程嘉偉 牛國旗 李超 劉路坦 周乾坤 朱軍 劉濤 蔣維利 陳輝

蚌埠醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院骨科（安徽蚌埠233000）

在上頸椎損傷中發(fā)生比例最高的是寰樞椎骨折，約占50%［1］。后路椎弓根螺釘內(nèi)固定是治療上頸椎骨折、關(guān)節(jié)脫位合并神經(jīng)癥狀等疾病的重要方法，因其長期穩(wěn)定性好、融合率高和位置矯正良好等優(yōu)點，得到脊柱外科醫(yī)生的廣泛認(rèn)可［2］。由于寰樞椎毗鄰結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在后路椎弓根螺釘置入的過程中可能會損傷血管和神經(jīng)［3］，使得寰樞椎椎弓根螺釘?shù)木_置入具有挑戰(zhàn)性，椎弓根螺釘?shù)臏?zhǔn)確和安全置入是手術(shù)成功的關(guān)鍵。近年來，術(shù)中三維計算機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)是提高后路寰樞椎螺釘置入準(zhǔn)確性的有效方法，但是由于其價格昂貴，學(xué)習(xí)曲線長，操作繁瑣，限制了該技術(shù)在臨床的使用［4-5］。本研究利用醫(yī)學(xué)數(shù)字化技術(shù)、3D 打印技術(shù)及逆向工程軟件設(shè)計和制造了輔助寰樞椎骨折患者置入椎弓根螺釘?shù)膫€體化導(dǎo)航模板，并對其輔助椎弓根螺釘置入的準(zhǔn)確性進(jìn)行了測試，分析比較實際螺釘軌跡與理想螺釘軌跡的偏差，探索其可行性和準(zhǔn)確性，評價其實用價值，以期為進(jìn)一步臨床應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 一般資料選取2017年9月至2019年6月在蚌埠醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院收治寰樞椎骨折患者11例，收集患者的頸椎三維CT 影像學(xué)資料，其中男8 例，女3 例，年齡28 ～ 76 歲，平均（47.09 ± 13.65）歲。在11 例寰樞椎骨折患者中，寰椎骨折5 例，樞椎骨折6 例。

1.2 模型重建及導(dǎo)板設(shè)計所有患者均采用64排螺旋CT 進(jìn)行薄層掃描，層厚0.625 mm。頸椎CT掃描數(shù)據(jù)以DICOM 格式保存，并將DICOM 文件導(dǎo)入3D 圖像制作和編輯軟件Mimics17.0（Materialise公司，比利時），寰樞椎骨折分離移位嚴(yán)重不適合直接置釘者，先通過軟件將骨折模擬復(fù)位，重新建立頸椎的3D 模型，以STL 格式保存（圖1）。在Mimics 軟件的虛擬環(huán)境中測量寰樞椎椎弓根寬度，高度及長度，同時采用直徑3.5 mm 的圓柱體用來模擬寰樞椎椎弓根螺釘。然后在矢狀面、冠狀面和軸面上對圓柱體的插入通道仔細(xì)分析和調(diào)整。通過移動圓柱體，從多個角度觀察圓柱體與寰樞椎椎弓根的位置關(guān)系，查看椎弓根螺釘通道是否完全位于椎弓根內(nèi)。虛擬釘?shù)涝O(shè)計完成后，以圓柱體軸心線為中心，在椎板表面設(shè)計出置釘導(dǎo)向套筒，利用逆向工程原理根據(jù)寰椎后弓及樞椎椎板、棘突、部分關(guān)節(jié)突解剖特點，設(shè)計出與之解剖形態(tài)相吻合的反向模板，反向模板為拱橋結(jié)構(gòu)，分別位于棘突兩側(cè)，不僅使模板與寰樞椎后表面完美匹配，而且術(shù)中還能保留棘間和棘上韌帶，減少組織剝離。通過布爾減法運(yùn)算，將置釘導(dǎo)向套筒與反向模板結(jié)合，修剪邊界，形成完整的3D 導(dǎo)航模板。將頸椎模型和鉆孔導(dǎo)航模板導(dǎo)入ideaMaker 軟件，在軟件中調(diào)整位置后導(dǎo)入3D 打印機(jī)，以聚乳酸（Polylactic acid，PLA）為材料打印出1∶1 的實體模型和導(dǎo)板，對模型和導(dǎo)板上的一些粗糙部分進(jìn)行除粗糙化處理，疏通螺釘通道，并測試導(dǎo)板是否與模型匹配，完成模型和導(dǎo)板的制作（圖2）。

