李洪珂，董勝利，劉 帥，李長紅，王 飛，薛小偉

椎弓根螺釘可貫通脊椎前中后三柱而具有牢固的三維（three-dimensional，3D）固定效果，已在脊柱側(cè)彎矯形術(shù)中廣泛應(yīng)用[1]。脊柱側(cè)彎的解剖結(jié)構(gòu)發(fā)生很大的變異，置釘難度極大，操作風(fēng)險極大[2]。而且胸椎椎弓根細(xì)小、椎管容積狹小，導(dǎo)致胸椎置釘?shù)碾y度及風(fēng)險進(jìn)一步提升。常規(guī)徒手置釘?shù)姆椒m可完成置釘操作，但存在著置釘時間長、術(shù)中出血量大、術(shù)中透視次數(shù)多、置釘難度大和準(zhǔn)確度欠佳等一系列缺點。理想的脊柱側(cè)彎椎弓根螺釘固定矯形術(shù)不僅要在提供堅強內(nèi)固定的條件下對畸形進(jìn)行3D矯正，而且要盡可能地減少融合節(jié)段以保留患者的脊柱功能。3D打印技術(shù)具有優(yōu)化術(shù)前規(guī)劃、提供個體化及精準(zhǔn)化治療的特點，應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)極大地促進(jìn)了精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的發(fā)展[3]。采用3D打印導(dǎo)航模板輔助置釘可降低置釘難度，提高置釘精確度，減少置釘并發(fā)癥，獲得滿意的臨床效果[4~6]。筆者探討采用3D打印導(dǎo)航模板輔助置釘在椎弓根螺釘固定矯形術(shù)中治療脊柱側(cè)彎特點和作用。

1 資料與方法

1.1 臨床資料

選擇2018年6月至2019年11月在平煤神馬醫(yī)療集團(tuán)總醫(yī)院脊柱外科收治的采用椎弓根螺釘固定矯形術(shù)治療的脊柱側(cè)彎患者22例，其中男性9例，女性13例；年齡14～39歲，平均年齡25.2歲（標(biāo)準(zhǔn)差13.7歲）；主彎Cobb角45.0°～90.0°，平均主彎Cobb角67.5°；特發(fā)性脊柱側(cè)彎17例，先天性脊柱側(cè)彎5例；主彎方向左側(cè)11例，右側(cè)11例；主彎部位胸椎16例，腰椎6例。采用3D打印導(dǎo)航模板輔助完成置釘和采用常規(guī)徒手置釘方法完成置釘?shù)牟煌譃?D組與徒手組。3D組12例，其中男性4例，女性8例；年齡14～39歲，平均年齡26.8歲（標(biāo)準(zhǔn)差12.4歲）；主彎Cobb角47.0°～90.0°，平均主彎Cobb角68.2°（標(biāo)準(zhǔn)差19.6°）；特發(fā)性脊柱側(cè)彎9例，先天性脊柱側(cè)彎3例；主彎方向左側(cè)7例，右側(cè)5例；主彎部位胸椎8例，腰椎4例。徒手組10例，其中男性5例，女性5例；年齡16～37歲，平均年齡24.5歲（標(biāo)準(zhǔn)差12.3歲）；主彎Cobb角45.0°～86.0°，平均主彎Cobb角65.9°（標(biāo)準(zhǔn)差17.5°）；特發(fā)性脊柱側(cè)彎8例，先天性脊柱側(cè)彎2例；主彎方向左側(cè)4例，右側(cè)6例；主彎部位胸椎8例，腰椎2例。所有患者術(shù)前均獲知情同意并簽署手術(shù)知情同意書。

選擇標(biāo)準(zhǔn)：①術(shù)前X射線、CT、MRI等檢查完整者；②患者能耐受全身麻醉手術(shù)者；③患者及家屬要求手術(shù)矯形者。

排除標(biāo)準(zhǔn)：①伴有神經(jīng)癥狀者；②患者身體較差，無法耐受全身麻醉手術(shù)者；③雖有手術(shù)指征，但患者及家屬不能配合手術(shù)治療方案者。

