基于3D 打印的椎弓根螺釘置釘技術治療胸腰段脊柱骨折的價值

劉正蓬 王雅輝 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)院脊柱外科（河北承德067000）

胸腰椎脊柱骨折指的是外因?qū)е滦匮档姆€(wěn)定性和連續(xù)性受到破壞，是脊柱骨折的常見類型之一［1］。胸腰椎脊柱骨折患者的韌帶及關節(jié)囊受損，椎間盤被撕裂，重者臟器受損，腹腔大出血，如果不及時有效地治療，導致患者病死率升高［2］。臨床上常采用椎弓根螺釘內(nèi)固定術進行治療，對于恢復傷椎高度及生理弧度具有重要意義，同時能夠穩(wěn)定骨塊，恢復解剖結構［3-4］。但是常規(guī)的椎弓根螺釘內(nèi)固定術容易導致置釘位置發(fā)生偏差，從而發(fā)生神經(jīng)損傷、腦脊液漏及內(nèi)固定失效等并發(fā)癥，不僅嚴重影響預后效果，而且增加患者的經(jīng)濟負擔［2，5］。雖然已經(jīng)有CT 導航在置釘過程中發(fā)揮重要作用，但是價值昂貴，給基層醫(yī)院的推廣及應用帶來不小障礙，同時使用過程中產(chǎn)生的輻射也會影響患者的健康，常規(guī)的影像學技術提供的數(shù)據(jù)多為平面、靜態(tài)，術前規(guī)劃要求施術者具有較強的空間想象力，而且手術過程中需要不斷對比影像資料來設計，延長手術時間，增加術中出血量［1］。3D 打印技術依托于影像學數(shù)據(jù)，通過計算機打印出精準化、個體化手術輔助置釘工具，并且與脊柱特異嵌合來達到治療目的，另外安全性和準確性均較高，操作方便，經(jīng)濟性高，近年來，隨著3D 打印技術在骨科手術方面的飛速發(fā)展，逐漸應用于外科手術中［2，6］。本研究的主要特點為3D打印技術在高分辨率CT 的輔助下精確還原骨骼的三維形態(tài)，再現(xiàn)復雜結構，精細化處理手術。2016年2月至2017年9月，我科采用3D 打印的椎弓根螺釘置釘技術治療56 例胸腰段脊柱骨折患者，療效滿意，報告如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料接受3D 打印的椎弓根螺釘置釘技術治療的56 例胸腰段脊柱骨折患者為觀察組，另外選擇同期我科收治的胸腰段脊柱骨折患者56 例，作為對照組，采用常規(guī)方法置釘。納入標準：（1）經(jīng)CT、X 線及MRI 等確診為單純閉合性胸腰椎骨折；（2）符合椎弓根螺釘置釘內(nèi)固定術的適應證；（3）均為新鮮骨折；（4）患者的各項臨床資料完整，且臨床依從性高；（5）將患者及其家屬同意，并簽署治療知情同意書。排除標準：（1）合并惡性腫瘤；（2）合并心腦血管疾病患者；（3）合并其他位置骨折；（4）凝血功能障礙患者。觀察組 中 男36 例，女20 例；年 齡40 ～58 歲，平 均（46.63 ± 3.09）歲；受傷至手術時間2 ～6 d，平均（3.96 ± 0.67）d；致傷原因：車禍傷14 例，重物砸傷16 例，高處墜落傷17 例，摔傷9 例；骨折部位：T1112 例，T1215 例，L19 例，L210 例，L310 例。對照組中男35 例，女21 例；年齡40 ～60 歲，平均（46.78 ± 3.15）歲；受傷至手術時間2～7 d，平均（3.87±0.73）d；致傷原因：車禍傷15 例，重物砸傷15 例，高處墜落傷16 例，摔傷10 例；骨折部位：T1111 例，T1214 例，L110 例，L210 例，L311 例。兩組患者的性別、年齡、致傷原因、骨折部位之間的差異無統(tǒng)計學意義（P ＞0.05），具有可比性。研究通過我院醫(yī)學倫理委員會審核。