圖1 骨折模擬復(fù)位Fig.1 Simulated fracture reduction

圖2 導(dǎo)板和模型的設(shè)計與制作Fig.2 Design and production of guide plates and models

1.3 模擬置釘將3D 打印的1∶1 模型放置在俯臥位操作臺進(jìn)行操作，使用工作臺夾具和固定系統(tǒng)將模型固定在操作臺上，以模擬實際術(shù)中情況。將3D 打印導(dǎo)板牢固地附著在相應(yīng)椎體的骨性結(jié)構(gòu)如椎板、關(guān)節(jié)突和棘突的表面。確認(rèn)導(dǎo)板附著固定在模型表面后，用直徑為2.0 mm 的克氏針沿導(dǎo)向套筒鉆入椎弓根，克氏針置入深度為螺釘長度加上導(dǎo)向套筒長度，在探針檢查螺釘通道內(nèi)壁完整性后，沿螺釘通道置入直徑3.5 mm 的椎弓根螺釘，完成螺釘模擬置釘手術(shù)（圖3）。

圖3 模擬置釘實驗Fig.3 Simulated nail placement experiment

1.4 結(jié)果評價置釘后對模型進(jìn)行薄層三維CT掃描，對掃描后的模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 軟件后進(jìn)行三維重建，觀察椎弓根螺釘通道的位置。根據(jù)位置重新引入圓柱形部分，以顯示術(shù)后椎體的實際螺釘通道，分別在橫斷面、矢狀面測量比較理想的螺釘軌跡與實際的螺釘軌跡的頭傾角和內(nèi)傾角，并利用Mimics 軟件的測量功能進(jìn)行測量（圖4）。根據(jù)螺釘是否穿破骨皮質(zhì)判斷螺釘置入準(zhǔn)確性（圖5）。根據(jù)LEE 等［6］對椎弓根螺釘準(zhǔn)確性的評價方法：0 級，螺釘完全位于椎弓根內(nèi)；1 級，螺釘穿破椎弓根皮質(zhì)，穿破椎弓根的部分小于螺釘直徑的25%；2 級，螺釘穿破椎弓根皮質(zhì)，穿破椎弓根的部分為螺釘直徑的25%～50%；3級，螺釘穿破椎弓根皮質(zhì)，穿破椎弓根部分大于螺釘直徑的50%。0 級被認(rèn)為是正確和安全的椎弓根螺釘置入位置。

圖4 理想與實際螺釘軌跡比較Fig.4 Comparison of ideal and actual screw trajectories

圖5 模型置釘后CT 影像學(xué)資料Fig.5 CT imaging data after the model is nailed

1.5 統(tǒng)計學(xué)方法使用SPSS 22.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，計量資料以（）表示。對理想的螺釘軌跡與實際的螺釘軌跡的方向位置偏差比較采用配對樣本t檢驗，P<0.05 為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

使用個體化3D 打印導(dǎo)航模板，順利地完成了所有模型椎體的螺釘置入。共置入44 枚椎弓根螺釘（C1 組22 枚，C2 組22 枚）。

2.1 螺釘置入準(zhǔn)確性所有螺釘均準(zhǔn)確置入椎弓根內(nèi)，無一例突破椎弓根皮質(zhì)，評價均為0級（表1）。

表1 根據(jù)術(shù)后三維CT 掃描判斷螺釘?shù)燃塗ab.1 Judging the screw grade according to the postoperative three?dimensional CT scan 例

2.2 理想與實際螺釘軌跡比較使用Mimics 軟件測量和比較理想螺釘軌跡與實際螺釘軌跡的頭傾角和內(nèi)傾角。結(jié)果顯示，兩側(cè)寰樞椎的平均頭傾角和內(nèi)傾角在理想的螺釘軌跡與實際的螺釘軌跡之間差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P>0.05），見表2、3。

