快速成型导航模板在脊柱外科的应用研究

李鑫，张强

（1.泰山医学院，山东 泰安 271016；2.首都医科大学附属北京地坛医院骨科，北京 100015）

脊柱外科是骨科领域中涉及解剖最复杂、精度要求最高的学科。如何更精准安全的实施手术是脊柱外科医师不断思考的问题。近年来数字骨科的发展正为研究者们提供了良好的技术及设备支持，使得快速成型导航模板技术得以在脊柱外科研究应用。作者通过复习文献，综述快速成型导航模板技术的原理、制作及研究进展，并对其在脊柱外科领域的应用前景进行展望。

1 快速成型导航模板的原理和制作

首先对患者脊柱进行层厚1 mm的连续CT扫描，将获得的CT扫描数据保存为DICOM格式，导入Mimics软件，在软件中做出骨骼的三维重建模型，在三维重建模型上确定椎弓根螺钉的最佳进针点及进钉通道，进行椎弓根螺钉置入模拟手术。根据椎体后面解剖形态建立与之相匹配一致的模板，根据螺钉最佳进钉通道设计定位导向孔，然后将数据保存成快速成型机可接受的STL格式，导入快速成型机生产出带有定位导向孔的导航模板[1]。其中，光固化成型（Stereo Lithography Apparatus，SLA）是快速成型（Rapid Prototyping，RP）的典型技术之一，也是医学领域中最为常用的RP技术[2]。

2 快速成型导航模板的应用

2.1 快速成型导航模板在颈椎手术中的应用

由于颈椎椎弓根较胸腰椎细小，解剖变异和个体差异较大，周围毗邻颈髓、椎动脉、神经根关系复杂，手术风险大，并发症可能性高[3]。所以要求颈椎手术医师具备高超的手术操作技术，即使如此，也容易因主客观诸多因素造成椎弓根螺钉置入失败。

最早应用快速成型导航模板的Goffin首先设计的是一种双椎体模板，应用于颈椎创伤病变中，但他发现两椎体间存在的旋转不稳定可影响此模板的应用[4]。进而优化设计了单椎体模板，获得较好的应用效果，并且证明匹配棘突和椎板的模板应用优于单纯匹配椎板的模板[5，6]。这为后来学者的研究奠定了基础。

应用快速成型导航模板技术可提高椎弓根螺钉置入的准确性，提高手术安全性。尸体研究中，Owen应用导航模板辅助进行寰椎椎弓根钉的置入，术后CT和切开直视检查均无穿透椎弓根皮质的情况[7]。Ryken TC对颈椎C3-7进行导航模板辅助置钉，20枚椎弓根螺钉在术后CT和解剖直视中也都没有发现置钉失误，95%的螺钉无穿透椎弓根皮质的情况[8]。Fu M在C2-7椎体上利用导航模板辅助置入椎弓根螺钉，术后CT显示螺钉内外侧及上下偏差均无显著差异，轴位与矢状位上的绝对偏差也较小，螺钉置入准确率达91.7%[9]。这些都显示了导航模板的高准确性特点。

不仅是尸体研究，临床研究中导航模板也取得了良好效果。Lu S利用快速成型导航模板对C2-7共打入88枚椎弓根螺钉，仅1枚偏差大于2 mm，无血管神经并发症发生，显示了导航模板良好的准确性和安全性。研究中放置模板操作简单，较其他置钉法容易掌握。经模板置入椎弓根螺钉的时间仅需80秒，降低了手术时间。每个病人术毕仅用一次透视验证，减少了术中透视量[10]。需颈枕融合手术的患者也可应用导航模板辅助置钉，不仅简化了手术操作，而且高度准确地置入螺钉，19个螺钉均位置良好，无血管神经并发症发生[11]。Hu Y对64个C2椎体进行椎弓根螺钉的置入，术后CT定量分析发现，螺钉在横断面与计划角度平均偏差均小于2.5°，冠状面上平均偏差小于0.6°。在三维空间内，螺钉的进针点与计划点的平均位移偏差均不超过1.5 mm[12]。验证了快速成型导航模板的高准确性。

