應用透明三維打印模型輔助樞椎后路內固定置釘?shù)臏蚀_性和安全性

郝帥 馬迅 張彥男 趙浩亮 馮皓宇 柳青青

椎動脈V2段是自C6橫突孔下緣至C2橫突孔上緣的部分。該段頭端位于樞椎側塊內，向內向上走行并“侵占”樞椎側塊外側。有時該段椎動脈過度向內向上偏移，致樞椎椎弓根直徑狹小，在置入椎弓根釘時易向外損傷椎動脈，向內損傷頸脊髓，引起大出血、脊髓損傷及腦缺血等嚴重并發(fā)癥[1-2]。因此，術前必須明確椎動脈高跨向內和向上偏移程度，必要時放棄椎弓根釘內固定術而改用椎板螺釘內固定術。近年來三維打印技術在上頸椎手術規(guī)劃中的應用方興未艾。通過將患者頸椎CT平掃數(shù)據進行三維重建后打印模型，可以直觀認識上頸椎畸形、骨折的形態(tài)及椎動脈在骨質外的走行[3]。但是，椎動脈自遠端向近端進入樞椎側塊骨質內部后，受限于模型的不透明性，無法從外部觀察椎動脈在側塊內部對椎弓根的擠壓程度，亦不能準確判斷樞椎椎弓根直徑，依然需要通過頸椎CT平掃對樞椎椎弓根直徑及高跨程度進行評估。本研究采用以透明光敏樹脂為原料，通過光固化三維打印機制作的患者樞椎透明模型，可從外部觀察樞椎側塊內椎動脈向內和向上移位程度，評估樞椎椎弓根釘?shù)闹冕斂尚行?，為內固定方式的選擇及置釘操作提供指導。

資料與方法

一、資料

1.一般臨床資料：對2018年6月至2021年3月山西醫(yī)科大學第三醫(yī)院骨科行寰樞椎后路內固定術治療的患者45例的臨床資料進行回顧性分析。其中男25例，女20例；年齡(47.36±12.84)(23～70)歲；損傷包括齒突骨折32例、樞椎椎弓骨折11例和游離齒突伴頸脊髓損傷2例。依據輔助螺釘置入方法將全部病例分為模型組(19例)與徒手組(26例)，兩組患者一般臨床資料見表1。所有手術由2名高年資脊柱外科專業(yè)醫(yī)生完成。所有患者均簽署手術同意書；該研究符合《赫爾辛基宣言》原則。

表1 兩組患者術前一般臨床資料的比較

2.病例納入與排除標準：(1)病例納入標準：①行寰樞椎后路手術；②行內固定術；③圍手術期影像學資料及隨訪資料完整；④術中麻醉后經3～6 kgf顱環(huán)牽引可見寰樞椎復位良好。(2)病例排除標準：①難復性寰樞椎脫位；②既往有上頸椎手術史；③存在上頸椎感染或腫瘤；④行前路手術。

3.設備與材料：本研究使用的主要設備與材料包括Optima CT660 64層CT掃描機(西門子公司，德國)、西門子syngo.via工作站(西門子公司，德國)、Mimics 21.0軟件(Materialise公司，比利時)、Photon Workshop軟件(縱維立方 Photon Mono公司，中國)、高精度光固化打印機(縱維立方 Photon Mono公司，中國)和透明樹脂(縱維立方 Photon Mono公司，中國)等。

二、方法

1.三維打印模型的制作：對全部患者行頸椎橫斷面螺旋CT平掃(管電壓120 kV，視野3 mm×310 mm，矩陣512×512，螺距1.0 mm，層厚0.75 mm)，掃描范圍自顱底至T1椎體。將患者頸椎CT檢查DICOM數(shù)據導入Mimics 21.0軟件，通過蒙版建立、分割相鄰椎骨和重建三維模型形成STL格式文件。將模型組患者STL格式文件導入Photon Workshop軟件，處理后生成pwmx格式文件，再導入高精度光固化打印機，以透明樹脂為原料進行打印。將打印完成的模型以95%乙醇溶液清洗干凈，去除支撐，再采用紫外線固化機進行固化，待模型表面樹脂和乙醇風干后于表面涂抹拋光油使模型透明度增高。

