胸腰椎骨折PSF手術聯合計算機輔助設計3D打印技術對置入螺釘效果及預后的影響

章飛翔 崔海東 呂書軍* 蔣 棟 呂 暢

胸腰椎骨折主要是間接暴力導致，肌肉的強烈收縮造成附著的胸腰椎椎體前半部壓縮或撕脫性骨折[1]。對于無神經損傷的穩定性骨折或椎體壓縮≤1/3的骨折，可進行保守治療，以臥床休息和背伸鍛煉為主[2]。對于不穩定性骨折需在2周內進行手術治療，以重建脊柱穩定性[3-4]。

經皮微創椎弓根螺釘內固定術(pedicle screw fixation，PSF)是治療胸腰椎骨折的先進手術方式，與傳統開放手術相比，具有術中切口小、創傷出血少、保留肌肉韌帶完整性等優勢，患者可早期下床活動，術后恢復快[5-6]。但PSF手術復雜，微創的手術理念使得其往往無法完全暴露骨折斷端，很多時候處于“管中窺豹”的尷尬局面，對醫師的手感和空間立體感要求很高。盡管借助術前CT影像重建脊柱椎弓根三維圖像可以較好的幫助醫師術前設計手術方案，但在實際手術中螺釘準確置入仍有一定困難。計算機輔助設計(computer aided design，CAD)的3D打印技術在復雜骨折領域具有廣闊的應用前景，醫師可以根據打印的仿真模型進行模擬手術，規劃手術入路，設計復位方案，制備完善的術前計劃，盡可能提高手術效率，并減少神經的意外損傷[7-8]。本研究探討胸腰椎骨折患者借助CAD的3D打印技術行經皮微創PSF手術的應用效果。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2017年1月至2018年12月海安市人民醫院收治的112例胸腰椎骨折患者，所有患者均存在明顯暴力損傷，胸椎或腰椎疼痛和壓痛，均自愿接受PSF手術。根據患者手術設計方案的不同將其分為觀察組(60例)和對照組(52例)。觀察組中男性26例，女性34例；年齡25～63歲，平均年齡(39.15±7.64)歲；其中胸椎骨折21例，腰椎骨折39例；采用計算機輔助設計3D打印技術行PSF手術。對照組中男性24例，女性28例；年齡20～67歲，平均年齡(40.28±7.37)歲；其中胸椎骨折19例，腰椎骨折33例；采用術前常規CT評估后行PSF手術。兩組患者一般資料比較無差異，具有可比性。本研究經醫院倫理委員會批準，患者及家屬知情同意。

1.2 納入與排除標準

(1)納入標準：①符合胸腰椎骨折的診斷標準[9]；②年齡18～70歲；③新鮮閉合性骨折，受傷至手術時間＜14 d，僅累及1個椎體；④保守治療效果不佳，自愿接受PSF手術，術后能按時復查。

(2)排除標準：①PSF手術禁忌癥；②合并椎弓根骨折、脊髓損傷；③合并嚴重心、腦、肝、腎、內分泌、惡性腫瘤等疾病。

1.3 儀器設備

采用SOMATOM Definition雙源CT(德國西門子公司)；Geomagic Studio 2013軟件(美國Geomagic公司)；醫療骨科專用CR-4040型3D打印機(深圳創想三維科技公司)；RADspeed M X射線透視機(日本島津公司)。

1.4 手術方法

所有患者術前均進行常規CT掃描，設置掃描參數：層厚0.625 mm，矩陣512×512，螺距1.375。患者平躺于掃描床中，足先進。掃描范圍為所需錐體上下各多掃一個錐體。根據定位片顯示，適當傾斜掃描機架角度。掃描完畢后保存為Dicom格式。將CT掃描數據導入Mimics17.0軟件，進行CT圖像處理，重建胸腰椎脊柱椎弓根三維圖像。兩組患者根據重建胸腰椎脊柱椎弓根三維圖像，術前模擬PSF手術置入螺釘，尋找最佳置釘位置和方向。

(1)觀察組：采用計算機輔助設計3D打印技術，按照計算機輔助設計3D打印技術打印的仿真椎體模型模擬手術設計的位置和方向置入螺釘。將患者的CT重建數據以stl格式導入Geomagic Studio 2013軟件，軟件通過CAD完成一系列數字切片，并將數字切片信息生成X3G格式文件存儲于SD卡中，傳輸到3D打印機上，使用聚乳酸材料打印仿真椎體模型。術前按照正規PSF手術流程，進行模擬手術，模擬正常椎體高度和曲度，模擬螺釘置入角度、置入椎弓根長度、置入準確度等，確定最佳置釘位置和方向。