兩組患者性別、年齡、主彎Cobb角、致病原因、主彎方向、主彎部位等資料比較，差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（χ2/t＝0.627、0.434、0.287、0.078、0.733、0.489，P=0.429、0.668、0.776、0.781、0.392、0.484>0.05），具有可比較性。

1.2 方法

1.2.1 3D打印導(dǎo)航模板制備

術(shù)前對患者進(jìn)行全脊椎薄層CT平掃，掃描層厚0.5 mm，獲得連續(xù)的脊柱斷層原始圖像數(shù)據(jù)并以醫(yī)療數(shù)字影像與通信（digital imaging and communications in medicine，DICOM）格式保存。將其導(dǎo)入Mimics 17.0（Materialise Company，Belgium）進(jìn)行全脊椎3D建模，將建好的3D模型以快速原型系統(tǒng)所應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)3D圖形文件（STereo Lithography，STL）格式保存。將STL文件模型導(dǎo)入3-Matic軟件，標(biāo)記預(yù)置釘椎體椎弓根軸線，然后以此軸線為圓心進(jìn)行拓展即為置釘通道，依據(jù)椎弓根周徑大小進(jìn)行調(diào)整設(shè)計好的圓柱形釘?shù)溃罱K使該置釘通道處于最佳位置。同時提取椎體后部骨性結(jié)構(gòu)，包括棘突、椎板、橫突的骨性表面形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，設(shè)計并生成厚度為4 mm的與所提取解剖形態(tài)一致的反向模板。通過布爾運算使得最佳進(jìn)釘通道與反向模板進(jìn)行貫通、擬合成為一個整體結(jié)構(gòu)。修整邊界，沿置釘通道生成高度為6 mm的輔助置釘?shù)膶?dǎo)向孔，最終形成帶有導(dǎo)向孔的導(dǎo)航模板，并以STL文件進(jìn)行保存。最后，將STL文件的導(dǎo)航模板輸入光固化3D打印機，采用光敏樹脂材料打印出輔助置釘?shù)?D打印導(dǎo)航模板（圖1）。術(shù)前模擬置釘以驗證其準(zhǔn)確性，并進(jìn)行低溫等離子消毒以備術(shù)中使用。

圖1 3D打印導(dǎo)航模板及脊柱模型圖Fig.1 Image of 3D printing navigation template and spine model

1.2.2 手術(shù)方法

所有患者均由同一組高年資手術(shù)醫(yī)生實施手術(shù)；患者取俯臥位，取全身麻醉。C型臂X射線機透視定位，以側(cè)彎頂椎為起點行后路切口，逐層切開、顯露，充分剝離棘突、椎板和關(guān)節(jié)突背側(cè)的軟組織，顯露背側(cè)骨性結(jié)構(gòu)。

3D組依據(jù)術(shù)前規(guī)劃方案，比對實物模型將相關(guān)椎體的3D打印導(dǎo)航模板貼附椎體的棘突、椎板和關(guān)節(jié)突，使其達(dá)到良好的緊密貼敷固定，助手對導(dǎo)航模板位置維持固定。術(shù)者沿導(dǎo)向孔方向，持電鉆按預(yù)先標(biāo)記好刻度進(jìn)度進(jìn)行打孔。打孔完成后移除導(dǎo)航模板，使用探針對釘?shù)浪谋谶M(jìn)行探查，確認(rèn)為光滑連續(xù)骨質(zhì)，擴展釘?shù)溃z錐攻絲，再次使用探針進(jìn)行釘?shù)浪谋谔讲?。置入術(shù)前測量所臻選的螺釘，所有螺釘均置釘完成后進(jìn)行一次透視以確認(rèn)螺釘位置，最后安裝釘棒、根據(jù)側(cè)彎情況是否需要松解或截骨而定、矯正畸形。

