3D打印与导航辅助椎弓钉矫正先天性脊柱畸形△

徐会法，李 超，刘峙辰，第五维龙，沙 佳，官哲轩，严亚波，赵晓蕾，漆 伟，黄鲁豫

（空军军医大学第一附属医院骨科，陕西西安 710032）

上世纪90年代韩国Suk［1］教授率先使用全节段椎弓根螺钉治疗脊柱侧凸。近几十年逐渐流行，并取得了良好的疗效［2，3］，但是也存在因椎弓根螺钉位置不佳导致的神经、血管损伤等多项并发症。为了提高置钉的准确性，增加椎弓根螺钉的把持力、提高矫形率以及降低因椎弓根螺钉位置不佳导致的神经、血管损伤，出现了多种辅助置钉技术，包括：二维/三维导航辅助置钉、便携式电子导航开路器置钉、导板辅助置钉、透视辅助置钉等。相关文献报道计算机导航技术辅助置钉安全性及有效性最高［4-6］。但存在操作复杂、设备昂贵、手术时间长等缺点。近年来随着数字骨科的快速发展，3D-打印导板辅助置钉技术因其操作简单、无需特殊设备等优点在脊柱畸形矫形手术中使用越来越多［7～9］。本院近4年来使用3D-打印导板辅助置钉与计算机导航置钉共治疗先天性脊柱畸形患儿55例，取得较好的治疗效果，报告如下。

1 资料与方法

1.1 纳入与排除标准

纳入标准：（1）年龄≤14岁；（2）术前3D-CT证实存在先天性的椎体发育畸形；（3）术前签署知情同意书，同意使用3D打印导板或者计算机导航。

排除标准：（1）年龄>14岁；（2）合并脊髓病变、先天性心脏病者；（3）病例资料不全，随访不满1年或者随访不满1年失访者；

1.2 一般资料

回顾性分析2015年1月—2018年12月本院儿童骨科手术治疗的先天性脊柱畸形患儿，共55例符合上述标准，纳入本研究。依据术前医师与患儿家长沟通结果将患儿分为两组，3D打印组36例，导航组19例。两组患儿一般资料见表1，两组患儿在年龄、性别、体质指数（body mass index,BMI）和主要畸形节段的差异均无统计学意义（P>0.05）。本研究经医院伦理委员会审批，所有患儿家属术前均了解导板的设计及导航的使用情况并签署知情同意书。

表1 两组患儿术前一般资料与比较

1.3 手术方法

安装脊髓监护装置，常规消毒铺巾后，按照术前手术设计，两组分别采用3D-打印导板或计算机导航辅助进行脊柱椎弓根螺钉置入。

导板制作方法：患儿脊椎行薄层CT扫描，将CT扫描原始数据以DICOM格式导入三维重建软件Mimics 10.01中（比利时Materialise公司），首先运用阈值选取技术，获得相应节段脊椎原始蒙罩，其次运用填充技术，修补因数据转换所产生结构间隙漏洞，得到新蒙罩。随后在三维重建选项中获得所选取结构区域的三维重建图像。在MedCAD模块中，用4 mIB直径的圆柱体代替螺钉，设计椎弓根螺钉钉道轨迹，缓慢拖动滚轴，分别在三维界面、轴面、矢状面观察圆柱体通过椎弓根相应骨性结构位置关系，进而完成螺钉钉道的初步设计，将模型数据以STL格式保存。在UG Imageware软件（美国EDS公司）中打开保存的数据，从各个角度观察钉道是否穿破骨皮质，必要时可以微调，以确保螺钉钉道的安全性和准确性。按照设计轨迹轴心线重新设定钉道直径为2.8 mm，并将导板钉道外径设为5 mm，高度设为30 mm，以完成导向模板定向管的设计。然后，提取椎板后方对应骨性表面解剖数据，并将其做反向增厚2.5 mm处理后，建立与之形态一致的反向基板，同时导入钉道数据，将两者组合重建成导板雏形（外置钉道未贯通），形成带有双侧定位管的椎弓根螺钉个体化导航模板。另外去除定向管道，仅留下基板部分和2.8 mm直径的定向孔完成定点导板的设计。利用光敏树脂材料，将个体化实物导板和脊椎三维实体模型打印出来。

