3D打印技術在胸腰段脊柱骨折椎弓根螺釘內固定手術中的應用

冀勝輝

胸腰椎脊柱骨折常由高能量的外傷損害或骨質疏松導致，現臨床上多采用椎弓根螺釘內固定手術為主要治療方式[1]，后期臥床休息并戴護具恢復，往往可以回歸正常生活能力。但是由于術中需要在暴露傷椎后多次利用X線定位來確定置釘點和角度，所以手術時間長，導致術中出血量多，增加手術風險且患者術后恢復時間長。3D打印技術是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術[2]。本研究采用3D打印技術制作出胸腰段脊柱骨折患者傷椎的模型，輔助醫生設計椎弓根螺釘內固定的術前方案，然后按術前設計好的方案進行手術，以探究3D打印技術在胸腰段脊柱骨折椎弓根螺釘內固定手術中的應用價值，現報告如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選擇2017年5月至2019年6月南陽醫學高等專科學校第三附屬醫院收治的80例胸腰段脊柱骨折患者為研究對象。采用隨機數字表將80例胸腰段脊柱骨折患者分為對照組和觀察組，每組40例，觀察組患者接受3D打印輔助椎弓根螺釘置釘技術治療，對照組患者采用常規方法置釘。觀察組中男26例，女14例；年齡40～56歲，平均年齡(48.22±3.86)歲；受傷至手術時間2～6 d，平均時間(4.02±0.93)d；脊柱骨折AO分型，A1型17例，A2型11例，A3型7例，B2型5例；致傷原因：車禍受傷10例，重物砸傷14例，高空墜落受傷15例，摔傷1例；術前ASIA功能評定：C級6例，D級18例，E級16例；骨折部位：T11處9例，T12處13例，L1處5例，L2處6例，L3處7例。對照組中男25例，女15例；年齡39～55歲，平均年齡(47.25±4.03)歲；受傷至手術時間1～6 d，平均時間(3.87±1.13)d；脊柱骨折AO分型，A1型15例，A2型12例，A3型8例，B2型5例；致傷原因：車禍受傷11例，重物砸傷13例，高空墜落受傷14例，摔傷2例；術前ASIA功能評定：C級7例，D級18例，E級15例；骨折部位：T11處7例，T12處14例，L1處5例，L2處6例，L3處8例。兩組患者的性別、年齡、病程、AO分型、致傷原因、ASIA功能、骨折部位之間的差異無統計學意義(P＞0.05)，具有可比性。

1.2 選取標準 納入標準：符合胸腰椎骨折的診斷標準[3]，經CT、X線及MRI等確診；符合椎弓根螺釘置釘內固定術的適應證；脊柱骨折的AO分型[4]為A、B型者；各項臨床資料完整且臨床依從性高者；患者及其家屬對本研究知情同意。排除標準：合并神經或脊髓損傷者；多節段椎體骨折或其他部位骨折患者；伴有惡性腫瘤、心腦血管疾病、凝血功能障礙者；需要椎管減壓或有明顯手術禁忌證者。本研究經醫院倫理委員會批準。

1.3 治療方法 觀察組患者的手術方案制定：應用HY-500 FDM專業級3D打印機，采用PLA為打印材料，打印出1∶1的胸腰椎模型，根據模型設計手術時的進釘點和方向并與患者及其家屬溝通。手術方法：患者采用全身麻醉，取俯臥位于脊柱手術床，胸腹部懸空，減少手術中出血量，以受傷椎體為中心做后正中縱行切口，逐層分離皮下肌肉，輕微分離椎旁神經血管，充分暴露受傷椎體。觀察組患者采用制定好的方案置釘。對照組患者根據上下關節突間隙，在X線機透視下確定傷椎及椎弓根螺釘準確置入部位，采用Weinstein定位法確定進釘點，骨錐與矢狀面成12°～15°。在傷椎和相鄰的上下椎均置入椎弓根螺釘，使其在一條直線上；安放預彎的連接棒，鎖緊頭端螺母以固定棒尖，再次使用X線機確定傷椎復位良好，然后依次擰入固定螺帽，旋緊上方螺帽。手術結束后沖洗切口，放置引流管，逐層縫合筋膜和皮膚。術后應用抗生素避免感染，48 h后拔除引流管。

