個性化定制金屬置釘導(dǎo)板在低齡兒童上頸椎手術(shù)的初步應(yīng)用

張東升，王建華，王 迪，李洪吉，楊永強，鄭永強，廖穗祥，王藝錳，張自勉

臨床研究

個性化定制金屬置釘導(dǎo)板在低齡兒童上頸椎手術(shù)的初步應(yīng)用

張東升，王建華，王 迪，李洪吉，楊永強，鄭永強，廖穗祥，王藝錳，張自勉

目的利用金屬3D打印技術(shù)制作個性化樞椎椎弓根置釘導(dǎo)板，探討其在低齡兒童上頸椎手術(shù)中的應(yīng)用價值。方法選擇1例游離齒狀突合并寰樞椎脫位3歲患兒，術(shù)前行薄層CT掃描采集頸椎數(shù)據(jù)，將DICOM格式的CT數(shù)據(jù)輸入計算機處理，設(shè)計出個性化置釘導(dǎo)板，采用金屬3D打印技術(shù)制作實體導(dǎo)板并應(yīng)用于臨床手術(shù)。結(jié)果成功制作出與靶椎體高度匹配的金屬置釘導(dǎo)板，并將其用于游離齒突合并寰樞椎脫位低齡患兒術(shù)中輔助置釘操作。術(shù)后內(nèi)固定在位良好，寰樞椎脫位復(fù)位滿意，隨訪6個月無復(fù)發(fā)脫位，植骨已融合。結(jié)論利用3D金屬打印技術(shù)定制的手術(shù)導(dǎo)板具有良好的精度及機械性能，對輔助合并顱頸交界畸形的低齡兒童上頸椎螺釘置入手術(shù)具有一定的應(yīng)用價值。

兒童；上頸椎；寰樞關(guān)節(jié)；脫位；椎弓根螺釘；圖像處理，計算機輔助；3D打??；金屬導(dǎo)板

隨著現(xiàn)代外科診療技術(shù)的發(fā)展，上頸椎后路釘-棒固定技術(shù)已成為治療兒童上頸椎不穩(wěn)最常用的方法[1-2]。無論是采用后路寰樞椎固定融合術(shù)，還是枕頸固定融合術(shù)，樞椎均為重要的固定單元，因此樞椎椎弓根螺釘內(nèi)固定技術(shù)在兒童上頸椎手術(shù)中的應(yīng)用價值逐漸受到重視。然而兒童，尤其是低齡患兒，骨骼結(jié)構(gòu)細(xì)小，變異較多，采用樞椎椎弓根內(nèi)固定手術(shù)存在較大的難度和風(fēng)險[3]。我們基于計算機輔助設(shè)計及3D金屬打印技術(shù)設(shè)計制作個性化金屬置釘導(dǎo)板，在其輔助下成功治療1例游離齒突并寰樞椎脫位低齡患兒，術(shù)程順利，術(shù)后近期效果良好，現(xiàn)報道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

患兒男，3歲，因“頸部歪斜伴枕頸部疼痛20 d”入院，無外傷史，體格檢查未見感覺異常，四肢肌力、肌張力正常，病理征陰性。X線片示患兒寰樞椎脫位，CT掃描示患兒樞椎齒突游離致寰樞椎失穩(wěn)并向前脫位（圖1）。入院全面檢查評估后對患兒實施后路枕頸植骨融合內(nèi)固定手術(shù)。