1.2 手術方法

1.2.1 采集數(shù)據(jù)及處理圖像觀察組患者術前進行高分辨率CT 及X 線檢查，掃描層厚為5.00 mm，矩陣512×512，掃描結束后重建骨窗和軟組織窗，厚度為1 mm，掃描結果的數(shù)據(jù)以。Dicom 格式存儲。將數(shù)據(jù)導入Mimics17.0 中，通過閾值分割和區(qū)域增長的功能，得出胸腰椎三維模型，以.STL 格式輸出。

1.2.2 3D 模型打印及手術規(guī)劃應用Maker Bot Desktop 軟件，導入1.2.1 中采集的.STL 文件，顯示出胸腰椎的三維模型，調(diào)整模型的空間位置，落在平臺的合適位置，層厚為0.1 mm，溫度設置為230 ℃，添加支撐和平臺，生成.X3g 文件，儲存于SD 卡中。然后將SD 卡插入3D 打印機中打印其中的.X3g 文件，采用HY-500 FDM 專業(yè)級3D 三維打印機，輔以PLA 材料，通過熔融沉積制造技術逐層加工1∶1 的胸腰椎模型。

1.2.3 手術方法所有患者的手術均由同一位醫(yī)生完成，患者取俯臥位于脊柱手術床，根據(jù)脊柱弧度調(diào)節(jié)俯臥位，同時懸空腹部，減少手術中出血量，采用全麻，后正中切口為脊柱傷椎椎體中心，逐層分離皮下肌肉至脊柱椎體，輕微分離椎旁組織及神經(jīng)血管，觀察組患者按照術前設計的進釘點和方向置釘。對照組患者根據(jù)上下關節(jié)突殘留的關節(jié)間隙，胸椎采用Roy-Camille 法進釘，腰椎采用人字嵴頂點法進釘。在傷椎上下固定2 ～3 個椎體，在C 型臂X 線機確定椎弓根螺釘位置良好，然后安裝釘尾，保證傷椎椎體撐開后緊密連接螺帽。固定完成后，再次使用C 型臂X 線機確定傷椎復位良好。手術結束后沖洗切口，安防引流管，逐層縫合切口。

1.3 術后處理術后常規(guī)應用抗生素預防感染，密切關注術后引流量，48 h 后拔出引流管，觀察切口恢復情況，臥床休息4 周后佩戴護具下地進行康復訓練，帶腰圍護具3 個月，術后常規(guī)X 射線確定螺釘無松動、愈合情況良好即可除去腰圍護具。

1.4 觀察指標（1）記錄兩組患者手術相關指標：手術時間、術中X 線透視次數(shù)、術中出血量、置釘準確率。（2）分別于術前（T0）和術后1（T1）、6（T2）、12 個月（T3）按照日本骨科協(xié)會評估治療分數(shù)（Japanese Orthopaedic Association Scores，JOA）［6］評估腰椎狀態(tài)，總分為29 分，優(yōu)：25 ～29 分；良：16～24 分；中：10 ～15 分；差：＜10 分。（3）分別于T0和T2評估患者傷椎復位情況，包括傷椎前后緣高度比和矢狀位后凸Cobb 角。（4）另外進行為期1年的隨訪，觀察患者并發(fā)癥情況。

1.5 統(tǒng)計學方法應用SPSS 2.0 軟件統(tǒng)計分析研究中的數(shù)據(jù)，手術相關指標、JOA 評分、傷椎復位指標用平均數(shù)±標準差（±s）表示，符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)組間比較采用t 檢驗，不符合正態(tài)分布數(shù)據(jù)比較采用Mann-Whitney 秩和檢驗；并發(fā)癥發(fā)生情況用百分數(shù)（%）表示，組間比較采用χ2檢驗。檢驗標準設置為P ＜0.05。

2 結果

2.1 對比兩組患者手術相關指標觀察組患者的手術時間、術中X 線透視次數(shù)和術中出血量均明顯低于對照組，而置釘準確率顯著高于對照組，且差異均具有統(tǒng)計學意義（P ＜0.05）。見表1。