2.術前規(guī)劃：觀察樞椎模型雙側側塊，于椎動脈在側塊內走行處表面涂抹紅色顏料，即可從模型外部觀察椎動脈在側塊內向上和向內移位程度，并于模型上方觀察椎動脈內移程度，于模型上測量側塊內高度、椎弓根高度及椎弓根寬度。對徒手組患者通過頸椎CT軸位和矢狀位像測量側塊內高度(椎動脈頂部至樞椎上關節(jié)面的距離)、椎弓根高度(椎弓根上極至椎動脈頂部的最短距離)及椎弓根寬度(于選擇過椎弓根長軸中間的軸位層面測量)。對每例患者根據測量結果確定采用椎弓根釘內固定或椎板螺釘內固定術。單側或雙側樞椎椎弓根寬度<4 mm不宜行樞椎椎弓根釘置釘[4-5]。對陳舊性齒突骨折和游離齒突伴頸脊髓損傷患者行后路內固定術后需一期行取髂骨植骨術；對樞椎椎弓骨折患者采用后路樞椎椎弓根拉力螺釘；對新鮮齒突骨折患者行寰樞椎后路內固定術。

3.術前準備：對所有患者行頸椎正側位X線、頸椎CT平掃、頸部動脈CTA及頸椎MRI檢查。

4.手術操作：(1)模型組：采用全身麻醉?；颊呷「┡P位。將患者頭部固定在馬蹄形面架上，保持顱環(huán)牽引，牽引力為3～6 kgf，經“C”型臂X線機透視確認復位滿意。常規(guī)消毒鋪單。取后正中入路切口，自枕骨隆凸至C2棘突下方，逐層切開顯露枕骨、寰椎后弓、樞椎棘突、椎板、椎弓根及側塊骨質。于寰椎后結節(jié)中點外18～20 mm后弓處，以經后弓下緣2 mm水平線和寰椎側塊中央垂線的交點為進釘點，向內傾斜10°～15°，向上傾斜約6°，置入3.5 mm萬向螺釘[6-7]。根據術前透明模型所規(guī)劃的置釘角度行樞椎置釘；依據通過模型測得的側塊內高度、椎弓根高度及椎弓根寬度確定采用樞椎椎弓根釘或樞椎椎板螺釘。樞椎椎弓根進釘點位于樞椎下關節(jié)背面內上象限中點，進釘方向依據模型測量結果向內側成角10°～15°，向上成角20°～30°置入3.5 mm萬向螺釘[6-7]。采用樞椎椎板螺釘時，于樞椎椎板中1/3和下1/3與棘突根部交點處，與椎板平行置入3.5 mm萬向螺釘。(2)徒手組：寰椎后路椎弓根釘置釘方式同模型組。術前通過CT測量樞椎側塊內高度、椎弓根高度和椎弓根寬度，并依此確定采用樞椎椎弓根釘或樞椎椎板螺釘。對兩組患者完成置釘后行寰樞釘棒固定，植入自體髂骨松質骨(樞椎椎弓骨折和新鮮齒突骨折患者無需植骨)。術區(qū)以生理鹽水沖洗后放置負壓引流管1枚，逐層縫合，以無菌敷料覆蓋，術畢。

5.術后處理：囑患者臥床休息，頸托制動，軸向翻身。24 h引流量<30 ml拔除引流管?；颊咝g后3 d在頸托制動下下地行走。術后常規(guī)行頸椎張口位、側位及頸椎CT檢查，必要時行頸椎過伸和過屈位X線檢查。

6.隨訪：術后6，12個月行門診隨訪，復查頸椎正側位X線及頸椎CT，并對患者疼痛程度和頸椎功能進行評價。

7.評價指標：通過CT采用Kawaguchi等[8]提出的方法對樞椎椎弓根釘置釘?shù)臏蚀_性進行評價：0級為螺釘完全位于椎弓根內；1級為螺釘穿出椎弓根內側或外側骨皮質距離≤2 mm，但未出現(xiàn)神經和椎動脈損傷等并發(fā)癥；2級為螺釘穿出椎弓根骨皮質距離>2 mm，但未出現(xiàn)神經和椎動脈損傷等并發(fā)癥；3級為出現(xiàn)神經或椎動脈損傷等置釘相關并發(fā)癥。0～2級置釘為準確置釘。椎板螺釘未突破對側椎板內外骨皮質為準確置釘。采用疼痛視覺模擬評分(visual analogue scale，VAS)和日本骨科協(xié)會(Japanese Orthopedic Association，JOA)評分對手術效果進行評價。對兩組患者的術中脊髓和椎動脈損傷情況、手術時間、術中出血量以及術前、術后1周和末次隨訪的VAS和JOA評分進行比較。

