3D打印個性化異形解剖導向鋼板輔助經口前路寰樞椎置釘的數字化研究

鄭 軼，張嘉鍇，吳君龍，袁欣華

1.中國科學院大學寧波華美醫院骨科，寧波 315010

2.中國科學院大學寧波生命與健康產業研究院，寧波 315010

寰樞椎脫位通常由創傷、感染、腫瘤及先天性發育畸形等引起。對于顱頸交界區畸形及其他疾病引起的寰樞椎脫位常需減壓內固定。目前主流的手術方法仍為后路寰樞椎減壓融合內固定術。但是，后路減壓融合手術失敗需要翻修的寰樞椎脫位，顱脊段脊髓的壓迫主要來自前方，寰樞椎后部先天性結構缺失，常需行經口入路減壓植骨內固定［1-3］。經口入路具有入路直接、解剖層次簡單、不直接牽拉延髓、直接解除脊髓腹側壓迫等優點，但同時也存在以下局限性。①逆向寰樞椎螺釘置入依靠術者經驗；②前路寰樞椎鋼板切跡較高，為非解剖型鋼板，置釘區域受限；③寰樞椎后方即為延髓，外側為椎動脈，置入螺釘可能造成脊髓血腫，甚至呼吸抑制等嚴重并發癥［4-6］。為了彌補前路寰樞椎鋼板的不足，寰樞椎個性化異形解剖導向鋼板的數字化研究具有重要意義。本研究探討3D打印個性化異形解剖導向鋼板輔助經口前路寰樞椎置釘的可行性，旨在為寰樞椎脫位的治療提供一種更為精確的新方法。

1 資料與方法

1.1 寰樞椎3D數字模型的建立

選取2018年6月—2020年12月中國科學院大學寧波華美醫院收治的5例難復性寰樞椎脫位（脫位經大質量牽引不可復位）患者的影像學資料，其中男3例、女2例，年齡42 ～ 55（49.0±5.8）歲。采用64排螺旋CT以層厚1.0 mm對所有患者寰樞椎進行掃描，將原始CT圖像數據以DICOM格式導入Mimics 15.01軟件，利用Threshold工具選取骨組織密度、Calculate 3D工具重建寰樞椎3D模型（圖1a、b）。

1.2 螺釘最佳釘道的設計及相關參數的測量

在Mimics 15.01軟件中利用Toggle transparency工具調整模型的透明度，利用模擬復位功能進行難復性寰樞椎脫位的復位，全面觀察椎動脈走行。在透明化處理的重建圖像中標記寰樞椎的軸線，以該軸線的垂直平面對寰樞椎進行切割，使之處于寰樞椎正中。利用Measurements測量工具測量經口前路寰椎側塊軸線長度、樞椎椎弓根長度、寰樞椎釘道長度及傾斜角度。根據以上測量結果選擇直徑為3.5 mm，長度合適的虛擬螺釘按照軸線置入寰樞椎。利用NX12.0軟件將寰樞椎模型的曲面抽殼2.4 mm作為鋼板厚度，根據Mimics 15.01軟件所設計的最佳釘道設計異形解剖鋼板，異形鋼板四角可設定位孔，定位孔的直徑為1.0 mm，根據傾斜角度決定鎖定導向孔的螺紋方向，螺紋的螺距為0.5 mm，并設計4.0 cm長度的鎖定導向管便于置釘，其中導向管的螺紋與鎖定導向孔的螺紋相契合，通過布爾運算完成對鋼板的切孔操作（圖1c、d）。按照測量的最佳進釘點位置及外傾角、尾傾角，將異形鋼板貼附于寰樞椎表面，虛擬螺釘置入寰椎側塊和樞椎椎弓根。置入后將3D數字圖像多方位、多層面切割，觀察虛擬螺釘是否穿破寰椎側塊和樞椎內側壁進入椎管或橫突孔。然后通過微調螺釘至最佳位置，測量最佳釘道參數（圖1e、f）。

圖1 寰樞椎模型數字化處理Fig. 1 Digitization of atlantoaxial model

1.3 3D打印模型及個性化異形解剖導向鋼板制作

將復位后的寰樞椎數據轉化為stl格式導入3D打印機，打印1∶1寰樞椎模型（圖2a）。將NX 12.0軟件設計的異形解剖導向鋼板數據導入3D金屬打印機中進行打?。▓D2b、c），并在實體模型上進行貼合實驗，觀察鋼板貼合度并觀察螺釘是否穿破寰椎側塊和樞椎椎弓根內側壁，以分析評價螺釘置入的安全性和準確性（圖2d ～ f），并采用X線和CT檢查進行驗證。

圖2 寰樞椎異形解剖導向鋼板實體貼合實驗Fig. 2 Physical fitting experiment of atlantoaxial special-shaped anatomical guide plate system

1.4 評價指標

記錄3D模型的打印時間、釘道設計時間及異形解剖導向鋼板制作時間。記錄導向鋼板的釘道方向、角度及長度，并與基于CT 3D重建數據設計的虛擬釘道進行對比，評估螺釘位置的準確性。

1.5 統計學處理

采用SPSS 19.0軟件對數據進行統計分析。符合正態分布的計量資料以±s描述，正態分布且方差齊的計量資料組間均數比較采用獨立樣本t檢驗；以P＜ 0.05為差異有統計學意義。

