計算機輔助設(shè)計聯(lián)合3D打印技術(shù)在胸腰椎骨折椎弓根螺釘置入術(shù)中的應(yīng)用

王雅輝，劉正蓬，褚立，明穎，張義龍，孫志杰，王建華，李哲，孫賀(承德醫(yī)學院附屬醫(yī)院，河北承德 067000； 中國人民解放軍第二六六醫(yī)院)

胸腰椎骨折是指胸腰椎的連續(xù)性遭到破壞，主要致傷誘因為外界暴力、車禍傷、骨質(zhì)疏松等。高能量損傷可導致胸腰椎骨質(zhì)的連續(xù)性及穩(wěn)定性遭到破壞，出現(xiàn)軸向壓縮或者側(cè)方、扭轉(zhuǎn)壓縮，直接導致骨皮質(zhì)斷裂，韌帶和關(guān)節(jié)囊受損，神經(jīng)受刺激，椎間盤被撕裂；嚴重者受損骨質(zhì)可直接損傷機體重要臟器，出現(xiàn)腹腔大出血，如不及時處理，患者病死率極高[1～4]。椎弓根螺釘植入術(shù)是目前治療胸腰椎骨折的主要手段，但手術(shù)復(fù)雜、對手術(shù)操作的準確度要求較高，稍有不慎會導致術(shù)后腦脊液漏、神經(jīng)損傷[5,6]。近年來計算機輔助設(shè)計聯(lián)合3D打印技術(shù)在骨科領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其輔助進行椎弓根螺釘置入手術(shù)有助于制備完善的術(shù)前計劃，提前充分考慮傷椎情況，有利于復(fù)雜精細手術(shù)的進行，術(shù)后并發(fā)癥較低。本研究探討計算機輔助設(shè)計聯(lián)合3D打印技術(shù)在胸腰椎骨折椎弓根螺釘置入術(shù)中的應(yīng)用效果。

1 資料與方法

1.1 臨床資料 選擇承德醫(yī)學院附屬醫(yī)院2015年1～12月收治的胸腰椎骨折患者37例為觀察組，2014年1～12月收治的胸腰椎骨折患者23例為對照組。納入標準：①單純閉合性胸腰椎骨折；②保守治療未見明顯效果；③椎體壓縮超過椎體高度的1/3或脊柱生理彎曲改變；④椎弓根狀況良好，未見骨折；⑤胸腰椎損傷TLIC評分≥3分。排除標準：①伴嚴重骨質(zhì)疏松；②伴脊柱腫瘤；③合并嚴重心腦血管等內(nèi)科疾病；④凝血障礙。觀察組男22例、女15例，年齡19～67(46.9±13.4)歲，病程1～9(4.5±2.6)d；致傷原因：車禍11例，墜落傷12例，暴力損傷8例，其他6例；骨折部位：胸椎骨折5例，腰椎骨折24例，胸腰椎連續(xù)骨折8例；神經(jīng)功能Frankel分級[6]：A級1例、B級2例、C級1例、D級5例、E級28例。對照組男16例、女7例，年齡20～65(44.4±12.5)歲，病程1～14(8.1±4.3)d；致傷原因：車禍10例，墜落傷6例，暴力損傷4例，其他3例；骨折部位：胸椎骨折7例，腰椎骨折14例，胸腰椎連續(xù)骨折2例；神經(jīng)功能Frankel分級：B級1例、C級2例、D級4例、E級16例。兩組性別、年齡等一般資料均具有可比性。本研究通過承德醫(yī)學院附屬醫(yī)院醫(yī)學倫理委員會審核，患者及其家屬均簽署知情同意書。