徒手組依據(jù)術(shù)前規(guī)劃方案，仔細(xì)辨認(rèn)并確定進(jìn)釘點位置，術(shù)者持開路器開路、擴展釘?shù)?，探針對釘?shù)浪谋谶M(jìn)行探查，確認(rèn)為光滑連續(xù)骨質(zhì)，擴展釘?shù)?，絲錐攻絲，再次使用探針進(jìn)行釘?shù)浪谋谔讲?。依?jù)經(jīng)驗、術(shù)前影像資料及術(shù)中透視選擇規(guī)格合適的螺釘置釘、并透視驗證螺釘位置，最后安裝釘棒、根據(jù)側(cè)彎情況是否需要松解或截骨而定、矯正畸形。

1.2.3 觀察指標(biāo)

記錄置釘時間、術(shù)中出血量、術(shù)中透視次數(shù)、置釘準(zhǔn)確率、置釘可接受率、主彎矯形率和置釘相關(guān)并發(fā)癥。置釘準(zhǔn)確率（%）＝（一次性成功置入螺釘數(shù)量/總置入螺釘數(shù)量）×100%。

術(shù)后常規(guī)行全脊椎CT掃描評估置釘可接受率。根據(jù)Lu S等[7]方法通過測量螺釘穿透椎弓根的距離評估置釘?shù)燃墸孩窦墳槁葆斖耆谧倒鶅?nèi)；Ⅱ級為螺釘穿出椎弓根壁不超過2 mm；Ⅲ級為螺釘穿出椎弓根壁超過2 mm，但不超過4 mm；Ⅳ級為螺釘穿出椎弓根壁超過4 mm；Ⅰ級、Ⅱ級為可接受螺釘，Ⅲ級、Ⅳ級為不可接受螺釘。置釘可接受率（%）＝（Ⅰ級、Ⅱ級螺釘數(shù)量/總螺釘數(shù)量）×100%。

1.3 統(tǒng)計學(xué)方法

采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。符合正態(tài)分布的計量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，比較采用兩獨立樣本t檢驗；計數(shù)資料比較采用χ2檢驗；置釘?shù)燃壉容^采用秩和（Z）檢驗。檢驗水準(zhǔn)α取雙側(cè)0.05。P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 治療結(jié)果

22例患者均順利完成手術(shù)操作，3D組共置入202枚螺釘，徒手組共置入169枚螺釘。3D組置釘時間、術(shù)中出血量、術(shù)中透視次數(shù)小于徒手組，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P<0.05）。見表1、圖2。

圖2 14歲男性胸椎左側(cè)側(cè)彎畸形患者采用3D打印導(dǎo)航模板輔助置釘治療Fig.2 Images of 3D printing navigation template assisted screw placement in treatment of 14-year-old male patient with left thoracic scoliosis

表1 3D組與徒手組治療結(jié)果比較Tab.1 Comparison of treatment results between 2 groups

2.2 兩組手術(shù)置釘與矯形情況比較

3D組置釘準(zhǔn)確率、置釘可接受率大于徒手組，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P<0.05）。3D組主彎矯形率為（71.3±10.2）%，徒手組為（68.1±13.5）%；3D組主彎矯形率略高于徒手組，但差異無統(tǒng)計學(xué)意義（t=0.636，P=0.531>0.05）。見表2。

表2 3D組與徒手組手術(shù)置釘與矯形情況比較Tab.2 Comparison of operation screw placement and orthopedics between 2 groups

2.3 并發(fā)癥情況

術(shù)中無置釘相關(guān)的血管神經(jīng)損傷并發(fā)癥出現(xiàn)。徒手組術(shù)后出現(xiàn)1例背部疼痛、2例下肢疼痛，經(jīng)對癥治療后癥狀消失。

