個體化導(dǎo)航模板在頸椎椎弓根置釘中的應(yīng)用進(jìn)展

謝兆林　譚海濤　張其標(biāo)

【關(guān)鍵詞】 3D打?。粚?dǎo)航模板；頸椎；椎弓根置釘

中圖分類號：R683.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003-1383.2018.04.028

頸椎椎弓根螺釘置入是頸椎手術(shù)維持其生物力學(xué)穩(wěn)定性的重要內(nèi)固定方式之一，符合脊柱三柱固定生物力學(xué)理論，且對脊柱活動度影響較小[1]。但由于頸椎解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，椎弓根偏細(xì)且個體間變異大，特別是上頸椎，增加了椎弓根螺釘?shù)闹萌腚y度，因此，如何安全、精準(zhǔn)置入頸椎椎弓根螺釘是脊柱外科醫(yī)師需要研究的重要課題之一。目前，頸椎椎弓根置釘技術(shù)主要有C臂透視下徒手置釘法、計算機(jī)導(dǎo)航實時引導(dǎo)下置釘法及3D打印個體化導(dǎo)向模板輔助下置釘法等。隨著數(shù)字醫(yī)學(xué)與3D打印技術(shù)的發(fā)展，個體化導(dǎo)航模板置釘在各類脊柱置釘手術(shù)中獲得廣泛的應(yīng)用[2～4]?，F(xiàn)就個體化導(dǎo)航模板在頸椎椎弓根置釘中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。

1 個體化導(dǎo)航模板的數(shù)字化設(shè)計與3D打印制作

1.1 數(shù)據(jù)采集與來源

目前，3D打印的骨科個體化骨骼模型、導(dǎo)航模板及金屬內(nèi)植入物，其數(shù)據(jù)來源主要為患者特異性的、真實的影像資料如CT、MRI等。其中，CT對骨組織顯影優(yōu)勢明顯，是骨科的骨骼模型、導(dǎo)航模板的數(shù)字化設(shè)計最為常用的醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)來源。對于3D打印個體化的頸椎導(dǎo)航模板的設(shè)計、制作，需要制定最佳、合理的CT掃描條件，以便獲得高精準(zhǔn)度的數(shù)據(jù)。掃描設(shè)備推薦使用螺距小的多排螺旋掃描儀，如64或128排CT，常見的掃描條件如下：電壓120 kV，電流150～310 mA，層厚0.5～1.0 mm，矩陣512×512，掃描后以“Dicom”格式保存輸出。

1.2 數(shù)據(jù)處理

將掃描的數(shù)據(jù)資料以“Dicom”格式導(dǎo)出，并刻錄光盤儲存，然后導(dǎo)入 3D編輯軟件處理圖像數(shù)據(jù)，如醫(yī)學(xué)三維重建軟件Mimics（Materialise公司，比利時）、E3D、Arigin 3D等，以及后處理軟件如3-matic、Geomagic Studio和UG等醫(yī)學(xué)圖像處理軟件。數(shù)字化設(shè)計軟件，以Mimics軟件為例，導(dǎo)航模板的數(shù)字化設(shè)計常常分為兩步：①在Mimics中，經(jīng)“Edit Mask”“Region growing”及“Caculate in 3D”等工具運(yùn)算出目標(biāo)頸椎椎體的三維模型。②在三維透視模式360°觀察及模擬螺釘?shù)奈恢?、方向、直徑，調(diào)整其位于最佳進(jìn)釘路徑，不突破周圍骨皮質(zhì)，經(jīng)“布爾運(yùn)算”形成釘?shù)溃惶崛「髯蛋?、?cè)塊、棘突背側(cè)的皮質(zhì)骨的解剖形態(tài)數(shù)據(jù)，建立與之解剖形狀一致的模板，并反向增厚至2.0～2.5 mm，經(jīng)“布爾運(yùn)算”將模擬釘?shù)?、?dǎo)管及此反向模板聯(lián)合，獲得數(shù)字化導(dǎo)航模板。

