3D打印定位導(dǎo)航模板輔助置釘在脊柱畸形矯形術(shù)中的應(yīng)用

姜成浩，石 巖，黃永燦，3，于濱生，3*

1.安徽醫(yī)科大學(xué)北京大學(xué)深圳醫(yī)院臨床學(xué)院，深圳 518036

2.深圳市脊柱外科重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京大學(xué)深圳醫(yī)院脊柱外科，深圳 518036

3.深圳北京大學(xué)香港科技大學(xué)醫(yī)學(xué)中心骨病研究所，深圳 518036

脊柱畸形常伴有脊柱旋轉(zhuǎn)、形態(tài)畸形，如楔形椎、蝴蝶椎、融合椎、棘突扭轉(zhuǎn)等，增加了矯形術(shù)中置釘?shù)碾y度。透視輔助下徒手置釘是目前脊柱外科中最常用的置釘方法，其安全性和準(zhǔn)確性已被證實(shí)，但對于畸形脊柱徒手置釘?shù)娘L(fēng)險較大，而螺釘?shù)恼`置可能引起神經(jīng)血管損傷、腦脊液漏、椎弓根折斷及氣胸等嚴(yán)重并發(fā)癥［1-4］。對于傳統(tǒng)徒手置釘技術(shù)，無論有無X線引導(dǎo)，準(zhǔn)確置釘依賴于術(shù)者對解剖結(jié)構(gòu)的熟悉程度和置釘?shù)慕?jīng)驗(yàn)。有研究［5-8］表明，腰椎徒手置釘時椎弓根皮質(zhì)穿破率為20.3% ～ 49.0%；胸椎椎弓根更小，螺釘誤置的風(fēng)險更高［9-10］。為提高置釘準(zhǔn)確性，國內(nèi)外研究者對多種置釘技術(shù)進(jìn)行了探討，包括三維CT術(shù)中導(dǎo)航系統(tǒng)、3D打印定位導(dǎo)航模板輔助置釘技術(shù)、機(jī)器人輔助導(dǎo)航系統(tǒng)、計算機(jī)導(dǎo)航輔助置釘技術(shù)等［11-13］。本研究通過設(shè)計、制作3D打印定位導(dǎo)航模板，探討定位導(dǎo)航模板輔助置釘技術(shù)的應(yīng)用價值及其準(zhǔn)確性和安全性。

1 資料和方法

1.1 一般資料

本研究納入2020年4月—2021年4月北京大學(xué)深圳醫(yī)院采用3D打印定位導(dǎo)航模板（深圳艾科賽龍科技股份有限公司）輔助置釘矯形術(shù)治療的9例脊柱畸形患者，其中男2例、女7例，年齡為15 ～ 79歲；診斷為成人特發(fā)性脊柱側(cè)凸1例，青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸3例，先天性脊柱側(cè)凸1例，退行性脊柱側(cè)凸2例，強(qiáng)直性脊柱炎并脊柱后凸2例。

1.2 3D打印導(dǎo)航模板的設(shè)計和制作

根據(jù)相關(guān)專家共識［14］，基于3D打印技術(shù)及設(shè)計準(zhǔn)確性的需要，CT數(shù)據(jù)需要滿足相應(yīng)的要求。本研究中，術(shù)前對所有患者脊柱畸形節(jié)段行螺旋CT薄層掃描及三維成像（雙源，128排，SOMATOM Definition Flash，Siemens，德國），掃描層厚為0.75 mm，采集矩陣為512×512。然后將患者的脊柱CT數(shù)據(jù)以DICOM格式導(dǎo)出，再導(dǎo)入Mimics軟件進(jìn)行三維重建。在每個重建椎體模型上設(shè)計螺釘?shù)淖罴堰M(jìn)釘位置和通道，并依此設(shè)計出能夠與單個椎體后方骨性結(jié)構(gòu)完全貼合的定位導(dǎo)航模板，通過3D打印機(jī)讀取重建后的文件信息并逐層打?。▓D1）。術(shù)前對定位導(dǎo)航模板進(jìn)行清洗、消毒及滅菌（低溫等離子滅菌）處理，常溫、常濕環(huán)境下晾干后備用。

圖1 3D打印導(dǎo)航模板的設(shè)計和制作Fig. 1 Design and manufacture of 3D printed positioning guide plate

