3D打印導(dǎo)板引導(dǎo)骶髂螺釘置釘實(shí)驗(yàn)與臨床準(zhǔn)確性評(píng)價(jià)

游木榮，董書(shū)輝，樊志強(qiáng)，葉海民，董謝平，鄒華春

(1.江西省人民醫(yī)院，南昌醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院骨科，江西 南昌 330006；2.江西省贛州市大余縣人民醫(yī)院骨科，江西 贛州 341500；3.江西省人民醫(yī)院，南昌醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院影像科，江西 南昌 330006)

骨盆后環(huán)骨折脫位包括骶髂關(guān)節(jié)損傷及骶骨垂直骨折，使用骶髂關(guān)節(jié)螺釘固定生物力學(xué)良好。由于骶髂螺釘進(jìn)釘點(diǎn)缺乏可靠的骶髂解剖及放射學(xué)標(biāo)志，徒手經(jīng)皮C型臂透析下置釘容易導(dǎo)致螺釘錯(cuò)位、癥狀性的髂血管損傷、L5及骶神經(jīng)的損傷[1-5]。臨床上多種新型的導(dǎo)航裝置被應(yīng)用[6-8]，如O-ARM導(dǎo)航系統(tǒng)、雙平面機(jī)器人導(dǎo)航等，這些先進(jìn)的輔助置釘技術(shù)提高了置釘?shù)陌踩院途_性，但儀器設(shè)備費(fèi)用昂貴、操作復(fù)雜、成本高，因此難以在國(guó)內(nèi)普及使用，亟待一種簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)、有效的置釘方法。

目前，采用數(shù)字化相關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)的3D打印手術(shù)導(dǎo)航模板被廣泛運(yùn)用到骨科手術(shù)中，國(guó)內(nèi)許多醫(yī)院臨床上已將其應(yīng)用于輔助骶髂螺釘置釘，能有效防止置釘產(chǎn)生的醫(yī)源性問(wèn)題[9-10]。作者在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種專門用于引導(dǎo)骶髂螺釘置釘?shù)膫€(gè)體化3D打印導(dǎo)板，并進(jìn)行體外骨盆標(biāo)本實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)其準(zhǔn)確性與安全性，同期將該方法用于臨床，獲得較好的臨床效果，現(xiàn)報(bào)道如下。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)標(biāo)本 選取正常成人骨盆骨骼標(biāo)本8具(南昌大學(xué)醫(yī)學(xué)院解剖教研室提供)，其中男5具，女3具。肉眼觀及CT檢查無(wú)畸形及病理性變異，徹底剔除骨盆前后方軟組織，保留骶髂關(guān)節(jié)周圍韌帶及恥骨聯(lián)合韌帶，暴露完整的骨盆，將制備好的標(biāo)本干燥后備用。

1.2 骶髂關(guān)節(jié)螺釘導(dǎo)板的研制 所有骨盆標(biāo)本均采用CT薄層掃描，數(shù)據(jù)以DICOM格式導(dǎo)入Mimics 19.0軟件，創(chuàng)建骨盆三維數(shù)字模型；在Mimics中的medcad模塊中建立圓柱體模擬骶髂關(guān)節(jié)螺釘進(jìn)行置釘，S1椎體內(nèi)設(shè)計(jì)2個(gè)釘?shù)溃琒2椎體內(nèi)設(shè)計(jì)單個(gè)釘?shù)?，釘?shù)啦怀^(guò)骶骨中線。把骨盆的三維模型導(dǎo)入Geomagic Studio中，延長(zhǎng)模擬的骶髂螺釘通道，讓其穿出后方髂骨外板，選取髂后上棘合適的范圍，設(shè)計(jì)進(jìn)針導(dǎo)板底座，建立虛擬的骶髂螺釘導(dǎo)板，利用光敏樹(shù)脂材料，通過(guò)3D打印技術(shù)將導(dǎo)板實(shí)體制作出來(lái)，每具骨盆標(biāo)本設(shè)計(jì)左右2個(gè)骶髂螺釘導(dǎo)板，共打印出16個(gè)導(dǎo)板。體外將導(dǎo)板和標(biāo)本骨盆髂后上棘貼合，進(jìn)行骶髂關(guān)節(jié)螺釘進(jìn)針模擬，觀察模板的準(zhǔn)確性(見(jiàn)圖1)。

