3D導航模板在治療寰樞椎骨折輔助置釘中的應用

鄧佳燕，吳超，*，林旭，譚倫

(1.自貢市第四人民醫院數字醫學中心，四川 自貢 643000；2.自貢市第四人民醫院骨科中心，四川 自貢 643000)

寰樞椎骨折是上頸椎損傷中較常見的一種情況，約占50%[1-2]。這一類型的骨折極容易導致脊髓和腦干高位損傷，出現腦神經癱瘓、四肢癱瘓和呼吸困難等嚴重癥狀，因此對寰樞椎患者采取積極的手術治療勢在必行[3]。然而，寰樞椎復雜的解剖位置關系又給手術置釘帶來了極大地困難[4]。隨著近年計算機科學和數字醫學的快速發展，相對于傳統徒手置釘治療寰樞椎骨折，借助三維建模、模擬手術置釘和3D打印等技術對術中置釘位置和方向提供指導，大大減少手術時間及術中出血量，提高手術的安全性和準確性[5-7]。

1 資料與方法

1.1 一般資料 回顧性分析我院自2015年7月至2016年1月應用3D打印技術輔助寰樞椎螺釘置入的24例患者，其中男性13例，女性11例；年齡38～78歲，平均年齡(59.35±4.02)歲。寰椎骨折11例，樞椎骨折13例。納入標準：a)不穩定的寰樞椎骨折；b)術前牽引后頸椎X線片提示骨折能基本復位；c)無手術禁忌證；d)隨訪12個月以上。排除標準：a)先天性或頸椎發育畸形；b)局部炎性反應或腫瘤病變以及椎動脈走向異常導致無法置釘；c)其他特殊原因導致無法置釘；d)全身多發疾病或身體不耐受手術患者。

1.2 方法

1.2.1 寰樞椎的三維建模 獲取患者頸椎原始DICOM數據，掃描參數如下：掃面電壓120 kv，電流185.25 mAs，矩陣512×512像素，層厚0.625 mm，掃描視野17.3 cm×17.3 cm；將原始DICOM數據導入minics 19.0醫學建模軟件，選取骨頭閾值將脊椎模板分割出來，再運用多層編輯模板和區域增長功能將寰樞椎逐個分割出來，最后重建寰樞椎的三維模型并輸出為STL格式用于打印和導航模板的設計。

1.2.2 模擬置釘和導航模板的設計 利用minics 19.0 cad模塊功能對以上重建的寰樞椎體的三維模型進行模擬置釘，然后將三維模型沿冠狀面切面，切面間隔1 mm，保證在每個切面上圓柱的投影落在椎弓根切面的正中央位置且未突破椎弓根內壁。將寰樞椎模型和模擬針保存為STL格式并導入3-MATIC逆向工程設計軟件，運用“brush”反向拉伸"以及布爾運算等功能設計貼合患者寰樞椎的導航模板并輸出為STL格式用于打印(見圖1～2)。

1.2.3 三維模型的打印 將三維重建寰樞椎患者模型導入快速成型機前處理軟件Magics，輸出AFI文件，然后將文件轉到光固化成型機中(3DS-3600)，以光敏樹脂為材料，得到個體化椎體模型和導板模型。結合三維實體模型和患者的其他影像學資料進行手術規劃，并在模型上模擬手術操作，熟悉螺釘進釘點和方向，模型包裝后采用低溫等離子消毒，帶入手術室以便術中進一步輔助手術(見圖3)。

a 椎體正面 b 椎體背面 c 椎體側面

圖1 三維重建寰樞椎模型

a 安全釘道的設計 b 貼合椎體后緣導板面的設計 c 導板模型

圖2 模擬置釘和導板設計

1.2.4 三維模型和導航模板的術中應用 手術步驟：a)全身麻醉后取俯臥位，頭架固定顱骨，透視明確寰樞椎位置關系，調整后伸或前傾位，保證寰樞椎位置關系處于正常；b)采用后路切口根據手術要求逐層剝離至顯露寰椎后弓和樞椎椎板、棘突及側塊，剝離的時候注意不要損傷寰枕膜和寰樞膜深面的靜脈叢和頸髓；c)根據術前設計導板的大小，仔細剝離相應的骨性組織，盡量使導板完全貼敷與骨組織上，在導板導向孔指引下開口，逐一2 mm深度遞增鉆孔，探查釘道四壁無突破，完成釘道準備。d)插入Mark，X線透視明確置釘位置和方向的安全性和準確性，置入螺釘。

1.2.5 術后效果對比評價 術后CT測量螺釘突破椎弓根內外側壁的情況，比較置釘合格率；比較術后CT螺釘和術前模擬置釘的內傾角(螺釘與矢狀面的夾角)、頭傾角(螺釘與上中板面的夾角)和進釘點位置差異無統計學意義(對空間坐標系重定位，坐標原點如圖4所示，分別比較術前模擬和術后復查進釘點的三維坐標值有無差異。)

