3D打印个体化导航模板在胸椎和颈椎椎弓根螺钉植入的临床应用

宁金沛，吴卫东，覃求，梁柱德，韦武，何恩谋，潘式新

(1.广西梧州市红十字会医院骨一科，广西 梧州 543200；2.广西梧州市红十字会医院CT室，广西 梧州 543200)

临床论著

3D打印个体化导航模板在胸椎和颈椎椎弓根螺钉植入的临床应用

宁金沛1，吴卫东1，覃求2，梁柱德1，韦武1，何恩谋1，潘式新1

(1.广西梧州市红十字会医院骨一科，广西 梧州 543200；2.广西梧州市红十字会医院CT室，广西 梧州 543200)

目的 研究数字化(3D)打印技术的个性化导航模板设计在胸椎和颈椎手术个性化置钉应用的准确性和安全性。方法 2014年7月至2014年11月，对7 例需要行胸椎、颈椎椎弓根螺钉植入手术的患者术前通过CT扫描、Mimics软件三维重建建立三维仿真模型。并使用Geomagic软件设计最佳的内固定钉道，然后根据钉道设计导航模板，用3D打印机打印导航模板，用于手术时辅助置钉；术中辅助植入胸椎、颈椎椎弓根螺钉共24枚，术后CT扫描评价螺钉位置，记录有无与螺钉植入的相关并发症。结果 通过导航模板辅助植入的24枚椎弓根螺钉，23枚完全在椎弓根内，1枚穿破椎弓根外壁，穿出距离均小于1.2 mm，椎弓根穿破率为4%，植钉准确率为96%，螺钉位置可接受率为100%。无一例出现螺钉植入有关的神经、血管损伤等并发症。结论 3D打印个体化导航模板辅助胸椎、颈椎椎弓根螺钉植入的植钉准确性高、安全。

胸椎；颈椎；3D打印；导航模板；椎弓根螺钉

后路短节段椎弓根钉固定融合技术是治疗胸椎、颈椎疾患的有效方法之一，由于胸椎、颈椎本身解剖结构较为复杂，加之其较大的变异性，采用传统的徒手置钉法极易出现偏差，置入的螺钉准确性较低，容易导致严重的血管、神经损伤，所以该技术的临床应用受到一定限制。以数字化3D打印技术为代表的导航辅助置钉技术[1-2]在临床中逐步应用，使得患者的个性化评估及个性化置钉成为可能，该技术的发展为有效提高胸椎、颈椎置钉的成功率、降低置钉风险提供了新的技术手段。本文对我院2014年7月至2014年11月采用数字3D打印技术辅助胸椎、颈椎个性化置钉的病例进行总结。

1 资料与方法

1.1 一般资料 本组共7 例，其中男6 例，女1 例；年龄27～65 岁，平均46.7 岁。临床诊断、手术方式、植入椎弓根螺钉数见表1。

1.2 术前的数字骨科设计 所有病例目标椎行螺旋CT扫描(德国SIMENS EMOTION 16)，扫描参数：层厚1.0 mm，电流310.0 mAs，电压120 kV。扫描后将原始数据以标准DICOM格式导出保存，将DICOM格式文件导入Mimics 15.0软件进行三维模型重建，以STL格式导出模型，通过Geomagic Studio 2013软件提取目标椎的椎板、横突后部、棘突根部背侧的解剖形态，在软件中设计与上述解剖形状一致的反向模板，用Geomagic Studio 2013软件测量最佳进钉通道，并与设计的模板拟合为一体，形成带有定位导向孔的单椎体个体化导航模板、连同三维重建模型，通过3D打印技术制作成实物模型及导航模板。设计导航模板过程中，作者依据椎板的结构、椎弓根大小分别设计导航模板为以进针点局部椎板、横突根部为解剖标志的单个单边局限型导航模板(见图1)；以单边椎板、横突为解剖定位标志的双侧单边单个导航模板(见图2)；以双边椎板、横突、棘突为解剖定位标志的双侧双边单个导航模板(见图3～4)；C2椎弓根发育狭小改用椎板钉的C2椎板螺钉交叉导航模板(见图5)。