2.2 快速成型导航模板在胸椎手术中的应用

对比腰椎，胸椎椎弓根更细，节段性差异大，周围毗邻主动脉弓、气管、肺、食管、胸导管、迷走神经等重要结构，因此胸椎椎弓根螺钉置钉允许偏差范围小、风险大。

首先，胸椎椎弓根的形态学分析为手术置入椎弓根螺钉提供了数据。通过对数据的分析，Berry E设计应用了1种双椎体及三椎体双侧导向孔模板应用于胸椎椎弓根螺钉置入，实验中椎弓根皮质穿破率竟高达43%[13]。模板应用失败的原因是双椎体模板，这与Goffin最初设计的相似。正是因为相邻椎体间的不稳移动导致模板贴合不精密，导向孔移位，进钉通道偏移，致使螺钉穿破椎弓根皮质。Ma T对20具尸体胸椎分为模板导航组和徒手对照组进行研究，发现两组椎弓根螺钉的置钉准确率和并发症风险率有统计学差异，应用导航模板辅助置钉具有较高的准确度和较低的风险，而且导航模板组较徒手对照组手术的学习操作时间短[14]。Sugawara T研究发现螺钉在椎弓根冠状位中点上的平均偏差仅0.87±0.34 mm，在其研究中，成功经快速成型导航模板置入胸椎椎弓根螺钉58枚，术后CT示均未穿破椎弓根皮质[15]。

2.3 快速成型导航模板在腰椎手术中的应用

尽管常规医学影像检查如X线、CT能使复杂的脊柱解剖结构获得较好的显示，但有时仍难满足手术需要，尤其对那些腰椎退变增生、畸形滑脱、侧方移位或者多次手术的患者更是如此。

Bimbaum将应用导航模板辅助椎弓根螺钉置入和传统置钉法进行比较，结果发现应用导航模板辅助的螺钉均置入满意，应用传统置钉法有2枚螺钉穿破椎弓根皮质[16]。Lu S对腰椎导航模板的应用也做了统计，术中经模板置入椎弓根螺钉的时间平均需要1～2 min，缩短了手术时间，对手术医生的技术要求低；置入后仅透视一次，减少术中X线的暴露[17，18]。Merc M对分别应用导航模板和传统置钉的20例病人的54枚椎弓根螺钉进行了术后CT扫描，数据显示导航模板组中椎弓根皮质穿破率、螺钉矢状位偏移发生率都有显著降低，两组间螺钉横断位偏移无明显差别[19]。

2.4 快速成型导航模板在复杂脊柱畸形手术中的应用

复杂脊柱畸形时可能由先天发育异常引起，复合诸如椎体畸形、脊柱裂、终板异常、分节不全等因素，还常伴有侧弯、前后凸、旋转畸形。这时，脊柱解剖标志严重变异，即使有传统X线平片、CT与MRI协助，仍无法全面评估脊柱畸形情况及制定周密的手术方案，实施手术时捉襟见肘。而应用快速成型导航模板技术，不仅在术前设计方面可以模拟手术，还可以在术中模糊的脊柱结构上精确定位内固定装置，使复杂的手术简单化，手术时间得以减少，失血减少，患者手术安全性及预后提高。

Van Dijk报告对1例复杂胸腰椎脊柱后凸畸形及1例L4-5椎体前移滑脱导致的腰椎前凸患者，应用快速成型导航模板进行术前规划及模拟手术，成功实施了骨切除、截骨矫形及内固定置入手术[20]。Lu S对10例脊柱侧弯患者应用快速成型导航模板技术，根据每个椎体独特形态设计椎弓根螺钉位置及大小，设计制作导航模板，使复杂的脊柱侧弯手术变得简单安全，显示了导航模板的实用性[21]。

3 总结

快速成型导航模板技术为椎弓根螺钉的置入提供了一种新方法，只需将模板紧紧贴合于相应的解剖结构上，即可完成快速的定位，具有较高的准确性，操作简单，能减少手术时间，减少术中透视量（将多次的检查透视简化为验证性透视）。其不足在于：导航模板的制作精度取决于CT图像和快速成型机的精度，并不是完全意义的仿真；虽然应用一些措施（术前术后始终使用同一个体位垫，在身体及体位垫两侧做记号辅助标定，联合应用新型的体位固定装置），可以大大减少术中与术前CT时患者的体位变化，但仍有学者质疑患者体位的变化对导航模板精确性的影响程度；该技术所用的设备及材料较昂贵，一般单位较难普及；术前处理CT数据需要医生进行专门的培训学习，学习周期增加。基于以上原因，该技术尚未临床广泛应用，处于研究阶段，对模板单侧或双侧导向设计尚需进一步研究，置钉的准确性也需要更多的实验和临床验证。相信随着新型生物材料和快速成型制作技术、3D打印技术的发展，快速成型导航模板会精度更高，设计更加优化，成本更低廉，应用更广。

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