3D打印胸椎結核病灶椎體模型個體化指導胸椎椎弓根螺釘置入

馬鵬飛 石仕元 費 駿 賴 震 石林鋒 劉 飛

脊柱結核因病灶硬化壁存在，抗結核藥物難以透過硬化壁在病灶區形成有效的藥物濃度，外科手術可清除病灶并同期植骨內固定，臨床效果肯定。椎弓根螺棒系統內固定均有三維固定矯形作用，是脊柱結核后路手術的常用固定方式，但胸椎椎弓根個體差異大[1]，置釘失誤率高，常有文獻[2]報道誤置造成嚴重后果發生。其次，反復調整置釘角度和螺釘來回擰入擰出，會導致螺釘把持力下降，在骨質疏松患者中表現尤為明顯[3]。對于胸椎結核如何提高置釘準確率和骨質疏松性椎體螺釘固定強度是臨床關注的焦點。近年來，3D打印技術應用于臨床，改變了傳統手術方式。通過術前打印出1:1的實物模型，個體化規劃手術方案、術中對比已成為外科術者提高手術精細操作的一種發展趨勢，目前被廣泛應用于脊椎腫瘤切除、骨盆骨折固定、跟骨骨折、關節置換術中，并取得較傳統手術更好效果[4-7]。筆者通過術前3D打印患者胸椎結核病灶區域實物模型制定個體化置釘方案，評價3D打印技術輔助胸椎個體化置椎弓根螺釘的療效。

1 臨床資料

1.1一般資料 選擇2016年1月—2017年1月浙江省中西醫結合醫院骨科病房胸椎結核患者52例，男 23例，女 29例，年齡 43～79 歲，平均（61.37±4.31）歲；單節段29例，雙節段14，多節段9例，其中有跳躍型2例。所有入組患者均有低熱、盜汗、乏力，局部壓痛和不同程度活動受限癥狀，紅細胞沉降率（ESR）23～129mm/h，平均（87.35±5.12）mm/h，C 反應蛋白（CRP）31～109mg/L，平均（79.54±7.34）mg/L。3 例有胸腹不同平面感覺異常。對52例患者胸椎椎弓根置入螺釘數進行匯總統計，其中胸椎T1 16枚，T2 24枚，T3 24枚，T4 32枚，T5 37枚，T6 39枚，T7 48枚，T8 51 枚，T9 45枚，T10 41枚，T11 36 枚，T12 36枚，共置入429枚螺釘。

1.2納入及排除標準 納入標準[8]：（1）診斷標準：結合病史，X線、CT、MRI等影像學檢查，結核感染T細胞斑點試驗（TSPOT）結果陽性，結核分枝桿菌及利福平耐藥檢測技術Xpert-MTB/RIF（美國Cepheid公司）陽性，穿刺活檢病理提示結核分枝桿菌。伴有或不伴有胸腹及以下平面感覺異常。（2）抗結核治療效果不佳，椎體骨質嚴重破壞，脊柱穩定性下降。（3）病例隨訪資料完整。排除標準：（1）合并活動性肺結核。（2）診斷脊柱結核，非胸椎結核。（3）病例隨訪資料不完整。（4）內固定方式非胸椎后路椎弓根螺釘內固定。

2 方法

2.1胸椎3D打印 52例患者術前均采用PILIPS 64排快速掃描CT進行胸椎薄層掃描，將掃描得到的數據導入醫學專業三維重建軟件，選定含有病灶為中心的三維重建數字化虛擬模型，然后利用3D打印機器打印出三維實物模型（見圖1-①，封底）。

