個體化頸椎椎弓根置釘導(dǎo)航模板的設(shè)計制作及其應(yīng)用觀察

張振輝,王慶德,梅偉,毛克政,朱耀輝,姜文濤,劉沛霖,郭潤棟,陳旭義

(1鄭州市骨科醫(yī)院，鄭州450052；2天津武警后勤學(xué)院附屬醫(yī)院)

個體化頸椎椎弓根置釘導(dǎo)航模板的設(shè)計制作及其應(yīng)用觀察

張振輝1,王慶德1,梅偉1,毛克政1,朱耀輝1,姜文濤1,劉沛霖1,郭潤棟1,陳旭義2

(1鄭州市骨科醫(yī)院，鄭州450052；2天津武警后勤學(xué)院附屬醫(yī)院)

目的 設(shè)計制作個體化頸椎椎弓根置釘導(dǎo)航模板，觀察其輔助頸椎椎弓根螺釘置入的效果。方法 對8具成人尸體標(biāo)本頸椎(C3～C6)進(jìn)行CT掃描獲取數(shù)據(jù)，用MIMICS軟件重建頸椎三維模型，設(shè)計頸椎椎弓根的最佳進(jìn)釘通道。根據(jù)頸椎椎板的表面解剖學(xué)形態(tài)，設(shè)計與頸椎椎板相吻合的反向模板。最后將椎弓根螺釘進(jìn)釘通道和反向模板合成在一起，建立個體化頸椎椎弓根置釘導(dǎo)航模板的數(shù)據(jù)模型并以STL格式保存。用快速成型技術(shù)打印出導(dǎo)航模板實物。將導(dǎo)航模板與尸體椎體的后部結(jié)構(gòu)貼合，輔助置入頸椎椎弓根螺釘，術(shù)后X線及CT檢查評價椎弓根螺釘位置。結(jié)果 共制作出個體化頸椎椎弓根置釘導(dǎo)航模板32個，充分暴露尸體椎體后部骨性結(jié)構(gòu)，模板能夠和椎體后部結(jié)構(gòu)很好地貼合在一起。在無透視情況下置釘64枚。置釘過程中導(dǎo)航模板穩(wěn)定性高，置釘順利。術(shù)后X線和CT檢查結(jié)果顯示62枚螺釘完全在椎弓根內(nèi)，1枚螺釘穿破椎弓根內(nèi)側(cè)壁，1枚螺釘穿破椎弓根外側(cè)壁。結(jié)論 成功設(shè)計制作了個體化頸椎椎弓根置釘導(dǎo)航模板，用其輔助頸椎椎弓根螺釘置入效果滿意。

頸椎；椎弓根螺釘植入術(shù)；導(dǎo)航模板

頸椎椎弓根螺釘置入內(nèi)固定技術(shù)符合脊柱三柱固定原理，提供了較傳統(tǒng)固定方法更為可靠的生物力學(xué)穩(wěn)定性，對脊柱活動度影響較小[1, 2]。但由于頸椎解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，椎弓根細(xì)小且個體變異性大，增大了椎弓根螺釘?shù)闹萌氲碾y度[3～5]。因此，如何提高頸椎椎弓根螺釘置入的準(zhǔn)確性一直都是研究熱點[6]。目前對于椎弓根螺釘置入技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚未達(dá)成共識[7]。2014年1月～2015年12月，我們綜合利用影像學(xué)、計算機三維重建、逆向工程原理以及快速成型技術(shù)設(shè)計制作了一種新型個體化頸椎椎弓根置釘導(dǎo)航模板，并用其輔助尸體頸椎椎弓根螺釘置入，效果滿意?，F(xiàn)報告如下。

1 材料與方法

1.1 材料 10%甲醛浸泡的成年尸體標(biāo)本8具，由鄭州市衛(wèi)生學(xué)校解剖教研室提供。標(biāo)本包括完整的C3～C7骨性結(jié)構(gòu)及頸旁肌肉、韌帶等軟組織。所有標(biāo)本均通過X線及CT檢查，排除骨折、結(jié)核、腫瘤、嚴(yán)重畸形以及椎弓根特別細(xì)小等可能會影響實驗結(jié)果的因素。