a 3D打印骶髂螺釘置釘導(dǎo)板設(shè)計(jì) b 骨盆三維重建與計(jì)算機(jī)模擬骶髂螺釘導(dǎo)板輔助置釘 c 骶髂螺釘置釘導(dǎo)板實(shí)物圖 d 骨盆標(biāo)本骶髂螺釘導(dǎo)板引導(dǎo)下置釘

1.3 骨盆標(biāo)本實(shí)驗(yàn)方法 將8具骨盆標(biāo)本分別俯臥位固定于實(shí)驗(yàn)臺(tái)，選取與之相對(duì)應(yīng)的2套導(dǎo)板，將導(dǎo)板和髂后上棘表面及髂骨后外板緊貼牢固，導(dǎo)板無(wú)晃動(dòng)，將直徑2.5 mm的克氏針導(dǎo)針經(jīng)導(dǎo)板空心導(dǎo)向孔鉆入，經(jīng)髂骨外板、骶髂關(guān)節(jié)進(jìn)入骶椎體內(nèi)；測(cè)深、攻絲后沿導(dǎo)針擰入直徑7.3 mm合適長(zhǎng)度的空心螺釘。每具骨盆標(biāo)本均行雙側(cè)骶髂關(guān)節(jié)螺釘置入，共置入48枚螺釘。

1.4 置釘準(zhǔn)確性評(píng)價(jià) 將8具實(shí)驗(yàn)后的骨盆標(biāo)本分別行CT掃描及三維重建，通過(guò)冠狀面、矢狀面、橫斷面來(lái)判斷螺釘?shù)奈恢?，并攝骨盆正位、入口位、出口位X線片，最后對(duì)標(biāo)本進(jìn)行剖開(kāi)，觀察螺釘?shù)奈恢?。通過(guò)X線、CT、標(biāo)本剖開(kāi)的方法檢驗(yàn)螺釘置入的準(zhǔn)確性(見(jiàn)圖2)。置釘準(zhǔn)確性參照Smith等[11]介紹的方法，(1)0級(jí)：螺釘完全位于骶椎椎體內(nèi)；(2)Ⅰ級(jí)：螺釘穿破椎骶椎前皮質(zhì)或椎管皮質(zhì)或骶孔，穿出部分2 mm；(3)Ⅱ級(jí)：螺釘穿破椎骶椎前皮質(zhì)或椎管皮質(zhì)或骶孔，穿出部分4 mm；(4)Ⅲ級(jí)：螺釘穿破椎骶椎前皮質(zhì)或椎管皮質(zhì)或骶孔，穿出部分4 mm。0級(jí)定義為置釘準(zhǔn)確。

2 臨床應(yīng)用

2.1 一般資料 回顧性分析2017年6月到2020年12月江西省人民醫(yī)院共有12例骨盆后環(huán)損傷患者采用3D打印導(dǎo)板輔助骶髂關(guān)節(jié)螺釘固定。其中男10例，女2例；年齡19～62歲，平均(35.75±11.58)歲。所有患者均簽署知情同意書(shū)，且通過(guò)醫(yī)院倫理專家委員會(huì)審核通過(guò)。受傷機(jī)制：交通事故傷7例，高處墜落傷3例，施工擠壓傷2例。按Tile分型：B2型2例，B3型3例，C1型1例，C2型5例，C3型1例。其中骶髂關(guān)節(jié)脫位2例，Denis Ⅰ區(qū)骨折4例，Denis Ⅱ區(qū)骨折6例；2例合并雙側(cè)恥骨支骨折，3例合并髖臼骨折，4例合并四肢骨折，4例合并顱腦及腹腔臟器破裂。

a X線片 b CT冠狀面 c CT橫斷面 d 標(biāo)本剖開(kāi)

