丁祥 李超 牛國旗 阮傳江 韓玉虎

1太和縣人民醫(yī)院骨科（安徽太和236600）；2 蚌埠醫(yī)學院第二附屬醫(yī)院骨科（安徽蚌埠233000）

強直性脊柱炎（ankylosing spondylitis，AS）是一種主要累及中軸骨的風濕炎癥性疾病，其特點主要為骶髂關節(jié)、椎間盤、脊柱關節(jié)及韌帶的骨化，骨性的強直和脊柱進行性畸形，晚期的脊柱影像學常表現(xiàn)為經(jīng)典的“竹節(jié)”外觀，骨質(zhì)疏松導致椎體的剛性降低、脆性增加，從而低能量創(chuàng)傷就容易造成脊柱骨折［1?3］。頸椎為AS 脊柱最常見的部位［4?7］，易合并脊髓、神經(jīng)損傷，通常需要手術治療。頸椎后路椎弓根螺釘能提供有效的生物力學穩(wěn)定，為最常用的手術方法之一，由于解剖形態(tài)和位置的特殊性，常規(guī)頸椎后路置釘手術已然很困難，而當合并AS 時，頸椎后路解剖標識常變得難以辨別［8?9］，常規(guī)手術時間長、操作復雜、術后并發(fā)癥發(fā)生幾率高。目前，常用的椎弓根置釘方法有影像學透視下徒手置釘和術中計算機導航、機器人輔助置釘，X 線機透視輔助引導下螺釘置入是臨床中最常用的手術方法，不需要使用昂貴的立體定向影像導航系統(tǒng)，但術中需要反復的透視，使患者及手術團隊長時間承受高劑量輻射，手術時間長。計算機導航和機器人輔助置釘能夠顯著提高手術置釘?shù)臏蚀_性，減少術中神經(jīng)、脊髓功能損傷，降低術后并發(fā)癥，但需要高昂的設備，成本較高，難以普遍推廣使用。本研究利用3D 打印、逆向工程原理等技術，自主設計、打印AS 頸椎椎弓根螺釘導向模板，并進行輔助置釘實驗，旨在評價其準確、有效性，以期在臨床推廣應用。

1 資料與方法

1.1 一般資料將2016年1月至2019年10月太和縣人民醫(yī)院及蚌埠醫(yī)學院第二附屬醫(yī)院CT 影像中心7 例強直性脊柱炎患者頸椎三維CT 檢查數(shù)據(jù)納入研究，其中男性6 例，女性1 例，年齡36～54歲，平均（45.23±6.56）歲。所有患者均確診為強直性脊柱炎，病程12～25年，平均（19.6±6.7）。一般資料無統(tǒng)計學意義（P<0.05）。

納入標準：（1）根據(jù)實驗室和（或）影像學資料確診為強直性脊柱炎的患者；（2）影像學數(shù)據(jù)能夠在3D 打印軟件成功建模的患者。排除標準：（1）影像學資料不全者；（2）合并其他脊柱疾病或脊柱骨折不能重建完整脊柱模型的患者。

1.2 方法

1.2.1 模型重建及導板設計所有患者均行64 排螺旋CT 薄層掃描，將AS 患者頸椎三維CT 數(shù)據(jù)轉化成DICOM 格式并導入Mimics 17.0（比利時，Ma?terialise 公司軟件），選取部分顱底至頸7 椎體，進行3D 模型重建后以Stl 格式保存。在Mimics 軟件中尋找3D 重建的頸椎模型最佳螺釘經(jīng)釘點，并在模型上從橫斷位、矢狀位、冠狀位上判斷螺釘最佳位置，確定所有虛擬螺釘均在椎弓根內(nèi)后從而擬合出最佳的螺釘通道，測量虛擬螺釘?shù)拈L度。參考虛擬釘?shù)赖奈恢迷O計出置釘導向套筒，根據(jù)AS頸椎椎板、棘突及側塊后面解剖特點，利用逆向工程原理設計出與頸椎背側解剖形態(tài)相反的3D 導板，利用布爾運算將導向套筒和反向模板貫通、擬合為一體，設計出最終的具有定位、導向功能一體的個體化3D 打印椎弓根螺釘導向模板，保存為Stl格式。見圖1、2。

圖1 模型的選擇與重建Fig.1 Model selection and reconstruction

圖2 導板的設計Fig.2 Design of guide plate

1.2.2 模型和導板的打印及處理將3D 重建后的頸椎模型及設計好的導向模板導入ideaMaker軟件，選取打印時間最短時模型的位置后輸入3D打印機（raise 3d N2 plus，上海麥遞途公司），以PLA 為打印材料，打印參數(shù)設置為：單層層高：0.25 mm，模型壁厚：2.00 mm，填充率：10.0%，填充速度：70.0 mm/s，打印出導板和模型，并將同一3D重建AS 頸椎模型打印2 份。將打印好的模型和導板進行除支撐和去糙處理后行匹配測試，測試匹配良好后方可行模擬手術置釘。見圖3。