导航操作：暴露结束后将参考架固定到手术相邻节段的棘突上，X线机进行定位确认，以点匹配法在脊柱后表面骨性结构明确的部位进行选点匹配，选点至少6个。使用引导棒接触关节突，使其与腰椎正侧位三维图像上的椎弓根解剖点处于重叠状态。在导航系统的引导下，确定螺钉的进入位置、进入方向与进入深度。置钉结束后，咬除椎体棘突，密切关注脊髓监护情况，行相应的半椎体切除或者截骨矫形，根据具体情况，必要节段行Ponte截骨，弯棒矫形，相应节段植骨融合，逐层关闭切口。

1.4 评价指标

记录围手术期资料，包括手术时间、置钉时间、出血量、术中透射次数、切口长度、术后引流量、住院时间。采用恢复下床行走时间、疼痛视觉模拟评分（visual analogue scale,VAS）、Oswestry功能障碍指数（Oswestry disability index,ODI）、日本骨科协会腰评分（Japanese Orthopaedic Association,JOA）、脊柱侧弯研究会（Scoliosis Research Society,SRS-22）评分评估临床结果。行影像检查，根据Gertzbein～Robbins分级标准，判别置钉准确性，A，B级视为准确置钉。测量侧凸和局部后凸角、C7-S1冠状面偏移（C7PL-CSVL，C7铅垂线与骶骨中垂线之间的水平距离）、矢状面偏移（SVA，C7铅垂线与S1椎体上终板后上角的水平距离）。

1.5 统计学方法

采用SPSS 19.0统计软件对数据进行统计分析。计量数据以±s表示，资料呈正态分布时，两组间比较采用独立样本t检验，组内两时间点比较采用配对T检验；资料呈非正态分布时，采用秩和检验。计数资料采用x2检验或Fisher精确检验。等级资料两组间比较采用Mann-whitney U检验。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 围手术期情况

两组共置入椎弓根螺钉736枚，其中3D打印组472枚，导航组264枚。两组详细资料见表2。3D打印组手术时间、置钉时间、术中出血量方面显著少于导航组（P<0.05）。但是，3D打印组透视次数显著多于导航组（P<0.05）。两组在切口长度、精准置钉率、术后引流量以及住院天数方面差异无统计学意义（P>0.05）。2例出现胸膜破损，给予及时缝合。3例出现脊髓监护运动诱发电位下降80%，其中2例给予半椎体切除部位椎管探查减压，1例适当恢复部分畸形后，运动诱发电位基本恢复正常。1例术后3 d出现双下肢感觉、肌力消失，给予急诊探查、减压后术后2周恢复正常。切口愈合方面，3D组36例中，甲级愈合33例，乙级愈合3例；导航组19例中，甲级愈合17例，乙级愈合2例；两组间差异无统计学意义（P=0.790）。5例乙级愈合中有2例进行了局麻下再次伤口缝合。两组患者均未发生切口深部感染和症状性血栓等并发症。

表2 两组患者围手术期资料（±s）与比较

表2 两组患者围手术期资料（±s）与比较

images/BZ_8_1293_1291_1594_1357.pngimages/BZ_8_1293_1424_1594_1490.pngimages/BZ_8_1594_1424_1852_1490.pngimages/BZ_8_1852_1424_2131_1490.png手术时间（min）281.67±92.96458.95±124.09<0.001切口长度（cm）术后引流量（ml）透视次数（次）images/BZ_8_1293_1556_1594_1623.pngimages/BZ_8_1293_1689_1594_1755.pngimages/BZ_8_1293_1822_1594_1888.pngimages/BZ_8_1594_1291_1852_1357.pngimages/BZ_8_1594_1556_1852_1623.pngimages/BZ_8_1594_1689_1852_1755.pngimages/BZ_8_1594_1822_1852_1888.pngimages/BZ_8_1852_1291_2131_1357.pngimages/BZ_8_1852_1556_2131_1623.pngimages/BZ_8_1852_1689_2131_1755.pngimages/BZ_8_1852_1822_2131_1888.pngimages/BZ_8_2131_1291_2276_1357.pngimages/BZ_8_2131_1424_2276_1490.pngimages/BZ_8_2131_1556_2276_1623.pngimages/BZ_8_2131_1689_2276_1755.pngimages/BZ_8_2131_1822_2276_1888.png17.23±5.20 562.92±101.35 7.67±1.54 16.14±5.69 524.27±90.26 4.58±0.90 0.477 0.169<0.001