1.3 快速成型

目前，用于頸椎導(dǎo)航模板的3D打印機(jī)型有熔融沉積類、光固化成型法類、選擇性激燒結(jié)法類等。在選擇導(dǎo)航模板打印的材料方面，主要有光敏樹脂、尼龍、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（acrylonitrile butadiene styrene copolymers，ABS）、聚乳酸（polylactic acid，PLA）、石膏等，此類材料性能好，強(qiáng)度大，穩(wěn)定性良好，部分材料可經(jīng)等離子消毒直接用于術(shù)中，同時，成本較低，能為患者節(jié)約住院費(fèi)用。

2 個體化導(dǎo)航模板在頸椎椎弓根置釘中的應(yīng)用效果

2.1 個體化導(dǎo)航模板輔助上頸椎椎弓根置釘

上頸椎包括寰樞椎、頸3椎體。其中，寰樞椎手術(shù)因其自身發(fā)育及解剖結(jié)構(gòu)特殊，且與周圍椎動靜脈、神經(jīng)根、脊髓的復(fù)雜解剖關(guān)系，該區(qū)域常被稱為脊柱手術(shù)的禁區(qū)，置釘失誤帶來的往往是災(zāi)難性后果，導(dǎo)致其骨折或脫位后進(jìn)行椎體椎弓根置釘?shù)碾y度大，風(fēng)險高，該手術(shù)極具挑戰(zhàn)性[5]。隨著數(shù)字醫(yī)學(xué)與3D打印在骨科的成功運(yùn)用，目前有許多學(xué)者對于上頸椎的頸椎置釘進(jìn)行了新的嘗試、實踐。Owen 等[6]及Ryken等[7]利用數(shù)字醫(yī)學(xué)與3D打印技術(shù)治療上頸椎手術(shù)，并取得了滿意的效果。盧騰等人[8]對12例上頸椎畸形的患者進(jìn)行椎弓根螺釘模板置釘手術(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)置釘優(yōu)良率達(dá)97.1%，提示椎弓根置釘導(dǎo)航模板對于上頸椎手術(shù)是有效可靠的導(dǎo)航方法，同時顯著降低術(shù)中電離輻射的暴露時間。姜良海等[9]將標(biāo)桿型3D打印導(dǎo)板用于21例寰樞椎脫位患者的手術(shù)治療，結(jié)果發(fā)現(xiàn)寰樞椎術(shù)后的實際釘?shù)琅c術(shù)前預(yù)設(shè)最佳釘?shù)赖膬?nèi)傾角、頭傾角、進(jìn)釘點坐標(biāo)比較差異均無統(tǒng)計學(xué)意義，說明該3D打印導(dǎo)板輔助寰樞椎椎弓根置釘方向可調(diào)整性好，置釘精準(zhǔn)度高，為寰樞椎置釘提供了一種新的思路。而蒲興魏等[10]通過探討改良 3D 打印導(dǎo)航模板輔助治療了17 例寰樞椎手術(shù)的患者，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該改良的3D打印導(dǎo)板可提高與術(shù)前預(yù)設(shè)最佳釘?shù)赖奈呛隙取⒕_匹配術(shù)前計劃，也得到了類似的研究結(jié)果。周全等人[11]對3例樞椎齒狀突Ⅱ型骨折行后路椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)的病人進(jìn)行研究，根據(jù)寰樞椎后方骨性結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)設(shè)計個體化導(dǎo)板，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，術(shù)后CT檢查顯示共置入寰椎椎弓根螺釘6枚，樞椎椎弓根螺釘6枚，12枚螺釘均為0級螺釘，提示個體化3D打印導(dǎo)板能提高臨床手術(shù)置釘?shù)臏?zhǔn)確率和安全性，減少神經(jīng)血管損傷。謝兆林等[12]對94例頸椎骨折脫位患者行3D打印個體化椎弓根螺釘導(dǎo)航模板輔助頸椎椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)，試驗組置釘精確度明顯優(yōu)于對照組，提示個體化導(dǎo)航模板輔助下頸椎椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)較傳統(tǒng)方法的置釘準(zhǔn)確率高、手術(shù)效果好。由此可見，3D打印技術(shù)可在術(shù)前對患者的寰樞椎體進(jìn)行個性化、精準(zhǔn)化把控，設(shè)計、打印相應(yīng)的椎弓根置釘導(dǎo)板，從而提高寰樞椎置釘?shù)木珳?zhǔn)性，降低了手術(shù)并發(fā)癥的發(fā)生。