表1 7 例患者临床诊断、手术方式及植入椎弓根螺钉数比较

图1 单个单边局限型导航模板

1.3 手术方法 患者取俯卧位，取后正中切口显露目标椎后方棘突和椎板等结构。手术过程中将在目标椎椎板上的软组织剥离干净，获得一个完全清晰的骨面以方便和导向模板匹配。将消毒好的导向模板与目标椎后方结构进行贴合，确认其匹配准确性后开始分别进行目标椎的导航下置钉。根据导航模板提供的进钉点，用克氏针在骨面轻敲出进钉定位点，取出导航模板，磨钻去除进钉点的骨皮质扩大进钉点。然后再在导向模板的导引下使用电钻钻孔，以减少钻头的晃动，当克氏针进入约10 mm后，改用手钻钻孔，分别建立目标椎的钉道。用探针探查钉道无误后，按术前设计测量的数据，选择合适的螺钉分别置入，然后连接钛棒，完成固定。

图2 双侧单边单个导航模板

图3 胸椎双侧双边单个导航模板

图4 C7椎弓根双侧双边单个导航模板

图5 C2椎板螺钉交叉导航模板

2 结 果

本研究使用单个单边局限型导航模板协助完成病例1椎弓根螺钉置入，使用双侧单边单个导航模板协助完成病例6椎弓根螺钉置入，使用双侧双边单个导航模板协助完成病例2、3、4、7椎弓根螺钉置入，使用C2椎板螺钉交叉导航模版协助完成病例5椎弓根螺钉置入。对7 例患者共置入24枚螺钉，术后CT钉道扫描结果显示23枚完全在椎弓根内，1枚穿破椎弓根外壁，穿出距离均小于1.2 mm，椎弓根穿破率为4%，植钉准确率为96%，螺钉位置可接受率为100%。无一例出现螺钉植入有关的神经、血管损伤等并发症。

典型病例为一31 岁男性患者，C1后弓骨折，C2齿状突骨折，手术前后影像学资料见图6～11。

图6 术前电脑设计图

图7 3D打印的模型及模板

3 讨 论

3.1 胸椎及颈椎椎弓根钉置钉难点 胸椎和颈椎椎弓根周径相对细小，椎弓根横径、水平面角及椎弓根螺钉通道等钉道参数具有较大的变异，不同个体、不同节段水平显著不同，加之周围毗邻脊髓、主动脉、肺、椎动脉等结构，造成椎弓根螺钉植入困难和危险性大，尤其是寰枢椎位于枕颈交界区，寰枢椎解剖结构特殊，变异性大，甚至存在先天性发育畸形的情况，寰枢椎置钉点缺乏固定的解剖标志，其椎弓根结构解剖变异较多[3]。Abumi等[4]观察发现，大部分枢椎的椎动脉袢顶部主要位于椎弓根的外下方，但椎动脉存在变异时，椎动脉袢顶部与椎弓根的关系可能变为内外关系，椎动脉可能严重挤压椎弓根，椎弓根变小使得置钉变得困难。Resnick等[5]指出寰椎椎弓根的上方是椎动脉沟，置钉钉道如果偏上，穿破上方的骨皮质将有损伤椎动脉的可能。不同作者描述的寰枢椎椎弓根进钉点及最佳进钉角度均有较大差异[6-8]。胸椎椎弓根内侧为硬膜及脊髓，上下为椎间孔内神经、血管，外侧为肋骨小头及胸膜，前方为主动脉、食道、下腔静脉等重要组织[9-10]。目前常用徒手置钉方法来完成椎弓根螺钉系统的置入，该种方法主要凭借术者的手术经验，主观性较强，而且该种方法学习曲线较长，存在精确度较低、反复穿刺、多次透视以及螺钉穿出率较高等缺点，故在对颈椎、胸椎实施椎弓根螺钉技术时应该考虑到个体差异，采用个性化置钉。

图8 术中在导航模板辅助下钻孔

图9 术中透视见椎弓根螺钉位置良好

图10 术前X线片示C1后弓骨折合并C2齿状突骨折

图11 术后X线片示经导航模板辅助后精确置入C1、C2椎弓根螺钉

3.2 数字骨科技术在胸椎及颈椎椎弓根个体化置钉中的应用价值 数字骨科技术的应用和发展为胸椎及颈椎椎弓根的个性化置钉提供了方便。通过数字骨科的建模技术，在术前可以获得患者胸椎及颈椎的三维立体图形，并打印出等比例的实体模型为手术设计和模拟提供参考。通过逆向工程技术的应用，在借助计算机技术寻找到最佳螺钉钉道的同时，还可以设计为椎弓根钉道指引方向的个性化导航模板，从而大大提高置钉准确率，降低手术风险，减少了术中透视的次数，减少了患者和医务人员所受的射线损伤。这和传统的椎弓根置钉技术相比，无疑是技术上的一大进步。特别是对于出现解剖变异的寰枢椎实施椎弓根置钉技术，可以充分发挥数字骨科的技术优势，有效提高置钉的成功率。本组螺钉均位于术前设计的骨皮质内，未穿入椎动脉孔或偏向椎管内。