2.2測量與模擬手術 仔細觀察三維胸椎結核實物模型，了解結核病灶的三維空間狀態，明確椎體破壞的范圍，病灶椎體與后方椎管、椎弓根的關系，椎弓根壁是否完整，椎弓根是否有變異。確定上關節突基底部與橫突根部交叉點為進釘點，測進釘點經過椎弓根內外側凹連線的中點達椎體前緣皮質的距離，即釘道長度，其長度的80%為理想椎弓根螺釘長度。釘道在橫截面與后正中線的夾角為理想內傾角α（見圖1-②，封底）。測進釘點經過椎弓根下上凹連線的中點達椎體前緣皮質，其與椎體橫截面的夾角為理想頭傾角或尾傾角β（見圖1-③，封底）。測量椎弓根內外側凹連線的長度，其長度的70%作為椎弓根螺釘的理想直徑（見圖1-②，封底）。根據所測得的椎弓根螺釘長度、直徑、內傾角及頭傾角（尾傾角）在實物模型上按順序置釘。因本組3D打印材料為聚乙烯樹脂，與實際骨組織彈性模量有別，防止椎弓根因彈性模量小被椎弓根螺釘撐開斷裂，故模擬置釘前，先用克氏針按所測得的數據預置釘，再用與螺釘直徑相同規格的攻絲進行絲攻，然后緩慢擰入椎弓根螺釘，判斷螺釘的穩定性。測量釘棒的長度及按胸椎實物模型折彎釘棒，裝鈦棒及橫連桿。反復觀察及評價，對于不適行調整并記錄。分離每個椎體，沿螺釘骨接觸面截開，觀察椎弓根螺釘是否沿著理想釘道方向及角度置入，有無穿破椎弓根內外側皮質。

2.3手 術 手術均由同一組醫生完成。均采用了全麻后取俯臥位，胸腹部采用洞墊墊高，后路椎弓根螺釘固定手術方式采用經肋橫突入路[9]，以病椎肋橫突關節為中心縱行向內切一約10～12cm弧形切口，鈍性剝離豎脊肌，顯露關節突關節、橫突根部及椎板，與實物模型采用相同的進釘點（上關節突基底部與橫突根部交叉點），開口器開口，按照術前測量的角度和方向置入1枚克氏針，術中C型臂X線機透視顯示與術前模擬置釘方向及角度基本相同，挑選測量所得合適直徑椎弓根螺釘，選用略小于椎弓根螺釘直徑規格的空心攻絲絲攻，擰入椎弓根螺釘，縫合豎脊肌、深筋膜。切除病椎橫突，經肌間隙進入，分離肋骨及肋骨下組織，注意保護胸膜，剪短合適長度的肋骨，留取為植骨材料。繼續小心分離，顯露病灶，清除病灶周圍膿液，死骨，干酪樣組織，咬除硬化骨，建立植骨床，按術前測量結果剪下合適長度肋骨作為支撐骨，對于雙節段病灶清除后行鈦網支撐植骨或人工椎體重建椎體高度及矯正后凸畸形。病灶反復沖洗后，用異煙肼10g稀釋液沖洗病灶，并用明膠海綿包裹鏈霉素粉10g置入病灶，植骨區周圍。放置負壓引流管1根，止血后逐層縫合切口。

術后患者一般四聯抗結核加護肝、補液等對癥治療。術后每周復查血常規、肝腎功能電解質等，每月復查胸椎X線、CT、MRI檢查。術后3周左右佩戴支具下地活動，支具佩戴3～6個月。

2.4指標觀察 術后行CT薄層掃描，觀察螺釘置入后螺釘有無穿破骨皮質情況，螺釘的長度、直徑、角度與方向是否與實物模型測量最佳參數一致。術后1年椎骨融合情況及螺釘松動情況。術后采用電話隨訪、門診隨訪、住院復查等方式。

3 結果

3.1實際螺釘置釘準確率 術后由2名高級職稱影像學醫師獨立閱讀入組病例資料內固定術后CT薄層掃描圖像與重建圖像，按照張樹芳等[10]報道的置釘評價標準評價實際螺釘置釘情況。Ⅰ類：置入螺釘位置滿意，未出現螺釘穿破椎弓根皮質；Ⅱ類：置入螺釘位置不理想，存在螺釘穿破椎弓根皮質，穩定性良好，未損傷鄰近組織，但需要翻修；Ⅲ類：置入螺釘位置不理想，存在螺釘穿破椎弓根皮質，穩定性差，損傷鄰近組織。實際螺釘置入準確率按Ⅰ類置釘計算。

3.2置釘效果 共置釘429枚，結果顯示實際置入椎弓根螺釘的進釘點、長度、角度和方向與3D打印結核模型測量數據、模型置釘最佳長度、角度方向基本一致，數值差異無統計學意義（P＞0.05），見表 1。術后X線檢查顯示病椎固定螺釘未見松動滑出,CT薄層掃描檢查未見螺釘突破椎弓根內外側壁。有6枚螺釘與術前設計相比角度稍有偏移，但位置均在滿意位置，3D打印結核模型輔助個體化置釘準確率為98.6%（423/429）（見圖 1-④，封底）。