2.2 個體化導(dǎo)航模板輔助下頸椎椎弓根置釘

對于下頸椎的椎弓根置釘，在臨床上仍面臨不少挑戰(zhàn)，但同樣可以運(yùn)用3D打印個體化的導(dǎo)板來使得下頸椎椎弓根置釘更加精準(zhǔn)化、安全化。Kaneyamade 等[13]對20例患者共80枚螺釘應(yīng)用3D導(dǎo)航模塊輔助下頸椎置釘，術(shù)后CT示80枚螺釘均在椎弓根內(nèi)，無相關(guān)并發(fā)癥。目前，頸前路椎弓根置釘作為前路手術(shù)的堅強(qiáng)內(nèi)固定方式之一，但如何進(jìn)行安全、有效及精準(zhǔn)的置釘仍是術(shù)者十分關(guān)注的問題。王力冉等[14]使用10具尸體的C3～T1以探討頸椎前路椎弓根螺釘置釘導(dǎo)航模板輔助下置釘?shù)臏?zhǔn)確性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其總體準(zhǔn)確性高達(dá) 95.8%，為臨床應(yīng)用提供一定的依據(jù)。由于椎體前表面無明顯的骨骼標(biāo)志，無法類似于后路的椎弓根置釘導(dǎo)板，除了剝離清凈軟組織、按壓導(dǎo)板使其緊貼骨面之外，有學(xué)者提出了使用3D打印組合式導(dǎo)板輔助下頸椎前路椎弓根螺釘置入[15]，并經(jīng)與徒手置釘?shù)臏?zhǔn)確性對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該導(dǎo)板安全、準(zhǔn)確，且操作簡單，易于掌握，體現(xiàn)了置釘?shù)膫€體化。