(2)對照組：采用術前常規CT評估后行PSF手術。患者俯臥位，在氣管插管全身麻醉下行PSF手術，后正中切口逐層分離皮下肌肉和脊椎椎體，C型臂X射線透視機定位下，暴露傷椎前后各一椎體，透視機引導下打入2對椎弓根螺釘。按照CT重建胸腰椎脊柱椎弓根三維圖像設計的位置和方向(椎弓根關節突、橫突對應位置關系)置入螺釘。

兩組患者經C型臂X射線透視機定位確保螺釘內固定無誤、傷椎復位良好后，止血、縫合、引流。術后患者均平臥4 h，48 h候拔除引流管，3個月內配合支具保護，進行早期康復鍛煉，每3個月進行X射線復查。

1.5 觀察與評價指標

(1)手術情況：觀察手術時間、術中出血量和術中X射線透視次數。

(2)螺釘置入準確率：評價一次置入螺釘和總體置入螺釘的準確率。

(3)傷椎復位情況：評價術前、術后1年X射線拍片，測量椎體滑脫率、椎體前緣高度及Cobb角。

(4)預后評估：術后1年采用日本骨科協會(Japanese Orthopaedic Association，JOA)功能評分表評估預后，滿分29分，25～29分為優，16～24分為良，10～15分為中，＜10分為差。

(5)手術并發癥：評價兩組手術并發癥情況。

1.6 統計學方法

采用SPSS22.0軟件分析數據。計量資料均滿足正態分布，以均值±標準差()表示，計數資料以例和百分比表示。組間比較采用獨立樣本t檢驗和x2檢驗，組內比較采用配對t檢驗。以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 兩組患者手術情況比較

觀察組手術時間短于對照組，差異有統計學意義(t=4.914，P＜0.05)，術中出血量和X射線透視次數均少于對照組，差異有統計學意義(t=3.157，t=14.847；P＜0.05)，見表1。

表1 兩組患者手術情況比較()

表1 兩組患者手術情況比較()

2.2 兩組患者置入螺釘準確率比較

觀察組一次置入螺釘準確率為89.17%，明顯高于對照組的78.85%，差異有統計學意義(x2=4.501，P＜0.05)；觀察組總體置入螺釘準確率為98.33%，明顯高于對照組的90.38%，差異有統計學意義(x2=6.943，P＜0.05)，見表2。

表2 兩組患者置入螺釘準確率比較[枚 (%)]

2.3 兩組患者傷椎復位情況比較

術前，兩組患者的椎體滑脫率、椎體前緣高度及Cobb角比較差異無統計學意義；術后1年，觀察組和對照組患者的椎體滑脫率及Cobb角均下降(t椎體滑脫率=76.390，t=30.700；tCobb角均下降=56.909，t=31.801；P＜0.05)，椎體前緣高度增加(t=12.000，t=8.994；P＜0.05)。觀察組的椎體滑脫率及Cobb角小于對照組，椎體前緣高度大于對照組，兩組比較差異有統計學意義(t=19.047，t=2.891，t=2.494；P＜0.05)，見表3。

表3 兩組患者傷椎復位情況比較()

表3 兩組患者傷椎復位情況比較()

2.4 兩組患者預后情況比較

觀察組預后良好率為96.67%，高于對照組的86.54%，差異有統計學意義(x2=3.867，P＜0.05)，見表4。

表4 兩組患者預后情況比較(例)

2.5 兩組患者手術并發癥情況比較

觀察組并發癥中腰痛、坐骨神經痛2例(占3.33%)，泌尿系統感染1例(占1.67%)。對照組并發癥中腰痛、坐骨神經痛2例(占3.85%)，螺釘松動1例(占1.92%)，腦脊液漏1例(占1.92%)。兩組患者手術并發癥發生率比較，差異無統計學意義(x2=0.345，P＞0.05)。

2.6 典型病例分析

患者女性，46歲，L1腰椎壓縮性骨折，在計算機輔助設計及3D打印技術輔助下，行PSF手術。手術用時140 min，術中出血量100 ml，一次置入螺釘準確率為100%，術后未見并發癥，螺釘固定良好。術后隨訪1年，L1椎體前緣高度及Cobb角恢復正常，脊柱生理彎曲正常。見圖1和圖2。