3.3不良反應 手術過程均順利，術后第2、5、6天有3例患者出現胸悶氣急，B超提示胸腔積液，予以置管引流均緩解。到終末隨訪結束，未發現螺釘松動、斷釘、釘道感染、切口感染等不良反應。

表1 實際置入螺釘與3D打印術前設計模擬置釘的直徑、長度、角度、比較（x±s）

4 討論

4.1胸椎結核椎弓根螺釘內固定存在的困難 近年來，我國脊柱結核患者數量穩中有增，抗結核藥物治療難以透過結核病灶硬化骨而不能在病灶周圍形成有效的抑菌或殺菌血藥濃度，單純藥物治療脊柱結核療效不佳。通過外科手術治療脊柱結核取得一定的療效，高位脊柱結核如胸椎單節、多節段結核均可通過手術病灶清除、內固定、植骨融合等方式去除病灶和矯形固定。椎弓根螺釘內固定系統因能對椎體前、中、后達到三維固定、操作簡便、矯形效果佳等優點被作為胸椎結核后路內固定首選。然而，胸椎結核患者早期癥狀不明顯，較少有患者就診，或因輕微外傷后疼痛就診，易誤診、漏診，最終椎體破壞嚴重、脊柱不穩，椎體旋轉、后凸畸形、截癱，后期手術治療較為棘手，加上胸椎椎弓根較腰椎細小，椎弓根個體變異大[11]，老年患者附件小關節增生硬化，給椎弓根釘的置入帶來許多困難。

目前臨床置胸椎椎弓根螺釘，通過解剖標志尋找置釘進釘點，容易導致置釘失誤。文獻[12]報道，椎弓根螺釘置釘失誤率無統一數值，在3%～55%不等，但均表明胸椎置釘失誤率遠高于腰椎。胸椎椎體周圍解剖結構復雜，前方有主動脈和胸腔肺臟，椎管狹窄，椎管內有脊髓，椎間孔內有神經根，置釘角度失誤將可能導致神經根、脊髓損傷、腦脊液漏，螺釘過長刺傷前方動脈及內臟，危及生命。盡管文獻[12-13]報道有穿破椎弓根壁和椎體前緣皮質而未出現神經脊髓、內臟損傷，但螺釘在椎弓根及椎體內位置不佳，無疑會減小螺釘的抗拔出力，椎弓根結構破壞，強度下降導致螺釘松動、固定失效，增加螺釘翻修幾率和內臟、神經大血管損傷風險。因此，如何增加胸椎椎弓根螺釘置入的準確率是近年來脊柱外科研究的重點。

傳統的胸椎后路顯露無法在直視下觀察到椎弓根全部，置釘技術依靠術中解剖標志的辨識，置釘的角度和方向完全依靠術者的經驗和手感，即使很有經驗的術者也可能出現螺釘置入位置不佳。Sagi等[14]研究術中X線輔助置釘準確率僅為73%，螺釘置入的準確率并沒有增加，且術者需長時間暴露在X線下。計算機導航技術雖可在直視下檢查進針點和螺釘置入角度是否準確，將椎弓根壁穿透率控制在5%以內，很大程度上提高了螺釘置入的準確率，但導航系統操作復雜、設備昂貴，對體位變化敏感，在臨床得不到推廣應用[15]。

4.23D打印胸椎結核模型個體化指導置釘的優勢

胸椎結核因椎體破壞，脊柱畸形與傳統胸椎骨折不同，很難通過X線及CT二維圖像全面、形象的掌握病椎破壞的空間形態，對破壞椎體的殘余部分無法通過影像學感知其能否行病椎固定。長節段固定必然要失去更多的正常運動單元，若病椎一側可行椎弓根螺釘固定，可以減少固定節段，減少正常運動單元的丟失。施建黨等[16]對191例患者行病椎間固定，療效滿意，病灶硬化骨骨量豐富，可提供比單純椎弓根60%外更多的螺釘抗拔出力。3D打印技術通過專業軟件將CT掃描的二維數據重建成三維數字模型，再由3D打印機逐層按0.1mm厚度打印出與患者1:1的三維實物模型，獲得比普通影像學更加充實、全面的信息，在臨床開始逐步應用。國內外學者通過術前3D打印指導，甚至因3D實物模型更改手術方案的報道并不少見[17]。本研究所有患者均在術前打印病灶3D實物模型，可以在體外離體情況下真實觸摸擬手術節段胸椎椎體，術前反復觀察實物模型，獲得CT、MRI不能反映的解剖學資料。實物模型可以立體化、形象化的呈現出患者病灶以及每個節段椎弓根的三維情況，可以在術前充分了解到病灶后方椎管有無占位，椎弓根的形態大小以及變異情況。依據實物模型不僅能夠在模型上精確的獲知死骨位置及死骨的多少，還可在術前了解到硬化骨的厚度，為術中行病灶清除、預備植骨塊及建立植骨床提供指導。