結 果

對所有患者均順利實施手術。模型組置入樞椎椎弓根釘33枚、椎板螺釘5枚，樞椎椎弓根釘位置0級23枚(69.7%)，1級10枚(30.3%)，無2級和3級置釘；徒手組置入樞椎椎弓根釘48枚，椎板螺釘4枚，樞椎椎弓根釘位置0級20枚(41.7%)，1級22枚(45.8%)，2級6枚(12.5%)，無3級置釘。兩組患者椎板螺釘均位于樞椎椎板骨質內。模型組樞椎椎弓根釘置釘準確率優(yōu)于徒手組(P=0.006)(表2)。所有患者獲隨訪(8.4±8.6)(6～12)個月。兩組患者手術時間、術中出血量以及術前JOA評分和VAS評分差異無統(tǒng)計學意義(均P>0.05)；兩組患者術后1周與末次隨訪的VAS評分和JOA評分均較術前有明顯改善(均P<0.05)，組間差異均無統(tǒng)計學差異(均P>0.05)(表3)。兩組均未見術中脊髓及椎動脈損傷。末次隨訪時所有患者均獲得骨性融合，未見內固定松動、錯位和斷裂。

表2 兩組患者樞椎椎弓根釘置釘準確性的比較[枚(%)]

表3 兩組患者各項評價指標的比較

典型病例見圖1，2。

圖1 患者，女，45歲。主因摔傷致頸部疼痛伴四肢麻木無力6 h入院。診斷為游離齒突伴頸脊髓損傷。行寰樞椎后路椎弓根釘內固定+取髂骨植骨術治療 A 術前頸椎CT示游離齒突 B 頸椎MRI示樞椎后方脊髓損傷 C 透明模型上面觀，紅色顏料處為椎動脈溝，游標卡尺測量左右兩側椎弓根寬度(黃色標記線之間距離)分別為5.30 mm和5.21 mm D 術后X線示內固定位置滿意 E 術后CT示雙側樞椎椎弓根釘位置均為Kawaguchi分級0級 圖2 患者，男，70歲。主因摔傷后頸痛伴四肢麻木無力半年入院。診斷為陳舊性齒突骨折。行寰樞椎后路椎弓根釘內固定+樞椎椎板內固定+取髂骨植骨術治療 A 術前頸椎CT示陳舊性齒突骨折 B 頸椎MRI示樞椎后方脊髓受壓，局部水腫信號 C 術前CT平掃見樞椎右側椎弓根直徑較窄 D 透明模型上面觀，紅色顏料處為椎動脈溝，游標卡尺測量左右兩側椎弓根寬度(黃色標記線之間距離)分別為6.12 mm和3.27 mm E 術后X線示內固定位置滿意 F 術后CT示左側樞椎椎弓根釘位置為Kawaguchi分級1級，椎板螺釘位置滿意

討 論

椎弓根釘廣泛應用于枕頸、寰樞椎和下軸脊柱病變的治療，被認為是最強的頸椎內固定裝置[9-10]。然而，樞椎解剖結構的變化可能使椎弓根釘置入技術具有挑戰(zhàn)性，置釘失敗容易導致椎動脈損傷[11-12]。醫(yī)源性椎動脈損傷是上頸椎手術的嚴重并發(fā)癥之一，可能導致動靜脈瘺、血栓形成、假性動脈瘤、腦動脈栓塞和腦缺血，甚至患者發(fā)生病死等諸多災難性后果。椎動脈部分位于樞椎椎骨包繞的管道之中，向內并向上擠壓樞椎側塊，形成位于側塊內部的倒“L”形骨性管道，因此難以從外觀觀察該管道的形態(tài)與走行。王建華等[13]根據術前CT軸位像測量椎動脈入口與椎管外壁的最小距離和椎動脈球部高度，將樞椎椎動脈孔解剖分為4型，即松散低拐型、緊密高拐型、緊密低拐型和松散高拐型，其中緊密高拐型椎動脈嚴重向內并向上擠壓樞椎椎弓根，被認為是樞椎椎弓根釘置入術的禁忌證。但該分型方法單純基于 CT 軸位像的測量，結果可能受到患者體位及CT掃描的層厚和間距等的影響。Maki等[14]與張艷等[15]采用CT多平面重組技術，在影像學測量軟件上將矢狀位、冠狀位及軸位定位線與樞椎椎弓根軸線重合，獲得樞椎椎弓根的斜冠狀位像，不僅可以顯示樞椎椎弓根的斜冠狀面形態(tài)和直徑，而且能夠從斜冠狀位平面顯示椎動脈與椎弓根的位置關系。雖然CT平掃可以顯示樞椎橫突孔的形態(tài)以及樞椎椎弓根外傾與尾傾的角度和直徑，但由于樞椎橫突孔具有不規(guī)則的立體結構，單純的平面CT影像測量不能從宏觀立體角度評估椎動脈與樞椎椎弓根的位置關系，且多平面重組需要專業(yè)影像分析軟件方可操作。目前全球學者采用的測量方法尚不一致，需要一種直觀立體簡易的術前測量及觀察手段，用以評估樞椎椎弓根釘置釘?shù)目尚行浴?/p>