1.2.3 個體化3D 導板輔助置釘模擬患者俯臥位體位，將3D 打印頸椎模型用臺鉗固定牢靠，便于置釘過程的操作。僅暴露AS 頸椎棘突、橫突后方及椎板等，充分顯露其背側的骨性結構，將匹配測試好的相應椎體的3D 打印導板與模型的椎板、關節(jié)突和棘突等結構充分貼附，確定導板與骨面貼合良好后，按導向套筒方向置入2.0 mm 克氏針，當克氏針置入深度接近軟件中測量長度時，取下導向模板，開路椎擴孔、絲錐攻絲后，參照軟件中測量虛擬螺釘長度置入3.5 mm的頸椎椎弓根螺，X線機拍攝正側位片驗證螺釘位置良好后完成置釘。

圖3 模型的導板打印完成，進行去糙、匹配測試后方可進行試驗Fig.3 The printing of the guide plate of the model is completed，and the test can be carried out after removing roughness and matching test

1.2.4 X 線機輔助下徒手置釘將模型模擬俯臥位固定充分暴露后，采用頸椎后路解剖結構參考點法［8］確定進針點，在X 線機引導下置入定位針，透視顯示定位針角度、方向良好后用開路椎擴孔，用椎弓根探子小心探查釘?shù)赖捻敹思八谋?，確定在椎弓根骨質(zhì)內(nèi)后用絲錐攻絲，使用釘?shù)罍y深器確定置入螺釘?shù)拈L度，透視引導下擰入3.5 mm 的椎弓根螺釘。見圖4。

1.3 主要觀察指標

1.3.1 置釘準確率兩組AS 頸椎模型置釘后均行64 排螺旋CT 掃描，根據(jù)螺釘與椎弓根的相對位置，參考文獻［11，12］評價螺釘準確度：螺釘完全位于椎弓根內(nèi)為Ⅰ類；穿透椎弓根皮質(zhì)＜1 mm 為Ⅱ類；穿透椎弓根皮質(zhì)＞1 mm 為Ⅲ類。

1.3.2 單枚螺釘置入時間及所需透視次數(shù)記錄兩組置釘過程中單枚螺釘置入所需時間和術中置入單枚螺釘“C”臂X 線機的暴露次數(shù)。

1.4 統(tǒng)計學方法應用軟件SPSS 18.0 對相關資料進行統(tǒng)計，計量資料采取表示，采用t檢驗，計數(shù)資料采取率表示，采用χ2檢驗；以P< 0.05 表示差異具有明顯的統(tǒng)計學意義。

2 結果

利用3D打印技術、逆向工程原理設計并打印出椎弓根螺釘導向模板19 塊，輔助置釘36 枚；X 線機輔助傳統(tǒng)徒手法置入頸椎椎弓根螺釘36 枚。（1）兩組置入螺釘長度差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）；（2）導板組置入單枚螺釘所需時間及術中X 線暴露次數(shù)顯著低于徒手組（P值均＜0.05）；（3）導板組和徒手組螺釘置入的可接受率分別為：94.44%（34/36）和77.8%（28/36）；置釘不可接受率為：5.6%（2/36）和22.2%（8/36）。見表1～2。

表1 導板組與徒手組相關指標比較Tab.1 Comparison of related indexes between guide plate group and unarmed group ±s

表1 導板組與徒手組相關指標比較Tab.1 Comparison of related indexes between guide plate group and unarmed group ±s

注：兩組置入螺釘長度差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）；導板組置入單枚螺釘所需時間及術中X 線暴露次數(shù)顯著低于徒手組（P 值均＜0.05）

組別導板組徒手組t 值P 值置釘時間（min）3.33±0.83 8.97±1.13-24.101 0.000 X 線機透視次數(shù)（次）2.31±0.47 11.7±1.34-39.708 0.000置入螺釘長度23.11±1.82 23.22±2.04-0.244 0.81

表2 導板組與徒手組螺釘置入的可接受率比較Tab.2 Comparison of acceptable rate of screw placement between guide plate group and unarmed group

3 討論

與普通頸椎骨折相比，AS合并頸椎椎體骨密度降低、脆性增加，且由于周圍韌帶復合體、椎間盤及脊柱關節(jié)的骨化融合使得頸椎彈性降低、活動度丟失，對外力耐受性降低，輕微外傷即易發(fā)生骨折，其骨折更類似于管狀骨骨折［7，12，13］，AS 頸椎骨折常貫穿整個椎體和累及椎間盤，常為不穩(wěn)定的三柱骨折。與一般外傷性骨折不同，AS患者頸椎骨折時易發(fā)生脊髓、神經(jīng)的損傷，且肺部感染等并發(fā)癥的風險也顯著增加［1，6，7，12，14］。大多數(shù)學者認為骨折發(fā)生時，及時的手術治療是必要的，其目的是糾正脊柱畸形、維持生物力學穩(wěn)定、減少脊髓、血管及神經(jīng)功能損害以及降低并發(fā)癥的發(fā)生［12，14?15］。目前，臨床常用的頸椎術式主要包括單純前方入路、后方入路以及前后聯(lián)合入路手術。相對于其他方式，單純頸椎后路手術可獲得更高的脊柱生物力學穩(wěn)定性，術后的并發(fā)癥發(fā)生率也降低［4，12，13，16，17］。對于后路手術來說，頸椎椎弓根螺釘準確、安全有效的放置是手術成功的關鍵。由于脊柱的后凸畸形、關節(jié)與椎體間盤的增生、融合以及附著韌帶的骨化，導致后方解剖標志的扭曲、喪失，并且炎癥在侵犯導致本就細小的頸椎椎弓根發(fā)生變異，也使得脊柱外科醫(yī)師制定手術方案時不能遵循傳統(tǒng)的內(nèi)固定原則，如何精準、有效的置釘，給臨床醫(yī)師的手術置釘帶來更大的困難和嚴峻挑戰(zhàn)。