3 討論

脊柱側(cè)彎椎弓根螺釘固定矯形術(shù)一直是脊柱外科的重點和難點，被稱為脊柱外科的“皇冠手術(shù)”。目前，徒手置釘仍為主要的置釘方法。該方法主要依靠術(shù)前X射線、CT、MRI等影像學(xué)資料進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃及制定手術(shù)方案，以及術(shù)中實時透視影像完成置釘操作。由于脊柱解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，術(shù)前影像學(xué)資料存在相互遮擋且為二維平面靜態(tài)成像的不足，這就對手術(shù)醫(yī)生的空間想象能力和臨床經(jīng)驗提出很大的挑戰(zhàn)，一旦缺乏對復(fù)雜疾病的全面判斷，極易忽略一般影像學(xué)資料顯示信息之外的隱藏風(fēng)險[8]。術(shù)中主要依據(jù)椎弓根的解剖與人字嵴、橫突、關(guān)節(jié)突等解剖結(jié)構(gòu)特點的關(guān)系確定進(jìn)釘點，雖然螺釘直徑、長度及進(jìn)釘角度可依據(jù)術(shù)前脊椎的CT解剖數(shù)據(jù)確定，但術(shù)中操作主要依靠豐富的手術(shù)經(jīng)驗來指導(dǎo)，一旦出現(xiàn)螺釘位置發(fā)生偏離勢必影響固定的效果，而且也存在螺釘直徑過大或過小、長度過長或過短等影響手術(shù)效果的因素，嚴(yán)重者可導(dǎo)致嚴(yán)重并發(fā)癥發(fā)生[9]。提升置釘準(zhǔn)確率和降低置釘失敗率主要依靠對擬置釘椎體的解剖數(shù)據(jù)資料的獲取[10]。而脊柱側(cè)彎伴有多個椎體解剖結(jié)構(gòu)變異，椎管及椎弓根發(fā)育不對稱、椎體旋轉(zhuǎn)、半椎體等進(jìn)一步增加了置釘風(fēng)險和置釘難度[11]。故采用常規(guī)徒手置釘?shù)姆椒ú⒉皇挚煽?，其螺釘誤置率可達(dá)6.8%～34.8%，嚴(yán)重者出現(xiàn)血管、神經(jīng)損傷[12~14]。因此為確保置釘準(zhǔn)確率和手術(shù)安全性，術(shù)中需要反復(fù)的透視驗證，易造成置釘時間延長、術(shù)中出血量增多的弊端。故降低置釘難度、提升置釘準(zhǔn)確率和安全性，縮短置釘時間、減小術(shù)中出血量一直是臨床骨科醫(yī)生探討的熱點和難點；同時安全、精準(zhǔn)的置釘也是制約脊柱側(cè)彎椎弓根螺釘固定矯形術(shù)推廣的一個瓶頸。

為克服徒手置釘存在的部分缺點，多數(shù)學(xué)者進(jìn)行了不同的嘗試。目前，常用的提高置釘準(zhǔn)確率的方法主要有2種，即計算機輔助導(dǎo)航技術(shù)[15]和Ball tip技術(shù)[16]；前者置釘準(zhǔn)確率至少達(dá)95%，但學(xué)習(xí)曲線較長，設(shè)備昂貴，難以廣泛推廣；后者置釘準(zhǔn)確率約90%，但存在操作復(fù)雜、手術(shù)時間長、出血量大和感染風(fēng)險高的不足，亦難以推廣。

