快速成型技術在復雜脊柱畸形矯形手術中的應用

于乃春,吉光榮

(哈爾濱醫科大學附屬第二醫院骨科,黑龍江哈爾濱,150086)

脊柱畸形的形成是在脊柱胸、腰段矢狀面和冠狀面發生的復雜動態進展過程。近年來椎弓根螺釘內固定技術成為脊柱后路內固定手術的常規術式,但復雜脊柱畸形常常伴有脊柱側凸、后凸和椎體旋轉、楔變等畸形,對這類患者進行手術治療時,胸椎椎弓根螺釘置釘的難度和風險都會增加[1-2]。因此,術前掌握畸形的具體病變情況,提前做好手術計劃和準備非常重要。人體器官仿真成型技術也稱為人體器官快速原型技術(RP),可在較短的時間內快速制造出和患者脊柱畸形尺寸完全一致的實物模型.并且通過三維輔助設計用(CAD)快速成型技術,在術前建立個體化導航模板,術中引導椎弓根置釘,從而實現手術置釘的安全性和準確性,縮短手術時間[3-4]。本研究探討該技術進行脊柱畸形矯正椎弓根置釘的指導效果,現報告如下。

1 資料與方法

1.1 臨床資料

選取本院2010—2011年應用快速成型技術來實施胸椎椎弓根螺釘內固定矯正脊柱側凸的患者35例,其中男23例,女 12例,年齡 5～60歲,平均27.5歲;青少年特發性脊柱側凸16例,先天性脊柱側凸13例,神經肌肉型脊柱側凸6例。

1.2 方法

1.2.1 實物模型及個體化導航模板的設計:所有患者脊柱畸形部位進行64排螺旋CT(美國GE公司)連續掃描,掃描部位包括頸椎、胸椎和腰椎。掃描條件:電壓120KV,電流150mA,層厚0.625 mm,512×512矩陣。將CT連續斷層圖像數據以DICOM格式保存,然后導入MIMICS 10.01軟件進行胸椎三維模型重建,以STL格式導出模型。在UG Imageware12.0平臺打開三維重建模型,定位三維參考平面,設計胸椎椎弓根的最佳進釘釘道。提取需要行胸椎椎弓根螺釘置入節段的胸椎椎板、橫突后部及棘突根部背側的解剖形態,在軟件中設計與上述解剖形狀一致的反向模板,將螺釘的最佳進釘通道和模板擬合為一體,形成帶有雙側定位導向孔的單椎體個體化導航模板,通過固體激光快速成型機(陜西恒通智能機器有限公司制造,成型精度為0.11 mm)和光固化成型技術制作出實物模型和個體化導航模板。本實驗共成功制作了187個胸椎個體化導航模板。

1.2.2 術前方案的制定和規劃:從不同角度和方向觀察制成的實物模型以了解脊柱側凸畸形情況,直觀、準確地分析每1例患者脊柱側凸和后凸的畸形程度、范圍、區域以及具體病變情況,根據更加個體化的解剖學形態進行術前方案的制定與規劃。同時在體外將椎體模型與導航模板貼合、匹配,進行模擬置釘操作,觀察定位導向孔的準確性,用環氧乙烷滅菌消毒后用于手術中指導椎弓根螺釘的置入。在術前根據CT測量結果確定每枚置入螺釘的直徑和長度,螺釘直徑一般為椎弓根橫徑的70%～80%,螺釘長度為椎弓根螺釘通道長度的80%,椎弓根螺釘均為鈦質螺釘(北京富樂公司提供)。

1.2.3 個體化導航模板在術中的應用:患者取俯臥位,脊柱后路內固定手術常規消毒、鋪單。后正中切口暴露胸椎后方棘突和椎板等結構,盡可能清除固定胸椎椎板后方的軟組織,并切除棘突上方的棘上和棘間韌帶,充分暴露出椎板后部及棘突根部背側的骨性結構,將消毒后的導航模板貼附于相應的胸椎椎板后部及棘突上,確認匹配準確性后采用高速磨鉆(鉆頭直徑為2 mm),通過定位導向孔鉆出進釘點和進釘通道,進釘通道深度與所需置入的螺釘長度相同,用比所需螺釘直徑小1 mm的絲錐攻絲后緩慢旋入相應長度和直徑的螺釘,然后連接鈦棒,完成固定。本實驗置入的螺釘直徑為315～610mm,長度為215～410 mm。置釘時均未采用透視及其他輔助設備。記錄手術時間。