1.3 手術(shù)方法

9例患者由同一醫(yī)院的不同正高級別醫(yī)師實(shí)施手術(shù)?；颊呷砺樽砗笕「┡P位，C形臂X線機(jī)透視定位明確后，術(shù)野常規(guī)消毒、鋪巾，于脊柱畸形節(jié)段做后路切口，逐層切開皮膚、皮下組織及筋膜，充分剝離椎體背側(cè)骨性結(jié)構(gòu)表面上的軟組織，保留棘上韌帶，完全顯露背側(cè)骨性結(jié)構(gòu)。將單個定位導(dǎo)航模板放置于對應(yīng)椎板背側(cè)及棘突上，按壓定位導(dǎo)航模板背側(cè)的橫向結(jié)構(gòu)，并維持定位導(dǎo)航模板與椎體后方緊密貼合（圖2a），確認(rèn)貼合良好后，沿導(dǎo)向孔使用高速電鉆（鉆頭直徑為2.0 mm）進(jìn)行釘?shù)罍?zhǔn)備，然后使用絲攻，對釘?shù)肋M(jìn)行擴(kuò)大和加深（圖2b），之后使用球形探針對釘?shù)辣谶M(jìn)行完整性探查（圖2c），確定釘?shù)辣诠饣蟾鶕?jù)術(shù)前確定的螺釘型號進(jìn)行置釘（圖2d），不再對釘?shù)肋M(jìn)行修改，全部置釘結(jié)束后再次透視確認(rèn)螺釘位置。為提高手術(shù)的安全性，所有患者術(shù)中均使用神經(jīng)電生理監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行神經(jīng)功能監(jiān)測，盡量避免手術(shù)操作對神經(jīng)、脊髓產(chǎn)生損傷。

圖2 手術(shù)過程Fig. 2 Operation process

1.4 置釘評價

有文獻(xiàn)［15］報道，聯(lián)合應(yīng)用X線片和薄層CT平掃及三維重建來判斷螺釘位置是目前最佳的方法，靈敏度達(dá)98.7%，準(zhǔn)確率達(dá)90.0%。此外，基于橫斷面CT上2 mm增量的分級系統(tǒng)是被廣泛接受的確定椎弓根螺釘置釘精度的方法［16］。本研究術(shù)后對所有患者進(jìn)行薄層CT平掃及三維掃描，再通過PACS系統(tǒng)進(jìn)行三維重建，可在冠狀面、矢狀面進(jìn)行任意切割，觀察螺釘?shù)奈恢谩Ｓ?位正高級別脊柱外科醫(yī)師（非術(shù)者）分別獨(dú)立評估置釘準(zhǔn)確性，如意見不一致，則由第3位正高級別影像科醫(yī)師決定。在CT上采用Mobbs-Raley分級標(biāo)準(zhǔn)［17］對螺釘位置進(jìn)行評價：0級，螺釘完全位于椎弓根內(nèi)；1級，螺釘突破椎弓根側(cè)壁距離≤2 mm；2級，突破椎弓根側(cè)壁距離＞ 2 mm，無相關(guān)并發(fā)癥發(fā)生；3級，突破椎弓根側(cè)壁距離＞ 2 mm，并發(fā)生相關(guān)并發(fā)癥。本研究組認(rèn)為，穿破椎弓根壁距離＜ 2 mm的螺釘都是安全的，且評定為3級的螺釘因發(fā)生并發(fā)癥需要進(jìn)行翻修。置釘準(zhǔn)確率（%）=0級螺釘數(shù)/置釘總數(shù)×100%。置釘安全率（%）=（0級螺釘數(shù)+1級螺釘數(shù)）/置釘總數(shù)×100%。

2 結(jié) 果

所有手術(shù)順利完成，治療一般情況見表1。9例患者共置入螺釘118枚，其中34枚穿破椎弓根皮質(zhì)（27枚穿破椎弓根內(nèi)側(cè)壁，7枚穿破外側(cè)壁），9枚穿破椎體外緣（8枚穿破椎體外側(cè)緣，1枚穿破椎體前緣）。0級螺釘75枚，1級螺釘24枚，2級螺釘19枚，置釘準(zhǔn)確率為63.6%，置釘安全率為83.9%。所有患者均未發(fā)生神經(jīng)、血管損傷等相關(guān)并發(fā)癥，無患者行翻修手術(shù)。典型病例影像學(xué)資料見圖3。

圖3 典型病例影像學(xué)資料Fig. 3 Imaging data of a typical case

表1 病例信息Tab. 1 Case information

3 討 論

椎弓根釘棒內(nèi)固定系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于脊柱外科手術(shù)，安全、準(zhǔn)確置入螺釘是脊柱外科醫(yī)師必須熟練掌握的臨床技能。既往研究［18-19］報道，與徒手置釘相比，定位導(dǎo)航模板輔助置釘具有更高的準(zhǔn)確性。但Chen等［20］在一項(xiàng)回顧性對照研究中發(fā)現(xiàn)，定位導(dǎo)航模板輔助置釘雖能減少術(shù)中透視次數(shù)、縮短手術(shù)時間，但置釘準(zhǔn)確率與徒手置釘相比，差異無統(tǒng)計學(xué)意義。3D打印定位導(dǎo)航模板在脊柱外科領(lǐng)域的研究日益增多，本研究旨在初步探討3D打印定位導(dǎo)航模板在脊柱畸形矯形術(shù)中應(yīng)用的可行性，及其輔助置釘?shù)臏?zhǔn)確性及安全性。