1.2 樞椎椎弓根置釘導(dǎo)板制作

術(shù)前行頸椎64排CT薄層掃描（SIEMENS公司，德國），掃描層厚0.75 mm。將DICOM格式的CT數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 16.0軟件（Materialise公司，比利時），提取樞椎模型，保存為STL（binary）格式，然后導(dǎo)入Geomagic Studio軟件（Raindrop Geomagic公司，美國），去除樞椎模型內(nèi)部噪點并通過參數(shù)曲面等指令獲得三維實體，保存為STEP AP203格式。再將上述數(shù)據(jù)導(dǎo)入SolidWorks軟件（Dassault Systemes公司，法國），在樞椎模型上規(guī)劃椎弓根釘?shù)淖罴厌數(shù)溃òㄟM(jìn)釘點和進(jìn)釘角度），以避免螺釘穿出椎弓根皮質(zhì)，損傷周圍血管、神經(jīng)。根據(jù)所得的進(jìn)釘點在樞椎椎板及棘突上選取相應(yīng)區(qū)域，作為導(dǎo)板與骨組織之間的貼合面，向外加厚得到與貼合面解剖形狀一致的反向模板（圖2A）。最后按上述最佳釘?shù)郎芍冕攲?dǎo)管，并將其與模板擬合為一體。為了在置釘過程中穩(wěn)定手術(shù)導(dǎo)板，同時不遮擋術(shù)野，于導(dǎo)板中間位置添加供醫(yī)生夾持的長手柄，設(shè)計完成后的手術(shù)導(dǎo)板如圖2B所示。將設(shè)計好的手術(shù)導(dǎo)板模型導(dǎo)出為STL文件，加工后數(shù)據(jù)輸入DiMetal-100金屬3D打印設(shè)備（華南理工大學(xué)研發(fā)）中打印，制作出實體導(dǎo)板（圖3）。

圖1 術(shù)前X線片及CT檢查顯示患兒樞椎齒突游離并寰樞椎脫位

實體導(dǎo)板采用醫(yī)用鈷鉻鉬合金材料，硬度及生物相容性良好，由基底板、置釘導(dǎo)向管和手柄3部分組成?；装迤ヅ渥蛋迳习氩糠郑野桓勘硞?cè)，厚度為1 mm；雙側(cè)導(dǎo)向管的設(shè)計與2.5 mm開路鉆頭相匹配，內(nèi)徑2.7 mm，壁厚0.11 mm，長度10 mm；手柄長20 mm，末端呈圓盤狀，使用時食指與中指夾著長柱，拇指按住圓盤。1.3術(shù)前模擬手術(shù)

將樞椎模型通過FDM uPrintSE Plus打印機（Stratasys公司，美國）用樹脂材料打印出來（圖4），進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃。通過在3D模型上進(jìn)行模擬手術(shù)，直接觀察金屬手術(shù)導(dǎo)板的精確性（圖5）。

圖2 導(dǎo)板設(shè)計關(guān)鍵步驟 2A最佳釘?shù)酪约皩?dǎo)板貼合面的建立 2B導(dǎo)板模型示意圖圖3 3D打印金屬置釘導(dǎo)板實物圖 圖4 3D打印樞椎模型實物圖 圖5術(shù)前通過模擬手術(shù)檢驗導(dǎo)板精度

1.4 手術(shù)方法

采用氣管插管全身麻醉，患兒俯臥位，行顱骨牽引（重量3 kg，圖6A）。取后正中切口，起于枕骨隆突下方、止于C3棘突，切口長約8 cm。切開皮膚、皮下組織后，用電刀剝離椎旁肌肉，充分顯露枕骨后方骨板、寰椎后弓及樞椎椎板和棘突。將已消毒的金屬置釘導(dǎo)板與樞椎后方結(jié)構(gòu)緊密貼合，保證導(dǎo)板與樞椎后方結(jié)構(gòu)相吻合。以直徑2.5 mm手鉆沿導(dǎo)向管方向開孔（圖6B），建立樞椎椎弓根釘?shù)?，探查見釘?shù)栏鞅谕暾敢曃恢昧己?，置入雙側(cè)樞椎椎弓根螺釘。采用磨鉆磨平枕后骨面，選取合適大小枕骨鋼板置于枕后，依次鉆孔、攻絲、測深，置入3枚合適長度的枕骨板螺釘，然后取2枚鈦棒，塑形后與樞椎椎弓根螺釘尾部連接預(yù)緊，通過下壓樞椎棘突、上抬頭部的方法進(jìn)行復(fù)位，最后擰緊螺帽完成固定（圖6C），再次透視確認(rèn)內(nèi)固定位置良好。采用高速磨鉆打磨寰椎后弓及樞椎椎板和棘突，取患兒左側(cè)第12肋骨及部分髂骨填充植骨。仔細(xì)沖洗切口后，放置引流管，逐層關(guān)閉切口。