3 頸椎的個體化導(dǎo)航模板置釘法與其他置釘方式對比

傳統(tǒng)的頸椎徒手置釘主要靠C臂透視下輔助，其具有堅強(qiáng)固定、穩(wěn)定椎體的效果，多年來已是一種成熟、標(biāo)準(zhǔn)的脊柱融合固定技術(shù)，但是它無可避免較大的血管、脊髓損傷的風(fēng)險[16～17]。而3D打印個體化椎弓根導(dǎo)板輔助置釘術(shù)中置釘時間和次數(shù)、術(shù)中透視次數(shù)更少，手術(shù)時間更短，操作更簡易，置釘更精確[18～19]。計算機(jī)導(dǎo)航置釘法可明顯提高脊柱手術(shù)置釘?shù)木珳?zhǔn)度，其擁有無可置疑的準(zhǔn)確性和方便，但與個體化的頸椎置釘導(dǎo)板相比，計算機(jī)輔助系統(tǒng)存在一定的缺陷[20～22]：①計算機(jī)導(dǎo)航昂貴，基層醫(yī)院不易推廣使用；②手術(shù)時間長，學(xué)習(xí)曲線長，操作繁瑣；③原理基于已注冊的椎體位置，相鄰節(jié)段的椎體若發(fā)生移位，將需重新精確定位；④計算機(jī)導(dǎo)航設(shè)備體積龐大，對手術(shù)室空間有一定要求。而對于沒有導(dǎo)航系統(tǒng)的醫(yī)院，需要C型臂透視輔助置釘，其準(zhǔn)確性也較好，但需要反復(fù)進(jìn)行術(shù)中X線透視定位、驗證，產(chǎn)生較大的輻射，對醫(yī)師和患者均有害，而且X射線照射的圖像質(zhì)量不穩(wěn)定，要求手術(shù)者有很高的閱片能力，較強(qiáng)的技術(shù)操作和手術(shù)經(jīng)驗，從而限制了其廣泛及深入開展。近年來，數(shù)字醫(yī)學(xué)與3D打印技術(shù)為骨科手術(shù)提供新的思路，個體化的置釘導(dǎo)航模板輔助于頸椎椎弓根螺釘植入手術(shù)，其優(yōu)勢相對明顯。頸椎置釘導(dǎo)板基于患者真實影像數(shù)據(jù)，利用成熟的醫(yī)學(xué)三維重建軟件及先進(jìn)的快速成型機(jī)器，經(jīng)過數(shù)字化設(shè)計、3D打印出患者個體化的椎弓根螺釘頸椎置釘導(dǎo)板，大大提高了置釘準(zhǔn)確率，同時減少血管、神經(jīng)損傷的可能。其次，導(dǎo)板的設(shè)計、制作重在數(shù)字化設(shè)計，而高度自動化、智能化的三維重建軟件為初學(xué)者提供了方便，入門門檻低，能夠簡單設(shè)計、制作滿意的導(dǎo)板；另外，導(dǎo)板使用簡單，即使經(jīng)驗較少的醫(yī)生也能準(zhǔn)確置釘，如為了使得導(dǎo)板牢靠于骨質(zhì)，低年資醫(yī)師也能滿意地將有導(dǎo)板覆蓋的椎體棘突、椎板上的軟組織剝離清凈，盡量保證固定效果達(dá)到最佳；由于一次性置釘準(zhǔn)確率高，術(shù)前已掌握了最佳螺釘半徑、長度、方向、深度，術(shù)中可快速精準(zhǔn)地通過導(dǎo)航模板植入，故術(shù)中無須多次進(jìn)行X線輻射透視，降低了輻射劑量。最后，用于3D打印制作導(dǎo)航導(dǎo)板的材料大多是光敏樹脂、尼龍、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚乳酸、石膏等，其成本不高，強(qiáng)度大，能滿足術(shù)中的要求，可廣泛推廣應(yīng)用。因此，個體化置釘導(dǎo)航模板輔助于頸椎椎弓根螺釘置釘，可獲得較高的置釘準(zhǔn)確率，同時也能一定程度上彌補(bǔ)了計算機(jī)導(dǎo)航使用的不足。

4 結(jié)語

3D打印個體化椎弓根置釘導(dǎo)航模板在頸椎手術(shù)中已獲得不少經(jīng)驗，隨著醫(yī)學(xué)三維重建與快速成型技術(shù)的不斷應(yīng)用和成熟，該頸椎置釘導(dǎo)板技術(shù)已由實驗性研究向臨床應(yīng)用轉(zhuǎn)化[23]。但目前，對于導(dǎo)板的形態(tài)、覆蓋區(qū)域及使用置釘導(dǎo)板的操作規(guī)則并無明確的共識，勢必影響其使用的精準(zhǔn)度。我們實踐中發(fā)現(xiàn)，雖然理論上數(shù)字化導(dǎo)板的準(zhǔn)確性很高，但置釘后準(zhǔn)確驗證螺釘?shù)奈恢萌杂衅?，不利于繼續(xù)在臨床上廣泛推廣。因此，有必要在頸椎椎弓根置釘準(zhǔn)確、安全有效的前提下統(tǒng)一頸椎置釘導(dǎo)板的標(biāo)準(zhǔn)，形成一套導(dǎo)板輔助置釘?shù)囊?guī)范。

參 考 文 獻(xiàn)

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（收稿日期：2018-05-26 修回日期：2018-06-13）

（編輯：梁明佩）