3D导航模板在治疗寰枢椎骨折辅助置钉中的应用

邓佳燕，吴超，*，林旭，谭伦

(1.自贡市第四人民医院数字医学中心，四川 自贡 643000；2.自贡市第四人民医院骨科中心，四川 自贡 643000)

寰枢椎骨折是上颈椎损伤中较常见的一种情况，约占50%[1-2]。这一类型的骨折极容易导致脊髓和脑干高位损伤，出现脑神经瘫痪、四肢瘫痪和呼吸困难等严重症状，因此对寰枢椎患者采取积极的手术治疗势在必行[3]。然而，寰枢椎复杂的解剖位置关系又给手术置钉带来了极大地困难[4]。随着近年计算机科学和数字医学的快速发展，相对于传统徒手置钉治疗寰枢椎骨折，借助三维建模、模拟手术置钉和3D打印等技术对术中置钉位置和方向提供指导，大大减少手术时间及术中出血量，提高手术的安全性和准确性[5-7]。

1 资料与方法

1.1 一般资料 回顾性分析我院自2015年7月至2016年1月应用3D打印技术辅助寰枢椎螺钉置入的24例患者，其中男性13例，女性11例；年龄38～78岁，平均年龄(59.35±4.02)岁。寰椎骨折11例，枢椎骨折13例。纳入标准：a)不稳定的寰枢椎骨折；b)术前牵引后颈椎X线片提示骨折能基本复位；c)无手术禁忌证；d)随访12个月以上。排除标准：a)先天性或颈椎发育畸形；b)局部炎性反应或肿瘤病变以及椎动脉走向异常导致无法置钉；c)其他特殊原因导致无法置钉；d)全身多发疾病或身体不耐受手术患者。

1.2 方法

1.2.1 寰枢椎的三维建模 获取患者颈椎原始DICOM数据，扫描参数如下：扫面电压120 kv，电流185.25 mAs，矩阵512×512像素，层厚0.625 mm，扫描视野17.3 cm×17.3 cm；将原始DICOM数据导入minics 19.0医学建模软件，选取骨头阈值将脊椎模板分割出来，再运用多层编辑模板和区域增长功能将寰枢椎逐个分割出来，最后重建寰枢椎的三维模型并输出为STL格式用于打印和导航模板的设计。

1.2.2 模拟置钉和导航模板的设计 利用minics 19.0 cad模块功能对以上重建的寰枢椎体的三维模型进行模拟置钉，然后将三维模型沿冠状面切面，切面间隔1 mm，保证在每个切面上圆柱的投影落在椎弓根切面的正中央位置且未突破椎弓根内壁。将寰枢椎模型和模拟针保存为STL格式并导入3-MATIC逆向工程设计软件，运用“brush”反向拉伸"以及布尔运算等功能设计贴合患者寰枢椎的导航模板并输出为STL格式用于打印(见图1～2)。

1.2.3 三维模型的打印 将三维重建寰枢椎患者模型导入快速成型机前处理软件Magics，输出AFI文件，然后将文件转到光固化成型机中(3DS-3600)，以光敏树脂为材料，得到个体化椎体模型和导板模型。结合三维实体模型和患者的其他影像学资料进行手术规划，并在模型上模拟手术操作，熟悉螺钉进钉点和方向，模型包装后采用低温等离子消毒，带入手术室以便术中进一步辅助手术(见图3)。

a 椎体正面 b 椎体背面 c 椎体侧面

图1 三维重建寰枢椎模型

a 安全钉道的设计 b 贴合椎体后缘导板面的设计 c 导板模型

图2 模拟置钉和导板设计

1.2.4 三维模型和导航模板的术中应用 手术步骤：a)全身麻醉后取俯卧位，头架固定颅骨，透视明确寰枢椎位置关系，调整后伸或前倾位，保证寰枢椎位置关系处于正常；b)采用后路切口根据手术要求逐层剥离至显露寰椎后弓和枢椎椎板、棘突及侧块，剥离的时候注意不要损伤寰枕膜和寰枢膜深面的静脉丛和颈髓；c)根据术前设计导板的大小，仔细剥离相应的骨性组织，尽量使导板完全贴敷与骨组织上，在导板导向孔指引下开口，逐一2 mm深度递增钻孔，探查钉道四壁无突破，完成钉道准备。d)插入Mark，X线透视明确置钉位置和方向的安全性和准确性，置入螺钉。

1.2.5 术后效果对比评价 术后CT测量螺钉突破椎弓根内外侧壁的情况，比较置钉合格率；比较术后CT螺钉和术前模拟置钉的内倾角(螺钉与矢状面的夹角)、头倾角(螺钉与上中板面的夹角)和进钉点位置差异无统计学意义(对空间坐标系重定位，坐标原点如图4所示，分别比较术前模拟和术后复查进钉点的三维坐标值有无差异。)