1.5 術(shù)后處理及臨床觀察

常規(guī)使用抗生素預(yù)防感染，術(shù)后2 d拔除引流管，3 d佩戴頸圍下地活動，3個月后拆除頸圍。觀察患兒術(shù)后寰樞椎脫位復(fù)位及內(nèi)固定在位情況，隨訪期間觀察骨融合情況。

2 結(jié)果

2.1 模擬手術(shù)結(jié)果

術(shù)前在樹脂模型上進(jìn)行模擬手術(shù)以驗證金屬手術(shù)導(dǎo)板的精確性，結(jié)果顯示，導(dǎo)板與樞椎模型匹配效果良好，整個曲面貼合處無間隙（圖5），穩(wěn)定性好，能滿足其作為手術(shù)導(dǎo)板的要求。

2.2 臨床效果

導(dǎo)板輔助置釘過程順利，手術(shù)時間150 min，術(shù)中出血量200 mL，術(shù)中未出現(xiàn)脊髓神經(jīng)損傷、腦脊液漏、椎動脈損傷并發(fā)癥。術(shù)后1周復(fù)查X線片及CT，提示寰樞椎脫位復(fù)位滿意，內(nèi)固定位置良好，樞椎雙側(cè)椎弓根釘均未穿出椎弓根皮質(zhì)（圖6D，6E）。術(shù)后6個月CT掃描示植骨已融合，無復(fù)發(fā)脫位（圖6F）。

3 討論

兒童枕頸交界畸形常引起寰樞椎失穩(wěn)或脫位，常用手術(shù)方式包括后路寰樞椎固定融合、枕頸固定融合等[1,4]。由于兒童發(fā)育尚未成熟，骨骼結(jié)構(gòu)細(xì)小，可能存在發(fā)育畸形、椎動脈孔位置變異等問題，置釘過程中損傷脊髓、椎動脈的風(fēng)險較成人更高[5-6]；此外，低齡患兒寰樞椎手術(shù)可調(diào)整空間小，如果首次進(jìn)釘偏差較大，再作調(diào)整時很可能導(dǎo)致置釘失敗。因此，提高椎弓根螺釘置入的準(zhǔn)確性，保證手術(shù)的安全性，對提高兒童上頸椎手術(shù)的臨床療效具有非常重要的意義。

采用計算機輔助定制手術(shù)導(dǎo)板是近年來發(fā)展起來的一種較為簡便實用的個性化手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)。首先通過CT或MRI獲取原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過軟件處理后建立與患者骨組織相同的三維數(shù)字模型并提取目標(biāo)骨組織的表面解剖形狀，然后在軟件中設(shè)計出與其互補的帶有最佳進(jìn)釘通道的反向模板，最終將數(shù)據(jù)輸入3D打印機，制作出具有定位導(dǎo)向孔的模板實物。近年來，已有不少學(xué)者通過計算機輔助設(shè)計和3D打印技術(shù)研制出一些專門用于脊柱椎弓根螺釘置釘?shù)膶?dǎo)向模板，體外實驗和臨床研究結(jié)果均表明導(dǎo)板輔助置釘成功率較高[7-11]。Kaneyama等[7]將導(dǎo)航模板技術(shù)應(yīng)用于23例臨床頸椎病例，輔助置入48枚C2螺釘，其中47枚螺釘完全在骨皮質(zhì)內(nèi)，置釘準(zhǔn)確率達(dá)97.9%，顯著降低了手術(shù)時間及電離輻射劑量；Hu等[10]采用導(dǎo)航模板輔助置釘手術(shù)治療151例胸椎疾病患者，共置入582枚椎弓根螺釘，術(shù)后CT掃描顯示其中559枚準(zhǔn)確置入相應(yīng)椎弓根內(nèi)，置釘準(zhǔn)確率達(dá)96.1%。國內(nèi)相關(guān)報道亦表明，導(dǎo)向模板輔助置入脊柱椎弓根螺釘手術(shù)符合個性化原則，操作簡單，易于掌握，顯著提高了脊柱外科手術(shù)的準(zhǔn)確性和安全性[12-14]。