胸椎的椎弓根直徑較腰椎細小，最窄節段在T4、T5、T6，文獻報道最窄在 3.2～4.7mm，尚未統一[18]，表明胸椎椎弓根個體變異較大，且術中C型臂X線機圖像分辨率低，易受肋骨和肩胛骨、肺臟等影響，給臨床胸椎準確安全置釘帶來困難，導致置釘錯誤，造成嚴重后果。傳統置釘依靠解剖標志和術者經驗，且術前必須了解患者椎體形態及病變部位，但實際置釘時的角度具有主觀性和隨機性，無數據參考。因此如何提高置釘準確率和預防錯誤置釘具有重要意義。3D打印技術術前對實物模型椎弓根變異情況進行掌握熟悉，測量出每個椎弓根的直徑，選用合適直徑的椎弓根螺釘，并術前設計理想釘道，測算出螺釘長度，內傾角及頭傾角，術前模擬置釘過程，模仿術中置釘時存在的問題，使得手術得心應手，為術中選用螺釘及置釘角度、方向提供指導，減少術中反復測量、X線透視而縮短手術時間，減少曝光次數，降低手術感染風險。通過比較術中實際使用的螺釘直徑、長度、置釘方向和角度與3D打印模型測量的數據結果，其數據雖有差異，但差異較?。≒＞0.05），說明3D打印能夠很好的指導胸椎結核置釘，提高置釘的準確率。本研究在3D打印模型的指導下共置入429枚螺釘，術后CT掃描圖片顯示螺釘位置與術前設計基本相同，螺釘均未穿破內外側椎弓根皮質，置釘準確率為98.6%，說明3D打印技術提高了胸椎結核置釘安全性。通過3D打印模型的認識，選擇了病椎間固定，縮短了固定節段，減少正常運動單元的損害，治療個體化。

老年胸椎結核患者因活動量減少，免疫力低下，結核桿菌破骨能力旺盛，合并有糖尿病、高血壓、類風濕等長期服藥導致體內鈣磷代謝紊亂，女性絕經后激素水平下降，出現骨質疏松，普通的椎弓根螺釘對椎體松質骨的把持力下降，易導致內固定物松動、拔出，固定失效。特別是術中因置入角度和方向不佳，需多次調整螺釘置入軌跡，導致固定效果大打折扣。Polly等[19]研究指出，螺釘在首次正確置入時穩定性最強，旋出后再次旋入，扭矩將下降34%。因此對胸椎結核骨質疏松患者務必一次性置入，盡可能不要反復旋出旋入。然而因胸椎椎弓很解剖復雜，傳統置釘很難一次性正確置入，國內外學者[20]通過骨水泥強化螺釘方式增加螺釘的把持力取得一定療效，但因骨水泥產生高熱、溢出、誤注，長期留置有一定毒性和致癌風險，難以取出，無骨生物相容性，長期負荷下可發生松動，導致骨吸收等不能適用于胸椎結核患者。3D打印技術通過術前設計置釘角度和方向，可一次性準確安全置釘，較少需要調整，增加了螺釘在骨質疏松患者椎體的穩定性，同時無上述骨水泥不良情況發生。本研究中老年患者居多，因結核桿菌導致骨吸收增加，表現骨質疏松，通過3D打印術前設計指導，術中均一次性置釘，術后CT掃描螺釘位置良好，術后隨訪結束未發現螺釘松動情況發生，效果滿意。

總之，基于3D打印胸椎結核椎體模型，通過術前反復研究3D實物模型，模擬手術，熟悉手術過程，指導臨床椎弓根螺釘置入，具有提高置釘準確率、術時短、軟組織損傷小、術中透視少、術后并發癥少等個體化治療優勢。

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