3D打印定位導航模板輔助置釘在脊柱畸形矯形術中的應用

姜成浩，石 巖，黃永燦，3，于濱生，3*

1.安徽醫科大學北京大學深圳醫院臨床學院，深圳 518036

2.深圳市脊柱外科重點實驗室，北京大學深圳醫院脊柱外科，深圳 518036

3.深圳北京大學香港科技大學醫學中心骨病研究所，深圳 518036

脊柱畸形常伴有脊柱旋轉、形態畸形，如楔形椎、蝴蝶椎、融合椎、棘突扭轉等，增加了矯形術中置釘的難度。透視輔助下徒手置釘是目前脊柱外科中最常用的置釘方法，其安全性和準確性已被證實，但對于畸形脊柱徒手置釘的風險較大，而螺釘的誤置可能引起神經血管損傷、腦脊液漏、椎弓根折斷及氣胸等嚴重并發癥［1-4］。對于傳統徒手置釘技術，無論有無X線引導，準確置釘依賴于術者對解剖結構的熟悉程度和置釘的經驗。有研究［5-8］表明，腰椎徒手置釘時椎弓根皮質穿破率為20.3% ～ 49.0%；胸椎椎弓根更小，螺釘誤置的風險更高［9-10］。為提高置釘準確性，國內外研究者對多種置釘技術進行了探討，包括三維CT術中導航系統、3D打印定位導航模板輔助置釘技術、機器人輔助導航系統、計算機導航輔助置釘技術等［11-13］。本研究通過設計、制作3D打印定位導航模板，探討定位導航模板輔助置釘技術的應用價值及其準確性和安全性。

1 資料和方法

1.1 一般資料

本研究納入2020年4月—2021年4月北京大學深圳醫院采用3D打印定位導航模板（深圳艾科賽龍科技股份有限公司）輔助置釘矯形術治療的9例脊柱畸形患者，其中男2例、女7例，年齡為15 ～ 79歲；診斷為成人特發性脊柱側凸1例，青少年特發性脊柱側凸3例，先天性脊柱側凸1例，退行性脊柱側凸2例，強直性脊柱炎并脊柱后凸2例。

1.2 3D打印導航模板的設計和制作

根據相關專家共識［14］，基于3D打印技術及設計準確性的需要，CT數據需要滿足相應的要求。本研究中，術前對所有患者脊柱畸形節段行螺旋CT薄層掃描及三維成像（雙源，128排，SOMATOM Definition Flash，Siemens，德國），掃描層厚為0.75 mm，采集矩陣為512×512。然后將患者的脊柱CT數據以DICOM格式導出，再導入Mimics軟件進行三維重建。在每個重建椎體模型上設計螺釘的最佳進釘位置和通道，并依此設計出能夠與單個椎體后方骨性結構完全貼合的定位導航模板，通過3D打印機讀取重建后的文件信息并逐層打?。▓D1）。術前對定位導航模板進行清洗、消毒及滅菌（低溫等離子滅菌）處理，常溫、常濕環境下晾干后備用。

圖1 3D打印導航模板的設計和制作Fig. 1 Design and manufacture of 3D printed positioning guide plate

1.3 手術方法

9例患者由同一醫院的不同正高級別醫師實施手術?；颊呷砺樽砗笕「┡P位，C形臂X線機透視定位明確后，術野常規消毒、鋪巾，于脊柱畸形節段做后路切口，逐層切開皮膚、皮下組織及筋膜，充分剝離椎體背側骨性結構表面上的軟組織，保留棘上韌帶，完全顯露背側骨性結構。將單個定位導航模板放置于對應椎板背側及棘突上，按壓定位導航模板背側的橫向結構，并維持定位導航模板與椎體后方緊密貼合（圖2a），確認貼合良好后，沿導向孔使用高速電鉆（鉆頭直徑為2.0 mm）進行釘道準備，然后使用絲攻，對釘道進行擴大和加深（圖2b），之后使用球形探針對釘道壁進行完整性探查（圖2c），確定釘道壁光滑后根據術前確定的螺釘型號進行置釘（圖2d），不再對釘道進行修改，全部置釘結束后再次透視確認螺釘位置。為提高手術的安全性，所有患者術中均使用神經電生理監測系統進行神經功能監測，盡量避免手術操作對神經、脊髓產生損傷。

圖2 手術過程Fig. 2 Operation process

1.4 置釘評價

有文獻［15］報道，聯合應用X線片和薄層CT平掃及三維重建來判斷螺釘位置是目前最佳的方法，靈敏度達98.7%，準確率達90.0%。此外，基于橫斷面CT上2 mm增量的分級系統是被廣泛接受的確定椎弓根螺釘置釘精度的方法［16］。本研究術后對所有患者進行薄層CT平掃及三維掃描，再通過PACS系統進行三維重建，可在冠狀面、矢狀面進行任意切割，觀察螺釘的位置。由2位正高級別脊柱外科醫師（非術者）分別獨立評估置釘準確性，如意見不一致，則由第3位正高級別影像科醫師決定。在CT上采用Mobbs-Raley分級標準［17］對螺釘位置進行評價：0級，螺釘完全位于椎弓根內；1級，螺釘突破椎弓根側壁距離≤2 mm；2級，突破椎弓根側壁距離＞ 2 mm，無相關并發癥發生；3級，突破椎弓根側壁距離＞ 2 mm，并發生相關并發癥。本研究組認為，穿破椎弓根壁距離＜ 2 mm的螺釘都是安全的，且評定為3級的螺釘因發生并發癥需要進行翻修。置釘準確率（%）=0級螺釘數/置釘總數×100%。置釘安全率（%）=（0級螺釘數+1級螺釘數）/置釘總數×100%。