早期以樹脂等非金屬材料為主的置釘輔助導(dǎo)板具有制作速度快、成本低的特點，但存在以下缺陷：①打印精度差：樹脂材料脆性較大，設(shè)計導(dǎo)板時必須保證一定的厚度（2.5～3.0 mm）才能維持其硬度以避免損壞或變形[9-11]，因此制作出來的導(dǎo)板結(jié)構(gòu)粗大，形狀不便使用，導(dǎo)板與骨組織的貼合度欠佳，導(dǎo)管與金屬鉆頭之間的間隙較大，導(dǎo)航存在一定偏差。②不能進(jìn)行常規(guī)高溫消毒：樹脂材料不耐高溫，術(shù)前需要復(fù)雜的消毒處理，不便于臨床使用。③需助手用手把持貼合：一方面可能引起導(dǎo)板移位，造成釘?shù)榔?；另一方面容易遮擋視野。④毒性問題：光敏樹脂材料具有細(xì)胞毒性[15]，雖然最終導(dǎo)板不需植入體內(nèi)，但在使用過程中因鉆頭、螺釘?shù)饶Σ磷饔每赡軐?dǎo)致碎屑脫落殘留術(shù)區(qū)，對人體造成有害影響。

圖6 個性化金屬置釘導(dǎo)板治療游離齒突并寰樞椎脫位患兒術(shù)中及術(shù)后圖片 6A顱骨牽引 6B將導(dǎo)板與樞椎后方結(jié)構(gòu)緊密貼合后，術(shù)者持手鉆在導(dǎo)板引導(dǎo)下開孔 6C后路復(fù)位、枕頸固定和植骨融合手術(shù) 6D，6E術(shù)后1周CT和X線片示寰樞椎脫位復(fù)位滿意，內(nèi)固定位置良好 6F術(shù)后6個月CT示植骨已融合，無復(fù)發(fā)脫位

隨著金屬3D打印設(shè)備的發(fā)展，以及打印精度和速度的不斷提高，3D金屬打印技術(shù)在骨科的應(yīng)用范圍愈加廣泛。該技術(shù)制作出的金屬零件硬度、抗拉強度均較高，使導(dǎo)板在避免斷裂、變形的同時厚度更薄，能夠滿足更為精巧的設(shè)計需求[16]；可耐受高壓高溫，術(shù)前可常規(guī)消毒，準(zhǔn)備時間也更短。本研究中，我們采用激光選區(qū)熔化（selective laser melting，SLM）金屬3D打印技術(shù)，直接制造鈷鉻鉬合金材料導(dǎo)板，該合金為醫(yī)學(xué)常用的植入材料，具有良好的生物相容性及耐磨損性[17]，比樹脂更適合作為手術(shù)器械使用。導(dǎo)板厚度1.0 mm，左右導(dǎo)管厚度0.11 mm，其薄壁結(jié)構(gòu)使導(dǎo)板與目標(biāo)骨組織之間的貼附性進(jìn)一步提高，模擬手術(shù)中導(dǎo)板與患者樞椎3D模型能夠完全貼合，整個曲面貼合處沒有間隙，滿足了其作為導(dǎo)航模板引導(dǎo)精確置釘手術(shù)的要求。此外，我們在設(shè)計時加長導(dǎo)板手柄長度，便于術(shù)中將導(dǎo)板固定于椎板之上，防止鉆孔時導(dǎo)板移位，同時也減少了對術(shù)野的遮擋，使用效果更為理想。

