computer-assisted drill guide template for lumbar pedicle screw placement： a cadaveric and clinical study [J]. Int J Med Robot, 2009,5(2)： 184-191.

[7] Lu S, Xu YQ, Lu WW, et al. A novel patient-specific navigational template for cervical pedicle screw placement [J]. Spine (Phila Pa 1976), 2009,34(26)： E959-966.

[8] Lu S, Xu YQ, Zhang YZ, et al. A novel computer-assisted drill guide template for placement of C2laminar screws [J]. Eur Spine J, 2009,18(9)： 1379-1385.

[9] Ma T, Xu YQ, Cheng YB, et al. A novel computer-assisted drill guide template for thoracic pedicle screw placement： a cadaveric study [J]. Arch Orthop Trauma Surg, 2012,132(1)： 65-72.

[10] Lu S, Zhang YZ, Wang Z,et al. Accuracy and efficacy of thoracic pedicle screws in scoliosis with patient-specific drill template [J]. Med Biol Eng Comput, 2012,50(7)： 751-758.

[11] Lu S, Xu YQ, Chen GP， et al. Efficacy and accuracy of a novel rapid prototyping drill template for cervical pedicle screw placement [J]. Comput Aided Surg, 2011,16(5)： 240-248.

[12] Merc M, Drstvensek I, Vogrin M, et al. A multi-level rapid prototyping drill guide template reduces the perforation risk of pedicle screw placement in the lumbar and sacral spine [J]. Arch Orthop Trauma Surg, 2013,133(7)： 893-899.

[13] Merc M, Drstvensek I, Vogrin M, et al. Error rate of multi-Level Rapid prototyping trajectories for pedicle screw placement in lumbar and sacral spine[J]. Chin J Traumatol, 2014,17(5)： 261-266.

[14] Sugawara T, Higashiyama N, Kaneyama S, et al. Multistep pedicle screw insertion procedure with patient-specific lamina fit-and-lock templates for the thoracic spine： clinical article[J]. J Neurosurg Spine, 2013,19(2)： 185-190.

[15] Kaneyama S, Sugawara T, Sumi M. Safe and accurate midcervical pedicle screw insertion procedure with the patient-specific screw guide template system[J]. Spine (Phila Pa 1976), 2015,40(6)： E341-348.

[16] Kaneyama S, Sugawara T, Sumi M, et al. A novel screw guiding method with a screw guide template system for Posterior C-2 fixation： clinical article [J]. J Neurosurg Spine, 2014,21(2)： 231-238.

[17] Wu ZX, Huang LY, Sang HX, et al. Accuracy and safety assessment of pedicle screw placement using the rapid prototyping technique in severe congenital scoliosis [J]. J Spinal Disord Tech, 2011,24(7)： 444-50.

[18] Chen B, Zhang Y, Xiao S, et al. Personalized image-based templates for iliosacral screw insertions： a pilot study [J]. Int J Med Robot, 2012,8(4)： 476-482.

[19] Takemoto M, Fujibayashi S, Ota E, et al. Additive manufactured patient-specific titanium templates for thoracic pedicle screw placement： novel design with reduced contact area [J]. Eur Spine J， 2016，25(6)： 1698-1705.

[20] D’Urso PS, Williamson OD, Thompson RG. Biomodeling as an aid to spinal instrumentation [J]. Spine (Phila Pa 1976), 2005,30(24)： 2841-2845.

[21] Mao K, Wang Y, Xiao S, et al. Clinical application of computer-designed polystyrene models in complex severe spinal deformities： a pilot study[J]. Eur Spine J, 2010,19(5)： 797-802.

[22] Yang JC, Ma XY, Lin J, et al.Personalised modified osteotomy using computer-aided design-rapid prototyping to correct thoracic deformities[J]. Int Orthop, 2011,35(12)： 1827-1832.

Computer-assisted drill-guided templates for spine pedicle screw placement： a literature review

ZHANGBin1，2，TANJun1

(1. Dept. of Spine Surgery, East Hospital, Tongji University, Shanghai 200120, China；2. Dept. of Trauma, YuYao People’s Hospital, YuYao 315400, Zhejiang Province, China)

There has been a lot of advantages to be gained from drill-guided template in spine surgery. This review identifies and analyzes clinical and experimental studies of rapid prototyping patient-specific surgical guides, focusing on their application and outcomes, providing details on the guides’ design and type of manufacturing process.

rapid prototyping; dill template; navigation; spine

10.16118/j.1008-0392.2016.05.026

2015-06-02

上海市浦東新區(qū)衛(wèi)生系統(tǒng)重點學科建設項目(PDZX2014-02)

張 斌(1980—)，男,主治醫(yī)師，碩士研究生.E-mail： bzsweetin@163.com

譚 軍.E-mail： dr.tan@139.com

R 681.5

A

1008-0392(2016)05-0124-04