1.4 觀察指標 ①記錄兩組患者圍手術期參數：手術時間、切口長度、術中X線透視次數、住院時間、術中出血量以及置釘準確率。②于術前和術后1個月評估患者傷椎前緣高度比和Cobb角，術前及術后2 h檢測患者血清C反應蛋白(CRP)水平。③于術前、術后1個月、術后6個月評定患者的日本骨科協會評分(Japanese orthopaedic association Scores，JOA)[5]和傷椎疼痛[視覺模擬評分法(VAS)]評分[6]。④進行為期1年的隨訪，觀察并記錄患者并發癥的發生情況，包括切口出血、螺釘松動、肌肉萎縮、感染以及腦脊液漏等。

1.5 統計學方法 采用SPSS 21.0進行統計學分析。計數資料以率表示，采用χ2檢驗；計量資料用均數±標準差(±s)表示，采用t檢驗；P＜0.05表示差異有統計學意義。

2 結果

2.1 兩組患者圍手術期參數比較 觀察組患者的圍手術期參數：手術時間、置釘準確率、術中X線透視次數、術中出血量、切口長度及住院時間均優于對照組(P＜0.001)，見表1。

表1 兩組患者圍手術期參數比較(±s)

表1 兩組患者圍手術期參數比較(±s)

組別 例數 手術時間(min) 置釘準確率(%) 術中X線透視次數(次)術中出血量(mL) 切口長度(cm) 住院時間(d)觀察組 40 93.54±16.52 90.83(109/120) 11.75±3.53 91.45±26.41 10.26±1.87 14.12±2.45對照組 40 125.34±22.54 73.77(90/122) 16.36±4.72 125.47±37.84 12.62±1.74 22.58±4.59 t(χ2)值 7.197 12.054 4.947 4.663 5.843 10.284 P值 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001

2.2 兩組患者手術前后傷椎前緣高度比、Cobb角及CRP 水平比較 術后兩組患者前緣高度比、Cobb角均顯著優于術前(P＜0.05)，且觀察組患者的上述指標變化更顯著(P＜0.001)；術后兩組患者的CRP水平均顯著高于術前(P＜0.05)，但對照組患者的水平變化更顯著(P＜0.05)，見表2。手術前后患者影像學資料，見圖1。

圖1 手術前后患者影像學資料

表2 兩組患者手術前后傷椎前緣高度比、Cobb角及CRP水平比較(±s)

表2 兩組患者手術前后傷椎前緣高度比、Cobb角及CRP水平比較(±s)

注：CRP＝C反應蛋白；與術前比較，*P＜0.05。

組別 例數 傷椎前緣高度比(%) Cobb角(°) CRP(mg/L)術前 術后1個月 術前 術后1個月 術前 術后2 h觀察組 40 70.56±8.24 89.75±9.46* 14.84±4.15 4.85±1.22* 2.65±0.72 12.34±4.01*對照組 40 71.78±7.78 82.36±9.22* 15.47±4.23 6.91±1.31* 2.51±0.83 16.58±4.37*t值 0.681 3.538 0.672 7.278 0.806 4.521 P值 0.498 ＜0.001 0.503 ＜0.001 0.423 ＜0.001

2.3 兩組患者手術前后VAS和JOA評分比較 兩組患者術后1個月及術后6個月的VAS評分和JOA評分均顯著優于術前(P＜0.05)，且觀察組患者的上述評分變化更顯著(P＜0.001)；兩組患者術后6個月的VAS評分和JOA評分均顯著優于術后1個月的評分(P＜0.05)，且觀察組患者的上述評分變化更顯著(P＜0.001)，見表3。

表3 兩組患者手術前后VAS和JOA評分比較(±s) 單位：分

表3 兩組患者手術前后VAS和JOA評分比較(±s) 單位：分

注：VAS＝視覺模擬評分法，JOA＝日本骨科協會評分；與術前比較，*P＜0.05；與術后1個月比較，#P＜0.05。

組別 例數 VAS評分 JOA評分術前 術后1個月 術后6個月 術前 術后1個月 術后6個月觀察組 40 7.27±1.74 4.45±1.05* 2.52±0.37*# 13.65±2.72 20.34±3.01* 24.84±3.12*#對照組 40 7.24±1.85 5.24±0.93* 2.77±0.24*# 13.51±2.83 17.58±3.37* 19.56±3.84*#t值 0.075 3.562 3.585 0.226 3.863 6.749 P值 0.941 ＜0.001 ＜0.001 0.822 ＜0.001 ＜0.001?