2.2 治療方法 入院后對(duì)骶髂關(guān)節(jié)脫位或骶骨骨折移位的患者進(jìn)行骨牽引復(fù)位，待垂直移位糾正后再進(jìn)行骨盆CT薄層掃描，數(shù)據(jù)以Dicom格式導(dǎo)入計(jì)算機(jī)。按照上述實(shí)驗(yàn)研究中的方法進(jìn)行3D建模及骶髂螺釘置釘導(dǎo)板設(shè)計(jì)，3D打印得到1∶1的骨盆骨折模型及配套的骶髂螺釘置釘導(dǎo)板，將導(dǎo)板與打印的骨盆骨折復(fù)位模型貼附，術(shù)前演練觀察導(dǎo)板引導(dǎo)置釘準(zhǔn)確。

患者全麻，取俯臥位，沿髂后上棘表面皮膚做6 cm切口，剝離周圍的軟組織，顯露髂后上棘及周圍部分髂嵴。按術(shù)前演練的方法將導(dǎo)板基座緊密貼附于髂嵴及髂骨外板表面，確認(rèn)貼附緊密無(wú)松動(dòng)后沿導(dǎo)板導(dǎo)向孔用電鉆鉆入1枚直徑2.5 mm、長(zhǎng)25 cm的克氏針，根據(jù)術(shù)前設(shè)計(jì)模擬螺釘長(zhǎng)度控制克氏針進(jìn)入深度，C型臂X線機(jī)透視骨盆正側(cè)位、出入口位，仔細(xì)確認(rèn)克氏針位置及進(jìn)入深度。取下導(dǎo)板，再次準(zhǔn)確測(cè)量螺釘置入長(zhǎng)度后，擰入直徑7.3 mm空心拉力螺釘，C型臂再次透視確認(rèn)骨盆骨折復(fù)位情況及螺釘位于骶椎椎體內(nèi)，拔除克氏針，沖洗后縫合傷口。

2.3 置釘準(zhǔn)確性評(píng)估 術(shù)后均復(fù)查骨盆正位、出口位及入口位X線片、CT平掃及三維重建。按Matta評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[12]進(jìn)行影像學(xué)評(píng)估骨盆骨折復(fù)位質(zhì)量：骨盆后環(huán)分離移位4 mm為優(yōu)；4～10 mm為良；11～20 mm為可；20 mm為差。置釘準(zhǔn)確性參照Smith等[11]介紹的方法，(1)0級(jí)：螺釘完全位于骶椎椎體內(nèi)；(2)I級(jí)：螺釘穿破椎骶椎前皮質(zhì)或椎管皮質(zhì)或骶孔，穿出部分2 mm；(3)Ⅱ級(jí)：螺釘穿破椎骶椎前皮質(zhì)或椎管皮質(zhì)或骶孔，穿出部分4 mm；(4)Ⅲ級(jí)：螺釘穿破椎骶椎前皮質(zhì)或椎管皮質(zhì)或骶孔，穿出部分4 mm。0級(jí)定義為置釘準(zhǔn)確。末次隨訪采用Majeed功能評(píng)分系統(tǒng)[13]，評(píng)價(jià)內(nèi)容包括疼痛、工作、坐、性生活、站5個(gè)指標(biāo)，總分為100分。85～100分為優(yōu)，70～84分為良，55～69分為中，<55分為差。

3 結(jié) 果

3.1 實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果 本實(shí)驗(yàn)8具標(biāo)本共使用骶髂關(guān)節(jié)螺釘導(dǎo)板16個(gè)，雙側(cè)骶髂關(guān)節(jié)共置入螺釘48枚，模擬置釘實(shí)驗(yàn)過(guò)程順利，操作簡(jiǎn)便，導(dǎo)航模板貼合錨定性良好，所有螺釘均順利置入。通過(guò)對(duì)置釘后骨盆標(biāo)本三維CT橫斷面、矢狀面、冠狀面進(jìn)行觀察，結(jié)合骨盆X線片及標(biāo)本剖開(kāi)螺釘?shù)奈恢茫Y(jié)果顯示：置入的48枚螺釘中，0級(jí)45枚，Ⅰ級(jí)2枚，Ⅱ級(jí)1枚，螺釘置入準(zhǔn)確率93.75%(45/48)。