近年來，3D 打印技術在脊柱骨折、脫位，脊柱腫瘤、畸形等領域的應用日趨廣泛。3D 打印椎弓根導板輔助椎弓根螺釘置入技術能夠增加置釘精準性，減少手術操作且不需要昂貴的設備［18］。ZHANG 等［19］利用3D 打印技術設計出頸椎椎弓根螺釘導板并在尸體上評價置釘準確性，共置入158枚螺釘，準確率高達98.1%；CHEN［20］等在標本上評價利用3D 打印導板輔助置釘，研究發(fā)現(xiàn)利用導航模板輔助植入椎弓根螺釘，可以顯著提高椎弓根螺釘置入的準確性和安全性。

AS 合并頸椎骨折部位特殊，危險性較高，目前關于導板輔助AS 頸椎椎弓根螺釘置入的相關報道較少。我們通過收集AS 患者頸椎三維CT 數(shù)據(jù)，在Mimics軟件中重建AS患者頸椎模型，并根據(jù)頸椎后方的解剖特點利用布爾運算、逆向工程等原理，設計出與AS 頸椎后方解剖結構相匹配的導向模板。首先確定椎弓根螺釘進針點的方向和角度，模擬出虛擬釘?shù)?，再根?jù)虛擬釘?shù)牢恢煤妥刁w后方解剖特點設計出反向導板，最后擬合出最終的3D打印椎弓根螺釘導向模板。該導板具有定位、導向功能，便于螺釘置入。TU［21］將3D 打印導板首次應用于AS繼發(fā)嚴重脊柱后凸畸形的矯形中，研究結果顯示3D 打印導板可以在AS 畸形矯形術前模擬及術中指導發(fā)揮重要作用，對截骨手術術后患者功能恢復有顯著效果。楊泗華等［22］利用3D 打印技術應用在強直性脊柱炎合并胸腰椎骨折的患者，都得到了相同的結果：與傳統(tǒng)方法相比，3D 打印技術可縮短手術時間、減少術中出血量，顯著提升了AS 胸腰椎骨折手術治療的安全性和有效性。

通過本實驗研究，我們得出以下優(yōu)點和不足：（1）3D 打印頸椎椎弓根螺釘導向模板體現(xiàn)了個體化原則，顯著提高手術置釘?shù)臏蚀_性和安全性，減少了患者及術者手術中X 線暴露次數(shù)，并大大縮短了手術時間；（2）導向模板自帶定位、導向功能，簡單、方便，不會隨著體位改變導致定位失敗，利于螺釘?shù)闹萌?，且學習曲線較短，即使沒有經(jīng)驗或者經(jīng)驗較少的年輕脊柱外科醫(yī)生也能短時間內(nèi)掌握置釘方法；（3）相對于術中導航和機器人置釘技術，可顯著節(jié)約成本，減少高額的設備費用，一般的醫(yī)院就可開展；（4）3D打印導板及模型便于攜帶，材料質(zhì)韌不易損壞，還具備便于消毒的優(yōu)點。此研究尚存在不足：（1）3D打印軟件、逆向工程原理等軟件需要精通或者操作熟練的脊柱外科人員才能完成導板的設計，具有一定的學習曲線；（2）個體化置釘導向模板從數(shù)據(jù)提取、頸椎模型提取、導板設計、導板打印等環(huán)節(jié)均會出現(xiàn)一定誤差［17］，造成置釘準確度降低。此外，在置釘過程中還需注意：在導板與相匹配椎體模型貼附吻合良好后不可移動導板；手術安全起見，置釘中開路椎擴孔、攻絲及螺釘擰入過程每前進一小段距離都要謹慎且都要在X線機下正側位透視，顯示螺釘角度有偏移時可做及時調(diào)整；另外，手感在置釘過程中尤為重要：應當感覺到有均勻的阻力，如阻力過大或阻力突然消失、有突破感或落空感，均表明釘?shù)揽赡艽┏隽俗倒?/p>

總之，個體化3D 打印導向模板輔助AS 頸椎椎弓根螺釘置入，顯著提高了置釘?shù)臏蚀_性和安全性，降低螺釘置入的風險，體現(xiàn)了個性化置釘原則，準確度高、安全、有效、可行，尤其適用于AS 合并頸椎骨折、脫位需行后路椎弓根螺釘固定者，值得進一步臨床推廣使用。