2.4 兩組患者手術后并發癥發生情況比較 觀察組患者術后1例切口出血，1例肌肉萎縮，1例感染；對照組患者術后3例切口出血，1例螺釘松動，2例肌肉萎縮，3例感染，1例腦脊液漏；觀察組患者術后并發生的總發生率為7.50%，顯著低于對照組的25.00%(P＜0.05)，見表4。

表4 兩組患者手術后并發癥發生情況比較[n(%)]

3 討論

椎弓根螺釘內固定手術對于胸腰椎骨折的患者來說，有矯正畸形傷椎，恢復傷椎穩定的作用，能夠最大限度地保留椎體的運動能力[7]。椎弓根螺釘內固定是通過對關節突和橫突根等解剖標志的分析來選擇入釘點的，然后通過C型臂X線機確定患者傷椎上的具體位置，最終用螺釘固定傷椎并保留其旋轉功能的方法。如果手術中置釘點和角度有偏差，可能會致使螺釘松動或擊穿椎體損傷臟器，產生多種術后并發癥，嚴重者會威脅患者生命。因此，精準的確定并找到螺釘的置釘點和角度，將會大大提高手術的療效。3D打印技術可以打印精準的1∶1骨骼模型，在診斷方面可以清晰提供傷椎情況，提高準確率；還可以提前為患者制定針對性手術方案，進而提高手術療效和效率[8]。此外，該技術打印出來的立體模型可以將脊柱更加清晰地展示在患者面前，有利于術前談話并順利進行，使醫患雙方達成統一意見。

本研究結果顯示，采用3D打印技術輔助手術患者的手術時間、置釘準確率、術中X線透視次數、術中出血量、切口長度、住院時間及術前、術后傷椎前緣高度比、Cobb角的改善效果均優于未采用3D打印技術輔助手術患者，與Elmasry等[9]的結果相似，說明采用3D打印技術輔助椎弓根螺釘內固定治療胸腰段骨折的手術創傷小，術后復位效果佳。不僅通過提前確定置釘點和角度，提高了置釘準確率，使手術的治療效果更佳，而且施術者根據實際模型可以提高其可操作性，進而減少了術中X線透視次數，從而縮短了手術時間，達到降低術中出血量的效果。研究結果還顯示，兩組患者術后1個月及術后6個月的VAS評分和JOA評分均顯著優于術前(P＜0.05)，采用3D打印技術輔助手術患者的術后各時間段的VAS評分和JOA評分均優于未采用3D打印技術輔助手術患者，原因是3D打印技術可使醫生在術前能夠更加直觀地從各個角度觀察到立體的傷椎情況，在術前進行手術推演和預估，初步獲得置釘點，螺釘長度及直徑以及進釘的方向，可以減少在手術過程中過度分離椎體旁的組織[10]，肌肉剝離更少，損傷程度也更小，從而減少出血量，使患者在術后恢復更快且相對降低疼痛程度。另外，研究結果顯示未采用3D打印技術輔助手術患者的并發癥的發生率顯著高于采用3D打印技術輔助手術患者，推測可能是因為傳統手術需要術中廣泛剝離多裂肌止點及長時間牽拉擠壓等造成術后肌纖維瘢痕化，肌肉功能下降，肌纖維水腫及失神經改變，甚至壞死[11]，從而引發一系列并發癥。

綜上所述，3D打印技術可以直觀并精確地展現傷椎的情況，為施術者制定術前計劃提供精準的模型，不僅提高了椎弓根螺釘內固定治療胸腰段脊柱骨折的效果，還降低了術后并發癥的發生率，說明3D打印技術在脊柱外科手術的診斷及治療方面有重大價值。