1.3 術后評價

每1例患者術后進行CT檢查,評估螺釘置入的準確性。隨訪6個月,觀察有無與置釘有關的神經、血管方面的并發癥,脊柱畸形矯正的準確率。

2 結 果

35例患者均按照計劃順利完成手術,術后進行CT檢查,共放置374枚螺釘 ,其中352枚(94.12%)螺釘完全在椎弓根內,22枚(5.88%)螺釘穿破椎弓根外側壁,無椎弓根上方、下方及椎體前方穿破的螺釘;術后隨訪正位X線片顯示脊柱畸形矯正滿意,未出現與置釘有關的神經、血管損傷等并發癥。同時與常規脊柱畸形后路內固定手術比較,快速成型技術的手術時間明顯縮短(平均3 h),且術中未采用透視及其他輔助設備,避免了術者及患者的放射線損傷。

3 討 論

快速成型技術又叫快速原型制造技術,是在現代CAD技術、激光技術、計算機數控技術、精密伺服驅動技術以及新材料技術的基礎上集成發展起來的。不同種類的快速成型系統因所用成形材料不同,成形原理和系統特點也各有不同。但是,其基本原理都是一樣的,那就是“分層制造,逐層疊加”,也可以說快速成型系統就像是一臺“立體打印機”。

目前,快速成型的工藝方法已有幾十種之多,其中主要有4種基本類型:光固化成型法、分層實體制造法、選擇性激光燒結法和熔融沉積制造法。本實驗將患者的CT掃描數據在計算機軟件中重建三維模型,利用RP技術光固化成型法制造出脊柱個體化實物模型和導航模板,指導手術方案的規劃,并在術中直接幫助術者進行椎弓根置釘,大大縮短了手術時間,避免了患者和術者放射線損傷,提高了置釘準確率,并且減少了神經、血管等并發癥的發生。

脊柱畸形發生時,脊柱椎體間的解剖關系和椎骨的形態已經發生改變,主要表現為脊柱側凸、后凸和椎體旋轉、楔形變等畸形。另外,這些解剖結構異常在一些情況下還會引起神經及血管與椎管之間解剖關系的改變。這使得無論采用前路還是后路進行矯正手術都增加了難度,更為復雜的是,椎弓根形態會隨著脊柱畸形發生改變,尤其是在特發性脊柱側凸最為顯著[2]。和腰椎相比,胸椎椎弓根更加細小、節段性差異大,胸椎椎管內為脊髓,周圍毗鄰肺、食管、主動脈等重要器官和血管,因此胸椎椎弓根置釘允許偏差范圍小,風險大。術前能夠準確掌握脊柱畸形的具體病變情況,提前做好手術規劃和方案制定是十分重要的。

盡管現在有了外科手術的改進、影像學的發展以及術中成像的協助,但是前瞻性和回顧性的研究均指出脊柱畸形后路椎弓根螺釘置釘術仍存在挑戰,包括血管及神經的損傷風險。脊柱畸形由于其冠狀面、矢狀面和水平面的復雜畸形,單純的X線片、CT或MRI均無法清晰顯示脊柱的三維畸形[5-8]。本研究將快速成型技術成功地應用于脊柱畸形矯正手術,不但能夠提供脊柱畸形的精確解剖數據,快速制造出與患者脊柱畸形一致的實物模型,更直觀、更細微地觀察脊柱的病理性變化,還可用于輔助診斷、術前分析制定手術方案、模擬手術和與患者及其家屬的交流溝通,同時將個體化導航模板消毒后還可以帶到手術臺上直接指導手術,大大提高了置釘準確率。本研究中應用計算機輔助設計快速成型技術治療的35例脊柱畸形患者胸椎椎弓根螺釘置入均安全有效。

雖然許多研究[9-12]都證實了快速成型技術在脊柱畸形的矯正中起到了很重要的作用,包括術前的規劃及術中的指導,但由于模型跟畸形不能達到完全的一致,而且在脊柱靈活度和平衡方面此技術也還沒有明確的研究,所以仍有待進一步的深入研究。

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