表2 C1 術(shù)前理想螺釘軌跡與術(shù)后實際螺釘軌跡比較Tab.2 Comparison of ideal screw trajectory before C1 operation and actual screw trajectory after operation ±s

表2 C1 術(shù)前理想螺釘軌跡與術(shù)后實際螺釘軌跡比較Tab.2 Comparison of ideal screw trajectory before C1 operation and actual screw trajectory after operation ±s

組別術(shù)前模擬（理想）術(shù)后復(fù)查（實際）t 值P 值左側(cè)內(nèi)傾角（8.77±3.26）°（8.73±3.14）°0.148 0.886右側(cè)內(nèi)傾角（9.29±3.16）°（8.81±3.25）°1.717 0.117左側(cè)頭傾角（6.88±1.83）°（6.68±1.69）°0.599 0.563右側(cè)頭傾角（7.31±1.94）°（7.13±1.72）°-0.934 0.350

3 討論

寰樞椎骨折脫位常導(dǎo)致上頸椎脊髓和神經(jīng)受壓，輕者會導(dǎo)致長期頭部疼痛，嚴(yán)重者可導(dǎo)致四肢癱瘓、呼吸肌麻痹甚至心臟驟停，因此應(yīng)積極外科手術(shù)治療。后路寰樞椎椎弓根螺釘固定已成為寰樞椎固定的金標(biāo)準(zhǔn)［7］。由于寰樞椎結(jié)構(gòu)復(fù)雜，周圍毗鄰脊髓、血管、神經(jīng)等重要組織，手術(shù)風(fēng)險大，失敗率高，盡管椎弓根螺釘具有生物力學(xué)上的優(yōu)越性，但置釘過程中對周圍血管和神經(jīng)組織有很大的損傷風(fēng)險。隨著置釘技術(shù)逐漸成熟和醫(yī)生經(jīng)驗的不斷積累，徒手置入上頸椎椎弓根螺釘已取得可以接受的治療結(jié)果［8-9］，但是仍有14%～23%螺釘錯位率，椎弓根螺釘?shù)腻e位會導(dǎo)致嚴(yán)重的并發(fā)癥，其中2.7%～3.3%的患者在手術(shù)中損傷椎動脈甚至導(dǎo)致死亡［10-12］。近年來，3D 打印技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于骨科領(lǐng)域，通過3D 導(dǎo)航模板確定最佳的進(jìn)釘點和螺釘軌跡，在手術(shù)過程中不會因為體位變化影響椎弓根螺釘?shù)闹萌?，可以提高螺釘置入的?zhǔn)確性和安全性，并降低脊髓血管和神經(jīng)損傷的風(fēng)險。利用逆向工程和計算機(jī)輔助技術(shù)制作的個體化3D 打印導(dǎo)向模板，與徒手置釘相比能夠精確的置入椎弓根螺釘，減少手術(shù)時間和出血量，且操作簡單［13-15］。

表3 C2 術(shù)前理想螺釘軌跡與術(shù)后實際螺釘軌跡比較Tab.3 Comparison of ideal screw trajectory before C2 operation and actual screw trajectory after operation

目前對于個體化3D 打印導(dǎo)板輔助寰樞椎骨折椎弓根螺釘置入的準(zhǔn)確性研究報道較少，本實驗量化寰樞椎骨折患者中導(dǎo)航模板在寰樞椎椎弓根螺釘放置中的準(zhǔn)確性，并分析比較實際螺釘軌跡與理想螺釘軌跡的偏差，將寰樞椎骨折患者頸椎CT 數(shù)據(jù)輸入計算機(jī)后處理，通過軟件將分離的骨塊模擬復(fù)位，以便設(shè)計出理想的螺釘進(jìn)釘點及最佳的螺釘置入角度和深度。應(yīng)用3D 打印技術(shù)制作出患者1∶1 比例的頸椎實體模型和相對應(yīng)的寰樞椎導(dǎo)向模板。通過體外模擬手術(shù)把導(dǎo)向模板完全固定在寰樞椎模型的后方進(jìn)行鉆孔和置釘，并對導(dǎo)向模板輔助下寰樞椎椎弓根螺釘置入的安全性、有效性進(jìn)行評價，驗證了模板的可行性及準(zhǔn)確性。實驗結(jié)果與國內(nèi)外學(xué)者的研究結(jié)果一致［16-17］。雖然這種方法在術(shù)前需要熟悉各種醫(yī)學(xué)圖像處理軟件和熟練應(yīng)用3D 打印設(shè)備才能成功制作出實體模型和導(dǎo)航模板，但是使用起來操作簡單。此外，經(jīng)過系統(tǒng)的訓(xùn)練，年輕醫(yī)生也可以在短時間內(nèi)掌握螺釘放置的方法和技巧。而且，有學(xué)者研究表明［18-19］術(shù)中使用置釘導(dǎo)向模板還可以減少患者的X 光照射次數(shù)和出血量，使患者和醫(yī)生更加安全。