1.2 手術(shù)方法 觀察組行計算機輔助設(shè)計聯(lián)合3D打印技術(shù)輔助椎弓根螺釘置入術(shù)。術(shù)前計劃：對傷椎及上、下臨近節(jié)段椎體進行薄層CT掃描，層厚1 mm，螺距1.0，將數(shù)據(jù)保存為DICOM格式；將CT數(shù)據(jù)導入Mimics16.0，重建脊柱骨骼三維模型，在軟件中觀察脊柱椎弓根三維結(jié)構(gòu)，模擬置釘，尋找最佳置釘入點及方向，以STL格式導出保存。將STL格式數(shù)據(jù)導入Geomagic Studio 2013進行光滑處理、鋪面、封裝，用PLA材料對其進行打印，建立仿真椎體模型。按照手術(shù)正規(guī)流程椎體模型進行預(yù)手術(shù)，對手術(shù)中螺釘置入角度、椎弓根釘長度以及置入準確度、入針點等進行充分測量和模擬，觀察椎體活動度，評測結(jié)果。術(shù)中操作：患者進行全麻，根據(jù)傷椎部位和具體情況選擇舒適體位，調(diào)節(jié)手術(shù)臺彎曲度以適應(yīng)患者脊柱曲度，必要時墊軟枕于腹部下方。使用C型臂X線機定位傷椎，選擇進針點，根據(jù)術(shù)前測量頭尾傾角、螺釘外展角差值、螺釘進釘點水平位置差值等確定置釘角度和椎弓根釘長度；打開皮質(zhì)骨，恒力穩(wěn)持開路器緩慢進入，置入螺釘。對照組采用常規(guī)CT檢查進行評估和預(yù)測，對手術(shù)中螺釘置入角度、椎弓根釘長度以及置入準確度、入針點等進行充分測量，手術(shù)方法同上。兩組術(shù)后常規(guī)給予抗生素預(yù)防感染，盡早進行康復(fù)鍛煉。

1.3 相關(guān)指標觀察 ①圍術(shù)期相關(guān)指標：手術(shù)時間、術(shù)中出血量、術(shù)中X線暴露次數(shù)、術(shù)中輸血量。②置釘情況：記錄兩組術(shù)中置釘數(shù)量、置釘準確數(shù)，計算置釘準確率；③螺釘一致性相關(guān)指標：術(shù)后即刻進行CT檢查，測量兩組螺釘矢狀面夾角、螺釘內(nèi)傾角差值、螺釘進釘點水平位置差值；④傷椎復(fù)位相關(guān)指標：兩組術(shù)前、術(shù)后6個月進行CT檢查，根據(jù)工作臺圖像系統(tǒng)處理軟件計算傷椎手術(shù)前后高度比、矢狀位后凸Cobb角。⑤記錄兩組術(shù)前、術(shù)后6個月胸腰椎日本骨科協(xié)會(JOA)評分及疼痛視覺模擬評分(VAS)，JOA評分越高表示患者恢復(fù)越好，VAS越低表示患者疼痛程度越輕。⑥記錄兩組術(shù)后6個月出血、感染、神經(jīng)損傷、腦脊液漏等并發(fā)癥發(fā)生情況。

2 結(jié)果

2.1 兩組圍術(shù)期相關(guān)指標比較 觀察組與對照組手術(shù)時間分別為(101.54±21.34)、(140.83±23.33)min，術(shù)中出血量分別為(94.84±15.17)、(158.90±21.18)mL，術(shù)中X線暴露次數(shù)分別為(9.92±2.12)、(14.56±4.34)次，術(shù)中輸血量分別為(95.88±23.19)、(149.14±34.78)mL；觀察組手術(shù)時間短于對照組，術(shù)中出血量、術(shù)中X線暴露次數(shù)、術(shù)中輸血量均少于對照組(P均<0.05)。

2.2 兩組置釘情況比較 觀察組術(shù)中置釘256個、置釘準確數(shù)242個、置釘準確率為94.5%，對照組分別為154、115個及74.6%；觀察組置釘準確率高于對照組(P<0.05)。

2.3 兩組螺釘一致性相關(guān)指標比較 觀察組螺釘矢狀面夾角、螺釘內(nèi)傾角差值、螺釘進釘點水平位置差值均低于對照組(P均<0.05)。見表1。

表1 兩組螺釘一致性相關(guān)指標比較

注：與對照組比較，*P<0.05。

2.4 兩組傷椎復(fù)位相關(guān)指標比較 兩組術(shù)后6個月傷椎前后高度比均高于術(shù)前，矢狀位后凸Cobb角均低于術(shù)前(P均<0.05)。觀察組術(shù)后6個月傷椎前后高度比高于對照組，矢狀位后凸Cobb角低于對照組(P均<0.05)。見表2。