3.2 臨床應(yīng)用結(jié)果 本研究12例均獲隨訪，隨訪時(shí)間12～23個(gè)月，平均(17.08±5.07)個(gè)月。無(wú)螺釘松動(dòng)、斷裂、移位現(xiàn)象，無(wú)一例發(fā)生醫(yī)源性血管、神經(jīng)損傷并發(fā)癥?？偣仓萌膑诀穆葆?6枚，按照Smith法判定準(zhǔn)確性：25枚完全位于骶椎椎體內(nèi)，判定為0級(jí)，準(zhǔn)確率96.15%；僅1枚穿出骶椎進(jìn)入骶管評(píng)為Ⅰ級(jí)(3.85%)。術(shù)后根據(jù)Matta影像學(xué)評(píng)估復(fù)位情況：優(yōu)10例，良2例。末次隨訪依據(jù)Majeed功能評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)[13]：優(yōu)8例，良4例。

3.3 典型病例 41歲男性患者，因“骨盆機(jī)器擠壓傷后2 h”入院，入院診斷：骨盆骨折C3型、尿道斷裂。急診在泌尿外科行腔鏡下尿道會(huì)師恥骨上膀胱造瘺術(shù)后10 d轉(zhuǎn)入骨科，病情平穩(wěn)后(外傷后17 d)在全麻下行3D打印導(dǎo)板引導(dǎo)下的C3型骨盆骨折全螺釘內(nèi)固定術(shù)。術(shù)后復(fù)查X線片及三維CT，結(jié)果顯示骶髂關(guān)節(jié)螺釘位置良好(見(jiàn)圖3～8)。

4 討 論

4.1 骶髂關(guān)節(jié)螺釘置入技術(shù)現(xiàn)狀 骶髂關(guān)節(jié)螺釘固定是治療復(fù)雜不穩(wěn)定骨盆后環(huán)損傷的金標(biāo)準(zhǔn)[14-16]。目前常用的骶髂螺釘固定方式有：1枚S1螺釘、1枚S2螺釘、2枚S1螺釘、1枚S1+1枚S2、2枚S1+1枚S2、S1貫穿螺釘?shù)?，可以?jīng)皮或切開(kāi)置入。經(jīng)皮骶髂螺釘創(chuàng)傷小，固定牢靠，患者功能恢復(fù)快，但是由于骶髂關(guān)節(jié)及骶骨復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)，骶髂螺釘準(zhǔn)確放置要求醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)豐富，術(shù)前規(guī)劃細(xì)致，才能防止醫(yī)源性骶骨周圍神經(jīng)血管等結(jié)構(gòu)損傷風(fēng)險(xiǎn)[17-19]。最佳的骶髂螺釘置釘關(guān)鍵在于進(jìn)釘點(diǎn)及螺釘通道的設(shè)計(jì)，理想的骶髂螺釘路徑是經(jīng)髂骨穿過(guò)骶髂關(guān)節(jié)進(jìn)入骶椎椎體內(nèi)，不穿透骶椎皮質(zhì)，不損傷馬尾神經(jīng)、髂血管、L5S1神經(jīng)根及椎間隙。為避免這種潛在的并發(fā)癥，臨床上已有多種先進(jìn)的技術(shù)被應(yīng)用于輔助置釘[20-23]，包括O-ARM導(dǎo)航系統(tǒng)、骨科手術(shù)機(jī)器人、3D打印釘?shù)缹?dǎo)板、體外導(dǎo)向裝置等。O-ARM導(dǎo)航由手術(shù)透視系統(tǒng)、圖像顯示系統(tǒng)和手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)組成，可提供實(shí)時(shí)的三維圖像，直觀顯示螺釘和重要解剖結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置。在虛擬導(dǎo)針的引導(dǎo)下置入螺釘，明確提高置釘準(zhǔn)確性，較傳統(tǒng)的C型臂透視能明顯節(jié)約手術(shù)時(shí)間，透視次數(shù)少，但采集圖像需要大量時(shí)間，設(shè)備操作復(fù)雜。骨科手術(shù)機(jī)器人根據(jù)術(shù)前成像、術(shù)中實(shí)時(shí)跟蹤和機(jī)械手臂輔助進(jìn)行位置規(guī)劃，能顯著提高螺釘置入的精準(zhǔn)度，X線輻射量低，減少放射暴露的風(fēng)險(xiǎn)，可用于經(jīng)皮骶髂螺釘內(nèi)固定手術(shù)，但是儀器設(shè)備費(fèi)用昂貴、成本高、難以在國(guó)內(nèi)普及使用。目前哪種技術(shù)輔助骶髂關(guān)節(jié)螺釘置入為最佳尚無(wú)定論。