筆者在統(tǒng)計理想螺釘軌跡數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，11 例模型的理想寰椎置釘內(nèi)傾角度范圍6°～ 15°，頭傾角度范圍5°～ 11°，理想的樞椎置釘內(nèi)傾角度范圍16° ～ 25°，頭傾角度范圍10° ～ 22°。此結(jié)果表明，不同個體所設(shè)計理想的置釘角度不同，平均置釘角度僅作參考，應(yīng)根據(jù)不同患者個體化差異設(shè)計和規(guī)劃螺釘進(jìn)釘點和角度，如果按照平均置釘角度置入螺釘會有穿破椎弓根皮質(zhì)和損傷椎動脈的風(fēng)險。而且實驗過程中發(fā)現(xiàn)C1 后弓骨性結(jié)構(gòu)較C2 相對簡單，無棘突結(jié)構(gòu)，對于放置導(dǎo)航模板會有限制，可能會導(dǎo)致C1 螺釘放置偏離預(yù)定的軌跡，但是術(shù)后CT 檢查結(jié)果顯示，導(dǎo)航模板置釘沒有椎弓根螺釘穿破骨皮質(zhì)，置釘?shù)臏?zhǔn)確率為100%，對于寰樞椎理想螺釘軌跡和實際螺釘軌跡的頭傾角和內(nèi)傾角統(tǒng)計學(xué)均差異無統(tǒng)計學(xué)意義，故3D 打印導(dǎo)航模板輔助寰樞椎椎弓根置釘具有較高的準(zhǔn)確性，只要將導(dǎo)板與椎體貼合緊密，即使放置在結(jié)構(gòu)相對簡單的骨面上，螺釘?shù)闹萌胍彩菧?zhǔn)確的。本研究發(fā)現(xiàn)3D 打印導(dǎo)板技術(shù)有幾個優(yōu)點：（1）術(shù)前通過電腦軟件設(shè)計的個性化導(dǎo)板有著完美的置釘方向和進(jìn)釘點，輔助椎弓根螺釘放置有較高的準(zhǔn)確率；（2）操作簡單，減少醫(yī)生的學(xué)習(xí)時長，適合手術(shù)經(jīng)驗不足的年輕醫(yī)生；（3）所有的導(dǎo)板都是針對不同患者的個體差異性獨(dú)立設(shè)計的，且以單個椎體為單位制作導(dǎo)航模板不會因術(shù)中體位改變而發(fā)生匹配不合的情況；（4）3D 導(dǎo)航模板需要一定成本，但是并不昂貴，操作相對簡單，對置釘?shù)臏?zhǔn)確性和安全性有了很大的提高［20］。使用3D 打印導(dǎo)板，SUGAWA 等［21］對12 例上頸椎不穩(wěn)患者共置入48 枚寰樞椎椎弓根螺釘，所有螺釘均準(zhǔn)確植入，未穿透皮質(zhì)骨。CHEN 等［22］應(yīng)用3D 打印導(dǎo)板對12 例上頸椎標(biāo)本進(jìn)行置釘實驗，12 例上頸椎標(biāo)本上共放置48 枚螺釘，僅1 枚螺釘穿破椎弓根骨皮質(zhì)，置釘?shù)臏?zhǔn)確率為97.92%。