表2 兩組手術(shù)前后傷椎復(fù)位相關(guān)指標比較

注：與同組術(shù)前比較，*P<0.05；與對照組同時間點比較，#P<0.05。

2.5 兩組手術(shù)前后胸腰椎JOA評分、VAS比較 兩組術(shù)后6個月胸腰椎JOA評分均高于術(shù)前，VAS均低于術(shù)前(P均<0.05)。觀察組術(shù)后6個月胸腰椎JOA評分高于對照組，VAS低于對照組(P均<0.05)。見表3。

表3 兩組手術(shù)前后胸腰椎JOA評分、VAS比較(分，

注：與同組術(shù)前比較，*P<0.05；與對照組同時間點比較，#P<0.05。

2.6 兩組并發(fā)癥發(fā)生率比較 觀察組術(shù)后發(fā)生出血1例、感染1例，對照組術(shù)后發(fā)生出血1例、感染1例、神經(jīng)損傷1例、腦脊液漏1例；觀察組與對照組并發(fā)癥發(fā)生率分別為5.4%、17.3%，P<0.05。

3 討論

椎弓根螺釘置入術(shù)是生物力學研究的產(chǎn)物，對患者創(chuàng)傷小，術(shù)中剝離肌肉，以人字脊、橫突根及上關(guān)節(jié)突等解剖標志參考入釘點，通過術(shù)中C型臂X線機透視確定位置，最后通過螺釘置入的方法恢復(fù)脊柱屈伸、側(cè)彎及旋轉(zhuǎn)等活動[4,7]。若術(shù)中置入螺釘位置不當，如螺釘擊穿椎體前方，則會損傷大血管或者胸腹腔重要臟器，導致術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生[8]。因此，術(shù)前如果能夠充分模擬傷椎螺釘置入或者精確測量各種角度，將有助于減少術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生并減少術(shù)中出血量[9,10]。3D打印技術(shù)可在術(shù)前對傷椎進行造模，于制作的專門的導板上模擬椎弓根螺釘術(shù)，有助于提高手術(shù)成功率及螺釘置入準確性。Parthiban等[11]術(shù)前采用3D打印技術(shù)輔助治療胸腰椎椎體壓縮骨折，結(jié)果顯示該技術(shù)能夠提高兩側(cè)螺釘?shù)囊恢滦?，提高置釘成功率，術(shù)后恢復(fù)效果優(yōu)于術(shù)前用X線評估的患者。

術(shù)前采用3D打印技術(shù)模擬手術(shù)能更加清晰地顯示傷椎形態(tài)，提前精準地對傷椎病情進行個體化分析[12～14]。本研究結(jié)果顯示，觀察組手術(shù)時間短于對照組，術(shù)中出血量、術(shù)中X線暴露次數(shù)、術(shù)中輸血量均少于對照組；置釘準確率高于對照組，螺釘矢狀面夾角、螺釘內(nèi)傾角差值、螺釘進釘點水平位置差值均低于對照組；術(shù)后6個月胸腰椎JOA評分高于對照組，VAS低于對照組。進一步證實計算機輔助設(shè)計聯(lián)合3D打印技術(shù)可提高置釘準確率，減少手術(shù)操作誤差，更加準確地契合傷椎及正常椎體，使脊柱更加穩(wěn)定。本研究觀察組并發(fā)癥發(fā)生率低于對照組，說明胸腰椎骨折患者采用計算機輔助設(shè)計聯(lián)合3D打印技術(shù)輔助進行椎弓根螺釘置入術(shù)的安全性更高。

綜上所述，胸腰椎骨折患者采用計算機輔助設(shè)計聯(lián)合3D打印技術(shù)輔助進行椎弓根螺釘置入術(shù)的手術(shù)時間短、損傷小、治療效果好、安全性高，值得臨床借鑒。

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