3D打印技術(shù)可將虛擬的3D影像轉(zhuǎn)化為逼真的立體實物，應(yīng)用于脊柱外科可為臨床醫(yī)生提供諸多便利，極大地促進(jìn)了脊柱外科的發(fā)展。3D打印技術(shù)應(yīng)用于脊柱側(cè)彎椎弓根螺釘固定矯形術(shù)具有諸多優(yōu)點[17～19]。①術(shù)前溝通。3D打印技術(shù)可將原本復(fù)雜且難以理解的脊柱學(xué)特點形象化地以仿真實物模型方式呈現(xiàn)，使原本復(fù)雜的手術(shù)過程變得生動化，有利于術(shù)者向患者及家屬詳細(xì)演示手術(shù)過程，分析術(shù)中難點及可能存在的風(fēng)險，講解相應(yīng)的處理方案，可增加對疾病的認(rèn)識和對治療方案的理解，提升醫(yī)患溝通效果[20]。②術(shù)前規(guī)劃。3D打印脊柱側(cè)彎模型可真實再現(xiàn)病變脊椎的解剖形態(tài)，方便術(shù)者從各角度對病變畸形脊椎的解剖形態(tài)進(jìn)行觀察，有利于制定更加合適、更加精準(zhǔn)的手術(shù)方案[21]。③術(shù)前模擬。術(shù)前模擬置釘操作可增加術(shù)者置釘熟練度，縮短學(xué)習(xí)曲線；也使得對術(shù)中易出現(xiàn)的難點、可能出現(xiàn)的失誤進(jìn)行提前干預(yù)，達(dá)到提高置釘準(zhǔn)確率，降低置釘風(fēng)險的目的[22]。④術(shù)中置釘。術(shù)中可實時對比觀察病變脊柱與實物模型，辨認(rèn)局部解剖結(jié)構(gòu)與毗鄰組織的關(guān)系，減少因判斷失誤而導(dǎo)致的置釘偏差?？傊?D打印導(dǎo)航模板通過與脊椎表面骨性結(jié)構(gòu)的貼敷，結(jié)合術(shù)前已經(jīng)精確測算的螺釘規(guī)格、進(jìn)釘角度、進(jìn)釘深度等優(yōu)勢進(jìn)行置釘，可有效地增加置釘準(zhǔn)確率與安全性，降低置釘難度與風(fēng)險[8]；同時也可減少術(shù)中透視次數(shù)，縮短置釘時間，減少術(shù)中出血量。

然而，關(guān)于3D打印導(dǎo)航模板輔助置釘在脊柱側(cè)彎椎弓根螺釘固定矯形術(shù)中的應(yīng)用報道較少。急需臨床病例報道來驗證其安全性、可行性和有效性。筆者研究結(jié)果顯示，3D組均順利完成置釘操作，術(shù)中無置釘相關(guān)的血管神經(jīng)損傷并發(fā)癥出現(xiàn)。說明采用3D打印導(dǎo)航模板輔助置釘是安全、可行的。3D組置釘準(zhǔn)確率、置釘可接受率顯著優(yōu)于徒手組。筆者認(rèn)為采用普遍性的理論指導(dǎo)個體化的置釘是發(fā)生誤置的根本原因，對于置釘要求極高的脊柱側(cè)彎手術(shù)更需要因人而異、因椎體而異的個體化置釘方案。故依靠解剖特點作為判定進(jìn)釘標(biāo)準(zhǔn)的常規(guī)徒手置釘方法則存在明顯缺點。此外，置釘操作最好一次成功完成，多次穿刺、反復(fù)調(diào)整螺釘可降低椎弓根對螺釘把持力，易致凹側(cè)撐開和凸側(cè)抱緊時發(fā)生椎弓根再骨折[23]。3D打印導(dǎo)航模只涉及單個椎體的解剖結(jié)構(gòu)，故不受患者體位變化的影響，避免了一切因體位變化而產(chǎn)生的誤差，在很大程度上降低了置釘難度[24]。雖然筆者研究中3D組有9枚不可接受螺釘，徒手組有23枚不可接受螺釘，但在臨床中只有3例出現(xiàn)神經(jīng)癥狀。筆者結(jié)合臨床經(jīng)驗及查閱相關(guān)文獻(xiàn)，考慮主要兩個原因，其一是當(dāng)神經(jīng)、血管遇到破裂的椎弓根或穿破椎弓根壁的螺釘時會發(fā)生主動逃逸，即所謂的逃逸現(xiàn)象；其二是椎管具有一定的容量，當(dāng)神經(jīng)、血管發(fā)生較小程度移位時并未受到損傷。筆者研究結(jié)果顯示，3D組置釘時間、術(shù)中出血量、術(shù)中透視次數(shù)均顯著小于徒手組。常規(guī)徒手術(shù)置釘時，為確保螺釘準(zhǔn)確置入，術(shù)中難免反復(fù)透視驗證，延長了置釘時間，增加了術(shù)中出血量。依托3D打印技術(shù)進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃及術(shù)前模擬，使術(shù)者對凹側(cè)椎弓根粗細(xì)形態(tài)、置釘風(fēng)險及難度了然于胸，明確術(shù)中置釘關(guān)鍵步驟；帶有導(dǎo)向孔的導(dǎo)航模板可確保螺釘?shù)倪M(jìn)釘角度，降低了螺釘突破椎弓根壁甚至進(jìn)入椎管的風(fēng)險，極大地降低了置釘風(fēng)險、保障了置釘安全[25，26]。同時，筆者研究3D組與徒手組在主彎矯形率方面無顯著性差異。說明3D打印導(dǎo)航模板輔助置釘治療脊柱側(cè)彎可獲得與常規(guī)治療方法相似的、滿意的臨床治療效果。張宇鵬等[27]認(rèn)為，采用3D打印導(dǎo)航模板輔助置釘治療脊柱側(cè)彎，具有操作簡便、模板穩(wěn)定性好、置釘準(zhǔn)確率高的優(yōu)點，是提高脊柱側(cè)彎手術(shù)安全性的理想方法。李鑫等[28]報道采用3D打印導(dǎo)航模板輔助置釘治療嚴(yán)重脊柱側(cè)彎，認(rèn)為不需要特殊的手術(shù)經(jīng)驗，可使螺釘準(zhǔn)確、安全地置入復(fù)雜難以識別清楚的脊柱畸形解剖結(jié)構(gòu)上，還可縮短手術(shù)時間，減少術(shù)中出血，減少或避免術(shù)中透視次數(shù)。而且，3D打印導(dǎo)航模板的應(yīng)用也為臨床處理存在解剖結(jié)構(gòu)不清、變異及脊柱返修手術(shù)等提供參考思路或依據(jù)[29]。