同時3D 導(dǎo)航模板也會產(chǎn)生置釘失誤，在應(yīng)用3D 打印導(dǎo)航模板時應(yīng)注意以下事項：（1）設(shè)計導(dǎo)板時可以將導(dǎo)板設(shè)計為拱橋結(jié)構(gòu)，兩側(cè)的導(dǎo)向套筒通過弧形結(jié)構(gòu)連接，這種設(shè)計的導(dǎo)板在術(shù)中保留棘間和棘上韌帶，最大限度維持頸椎后柱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。（2）在導(dǎo)板置釘方向上，螺釘?shù)倪M(jìn)入點盡可能靠近內(nèi)側(cè)，終點盡可能向外，同時導(dǎo)管的長度不宜太長，這種設(shè)計的導(dǎo)板將組織剝離和肌肉牽引的需要降至最低，有助于緩解頸部疼痛。（3）在鉆孔過程前，應(yīng)該預(yù)留好電鉆前端的長度，預(yù)留的長度等于螺釘?shù)拈L度加上導(dǎo)向套筒的長度，這樣可以避免在鉆孔過程中穿破椎體前緣。（4）在鉆探過程中，要將導(dǎo)板與椎體后表面最大限度地結(jié)合同時導(dǎo)向套筒可以用來當(dāng)作固定的扶手來穩(wěn)定導(dǎo)航模板，這樣可以減少導(dǎo)板與骨面之間振動從而降低理想螺釘軌跡的偏差。（5）在使用電鉆時，鉆頭和導(dǎo)向套筒之間的碰撞和摩擦可能會導(dǎo)致螺釘錯位，因此在設(shè)計導(dǎo)向套筒時，導(dǎo)向套筒的直徑需要略大于克氏針，管壁至少要有2 mm 厚才能減少振蕩。（6）3D 打印導(dǎo)航模板制作后會產(chǎn)生碎屑，直接使用容易不穩(wěn)定導(dǎo)致置釘偏差，需要對導(dǎo)板進(jìn)行去粗糙化處理，疏通螺釘通道。（7）考慮到高溫消毒和滅菌可能會導(dǎo)致模板變形，建議采用環(huán)氧乙烷滅菌或低溫等離子消毒。

在實驗的過程中筆者也發(fā)現(xiàn)一些不足需要改進(jìn)，使用3D 打印技術(shù)制作模型和導(dǎo)向模板對于影像資料的精度要求很高，主要是模型CT 數(shù)據(jù)的采集層厚，對于很多沒有高分辨率CT 的基層醫(yī)院可能無法完成。在3D 模型打印方面，切片層數(shù)是影響模型和導(dǎo)板精確度的主要因素，層數(shù)越多模型和導(dǎo)板的精度越高，導(dǎo)板與模型貼合越緊密，從而提高螺釘置入的準(zhǔn)確性。設(shè)計導(dǎo)向套筒時，需要在有豐富經(jīng)驗的醫(yī)生指導(dǎo)下確定螺釘?shù)倪M(jìn)釘點和置釘方向，同時要仔細(xì)從各個層面觀察確保螺釘?shù)闹萌氩粫黄谱倒べ|(zhì)，在導(dǎo)板設(shè)計中的任何環(huán)節(jié)出錯都會影響置釘?shù)臏?zhǔn)確率。術(shù)前制作模型和導(dǎo)向模板需要一定時間，3D 打印機(jī)器的故障和操作人員的不熟練會延長所需要的時間，因此不適合急診手術(shù)。

綜上，3D 打印導(dǎo)航模板在治療寰樞椎骨折輔助置釘，術(shù)后實際的螺釘軌跡與術(shù)前預(yù)設(shè)理想的螺釘軌跡在釘?shù)婪较蛏蠜]有發(fā)現(xiàn)明顯差異，這項技術(shù)的主要優(yōu)勢在于個體化導(dǎo)航模板根據(jù)患者解剖結(jié)構(gòu)所定制具有較高的準(zhǔn)確性和安全性，有利于降低手術(shù)風(fēng)險，其次使用簡單，適合缺乏徒手放置寰樞椎椎弓根螺釘經(jīng)驗的外科醫(yī)生。使用3D打印導(dǎo)航模板輔助寰樞椎骨折患者置入椎弓根螺釘是一種可接受的方法，具有重要的臨床價值。