2.2 随访结果

55例患者均获得随访，平均随访时间（45.72±13.69）个月。3D组36例患者均末出现内固定松动或断裂。导航组19例中，1例于术后2年出现手术融合节段尾端椎弓根螺钉断裂，并形成交界性后凸畸形，给予翻修延长了固定节段后畸形矫正满意。其余18例无内固定松动或断裂。两组患者随访资料见表3。两组患者恢复下床行走时间的差异无统计学意义（P>0.05）。随术后时间推移，两组患者VAS、ODI、JOA和SRS-22评分均显著改善（P<0.05），相应时间点，两组间VAS评分、ODI评分、JOA评分的差异均无统计学意义。术后及末次随访SRS-22评分3D打印组均优于导航组（P<0.05）。

表3 两组患者随访结果（±s）与比较

表3 两组患者随访结果（±s）与比较

images/BZ_9_204_606_739_672.pngimages/BZ_9_204_738_739_805.pngimages/BZ_9_739_606_1061_672.pngimages/BZ_9_739_738_1061_805.pngimages/BZ_9_1061_606_1428_672.pngimages/BZ_9_1061_738_1428_805.pngimages/BZ_9_1428_606_1889_672.pngimages/BZ_9_1428_738_1889_805.png下床行走时间（d）5.77±1.056.36±1.190.064images/BZ_9_204_871_739_937.pngimages/BZ_9_204_1004_739_1070.pngimages/BZ_9_204_1136_739_1202.pngimages/BZ_9_204_1269_739_1335.pngimages/BZ_9_204_1401_739_1468.pngimages/BZ_9_204_1534_739_1600.pngimages/BZ_9_204_1667_739_1733.pngimages/BZ_9_739_1667_1061_1733.pngimages/BZ_9_1061_1667_1428_1733.pngimages/BZ_9_1428_1667_1889_1733.pngP值<0.0010.003images/BZ_9_739_871_1061_937.pngimages/BZ_9_739_1004_1061_1070.pngimages/BZ_9_739_1136_1061_1202.pngimages/BZ_9_739_1269_1061_1335.pngimages/BZ_9_739_1401_1061_1468.pngimages/BZ_9_739_1534_1061_1600.pngimages/BZ_9_1061_871_1428_937.pngimages/BZ_9_1061_1004_1428_1070.pngimages/BZ_9_1061_1136_1428_1202.pngimages/BZ_9_1061_1269_1428_1335.pngimages/BZ_9_1061_1401_1428_1468.pngimages/BZ_9_1061_1534_1428_1600.pngimages/BZ_9_1428_871_1889_937.pngimages/BZ_9_1428_1004_1889_1070.pngimages/BZ_9_1428_1136_1889_1202.pngimages/BZ_9_1428_1269_1889_1335.pngimages/BZ_9_1428_1401_1889_1468.pngimages/BZ_9_1428_1534_1889_1600.pngimages/BZ_9_1889_606_2276_672.pngimages/BZ_9_1889_738_2276_805.pngimages/BZ_9_1889_871_2276_937.pngimages/BZ_9_1889_1004_2276_1070.pngimages/BZ_9_1889_1136_2276_1202.pngimages/BZ_9_1889_1269_2276_1335.pngimages/BZ_9_1889_1401_2276_1468.pngimages/BZ_9_1889_1534_2276_1600.pngimages/BZ_9_1889_1667_2276_1733.png术后6个月P值术后6个月P值术后6个月P值术后6个月0.74±0.38<0.001 3.88±1.16<0.001 25.06±1.84<0.001 22.46±1.29 0.82±0.35<0.001 3.42±1.20<0.001 24.69±2.07<0.001 20.81±1.89 0.449 0.173 0.500 0.023