三維打印技術即增材制造技術，通過對模型數(shù)據的處理，使用打印材料經三維打印機打印立體實物模型，目前在醫(yī)療領域已得到較廣泛的應用。在寰樞椎后路內固定手術的規(guī)劃上，三維打印技術主要通過以下2個方面發(fā)揮作用：一方面是打印術前模型，用以觀察解剖及病變結構，制定手術操作計劃；另一方面是打印手術導板，經滅菌處理后貼合于患者骨質或皮膚表面，用以引導置釘操作。在模型制作方面，現(xiàn)有研究局限于采用聚乳酸、不透明光敏樹脂及尼龍等非透明材料打印模型，使用該類模型輔助手術在提高寰樞椎置釘準確性以及規(guī)避脊髓和椎動脈損傷等方面較傳統(tǒng)徒手置釘有明顯優(yōu)勢[16-17]。但是，由于椎動脈向內并向上擠壓樞椎骨質，單純從外觀上不能觀察到椎動脈向上和向內移動的程度，依然需要通過患者頸椎CT像測量樞椎側塊內高度以及椎弓根的高度和寬度，根據測量結果評估樞椎椎弓根釘置釘?shù)目尚行?。近年來有研究結果證實使用三維打印置釘導板可以提高置釘準確性[18-21]。該技術可規(guī)避椎動脈和脊髓等重要結構的損傷風險，但需要術中充分剝離頸后肌組織，以保證導板與椎板骨質貼合緊密，否則易出現(xiàn)置釘誤差，且導板的制作工藝、打印參數(shù)的設置以及制作設備等尚無統(tǒng)一標準，這些局限性限制了其進一步的推廣和應用。近年來術中實時導航技術、機器人輔助手術技術在脊柱外科取得長足進展，但由于其高昂的采購、使用及維護成本，目前尚無法廣泛普及[23-26]。

為克服上述各種技術的缺點，本研究以透明光敏樹脂為材料，采用光固化打印機精確打印1∶1樞椎透明模型。這種模型具有如下優(yōu)勢：首先，模型的透明度好，將椎動脈管染色后，從模型外觀即可觀察椎動脈向內和向上擠壓側塊的程度；其次，可用游標卡尺在模型上測量椎弓根寬度和側塊內高度，而無需通過頸椎CT進行測量；第三，模型不僅在術前可用于手術指導和規(guī)劃，還可以經環(huán)氧乙烷滅菌后被帶入手術區(qū)域使用，方便術者在術中進行內固定方式和螺釘入釘點的選擇以及對進釘方向的控制；最后，這種模型成本低廉，制作簡單，使用者經過短暫學習即可掌握制作技術，易于推廣。使用這種透明光敏樹脂模型時需要注意如下事項：首先，要采用薄層CT掃描數(shù)據，層厚度≤1 mm，否則將會降低打印精度；其次，光敏樹脂材料與聚乳酸和尼龍等材料不同，在打印成型后需要先用95%乙醇溶液進行充分清洗，將模型表面的未固化樹脂徹底清除，然后置于紫外線固化機內進行固化以增加模型的強度，避免模型發(fā)生變形和斷裂以及未固化的液態(tài)樹脂污染術區(qū)；第三，在模型固化后需要在其表面涂抹拋光劑以使模型表面光滑并增加透明度，利于使用者更好地觀察椎動脈在樞椎側塊內移和上移的程度；最后，如需用于術中指導，應對模型進行低溫等離子滅菌，避免采用蒸汽高壓滅菌，否則會導致模型融化和變形。

本研究存在局限性：為回顧性研究，且樣本量較小，需要進一步擴大樣本量并開展多中心研究以驗證研究結果；采用三維打印透明樞椎模型輔助技術與手術導板相比，在置釘準確性方面是否具備優(yōu)勢，還需要進一步研究探討。

綜上所述， 使用三維打印透明樞椎模型輔助樞椎后路內固定置入手術可以實現(xiàn)對樞椎椎弓根釘置釘可行性的精確評估，提高手術的安全性和置釘?shù)臏蚀_度，同時具備成本低廉和制作簡便的優(yōu)點，適宜得到進一步的推廣和應用。