2 結 果

2.1 臨床結果 所有患者順利完成手術，未出現神經損傷加重、大出血等嚴重并發癥。術后隨訪大于12個月。

a 頸椎實物 b 導板實物 c 頸椎與導板貼合實物

圖3 3D打印頸椎和導板實物

注：X軸為冠狀面上關節突最低點連線；X軸與椎體前緣相交中點為O點；Y軸過O點垂直于X軸；Z軸過O點垂直于XOY平面

圖4 自定義空間坐標系

表1 術后復查樞椎置釘與術前模擬置釘效果對比

表2 術后復查寰椎置釘與術前模擬置釘效果對比

表3 術后復查樞椎置釘與術前模擬置釘入釘點坐標位置比較

表4 術后復查寰椎置釘與術前模擬置釘入釘點坐標位置比較

2.2 術后與術前模擬置釘效果對比 對24位患者共計置釘樞椎26枚，左側13枚，右側13枚；寰椎22枚，左側11枚，右側11枚。對每一枚螺釘我們分別測量了術前模擬置釘和術后置釘的內傾角(與矢狀面的夾角)和頭傾角(與中板面的夾角)。對術后與術前模擬置釘的內傾角和頭傾角做配對t檢驗(術前-術后)發現，左側內傾角、右側內傾角、左側頭傾角、右側頭傾角比較，差異無統計學意義(P>0.05，見表1～2)。模擬組和手術組置釘入釘點坐標值比較差異無統計學意義(P>0.05，見表3～4)。術前模擬置釘合格率為100%；手術置釘中1級置釘42枚，2級置釘4枚，3級置釘2枚，合格率為95.83%；χ2檢驗兩組合格率比較，差異無統計學意義(χ2=0.495，P=0.247)。

3 討 論

3.1 3D打印用于頸椎骨折的優勢和不足 由于寰樞椎特殊的解剖結構和位置關系，決定了對寰樞椎骨折患者進行手術置釘固定術的高復雜性和高風險性。頸椎椎弓根螺釘固定術是整個脊柱中難度最大的手術，臨床醫生在手術中都十分謹慎，隨著技術的發展和進步，各種導航設備均使用在椎弓根螺釘固定術中，包括光電導航、機器人導航等。但這些導航系統都存在各自的不足，容易因體位的改變導致定位不準確，同時這類設備購買和維護費用昂貴。本研究中我們通過數字化技術和3D打印技術設計導航模板，指導頸椎椎弓根螺釘內固定術，并通過分析進釘點位置和進釘方向對置釘的準確性和安全性進行分析評估，我們發現通過3D打印導板指導頸椎弓根螺釘固定手術能保證置釘的安全性和準確性。國內外一些學者發現，3D打印導航模板能顯著減少手術時間、術中出血量、術中投射次數和輻射量、術后并發癥等，提高手術效率，與本研究中的結果一致[4]。

準確度是目前3D打印技術最大不足之處，包括對CT數據采集層厚，打印層厚的要求，層厚越小精確度越高，目前的CT掃描層厚和打印層厚對模型的精確度有一定影響。由于CT掃描的體位與術中體位不一致，椎體可能存在一定壓迫，導致打印模型與患者椎體存在一定差異，導板貼合面大小的設計不好把握，太大會增加剝離骨面從而增加創傷，太小容易滑動導致定位不準。

3.2 3D導板的設計與手術技巧 術前設計的技巧有：a)3D導板的設計是基于CT掃描數據重建的三維模型，所以原始數據的精確度對后期三維模型重建的真實度影響重大，CT掃描的層厚應該盡可能薄，為保證模型的準確性，層厚最好控制在1 mm以內[8]；b)為了更加精確真實地重建椎體模型，在閾值分割時應根據個體骨組織密度選取最佳閾值重建椎體模型；c)導板設計時貼合骨面的位置，盡量符合手術醫師要求，為了減少剝離的創面，這一部分面價應該盡量小，但也要保證貼合穩定，指導正確置釘；d)需要將導板模型進行平滑處理和修復處理，避免毛刺和棱角對患者的傷害；e)在導板上設計把持機構以增強穩定性。

術前準備：a)患者交流溝通時可展示標本，增強患者的信心；b)術前醫師可利用標本進行模擬手術，了解術區解剖結構，熟悉手術過程；c)導板消毒應使用低溫消毒。術中注意：a)術中切口剝離的大小和位置要精確，保證導板置放位置準確；b)術中通過術前設計的把持結構盡量保持穩定，不要有滑動，以免造成置釘誤差；c)術中仍需確認椎弓根內壁位置，2 mm逐一深入，避免發生意外；d)環椎無棘突結構，術中導板容易滑動，術中可參考樞椎位置輔助進行進釘。

3.3 3D打印前景展望 3D是近年來興起的以三維模型為基礎，以塑料、粉末或金屬為材料逐層疊加構造物體的一種快速成型方式。近年來，3D打印技術在醫學領域的應用也體現了巨大的優勢，尤其是在醫療教學、疾病診斷、術前評估和模擬、術后效果評估以及個性化耗材定制等方面[9-10]。

在骨科領域中，由于骨組織的CT值高于其他組織，為前期模型重建的準確性提供了基礎，3D打印在骨科手術中應用比較廣泛[10]。對于擁有多變解剖結構和復雜病理變化的頸椎骨折患者，運用三維重建、術前模擬和規劃、3D打印技術提高手術安全性和準確性，提高手術效率，減少術后并發癥，無疑將是未來醫療發展的重要方向[11]。

基于三位重建模型和術前模擬置釘設計的導航模板具有降低手術成本、提高手術準確率、減小創面等優點[11-12]；本研究中設計的3D打印導板，設計過程是經過反復的術前模擬、計算和分析最佳置釘位置和方向設計的，能以最小的創面且最穩固貼合度保證手術的準確性，同時減少手術時間和出血量[1，13]。

隨著醫療技術的進步和發展，未來醫療將逐步走向“數字化微創”、“精準化”、“個體化”，而3D打印也為此提供技術支持。以傳統制造業相比，3D打印能實現個體化設計，且能滿足臨床上要求的高精度和高分辨率[5，14]。目前該技術已被大量學者研究并應用于臨床，尤其在口腔科、骨科以及整形外科等。近年來越來越多關于3D模型制造、逆向工程設計模板以及個體化植入物的相關報道，也取得了優于傳統手術方法的效果，由此可見3D打印技術在骨科以及整個醫療領域都有可觀的發展前景。

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