2 結 果

寰樞椎3D模型打印時間、釘道設計時間及異形解剖導向鋼板制作時間分別為（210.0±10.3）min、（15.0±2.7）min、（1 440.0±25.3）min，總費用平均約為4 000元。3D打印寰樞椎個性化異形解剖導向鋼板與模型貼合良好，X線和CT檢查證實寰樞椎螺釘位于骨性釘道內（圖3）。逆向寰樞椎椎弓根螺釘釘道方向、角度及長度與基于CT 3D重建數據設計的虛擬釘道一致（表1）。

圖3 螺釘位置驗證Fig. 3 Screw position verification

表1 虛擬及異形解剖導向鋼板釘道參數Tab. 1 Screw path parameters of virtual and special-shaped anatomical guide plate N=5，±s

表1 虛擬及異形解剖導向鋼板釘道參數Tab. 1 Screw path parameters of virtual and special-shaped anatomical guide plate N=5，±s

寰椎Atlas樞椎Axis左側釘道長度/mm Length of left screw path/mm組別Group左側釘道外傾角/（°）Camber of left screw path/（°）右側釘道長度/mm Length of right screw path/mm右側釘道外傾角/（°）Camber of right screw path/（°）左側釘道長度/mm Length of left screw path/mm左側釘道外傾角/（°）Camber of left screw path/（°）左側釘道尾傾角/（°）Tail angle of left screw path/（°）右側釘道長度/mm Length of right screw path/mm右側釘道外傾角/（°）Camber of right screw path/（°）右側釘道尾傾角/（°）Tail angle of right screw path/（°）虛擬Virtual 29.5±0.5 9.5±1.2 28.7±0.8 8.7±1.0 26.5±0.8 19.6±1.4 13.9±1.8 26.8±0.7 19.5±1.7 13.8±1.4導向鋼板Guide plate 29.2±0.5 9.2±1.0 29.4±0.6 8.8±1.1 26.7±0.7 19.8±1.3 13.7±1.7 26.5±0.8 19.3±1.8 13.9±1.5

3 討 論

后路寰樞椎減壓融合術是治療寰樞椎脫位的標準方案，具有入路簡單、固定牢固的優點［7-8］，不足之處在于間接減壓對寰樞椎畸形或后方結構醫源性損傷的寰樞椎脫位無法實施固定［9］。而經口前路寰樞椎減壓內固定術可從前方直接減壓、固定，直視下進行復位固定操作。有研究［10-11］顯示，經口前路寰樞椎內固定和傳統后路寰樞椎內固定的生物力學相比，差異無統計學意義。但寰樞椎周圍解剖結構復雜，椎動脈在樞椎橫突孔和寰椎上方走行，置釘失誤易傷及鄰近重要血管及神經，限制了經口前路鋼板-螺釘內固定系統的推廣應用［12-13］。目前，國內外關于經口前路逆向寰樞椎螺釘最佳置釘方案尚無統一規范，由于寰樞椎形態變異較大，解剖學測量數據在寰樞椎置釘臨床實際操作時只能作為參考，形態結構的大體觀測難以適應不同個體寰樞椎內固定所經通道的變化特點。本研究組前期通過解剖學和螺旋CT掃描對于逆向寰樞椎椎弓根螺釘的進釘點和安全通道進行了形態學研究［14］，發現經口入路置入直徑為3.5 mm的C2椎弓根螺釘安全可行。也有文獻［15］報道，3D影像導航可為手術過程提供實時圖像，降低置釘難度及并發癥發生率，但費用較高，目前難以大范圍推廣應用。目前，臨床上常用的經口前路寰樞椎鋼板系統為經口前路寰樞椎復位鋼板（TARP）［16］。本研究設計的個性化異形解剖導向鋼板與傳統TARP均為一體化經口前路寰樞椎鋼板，TARP的不足之處在于寰樞椎螺釘的置入依賴術者的經驗和手感，鋼板貼合度欠佳，學習曲線陡峭；而本研究設計的個性化異形解剖導向鋼板通過術前模擬復位設計螺釘的導向孔，可實現螺釘的精確置入，減少神經、血管損傷等風險；同時，個性化異形解剖導向鋼板的設計克服了貼合性不佳的問題。

3D打印、逆向工程技術輔助經口前路寰樞椎個性化異形解剖導向鋼板的適應證主要包括后路減壓融合手術失敗需要翻修的寰樞椎脫位、寰樞椎后方先天性結構缺失、醫源性寰樞椎后部結構切除及顱脊段脊髓壓迫主要來自前方的患者。禁忌證包括寰樞椎病理性骨折、腫瘤等椎體破壞塌陷無法進行經口前路手術者，嚴重肺部感染者及其他原因不能耐受手術者。本研究組研制的經口前路寰樞椎個性化異形解剖導向鋼板由于個性化設計難以批量生產，且制作成本較高，從設計制作到臨床應用需要2 ～ 3 d，不適用于急性寰樞椎脫位的診治，存在一定的時間滯后性，尚有待改進。

綜上，本研究基于3D打印、逆向工程技術進行經口前路寰樞椎個性化異形解剖導向鋼板的數字化研究，建立個性化寰樞椎3D模型并設計貼合度良好的帶導向孔的個性化異形解剖導向鋼板，研究個性化逆向寰椎側塊、樞椎椎弓根螺釘的進釘點及螺釘置入的理想角度和長度，通過控制導向螺紋的方法控制螺釘的外傾角和尾傾角，經影像學證實該系統具有可行性，且安全、準確，為寰樞椎脫位的治療提供了一種精確的新方法。