2 结 果

2.1 临床结果 所有患者顺利完成手术，未出现神经损伤加重、大出血等严重并发症。术后随访大于12个月。

a 颈椎实物 b 导板实物 c 颈椎与导板贴合实物

图3 3D打印颈椎和导板实物

注：X轴为冠状面上关节突最低点连线；X轴与椎体前缘相交中点为O点；Y轴过O点垂直于X轴；Z轴过O点垂直于XOY平面

图4 自定义空间坐标系

表1 术后复查枢椎置钉与术前模拟置钉效果对比

表2 术后复查寰椎置钉与术前模拟置钉效果对比

表3 术后复查枢椎置钉与术前模拟置钉入钉点坐标位置比较

表4 术后复查寰椎置钉与术前模拟置钉入钉点坐标位置比较

2.2 术后与术前模拟置钉效果对比 对24位患者共计置钉枢椎26枚，左侧13枚，右侧13枚；寰椎22枚，左侧11枚，右侧11枚。对每一枚螺钉我们分别测量了术前模拟置钉和术后置钉的内倾角(与矢状面的夹角)和头倾角(与中板面的夹角)。对术后与术前模拟置钉的内倾角和头倾角做配对t检验(术前-术后)发现，左侧内倾角、右侧内倾角、左侧头倾角、右侧头倾角比较，差异无统计学意义(P>0.05，见表1～2)。模拟组和手术组置钉入钉点坐标值比较差异无统计学意义(P>0.05，见表3～4)。术前模拟置钉合格率为100%；手术置钉中1级置钉42枚，2级置钉4枚，3级置钉2枚，合格率为95.83%；χ2检验两组合格率比较，差异无统计学意义(χ2=0.495，P=0.247)。

3 讨 论

3.1 3D打印用于颈椎骨折的优势和不足 由于寰枢椎特殊的解剖结构和位置关系，决定了对寰枢椎骨折患者进行手术置钉固定术的高复杂性和高风险性。颈椎椎弓根螺钉固定术是整个脊柱中难度最大的手术，临床医生在手术中都十分谨慎，随着技术的发展和进步，各种导航设备均使用在椎弓根螺钉固定术中，包括光电导航、机器人导航等。但这些导航系统都存在各自的不足，容易因体位的改变导致定位不准确，同时这类设备购买和维护费用昂贵。本研究中我们通过数字化技术和3D打印技术设计导航模板，指导颈椎椎弓根螺钉内固定术，并通过分析进钉点位置和进钉方向对置钉的准确性和安全性进行分析评估，我们发现通过3D打印导板指导颈椎弓根螺钉固定手术能保证置钉的安全性和准确性。国内外一些学者发现，3D打印导航模板能显著减少手术时间、术中出血量、术中投射次数和辐射量、术后并发症等，提高手术效率，与本研究中的结果一致[4]。

准确度是目前3D打印技术最大不足之处，包括对CT数据采集层厚，打印层厚的要求，层厚越小精确度越高，目前的CT扫描层厚和打印层厚对模型的精确度有一定影响。由于CT扫描的体位与术中体位不一致，椎体可能存在一定压迫，导致打印模型与患者椎体存在一定差异，导板贴合面大小的设计不好把握，太大会增加剥离骨面从而增加创伤，太小容易滑动导致定位不准。

3.2 3D导板的设计与手术技巧 术前设计的技巧有：a)3D导板的设计是基于CT扫描数据重建的三维模型，所以原始数据的精确度对后期三维模型重建的真实度影响重大，CT扫描的层厚应该尽可能薄，为保证模型的准确性，层厚最好控制在1 mm以内[8]；b)为了更加精确真实地重建椎体模型，在阈值分割时应根据个体骨组织密度选取最佳阈值重建椎体模型；c)导板设计时贴合骨面的位置，尽量符合手术医师要求，为了减少剥离的创面，这一部分面价应该尽量小，但也要保证贴合稳定，指导正确置钉；d)需要将导板模型进行平滑处理和修复处理，避免毛刺和棱角对患者的伤害；e)在导板上设计把持机构以增强稳定性。

术前准备：a)患者交流沟通时可展示标本，增强患者的信心；b)术前医师可利用标本进行模拟手术，了解术区解剖结构，熟悉手术过程；c)导板消毒应使用低温消毒。术中注意：a)术中切口剥离的大小和位置要精确，保证导板置放位置准确；b)术中通过术前设计的把持结构尽量保持稳定，不要有滑动，以免造成置钉误差；c)术中仍需确认椎弓根内壁位置，2 mm逐一深入，避免发生意外；d)环椎无棘突结构，术中导板容易滑动，术中可参考枢椎位置辅助进行进钉。

3.3 3D打印前景展望 3D是近年来兴起的以三维模型为基础，以塑料、粉末或金属为材料逐层叠加构造物体的一种快速成型方式。近年来，3D打印技术在医学领域的应用也体现了巨大的优势，尤其是在医疗教学、疾病诊断、术前评估和模拟、术后效果评估以及个性化耗材定制等方面[9-10]。

在骨科领域中，由于骨组织的CT值高于其他组织，为前期模型重建的准确性提供了基础，3D打印在骨科手术中应用比较广泛[10]。对于拥有多变解剖结构和复杂病理变化的颈椎骨折患者，运用三维重建、术前模拟和规划、3D打印技术提高手术安全性和准确性，提高手术效率，减少术后并发症，无疑将是未来医疗发展的重要方向[11]。

基于三位重建模型和术前模拟置钉设计的导航模板具有降低手术成本、提高手术准确率、减小创面等优点[11-12]；本研究中设计的3D打印导板，设计过程是经过反复的术前模拟、计算和分析最佳置钉位置和方向设计的，能以最小的创面且最稳固贴合度保证手术的准确性，同时减少手术时间和出血量[1，13]。

随着医疗技术的进步和发展，未来医疗将逐步走向“数字化微创”、“精准化”、“个体化”，而3D打印也为此提供技术支持。以传统制造业相比，3D打印能实现个体化设计，且能满足临床上要求的高精度和高分辨率[5，14]。目前该技术已被大量学者研究并应用于临床，尤其在口腔科、骨科以及整形外科等。近年来越来越多关于3D模型制造、逆向工程设计模板以及个体化植入物的相关报道，也取得了优于传统手术方法的效果，由此可见3D打印技术在骨科以及整个医疗领域都有可观的发展前景。

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