個性化金屬手術(shù)導(dǎo)板盡管簡化了置釘操作，但其在手術(shù)操作中起到的是輔助和參考的作用，最終手術(shù)的成功還需建立在手術(shù)醫(yī)師對解剖結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確判斷以及嫻熟的手術(shù)操作之上。在導(dǎo)板的具體使用過程中，需要注意以下問題，以盡可能減少對導(dǎo)板精度的影響：手術(shù)顯露時需將椎板后方軟組織盡量清理干凈，但不可破壞骨性結(jié)構(gòu)，以獲得最理想的匹配效果，保證置釘位置的準(zhǔn)確性；在開孔建立釘?shù)乐?，建議先用磨鉆將進(jìn)釘點的骨皮質(zhì)磨除，使手鉆較易進(jìn)入椎弓根松質(zhì)骨內(nèi)，減少導(dǎo)板移位的可能性。

本研究基于金屬3D打印技術(shù)成功制備個性化樞椎椎弓根輔助置釘導(dǎo)板，經(jīng)初步臨床應(yīng)用證實，可輔助術(shù)者準(zhǔn)確置入椎弓根釘，降低了因患兒解剖結(jié)構(gòu)變異而引起的置釘操作風(fēng)險；相較于傳統(tǒng)樹脂手術(shù)導(dǎo)板，金屬手術(shù)導(dǎo)板具有更好的生物相容性、精度及機械性能，對低齡兒童上頸椎精細(xì)手術(shù)的輔助置釘具有一定的應(yīng)用價值。

[1]Hedequist D.Modern instrumentation of the pediatric occiput and upper cervical spine:review article[J].HSS J,2015,11 (1):9-14.

[2]Helenius I,Crawford H,Sponseller PD,et al.Rigid fixation improves outcomes of spinal fusion for C1-C2 instability in children with skeletal dysplasias[J].J Bone Joint Surg Am, 2015,97(3):232-240.

[3]王建華,夏虹,尹慶水,等.兒童樞椎椎弓根及椎板螺釘內(nèi)固定的解剖學(xué)研究[J].中國骨科臨床與基礎(chǔ)研究雜志,2013,5 (6):331-334.

[4] Menezes AH.Craniocervicalfusionsin children [J].J Neurosurg Pediatr,2012,9(6):573-585.

[5]Geck MJ,Truumees E,Hawthorne D,et al.Feasibility of rigid upper cervical instrumentation in children:tomographic analysis of children aged 2-6[J].J Spinal Disord Tech,2014, 27(3):E110-E117.

[6]Wang J,Xia H,Ying Q,et al.An anatomic consideration of C2 vertebrae artery groove variation for individual screw implantation in axis[J].Eur Spine J,2013,22(7):1547-1552.

[7]Kaneyama S,Sugawara T,Sumi M,et al.A novel screw guiding method with a screw guide template system for posterior C-2 fixation:clinical article[J].J Neurosurg Spine, 2014,21(2):231-238.

[8] Hu Y,Yuan ZS,Kepler CK,et al.Deviation analysis of atlantoaxial pedicle screws assisted by a drill template[J]. Orthopedics,2014,37(5):e420-e427.

[9] Jiang L,Dong L,Tan M,et al.Accuracy assessment of atlantoaxial pedicle screws assisted by a novel drill guide template[J].Arch Orthop Trauma Surg,2016,136(11): 1483-1490.

[10]Hu Y,Yuan Z,Spiker WR,et al.A comparative study on the accuracy of pedicle screw placement assisted by personalized rapid prototyping template between pre-and post-operation in patients with relatively normal mid-upper thoracic spine[J]. Eur Spine J,2016,25(6):1706-1715.

[11]董樂樂,郭鵬年,左強,等.數(shù)字化腰椎椎弓根導(dǎo)航模板的臨床應(yīng)用[J].中國數(shù)字醫(yī)學(xué),2016,11(2):67-70.