圖3 術(shù)前X線片示C3型骨盆骨折 圖4 術(shù)前三維CT示C3型骨盆骨折 圖5 骨盆3D打印骶髂螺釘導(dǎo)板、螺釘通道虛擬路徑設(shè)計(jì)

圖6 術(shù)中骶髂螺釘導(dǎo)板引導(dǎo)下置入骶髂關(guān)節(jié)螺釘 圖7 術(shù)后X線片示骶髂螺釘位置滿意 圖8 術(shù)后三維CT示骶髂螺釘位置滿意

4.2 3D打印導(dǎo)板輔助骶髂螺釘置釘?shù)膬?yōu)勢(shì) 3D打印導(dǎo)板是基于骨盆CT掃描數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)字化軟件三維重建后，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的釘?shù)缹?dǎo)向模板，實(shí)現(xiàn)了個(gè)體化、精準(zhǔn)化的手術(shù)治療，為置入骶髂螺釘提供了一種簡(jiǎn)便的導(dǎo)航裝置[24-26]。與傳統(tǒng)的C型臂透視置釘法比較，該技術(shù)可在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行細(xì)致的術(shù)前規(guī)劃，模擬設(shè)計(jì)骶髂關(guān)節(jié)螺釘進(jìn)釘點(diǎn)、導(dǎo)針角度及螺釘置入長(zhǎng)度，運(yùn)用3D打印技術(shù)得到1∶1骨盆骨折模型，術(shù)前在模型上模擬手術(shù)，術(shù)中通過(guò)導(dǎo)板完成螺釘?shù)闹萌?，降低了手術(shù)難度，臨床實(shí)用價(jià)值較高。陳宣煌等[27]選用30例3D打印的骨盆模型，在置釘開(kāi)始前先通過(guò)Mimics軟件預(yù)測(cè)出骶髂螺釘進(jìn)釘點(diǎn)和螺釘通道，再使用3D打印導(dǎo)航模板輔助置釘操作。結(jié)果表明：在骶髂螺釘置釘過(guò)程中，采用Mimics軟件術(shù)前設(shè)計(jì)的螺釘與3D打印導(dǎo)航模板輔助置釘操作的實(shí)際效果高度一致，臨床應(yīng)用價(jià)值高。劉毅等[28]采用該方法治療5例患者，先獲取患者術(shù)前骨盆CT掃描數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)建模并設(shè)計(jì)骶髂關(guān)節(jié)螺釘進(jìn)釘點(diǎn)和骨性通道及配套的釘?shù)缹?dǎo)板，3D打印出骨盆骨折模型和導(dǎo)板實(shí)體，在術(shù)前進(jìn)行預(yù)手術(shù)，術(shù)中共置入5枚骶髂關(guān)節(jié)螺釘。結(jié)果表明：運(yùn)用3D打印導(dǎo)板引導(dǎo)骶髂螺釘置釘，手術(shù)時(shí)間短，透視少，置釘準(zhǔn)確，術(shù)后優(yōu)良率高。Wu等[29]回顧性分析37例骶骨骨折患者，共置入73枚骶髂螺釘，其中19例患者采用3D打印導(dǎo)板輔助共置入42枚螺釘(30枚S1，12枚S2)。首先利用CT數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)上構(gòu)建骨盆三維模型，計(jì)算機(jī)模擬S1和S2骶髂螺釘置入，并設(shè)計(jì)了一款由底板和導(dǎo)管組成組配式3D打印導(dǎo)航模板，可以置入多枚螺釘，通過(guò)大約5 cm的切口和剝離骨面軟組織，貼合導(dǎo)板，順利置入螺釘，準(zhǔn)確性高，透視少，手術(shù)時(shí)間短，避免了骨盆醫(yī)源性結(jié)構(gòu)損傷。Yang等[30]回顧性研究了40例骶髂螺釘固定患者，分為體外模板組(22例37枚)和常規(guī)C型臂X線機(jī)透視組(18例22枚)，比較兩組間每枚螺釘?shù)氖中g(shù)時(shí)間、透視照射時(shí)間、螺釘穿準(zhǔn)確性率。結(jié)果兩組差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，體外導(dǎo)板為經(jīng)皮髂骶螺釘置入提供了一個(gè)準(zhǔn)確和安全的導(dǎo)航工具，可減少置釘手術(shù)時(shí)間和透視輻射的風(fēng)險(xiǎn)。