值得注意的是，盡管3D打印導(dǎo)航模板輔助脊柱側(cè)彎椎弓根螺釘固定矯形術(shù)具有諸多優(yōu)點，臨床應(yīng)用中仍有一些注意事項。①脊柱側(cè)彎骨性結(jié)構(gòu)復(fù)雜，側(cè)彎頂椎椎弓根與硬膜、神經(jīng)根和胸膜距離較近，應(yīng)謹(jǐn)慎、仔細(xì)顯露，避免損傷[30]。②置釘準(zhǔn)確率主要依靠導(dǎo)航模板與病變脊椎的良好貼敷，故術(shù)中應(yīng)盡可能將導(dǎo)航模板所覆蓋范圍內(nèi)軟組織清理干凈[31]。③3D打印脊柱模型顯示的是術(shù)前脊柱形態(tài)，術(shù)中體位、麻醉、操作等在冠狀面、矢狀面及軸位旋轉(zhuǎn)上一定程度地影響脊柱形態(tài)，導(dǎo)致術(shù)前脊柱側(cè)彎模型并不能完全反映術(shù)中脊柱側(cè)彎形態(tài)[32]。④3D打印模型和實物之間存在0～1 mm誤差，導(dǎo)航模板對椎弓根的定位、定向難免會出現(xiàn)輕微的偏差，為最大限度地確保手術(shù)安全，應(yīng)常規(guī)對置釘通道進(jìn)行探查驗證[33]。⑤術(shù)前規(guī)劃是在理想狀態(tài)下完成的，而術(shù)中存在粘連的周圍組織，術(shù)中矯形程度未必能達(dá)到與術(shù)前設(shè)計的一致，仍需術(shù)者術(shù)中仔細(xì)辨別、提高手術(shù)技能[21]。⑥3D打印技術(shù)雖可指導(dǎo)螺釘規(guī)格臻選和置釘角度，但臨床經(jīng)驗仍然對手術(shù)操作具有重要指導(dǎo)意義和補救意義[34]。

綜上，3D打印導(dǎo)航模板輔助置釘是貫穿于脊柱側(cè)彎椎弓根螺釘固定矯形術(shù)的術(shù)前溝通、術(shù)前規(guī)劃、術(shù)前模擬、術(shù)中置釘?shù)热^程，來最大程度地縮短置釘時間、降低置釘難度，提升置釘準(zhǔn)確率和置釘可接受率。然而，筆者研究為小樣本回顧性病例對照研究，仍需大樣本前瞻性研究進(jìn)一步支持。