3D打印脊柱模型和定位導(dǎo)航模板是3D打印技術(shù)在脊柱外科中的重要應(yīng)用。3D打印機(jī)制作的模型除骨性結(jié)構(gòu)外，還可添加毗鄰血管［21］。本研究中定位導(dǎo)航模板僅用于釘?shù)罍?zhǔn)備，有研究［22］報道，將逐級擴(kuò)大型3D打印導(dǎo)航模板用于輔助寰樞椎椎弓根置釘，該系統(tǒng)包括3種作用不同的導(dǎo)航模板，按順序依次使用，輔助置釘，逐級擴(kuò)大，提高了置釘準(zhǔn)確率。此外，3D打印導(dǎo)航模板的材料大多為樹脂類，有研究［23］采用激光融化成形技術(shù)制作金屬定位導(dǎo)航模板，術(shù)中采用2枚鉚釘將定位導(dǎo)航模板臨時固定在椎板上，無須助手夾持固定。

3D打印定位導(dǎo)航模板的設(shè)計需要工程師和臨床醫(yī)師反復(fù)溝通，不斷調(diào)整螺釘進(jìn)針點(diǎn)、角度和長度，以達(dá)到最佳效果。3D打印定位導(dǎo)航模板技術(shù)基于椎體的骨性結(jié)構(gòu)，不受解剖變異及椎體退行性變的影響，因此，術(shù)中要剔除椎體后方骨性結(jié)構(gòu)上附著的軟組織，充分暴露以確保定位導(dǎo)航模板與椎板緊密貼合，否則有可能導(dǎo)致置釘失?。?8，24］。但是，患者在麻醉前后的畸形程度會存在一定差異，且軟組織難以全部去除，進(jìn)而導(dǎo)致實(shí)際情況與術(shù)前規(guī)劃可能有所差異，因此，定位導(dǎo)航模板不能作為置釘?shù)慕^對標(biāo)準(zhǔn)。

3D打印脊柱模型和定位導(dǎo)航模板具有直觀、方便等優(yōu)勢，適合臨床教學(xué)和低年資醫(yī)師的培訓(xùn)，對于年輕的脊柱外科醫(yī)師而言，可以進(jìn)行術(shù)前模擬操作［25］。而徒手置釘技術(shù)依賴術(shù)者經(jīng)驗(yàn)、技巧和專業(yè)知識，需要一個較長的學(xué)習(xí)、實(shí)踐過程［26］。醫(yī)師還可采用3D打印脊柱模型和定位導(dǎo)航模板與患者及其家屬進(jìn)行更好地溝通，使患者能更直觀地了解手術(shù)方案［27］。

術(shù)中使用X線透視的輻射暴露也是脊柱外科醫(yī)師需要關(guān)注的重要問題之一，尤其對于青少年，輻射更易產(chǎn)生不良后果，包括輻射相關(guān)腫瘤等［28］。有研究［20，29］通過比較導(dǎo)航模板置釘和徒手置釘?shù)耐敢暣螖?shù)發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)航模板置釘平均透視次數(shù)明顯減少，手術(shù)時間縮短，減少了患者的輻射暴露。在采用定位導(dǎo)航模板輔助置釘時，螺釘型號、進(jìn)釘點(diǎn)和角度等都已通過術(shù)前規(guī)劃和模擬置釘確定，術(shù)中無須再進(jìn)行選擇和判斷，有助于縮短手術(shù)時間，提高置釘效率。但吳非燃等［30］的一項(xiàng)對照研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)航模板置釘組和徒手置釘組的置釘時間差異無統(tǒng)計學(xué)意義，可能是因?yàn)樵谥冕斍皩?dǎo)航模板的定位增加了手術(shù)時間。需要注意的是，3D打印定位導(dǎo)航模板技術(shù)的應(yīng)用可能會增加醫(yī)療成本，尤其對于多節(jié)段的脊柱畸形矯形手術(shù)，可能會限制其進(jìn)一步推廣應(yīng)用。因此，對于無解剖變異的短節(jié)段脊柱外科手術(shù)，不常規(guī)推薦使用此項(xiàng)技術(shù)。

本研究的局限性：①納入病例較少，置入螺釘僅118枚，且尚未對患者進(jìn)行術(shù)后隨訪。②未開展病例對照研究，對于3D打印定位導(dǎo)航模板能否明顯提高脊柱畸形矯形手術(shù)的置釘準(zhǔn)確率并減少術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生，還需進(jìn)一步探討。綜上，準(zhǔn)確置入椎弓根螺釘在脊柱畸形矯形手術(shù)中具有一定挑戰(zhàn)性，本研究顯示，3D打印定位導(dǎo)航模板在手術(shù)規(guī)劃方面具有一定優(yōu)勢，定位導(dǎo)航模板輔助置釘準(zhǔn)確性和安全性較高，具有一定的臨床推廣價值。