吳炳華 徐 聰 鄧高榮 高 翔 繆 鋅 凌 強 懂財榮 張魁忠

南昌大學第四附屬醫(yī)院骨科，江西南昌 330003

經(jīng)后路頸椎椎弓根螺釘內(nèi)固定具有明顯的生物力學優(yōu)勢，置釘是手術的關鍵，直接影響手術的成敗。近年來計算機導航下的輔助置釘?shù)玫胶艽蟮陌l(fā)展，尤其是其較高的置釘準確性對臨床醫(yī)生很有吸引力，雖然準確率大大增加[1]，但導航設備價格昂貴、操作繁瑣，在國內(nèi)得到廣泛應用及推廣的路程還很漫長[2]，為進一步提高椎弓根螺釘置入的準確率，需要尋找簡單、安全、有效的置釘方法。3D 打印技術（three dimension printing） 為這種方法提供了理論上的可能，由于3D 打印技術具有很強的三維直觀性，價格相對便宜，近年來在國內(nèi)外醫(yī)學領域得到了廣泛發(fā)展[3-6]。本研究選取南昌大學醫(yī)學院解剖教研室提供的10 例成人頸椎標本作為研究對象，通過醫(yī)學數(shù)字化技術，利用計算機輔助設計及3D 打印制作一種專門應用于輔助頸椎椎弓根螺釘置入的個體化導航模板，探討個性化導航模板輔助頸椎椎弓根螺釘置入的可行性及準確性，為臨床應用提供實驗依據(jù)，現(xiàn)報道如下。

1 資料與方法

1.1 實驗器材

Philips Brilliance 型64 排螺旋CT儀（飛利浦醫(yī)療設備有限公司）；Geomagic Studio 9 軟件；Mimics Research 21.0（試用版），3-matic researchl 軟件（Materialise 公司，比利時）（試用版）；Magics 9.5 軟件（Materialise company，比利時）；（試用版）華碩筆記本電腦（家用型電腦），Windows 7（微軟公司），32 位操作系統(tǒng)；電鉆及鉆頭由江西林華醫(yī)用設備技術有限公司提供；頸椎固定器一付（自制）。

1.2 實驗標本

成人頸椎（C1～C7）標本10 具，由南昌大學醫(yī)學院解剖教研室提供，見圖1。男6 例，女4 例。經(jīng)10%甲醛處理，所有標本清除寰樞椎椎板后方、側(cè)塊的皮膚及軟組織，充分暴露出寰樞椎骨性解剖結(jié)構(gòu)。本研究經(jīng)我院醫(yī)學倫理委員會審核及同意。

圖1 實驗標本

1.3 導航模板制作及置釘

將尸體標本進行CT 掃描，掃描條件：電壓140 kV，電流150 mA，層厚0.625 mm，512×512 矩陣。CT 圖像數(shù)據(jù)以DICOM 格式保存，將頸椎CT 圖像導入Mimics 軟件處理后，生成寰樞椎三維模型；利用逆向工程軟件3-matic 9.0，依據(jù)椎弓根形態(tài)設計反向?qū)Ш侥０?，模板兩?cè)各有一個鉆孔導向器，鉆孔導向器正好通過椎弓根中央，將此導板以STL 格式保存；將寰樞椎三維模型及相應導航模板發(fā)送給專業(yè)3D 打印公司實施打印。將10 套打印好的導航模板與相對應的寰樞椎標本進行組合，模板與標本完全貼合后，從導向孔置入2.0 mm 導針，然后用攻絲處理釘?shù)溃貙п樦萌?.0 mm 普通螺釘。本研究中螺釘只是用于驗證釘?shù)赖臏蚀_性，故在實驗過程中，未使用椎弓根螺釘，而用普通螺釘代替。

1.4 檢驗置釘?shù)臏蚀_性

把置好椎弓根釘?shù)臉吮具M行CT 掃描，以及對掃描后的DICOM 圖像進行三維重建，最后對標本進行解剖，通過三種方法檢驗螺釘置入的準確性。根據(jù)Lee 等[7]的方法評價頸椎椎弓根螺釘?shù)臏蚀_性.