表1 對比兩組患者手術相關指標Tab.1 Comparison of surgical indicators between the two groups ±s

表1 對比兩組患者手術相關指標Tab.1 Comparison of surgical indicators between the two groups ±s

組別對照組觀察組t/χ2值P 值例數(shù)56 56手術時間（min）115.37±10.62 90.15±9.21-13.426 0.000術中X 線透視次數(shù)（次）16.03±4.12 11.17±3.03-7.111 0.000術中出血量（mL）140.52±12.16 93.86±10.07-22.116 0.000置釘準確率70.29%（97/138）90.71%（127/140）18.523 0.000

2.2 比較不同時間點JOA 評分兩組患者T0時JOA 評分之間的差異無統(tǒng)計學意義（P ＞0.05）。與T0相 比，兩組患者T1、T2及T3時JOA 評分均明顯升高，同時觀察組患者術后各時間點JOA 評分均顯著高于對照組，且差異均具有統(tǒng)計學意義（P ＜0.05）。見表2。

表2 比較不同時間點JOA 評分Tab.2 Compares JOA scores at different time points ±s

表2 比較不同時間點JOA 評分Tab.2 Compares JOA scores at different time points ±s

組別對照組觀察組t 值P 值例數(shù)56 56 T0 T1 T2 T3 13.31±2.25 13.27±2.16 0.096 0.924 17.12±3.13 20.08±3.78-4.513 0.000 19.65±3.83 24.02±4.17-5.776 0.000 21.33±3.09 25.12±3.14-6.438 0.000

2.3 比較兩組患者治療前后傷椎復位情況兩組患者T0時傷椎前后緣高度比和矢狀位后凸Cobb角之間的差異無統(tǒng)計學意義（P ＞0.05）。兩組患者T2時傷椎前后緣高度比明顯高于T0，而T2時矢狀位后凸Cobb 角顯著低于T0，同時觀察組患者T2時傷椎復位情況明顯優(yōu)于對照組，且差異均具有統(tǒng)計學意義（P ＜0.05）。見表3。

2.4 對比兩組患者并發(fā)癥情況對照組并發(fā)癥發(fā)生率為16.07%（9/56），明顯高于觀察組的3.57%（2/56），差異具有統(tǒng)計學意義（P ＜0.05）。見表4。

2.5 典型病例患者男，35 歲，因車禍導致T12節(jié)段胸腰椎椎體骨折，在我院行計算機輔助設計及3D 打印技術輔助胸腰椎骨折椎弓根螺釘植入術，術后無并發(fā)癥出現(xiàn)，術后置釘準確率為92%，術后隨訪1年，傷椎前后高度比恢復到94%，螺釘固定好，脊柱生理彎曲正常。見圖1。

表3 比較兩組患者治療前后傷椎復位情況Tab.3 Comparison of injured vertebral reduction before and after treatment between the two groups ±s

表3 比較兩組患者治療前后傷椎復位情況Tab.3 Comparison of injured vertebral reduction before and after treatment between the two groups ±s

注：與對照組相比，*P ＜0.05

組別對照組（n=56）t 值P 值觀察組（n=56）t 值P 值T0 T2 T0 T2 43.56±6.58 72.17±9.53 18.487 0.000 43.62±6.59 90.78±10.83*27.838 0.000 25.01±4.17 12.55±3.12-17.904 0.000 25.03±4.26 9.02±2.67*-23.830 0.000時間點 傷椎前后緣高度比（%）矢狀位后凸Cobb 角（°）

表4 對比兩組患者并發(fā)癥情況Tab.4 Comparison of complications between the two groups例（%）

3 討論

表1 術前、術后患者骨折影像學檢查Fig.1 Imageological diagnosis of fracture before and after operation