2.3 影像学评估

术后CT三维重建显示，3D打印组精准置钉率为（93.64±3.36）%；而导航组为（95.08±2.97）%，差异无统计学意义（P>0.05）。与术前相比，术后即刻两组患者冠状面Cobb角、局部后凸Cobb角、C7-S1冠状面偏移（C7PL-CSVL）、矢状面偏移（SVA）均显著改善（P<0.05）；与术后即刻相比，末次随访时两组侧弯Cobb角、局部后凸Cobb角、C7PL-CSVL和SVA的矫正均有丢失，但两时间点间各指标的差异均无统计学意义（P>0.05）。相应时间点，两组间侧弯Cobb角、局部后凸Cobb角、C7PL-CSVL和SVA的差异均无统计学意义（P>0.05）。

3 讨 论

在1959年Boucher［10］首先利用椎弓根结构打入螺钉。而Roy-Camille［11］在60年代初期对椎弓根螺钉进行了系列研究并于1970年做了相关报道。由此以后因椎弓根螺钉独特的三维矫正及固定功能，而被广泛使用于脊柱固定手术中［12］，但是因为椎弓根螺钉位置不佳而导致大量的并发症［13］，并且容易造成巨大的医疗及经济负担［14］。尤其在先天性脊柱畸形患者中存在椎体、椎弓根、椎板等结构的异常，导致椎弓根螺钉徒手置钉精准率远低于其他脊椎后路手术椎弓根置钉的精准率［15］。

表4 两组影像测量结果（±s）与比较

表4 两组影像测量结果（±s）与比较

︱C7PL-CSVL︱：C7椎体中心铅垂线与骶骨中垂线之间的水平距离，用绝对值表示；︱SVA︱：C7椎体中心铅垂线与S1椎体上终板后上角的水平距离，用绝对值表示

images/BZ_9_204_1931_790_1996.pngimages/BZ_9_204_2061_790_2126.pngimages/BZ_9_790_2061_1087_2126.pngimages/BZ_9_1087_2061_1453_2126.pngimages/BZ_9_1453_2061_1899_2126.png精准置钉率（%） 术后即刻93.64±3.3695.08±2.970.122images/BZ_9_204_2191_790_2257.pngimages/BZ_9_204_2322_790_2387.pngimages/BZ_9_204_2452_790_2517.pngimages/BZ_9_204_2582_790_2648.pngimages/BZ_9_204_2713_790_2778.pngimages/BZ_9_204_2843_790_2908.pngimages/BZ_9_204_2973_790_3038.pngimages/BZ_9_790_1931_1087_1996.pngimages/BZ_9_790_2191_1087_2257.pngimages/BZ_9_790_2322_1087_2387.pngimages/BZ_9_790_2452_1087_2517.pngimages/BZ_9_790_2582_1087_2648.pngimages/BZ_9_790_2713_1087_2778.pngimages/BZ_9_790_2843_1087_2908.pngimages/BZ_9_790_2973_1087_3038.pngimages/BZ_9_1087_1931_1453_1996.pngimages/BZ_9_1087_2191_1453_2257.pngimages/BZ_9_1087_2322_1453_2387.pngimages/BZ_9_1087_2452_1453_2517.pngimages/BZ_9_1087_2582_1453_2648.pngimages/BZ_9_1087_2713_1453_2778.pngimages/BZ_9_1087_2843_1453_2908.pngimages/BZ_9_1087_2973_1453_3038.pngimages/BZ_9_1453_1931_1899_1996.pngimages/BZ_9_1453_2191_1899_2257.pngimages/BZ_9_1453_2322_1899_2387.pngimages/BZ_9_1453_2452_1899_2517.pngimages/BZ_9_1453_2582_1899_2648.pngimages/BZ_9_1453_2713_1899_2778.pngimages/BZ_9_1453_2843_1899_2908.pngimages/BZ_9_1453_2973_1899_3038.pngimages/BZ_9_1899_1931_2276_1996.pngimages/BZ_9_1899_2061_2276_2126.pngimages/BZ_9_1899_2191_2276_2257.pngimages/BZ_9_1899_2322_2276_2387.pngimages/BZ_9_1899_2452_2276_2517.pngimages/BZ_9_1899_2582_2276_2648.pngimages/BZ_9_1899_2713_2276_2778.pngimages/BZ_9_1899_2843_2276_2908.pngimages/BZ_9_1899_2973_2276_3038.png术后即刻P值术后即刻P值术后即刻P值术后即刻P值27.06±10.04<0.001 22.04±8.81<0.001 24.16±5.25<0.001 12.49±6.54<0.001 24.26±7.99<0.001 21.20±10.17<0.001 24.63±6.18<0.001 15.65±10.22 0.150 0.298 0.751 0.768 0.169