1.2 個體化頸椎椎弓根置釘導(dǎo)航模板的設(shè)計和制作方法 對8具尸體標(biāo)本頸椎行64排螺旋CT掃描(層厚0.65 mm，電流220 mA，電壓120 kV)，數(shù)據(jù)以DICOM格式保存，導(dǎo)入三維重建軟件MIMICS10．01件(比利時Materialise公司)進(jìn)行頸椎三維模型重建。在MIMICS軟件中，首先運用閾值選取技術(shù)根據(jù)骨組織密度范圍選定頸椎骨性結(jié)構(gòu)，得出該組織的閾值范圍，接受這一范圍并獲得頸椎的原始蒙罩。然后運用三維區(qū)域增長技術(shù)選取欲重建的頸椎區(qū)域，對原始蒙罩進(jìn)行處理，得到新蒙罩。隨后在三維實體(3D Object)欄導(dǎo)入新蒙罩并加以運算，便獲得所選取實體結(jié)構(gòu)區(qū)域的三維重建模型。將三維重建模型透明化，參考 Resnick頸椎椎弓根螺釘置入法標(biāo)記出椎弓根軸線。軸線確定后，用直徑3.5 mm的圓柱體代替椎弓根螺釘，通過軟件設(shè)計椎弓根的最佳進(jìn)釘通道，分別在矢狀面、冠狀面和軸面觀察圓柱體通過椎弓根的位置。提取C3～C6椎體后方對應(yīng)骨性表面解剖數(shù)據(jù)，建立與其解剖形態(tài)一致的反向模板；最后將設(shè)計的椎弓根螺釘進(jìn)釘通道和反向模板合成在一起，形成帶有雙側(cè)定位定向孔的單椎體個體化導(dǎo)航模板，以STL格式保存。將STL格式保存的頸椎三維模型及導(dǎo)向模板文件導(dǎo)入三維打印機，采用快速成型技術(shù)和丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物(ABS)樹脂材料制作出椎弓根螺釘個體化導(dǎo)航模板。

1.3 個體化頸椎椎弓根置釘導(dǎo)航模板應(yīng)用效果觀察方法 尸體頸椎后正中入路，充分顯露后方結(jié)構(gòu)至雙側(cè)小關(guān)節(jié)突外側(cè)緣。將導(dǎo)航模板和尸椎椎體的后部緊密貼合，助手將其固定，用電鉆沿著導(dǎo)向孔鉆出進(jìn)釘通道，用探針對置釘通道四壁及底部進(jìn)行探查，確定釘?shù)罌]有偏離椎弓根后進(jìn)行置釘。攻絲后緩慢擰入相應(yīng)長度和直徑的螺釘。 術(shù)后行頸椎正側(cè)位X線片及CT檢查，評估椎弓根螺釘置入的精確性。

2 結(jié)果

根據(jù)尸體標(biāo)本頸椎CT掃描DICOM格式數(shù)據(jù)重建頸椎三維模型。將三維重建模型透明化，通過軟件設(shè)計椎弓根的最佳進(jìn)釘通道，并觀察進(jìn)釘通道的位置。根據(jù)椎體后方骨性結(jié)構(gòu)設(shè)計與其貼合的反向模板。將帶有導(dǎo)向孔的反向模板與椎體表面相結(jié)合。共制作出個體化頸椎椎弓根置釘導(dǎo)航模板32個，充分暴露椎體后部骨性結(jié)構(gòu)，模板能夠和椎體后部結(jié)構(gòu)很好地貼合在一起。在無透視情況下置釘64枚。置釘過程中導(dǎo)航模板穩(wěn)定性高，置釘順利。術(shù)后X線和CT檢查結(jié)果顯示62枚螺釘完全在椎弓根內(nèi)，1枚螺釘穿破椎弓根內(nèi)側(cè)壁，1枚螺釘穿破椎弓根外側(cè)壁。

3 討論

頸椎椎弓根螺釘內(nèi)固定有著抗拔出力強、螺釘穩(wěn)定性好等優(yōu)點，廣泛用于治療頸椎骨折、腫瘤、畸形、后縱韌帶骨化等[8]。目前國內(nèi)外頸椎椎弓根螺釘植入的方法主要有四種：解剖定位法、椎板開窗椎弓根探查法、計算機導(dǎo)航定位法、導(dǎo)航模板法等[9]。解剖定位法主要是依靠術(shù)者的經(jīng)驗及手感來保證椎弓根螺釘?shù)臏?zhǔn)確置入，有一定的盲目性，對術(shù)者要求高且術(shù)后并發(fā)癥較多[10～15]。通過部分椎板切除行椎弓根螺釘置入一定程度上降低了螺釘誤置率，但椎板開窗有誤傷脊髓的可能，增加手術(shù)時間及術(shù)中出血量[16]。計算機輔助導(dǎo)航法使術(shù)者在直視下評估螺釘進(jìn)釘點及方向，大大提高了置釘安全性和準(zhǔn)確率，降低了神經(jīng)、血管損傷的風(fēng)險[5, 17～19]。但考慮目前的導(dǎo)航設(shè)備價格昂貴、操作步驟繁瑣、手術(shù)時間長、消毒不便等缺點，尚難以在國內(nèi)廣泛推廣。