3 討論

胸腰椎骨折的復位和內固定一直是骨科領域治療的難點和研究熱點，由于患者骨折的個體差異，實施經皮微創PSF手術如何準確置入螺釘對醫師的技術要求極高。CAD的3D打印技術的出現，很大程度上解決了這一問題，被廣泛應用于骨科術前方案計劃、輔助器械的制作、骨組織工程等方面[10-11]并在脛骨、骨盆等骨折中發揮重要作用[12-13]。該技術可以將術前CT影像轉化為三維模型，并通過3D打印技術制作患者三維立體骨頭實物復制品，幫助醫師提前計劃手術修復方案，簡化手術操作，盡可能規避手術失敗風險[14-15]。

圖1 典型病例計算機及3D打印技術輔助設計示圖

圖2 典型病例X射線影像

本研究對胸腰椎骨折患者借助CAD的3D打印技術行經皮微創PSF手術，與術前常規CT重建胸腰椎脊柱椎弓根三維圖像評估后行PSF手術相比，探討其應用效果。結果顯示，觀察組手術時間短于對照組，術中出血量少于對照組，表明借助計算機輔助設計3D打印技術，醫師手術操作更加嫻熟，提高了手術效率，極大節省了手術時間，且更加發揮微創手術創傷小、出血少的優勢。由于微創PSF手術下，骨折區域暴露較少，準確置入螺釘對醫師技術要求高，螺釘置入的方向和位置大多取決于醫師的操作經驗，缺乏客觀性。若術中置入螺釘位置不當，可能加重損傷椎體甚至導致脊髓神經損傷、腦脊液漏等并發癥，要求術中操作必須多次進行C型臂X射線透視機定位，增加了患者X射線暴露風險[16]。

本研究發現，觀察組術中X射線透視次數少于對照組，一次置入螺釘準確率高于對照組，總體置入螺釘準確率亦高于對照組，表明借助CAD的3D打印技術，可以顯著提升螺釘置入準確性，為手術成功和治療效果奠定了基礎。吳超等[17]研究表明，該技術應用于不典型Hangman骨折可以明顯改善螺釘進釘點和螺釘在椎弓根內相對于術前的偏移量、螺釘內傾角以及最大骨折位移，提高螺釘準確性。樊勇等[18]、Chen等[19]研究表明，借助術前數字化設計及3D打印技術可充分了解胸腰椎骨折的損傷程度，進而指導減壓范圍及置釘節段，有助于縮短手術時間、提高骨折脫位復位程度以及降低內固定失敗的發生率，提高手術效果。

此外，術后1年對患者的骨折X射線復查結果顯示，兩組患者的椎體滑脫率及Cobb角均下降，椎體前緣高度均有增加，但觀察組的椎體滑脫率及Cobb角小于對照組，椎體前緣高度大于對照組，提示觀察組的骨折椎體復位效果更好，這與劉正蓬等[20]研究報道相符。術后1年的預后隨訪也表明，借助CAD的3D打印技術行經皮微創PSF手術患者的預后更好。盡管兩組患者術后并發癥發生率比較差異無統計學意義，但對照組患者出現1例螺釘松動、1例腦脊液漏，而觀察組未出現類似并發癥，也證實了CAD的3D打印技術可以避免經皮微創PSF手術螺釘置入失誤導致的并發癥，極大提高了安全性。

4 結論

借助CAD的3D打印技術，打印出1∶1的骨頭實物模型，還原骨折部位的形態，可為手術醫師提供直觀的空間立體感，醫師在術前可以直觀地了解骨折的類型及損傷程度，規劃手術入路，設計復位方案，模擬手術過程對實際手術進行演練，從而提前選擇合適的內固定器械。CAD的3D打印使其均可體外完成，極大減少了術中無效的復位，減少X射線透視次數，減少了患者及醫務人員的射線暴露。同時避免多次置入螺釘造成的意外損傷，提高了手術效率，縮短了手術時間，降低手術風險，使胸腰椎骨折的經皮微創PSF手術變得高效快捷，提供了安全保障，鍛煉了醫師的操作技術，這對臨床醫師大有裨益。

借助CAD的3D打印技術，選擇最佳手術入路和復位方案行經皮微創PSF手術治療胸腰椎骨折，有利于提高手術效率，降低手術風險，患者預后更好，增加臨床獲益，具有臨床應用價值。