本實(shí)驗(yàn)中采用8具骨盆標(biāo)本模型薄層CT掃描，在實(shí)驗(yàn)前先通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬出骶髂螺釘虛擬釘?shù)肋M(jìn)釘點(diǎn)及方向，設(shè)計(jì)出導(dǎo)板模型并3D打印，將導(dǎo)板帖服于髂后上棘，通過(guò)導(dǎo)板輔助置釘，結(jié)果顯示所有螺釘均順利置入，CT三維重建評(píng)估置釘準(zhǔn)確率為93.75%。同期采用該方法治療12例骨盆骨折患者，共置入骶髂螺釘26枚，25枚完全位于骶椎椎體內(nèi)，準(zhǔn)確率為96.15%；另外1枚穿出骶椎進(jìn)入骶管評(píng)為2級(jí)(3.85%)，但沒(méi)有骶神經(jīng)癥狀。術(shù)后根據(jù)Matta影像學(xué)評(píng)定復(fù)位情況：優(yōu)10例，良2例；末次隨訪依據(jù)Majeed功能評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)：優(yōu)8例，良4例。因此，臨床手術(shù)中應(yīng)用3D打印骶髂螺釘導(dǎo)板結(jié)合實(shí)時(shí)C型臂X線機(jī)，透視克氏針導(dǎo)針在骨盆骶髂關(guān)節(jié)內(nèi)的位置及進(jìn)入深度，可提高置入骶髂關(guān)節(jié)螺釘?shù)臏?zhǔn)確性。進(jìn)一步證明3D打印導(dǎo)板輔助置入骶髂螺釘準(zhǔn)確性及安全性較高，療效確切。

4.3 3D打印導(dǎo)板輔助骶髂螺釘置釘?shù)木窒扌?3D打印導(dǎo)板輔助骶髂螺釘置釘有一定的缺陷，僅適用于骶髂關(guān)節(jié)脫位或骶骨骨折通過(guò)牽引能基本復(fù)位者，如果無(wú)法閉合復(fù)位，需要切開(kāi)行骶髂關(guān)節(jié)復(fù)位后才能行骶髂螺釘固定；如果骶骨骨折同時(shí)合并骶神經(jīng)癥狀，需先行骶管切開(kāi)減壓骶神經(jīng)探查。導(dǎo)板的正確放置至關(guān)重要，如導(dǎo)板與骨面帖服有誤差，也可能會(huì)導(dǎo)致螺釘位置偏移引起醫(yī)源性損害，且放置導(dǎo)板時(shí)需切開(kāi)剝離導(dǎo)板底座骨面的軟組織，顯露髂后上棘骨性標(biāo)志，較傳統(tǒng)經(jīng)皮置釘創(chuàng)傷更大。同時(shí)也需要結(jié)合術(shù)中C型臂透視確認(rèn)導(dǎo)針位置，才能實(shí)現(xiàn)一次性置釘。

綜上所述，3D打印個(gè)體化導(dǎo)板輔助骶髂螺釘置釘準(zhǔn)確、安全、有效，降低了手術(shù)難度，操作簡(jiǎn)便，設(shè)備要求低，適合基層醫(yī)院推廣。