图1 患儿，女，13岁10个月，先天性脊柱侧弯，采用脊柱侧弯后路松解T6、9PSO截骨T2～L3植骨融合内固定术治疗 1a,1b:术前外观照，患儿身高127 cm，体重26 kg，BMI指数为16.1 1c:术前正位X线片示主弯Cobb角132°，C7PL-CSVL：10.7 mm 1d:术前侧位X线片示局部后凸Cobb角103°，SVA为32.6 mm 1e:术前三维CT示多发的胸椎椎体发育畸形 1f:3D打印导板设计，根据CT扫描数据重建脊柱三维结构，并制作个体化的导板 1g:术后正位X线片示主弯Cobb角30°，主弯矫形率为77.27%；C7PL-CSVL为2.5 mm 1h.术后侧位X线片示局部后凸Cobb角42°，矫形率59.22%；SVA为12.3 mm

本组病例导航置钉19例，在使用过程中有以下不足：（1）计算机导航操作复杂，学习曲线长；（2）导航设备昂贵，并且需要与术中CT及特殊的手术床进行配合使用，需要很大的经济投入；（3）术中每次扫描长度相对较短，大约4～6个节段，如果扫描范围较大需要2次或者多次扫描；（4）术中复杂的导航操作、CT扫描、数据重建等，延长了手术时间，增加了出血及感染的风险；（5）术中CT扫描放射线剂量相对较大，对患者及术者易造成一定的放射损伤。［17，18］。

3D打印导板置钉极大的克服了计算机导航置钉的缺点，其优点在于：（1） 操作简单，即使经验较少的医生也能准确置钉；（2）可以简化置钉程序，节约手术时间，减少出血；（3）个体化设计，置钉准确率高；（4）成本较低，不需要其他辅助设备。

作者认为3D打印组操作简单，术者术中可以把更多的精力用于畸形的矫正。而文献报道脊柱侧弯单纯后路手术矫正率一般在40%～70%［19～22］。而Karlin等［23］使用个体化的3D打印模型及导板治疗了7例严重的脊柱畸形患儿，其矫正率达到了惊人的83%。本组病例之所以能够达到较好的矫正率，最主要的原因是良好的椎弓根螺钉位置提供了更好的把持力和矫形能力。其次良好的螺钉位置可以有效避免其导致的神经、血管损伤等并发症，术者可以更加安心的进行矫形。

导板辅助置钉使用体会：（1）根据术者的置钉习惯及解剖结构，导板制作前要和工程技术人员充分沟通，这样术中使用导板才能更加得心应手；（2）进行完善的术前设计，包括截骨位置、截骨方式、截骨后的脊柱形态、固定棒形态的预判以及每一枚螺钉的具体型号。尤其是术前选择好每一枚螺钉，术中可以直接选择使用，能有效缩短手术时间，减少出血；（3）适当延长切口，尤其是切口尾端。肌肉墙的阻挡需要适当延长切口，以保证导板与椎板、关节突等之间的充分贴合；（4）导板和模型要结合使用，术中操作过程中导板应在模型上比对好大体位置，然后再置于体内使用，能更好的确定导板放置的位置；（5）术中操作时一般使用直径2.5 mm的克氏针进针，而导板孔的直径设计为2.8 mm，此种结合使用操作简单。

总之，两组均可达到精准置钉、良好矫形的目的。而3D打印组在手术时间、置钉时间、术中出血量及SRS-22评分方面更具优势，且无需特殊设备，适合推广使用。