2 結 果

所有手術順利完成，治療一般情況見表1。9例患者共置入螺釘118枚，其中34枚穿破椎弓根皮質（27枚穿破椎弓根內側壁，7枚穿破外側壁），9枚穿破椎體外緣（8枚穿破椎體外側緣，1枚穿破椎體前緣）。0級螺釘75枚，1級螺釘24枚，2級螺釘19枚，置釘準確率為63.6%，置釘安全率為83.9%。所有患者均未發生神經、血管損傷等相關并發癥，無患者行翻修手術。典型病例影像學資料見圖3。

圖3 典型病例影像學資料Fig. 3 Imaging data of a typical case

表1 病例信息Tab. 1 Case information

3 討 論

椎弓根釘棒內固定系統廣泛應用于脊柱外科手術，安全、準確置入螺釘是脊柱外科醫師必須熟練掌握的臨床技能。既往研究［18-19］報道，與徒手置釘相比，定位導航模板輔助置釘具有更高的準確性。但Chen等［20］在一項回顧性對照研究中發現，定位導航模板輔助置釘雖能減少術中透視次數、縮短手術時間，但置釘準確率與徒手置釘相比，差異無統計學意義。3D打印定位導航模板在脊柱外科領域的研究日益增多，本研究旨在初步探討3D打印定位導航模板在脊柱畸形矯形術中應用的可行性，及其輔助置釘的準確性及安全性。

3D打印脊柱模型和定位導航模板是3D打印技術在脊柱外科中的重要應用。3D打印機制作的模型除骨性結構外，還可添加毗鄰血管［21］。本研究中定位導航模板僅用于釘道準備，有研究［22］報道，將逐級擴大型3D打印導航模板用于輔助寰樞椎椎弓根置釘，該系統包括3種作用不同的導航模板，按順序依次使用，輔助置釘，逐級擴大，提高了置釘準確率。此外，3D打印導航模板的材料大多為樹脂類，有研究［23］采用激光融化成形技術制作金屬定位導航模板，術中采用2枚鉚釘將定位導航模板臨時固定在椎板上，無須助手夾持固定。

3D打印定位導航模板的設計需要工程師和臨床醫師反復溝通，不斷調整螺釘進針點、角度和長度，以達到最佳效果。3D打印定位導航模板技術基于椎體的骨性結構，不受解剖變異及椎體退行性變的影響，因此，術中要剔除椎體后方骨性結構上附著的軟組織，充分暴露以確保定位導航模板與椎板緊密貼合，否則有可能導致置釘失?。?8，24］。但是，患者在麻醉前后的畸形程度會存在一定差異，且軟組織難以全部去除，進而導致實際情況與術前規劃可能有所差異，因此，定位導航模板不能作為置釘的絕對標準。

3D打印脊柱模型和定位導航模板具有直觀、方便等優勢，適合臨床教學和低年資醫師的培訓，對于年輕的脊柱外科醫師而言，可以進行術前模擬操作［25］。而徒手置釘技術依賴術者經驗、技巧和專業知識，需要一個較長的學習、實踐過程［26］。醫師還可采用3D打印脊柱模型和定位導航模板與患者及其家屬進行更好地溝通，使患者能更直觀地了解手術方案［27］。

術中使用X線透視的輻射暴露也是脊柱外科醫師需要關注的重要問題之一，尤其對于青少年，輻射更易產生不良后果，包括輻射相關腫瘤等［28］。有研究［20，29］通過比較導航模板置釘和徒手置釘的透視次數發現，導航模板置釘平均透視次數明顯減少，手術時間縮短，減少了患者的輻射暴露。在采用定位導航模板輔助置釘時，螺釘型號、進釘點和角度等都已通過術前規劃和模擬置釘確定，術中無須再進行選擇和判斷，有助于縮短手術時間，提高置釘效率。但吳非燃等［30］的一項對照研究發現，導航模板置釘組和徒手置釘組的置釘時間差異無統計學意義，可能是因為在置釘前導航模板的定位增加了手術時間。需要注意的是，3D打印定位導航模板技術的應用可能會增加醫療成本，尤其對于多節段的脊柱畸形矯形手術，可能會限制其進一步推廣應用。因此，對于無解剖變異的短節段脊柱外科手術，不常規推薦使用此項技術。

本研究的局限性：①納入病例較少，置入螺釘僅118枚，且尚未對患者進行術后隨訪。②未開展病例對照研究，對于3D打印定位導航模板能否明顯提高脊柱畸形矯形手術的置釘準確率并減少術后并發癥的發生，還需進一步探討。綜上，準確置入椎弓根螺釘在脊柱畸形矯形手術中具有一定挑戰性，本研究顯示，3D打印定位導航模板在手術規劃方面具有一定優勢，定位導航模板輔助置釘準確性和安全性較高，具有一定的臨床推廣價值。