椎弓根螺釘置入術常用于治療胸腰椎骨折，有效矯正畸形的胸腰椎，恢復傷椎的穩(wěn)定性，最大限度地保留運動節(jié)段［2］，椎弓根螺釘置入術通過關節(jié)突、人字脊和橫突根等解剖標志選擇入釘點，通過C 型臂X 線機確定位置，最終置入螺釘固定傷椎，保證其旋轉功能，如果不能正確置入螺釘，可能會導致螺釘擊穿椎體前方，損傷臟器，產(chǎn)生術后并發(fā)癥，因此如果能夠精準確定螺釘?shù)闹萌朦c和角度，對于提高手術療效具有重要意義［1，7-9］。3D 打印技術提前規(guī)劃手術方案，打印精準的1∶1骨骼模型，不僅可以提供清晰的傷椎骨骼情況，提高診斷準確率，而且為患者提供針對性的置釘方案，提高手術療效和置釘準確率［6，10］，另外，3D 打印技術模擬的立體化模型將脊柱更加形象地展示在患者及醫(yī)生面前，便于向患者解釋，同時提高醫(yī)生手術的效率［1，11］。

3D 打印技術又稱為快速成型技術，在CT、MRI 等高精度影像的輔助下，采用金屬或塑料粉末將三維數(shù)字模型打印成實物［11］。漆啟華等［12］利用3D 輔助打印技術治療復雜髖臼骨折的手術創(chuàng)傷小，術后復位效果好，近期療效滿意。同時危小東等［13］通過3D 打印技術在復雜肱骨近端骨折中的療效顯著，關節(jié)Neer 評分較好。研究結果中，相對于傳統(tǒng)的椎弓根螺釘置釘術，在3D 打印技術輔助下，患者的手術時間、術中X 線透視次數(shù)、術中出血量及置釘準確率明顯改善，這與國內(nèi)外研究結果基本一致［2，6］，提示基于3D 打印技術的椎弓根螺釘技術能夠有效改善胸腰段骨折患者的臨床效果。3D 打印技術術前初步獲得螺釘?shù)闹睆?、長度及進釘方向，減少術中過度分離組織，降低手術中出血量，減少手術時間［6］，同時3D 打印技術制造出來的實物模型在手術過程中實時對比，提高施術者的可操作性，減少X 線透視次數(shù)等臨床相關指標［14-15］，另外3D 打印技術操作簡單，不需要在特殊設備的輔助下進行術前模擬，提高置釘準確率［6］。同時觀察組患者術后各時間點JOA 評分和傷椎復位情況均顯著優(yōu)于術前和對照組，表明3D 打印技術對于傷椎的輔助治療作用突出。3D打印技術從維結構立體化觀察傷椎情況，不僅對于選擇正確的手術方式及手術范圍具有重要作用，而且術前進行推演，預估術中的難點及要點，降低手術的風險［4］，并且能夠任意旋轉化及透明化骨骼模型，避免其他結構影響觀察，或者是單獨選擇某一節(jié)段脊柱進行針對性的觀察［16］，打印出來的脊柱實物模型清晰顯示傷椎形態(tài)，有助于施術者正確理解椎體的解剖形態(tài)，精準分析病情，提高病情診斷率，并且制定個性化手術方案，從而有利于傷椎的復位［6］。另外，觀察組并發(fā)癥發(fā)生率明顯低于對照組，說明增加3D 打印技術能夠有效改善椎弓根螺釘置釘術治療胸腰段脊柱骨折患者的安全性。筆者推測這可能是由于觀察組患者在3D技術的輔助下能夠預先設計好螺釘?shù)呐帕小⒔嵌?，同時手術過程匯總只需要顯露模塊周圍的組織，肌肉剝離更少，損傷程度小。目前3D 打印多采用聚乳酸材料，在打印出的骨骼模型上置入螺釘時易導致其破裂，影響手術效果，但是臨床醫(yī)生相信隨著3D 打印技術的成熟及材料的突破，會提高3D打印技術在脊柱外科領域的應用范圍［4］。

綜上所述，3D 打印技術提供精準的術前計劃，提高椎弓根螺釘置入術治療胸腰段脊柱骨折的手術效果，減少并發(fā)癥，對于脊柱外科手術的診斷及治療方面作用會更加突出。