數(shù)字化骨科是數(shù)字醫(yī)學(xué)在骨科領(lǐng)域中的具體應(yīng)用。通過計算機三維圖像處理軟件讀取醫(yī)學(xué)影像設(shè)備輸出的計算機斷層掃描圖像，并對骨骼數(shù)字圖像進(jìn)行切割、拼接、測量、分析，規(guī)劃術(shù)前方案，模擬手術(shù)過程，評估術(shù)后結(jié)果，在骨科領(lǐng)域中尤其在復(fù)雜骨科疾患的臨床應(yīng)用中具有廣闊的發(fā)展前景，將成為未來骨科技術(shù)發(fā)展的主要趨勢[20]。本研究中筆者綜合利用影像學(xué)、計算機三維重建、逆向工程原理以及快速成型技術(shù)設(shè)計制作了個體化頸椎椎弓根置釘導(dǎo)航模板，并用其輔助尸體頸椎椎弓根螺釘置入，效果滿意。逆向工程原理是利用影像設(shè)備(CT、MRI等)對實物體進(jìn)行掃描和測量，通過計算機加工處理重現(xiàn)三維實體造型的過程?？焖俪尚图夹g(shù)是一種集計算機處理、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)及材料學(xué)等多學(xué)科交叉的新興成形技術(shù)。運用粉末狀金屬或樹脂等可黏合材料，按照逆向工程所構(gòu)建的數(shù)字模型逐層打印實物標(biāo)本。

本研究所涉及導(dǎo)航模板有以下優(yōu)點：①便于消毒，導(dǎo)航模板在低溫等離子條件下即可完成消毒；操作方便，術(shù)者只需要將導(dǎo)航模板緊密貼合于相應(yīng)解剖位置上，即可完成椎弓根螺釘?shù)臏?zhǔn)確定位及定向。②置釘準(zhǔn)確率及安全性高。合理的術(shù)前規(guī)劃使得對每個椎弓根都準(zhǔn)確定位、定向以及所置入螺釘直徑、長度的恰當(dāng)選擇。③導(dǎo)航模板為單椎體雙側(cè)定位導(dǎo)向孔設(shè)計。模板大小未超過單個椎體范圍，不會因為相鄰椎體間的相對移動而導(dǎo)致定位失敗，術(shù)中可以任意改變患者的體位。④相比計算機導(dǎo)航技術(shù)，無需人工注冊等繁瑣操作。

用個體化頸椎椎弓根置釘導(dǎo)航模板輔助行頸椎椎弓根置釘目前也存在一些亟待解決的問題，比如術(shù)前規(guī)劃、導(dǎo)航模板設(shè)計和制作時間較長，手術(shù)人員同時需要熟練掌握相關(guān)計算機軟件等[5]。以下幾個因素可能會影響到模板輔助置釘?shù)臏?zhǔn)確性，應(yīng)引起足夠重視。①導(dǎo)航模板設(shè)計的穩(wěn)定性：考慮相鄰頸椎間有相對活動度，設(shè)計導(dǎo)航模板時不應(yīng)超過單個椎體范圍。導(dǎo)航模板的過大或過小都會影響進(jìn)釘通道的準(zhǔn)確性。本研究所設(shè)計制造出的個體化導(dǎo)航模板均為單椎體雙側(cè)定位導(dǎo)向孔，增加模板應(yīng)用時的穩(wěn)定性，術(shù)中可以根據(jù)需要改變患者的體位。②導(dǎo)航模板制作的精確性：導(dǎo)航模板制作過程中有幾個環(huán)節(jié)可能影響其精確性：如頸椎三維模型建立過程中CT掃描的層厚、層間距及骨結(jié)構(gòu)輪廓勾勒等；快速成型過程中STL格式轉(zhuǎn)化的精度；快速成型材料選擇不當(dāng)導(dǎo)致模板的變形等。有研究表明，快速成型模型和對應(yīng)實物之間的誤差范圍在0～1 mm。因此，模板在對椎弓根的定位定向上可能會出現(xiàn)輕微的偏差。術(shù)者必須在導(dǎo)航模板操作基礎(chǔ)上，應(yīng)用探針對置釘通道四壁及底部進(jìn)行探查，確定釘?shù)罌]有偏離椎弓根后方可置釘。置釘完成后常規(guī)透視以證實螺釘?shù)奈恢檬欠裾_，確保手術(shù)安全。③導(dǎo)航模板的貼合性：導(dǎo)航模板和相應(yīng)頸椎骨性結(jié)構(gòu)是否能很好地貼附吻合，是手術(shù)準(zhǔn)確定位定向、置釘成敗的關(guān)鍵所在。故術(shù)中必須將相應(yīng)的頸椎棘突、椎板、側(cè)塊背側(cè)等軟組織剔除干凈，同時避免破壞頸椎后部的骨性解剖結(jié)構(gòu)，使模板能夠緊密貼合于骨性結(jié)構(gòu)，從而提高進(jìn)釘通道的準(zhǔn)確度。④手術(shù)操作的穩(wěn)定性：由于手動鉆頭容易產(chǎn)生晃動，導(dǎo)致模板的移動。因此在置釘通道準(zhǔn)備時，最好采用電鉆，使得進(jìn)釘通道順著定位導(dǎo)向孔方向。否則有可能會引起定位、定向的偏差，影響螺釘置入的準(zhǔn)確性。

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國家自然基金青年項目(11102235)；鄭州市普通科技攻關(guān)項目(141PPTGG327)。

王慶德(E-mail: 15093483697@163.com)

10.3969/j.issn.1002-266X.2016.47.024

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1002-266X(2016)47-0078-03

2016-07-22)