2 結(jié)果

通過標本CT 掃描，利用Mimics 軟件成功建立寰、樞椎模型20 套以及寰樞椎導航模板20 套，而且導航模板與標本實體解剖形態(tài)匹配良好。通過導航模板置入寰樞椎雙側(cè)螺釘40 枚，對置釘后標本行CT掃描，結(jié)果證實置釘準確（圖2，封四）、對CT 掃描數(shù)據(jù)行重建，結(jié)果證實置釘準確（圖3，封四）以及對標本進行解剖，解剖證實導板置釘準確（圖4），檢測置釘準確性結(jié)果提示，置釘正確率為97.5%。

圖4 樞椎及寰椎置釘和去釘后解剖圖像

3 討論

自從寰、樞椎后路椎弓根釘內(nèi)固定發(fā)展起來后，臨床上最常用的椎弓根螺釘置釘方法有徒手置釘和計算機導航系統(tǒng)置釘[8-9]。徒手置釘法由法國醫(yī)生Leconte 在1964年首次應用。徒手置釘技術不需要特殊設備，徒手置釘都是以解剖結(jié)構(gòu)表面為定位標準，但由于寰、樞椎缺乏固定的解剖標志，而且椎弓根結(jié)構(gòu)變異較大，臨床普遍建議個體化的置釘方案[10-11]。陳曉明等[12]在57 例先天性脊柱側(cè)彎手術中應用三維CT 導航輔助置釘，準確率高達92%。但是CT 導航系統(tǒng)工作原理復雜，要完全掌握這一導航方法尚需一定的學習曲線，這一缺陷也不利于該設備的推廣應用[13]，但是到目前為止臨床上仍未找到一種較為簡單實用而相對安全的置釘技術，這一難題隨著骨科數(shù)字技術的發(fā)展，逐漸有了解決方向。本研究通過采用醫(yī)學數(shù)字化技術，利用計算機輔助設計及3D 打印機制作一種專門應用于輔助頸椎椎弓根螺釘置入的個體化導航模板，此導航模板操作簡單，費用低廉，并且在本研究中證實其置釘?shù)恼_率為97.5%，這為臨床醫(yī)師提供一種簡單有效的置釘方法，值得推廣。

數(shù)字化導航模板設計需要掌握：醫(yī)學三維重建和逆向工程技術。醫(yī)學三維數(shù)字重建技術，可使CT、MRI 抽象圖形得到直觀形象的實物模型，有利于患者了解病情，有利于臨床醫(yī)師手術模擬和手術方案的制定[14]，使得手術更加精確。逆向工程是機械設計與制造的一個重要分支，它利用各種影像設備（CT，MRI等）對現(xiàn)有的實物進行掃描和測量，獲得其空間點資料，然后通過計算機技術處理得到實物CAD（computer aided design）和三維實體造型的過程。重構(gòu)后的CAD 模型可用于對實物的分析、修改、制造和檢驗等。本研究正是利用逆向工程技術，設計了寰樞椎椎弓根釘導航模板，使得導航模板的導向孔與椎弓根軸線方向一致，從而達到準確置釘?shù)哪康摹?D 打印技術是一種以三維數(shù)字化模型文件為基礎，運用各類粉末狀材料，通過逐層打印來構(gòu)建物體。本研究中，醫(yī)學三維重建和逆向工程技術都能夠很好的實現(xiàn)，3D 打印技術依托專業(yè)3D 打印公司，本研究通過三維重建，反向設計導航模板與標本實體解剖形態(tài)完全匹配，并且做到了個體化與精準化。

本研究設計導航模可以提高置釘?shù)臏蚀_性，其主要有以下優(yōu)點[15]：①符合椎弓根個體化置釘?shù)脑瓌t，置釘準確率高；②操作簡單，無特別的經(jīng)驗要求，可以縮短醫(yī)師的學習曲線，較好地促進年輕醫(yī)師的成長[16]。擁有不同臨床經(jīng)驗的手術者均可應用，特別適用于年輕缺乏經(jīng)驗的醫(yī)師[17-18]；③模板均為單椎體設計，不受體位因素的影響； ④導航模板的應用可以減少并發(fā)癥，避免副損傷。

綜上所述，本研究應用計算機數(shù)字化技術輔助設計寰樞椎椎弓根螺釘導航模板，此模板設計具有個體化精確定位，體現(xiàn)了個體化置釘?shù)脑瓌t，通過實驗證實導航模板具有良好的解剖貼合度，通過導航模板置釘正確率為97.5%，可以大大減少置釘?shù)牟l(fā)癥，而且可以縮短醫(yī)師的學習曲線，本研究目前僅限于對尸體標本的研究，還需進一步改進，以達到臨床應用的目的。