[12]王虹,丁煥文,劉寶,等.計算機輔助技術(shù)聯(lián)合3D打印模板在脊柱畸形矯正手術(shù)中的應(yīng)用研究[J].中國臨床解剖學(xué)雜志, 2016,34(4):392-396.

[13]陳玉兵,陸聲,徐永清.個體化導(dǎo)航模板在胸椎椎弓根螺釘置入中的初步臨床應(yīng)用[J].中國脊柱脊髓雜志,2011,21(8): 669-674.

[14]陳宣煌,許衛(wèi)紅,黃文華,等.基于3D打印的腰椎椎弓根螺釘數(shù)字化置入及臨床應(yīng)用[J].中國組織工程研究,2015,19 (17):2752-2757.

[15]Souza PP,Aranha AM,Hebling J,et al.In vitro cytotoxicity and in vivo biocompatibility of contemporary resin-modified glass-ionomer cements[J].Dent Mater,2006,22(9):838-844.

[16]Attar H,Prashanth KG,Chaubey AK,et al.Comparison of wear properties of commercially pure titanium prepared by selective laser melting and casting processes[J].Materials Letters,2015,142:38-41.

[17]宋長輝,楊永強,王赟達(dá),等.CoCrMo合金激光選區(qū)熔化成型工藝及其性能研究[J].中國激光,2014,41(6):52-59.

Preliminary application of individualized metal drill guide template in upper cervical spine surgery for young children

ZHANG Dongsheng*,WANG Jianhua,WANG Di,LI Hongji,YANG Yongqiang,ZHENG Yongqiang,LIAO Suixiang,WANG Yimeng,ZHANG Zimian.*Southern Medical University,Guangzhou,Guangdong 510515,China

WANG Jianhua,E-mail:jianhuawangddrr@163.com

ObjectiveTo develop an individualized C2 pedicle screw drill guide template using 3D metal printing technique,and to investigate its clinical value in upper cervical spine surgery for young children.MethodsFine-cut CT scan of the cervical spine of a 3-year-old child suffered from os odontoideum and atlantoaxial dislocation was performed,CT imaging data stored in DICOM format was imported into a computer workstation to design the individualized drill guide template,finally the template was fabricated by a 3D metal printer and used in clinical operation.ResultsAn individualized metal drill guide template well-matched with thepatient's vertebral body surface was developed successfully,and then was applied in assisting pedicle screw placement for the young child.Postoperative CT scan showed that the patient achieved atlantoaxial reduction,and the screw placement positions were accurate.After 6 months'follow-up,radiography images indicated a solid bony fusion without dislocation recurrence.ConclusionUsing 3D metal printing technique,the authors was able to develope an individualized metal drill guide template for pedicle screw placement with good mechanical property and high accuracy,which has the value of practical application for assisting pedicle screw insertion in upper cervical spine surgery for young children with cranial cervical junction deformity.

Child;Upper cervical spine;Atlanto-axial joint;Dislocations;Pedicle screw;Image processing,computer-assisted;Three-dimensional printing;Metal guide template

R726.87，R687.32

：A

：1674-666X(2017)01-011-06

2016-11-30；

2016-12-17）

（本文編輯：白朝暉）

10.3969/j.issn.1674-666X.2017.01.002

廣東省科技計劃項目（2014A040401060）；廣州市科技計劃項目（1561000281）

510515廣州，南方醫(yī)科大學(xué)（張東升，李洪吉）；510010廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院骨科醫(yī)院脊柱外科（張東升，王建華，李洪吉）；5106401廣州，華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院（王迪，楊永強，王藝錳，張自勉）；362200福建，晉江市醫(yī)院骨一科（鄭永強）；511400廣州，番禺區(qū)中心醫(yī)院脊柱外科（廖穗祥）

王建華，E-mail：jianhuawangddrr@163.com