3.3 数字化3D打印技术在胸椎及颈椎椎弓根个体化置钉中的应用体会 本组7 例采用数字化3D设计打印目标椎的模型及导航模板有以下应用体会：a)以进针点局部椎板、横突根部为解剖标志的单个单边局限型导航模板，术中应用体会：单个固定不牢靠，容易移位，当导板贴不紧椎板时导板会移位，导板少许移位，钉道则相差很大致螺钉位置偏移；b)以单边椎板、横突为解剖定位标志的双侧单边单个导航模板，术中应用体会：需应用电刀将粘附在椎板的软组织尽量清理干净，获得最佳的骨面进行贴附，模板应该紧密的和椎板贴合，减少模板的椎板间缝隙；c)以双边椎板、横突、棘突为解剖定位标志的双侧双边单个导航模板，术中应用体会：导航模板设计要考虑到棘间韧带的存在，否则术中要切除部分棘突才能相贴骨面，导航模板在叠面状的椎板间要用力嵌入椎板间隙少许，模板才能与椎板紧密相贴，否则导航模板会移位、椎弓根钉位置会偏移；d)术前设计发现过小的椎弓根时，应避免应用椎弓根钉以防止螺钉损伤血管、神经，应及时更改为椎板螺钉；e)C1椎弓根钉导航模板较适合用连体双侧型导航模板，其解剖定位位置多贴服椎板突出，置钉位置佳，但缺点是周围软组织剥离多，显露范围宽；f)在使用导航模板引导钻孔时尽量使用电钻钻孔，以减少钻头的晃动，当克氏针进入约10 mm后，改用手钻根据手感钻入，开孔后常规探查孔道侧壁，完全位于骨性通道后再拧入螺钉。在使用导航模板时，必须将模板加压贴紧骨面，避免晃动、移位，以获取精确的进钉角度。

另外数字化设计需要一定的学习曲线，在模板的设计制作及手术具体应用过程中也存在精度控制和把握的问题。为了提高模板的匹配精度，要求CT扫描的厚度控制在1 mm以下，快速成型机的打印精度建议设置为0.1 mm，以获取完整、光滑的模型曲面，这样获得的数字模型和导航模板也具有较高的平滑性和精确度，以便和术中的解剖部位获得精准匹配。在椎骨模型重建过程中，切勿人为更改模型的边界，尤其是椎板后部等重要解剖参照边界，否则随后制作的导航模板将无法与术中真实骨面匹配，甚至根本无法使用。使用逆向工程软件设计匹配模板的匹配面时，应选取曲率较高的曲面作为参照曲面，且最好选取椎板中下部的曲面作为参考，以避免生成的导航模板在使用过程中被上一节段的椎板遮挡，从而减少对患者的损伤以及获取更好的贴合度。

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Application of Patient-Specific Drill Template in the Thoracic and Cervical Pedicle Screw Implantation：a Clinical Study

Ning Jinpei1，Wu Weidong1，Qin Qiu2，etal

(Department of Orthopaedics，Wuzhou Red Cross Hospital，Wuzhou 543200；2.CT Room，Wuzhou Red Cross Hospital，Wuzhou 543200)

Objective To investigate the accuracy and safety of patient-specific drill template in the thoracic and cervical pedicle screw implantation.Methods From July 2014 to November 2014，7 patients needed cervical and thoracic pedicle screw placements underwent CT scan，then Mimics 15.0 was used to reconstruct 3D model of cervical and thoracic spine.The best drilling tracts and 3D model of patient-specific drill template were designed by Geomagic software.The 3D models above were used to print out with a rapid prototyping (RP) machine and the real drill templates were used to guide screws placement.24 transpedicular screws were implanted into cervical and thoracic pedicle.The complications related to screws placement were recorded.Results 23 of the 24 screws implanted by drill plate guidance were completed located in the pedicle.Just 1 screw violation was observed，but the violation distance was less than 1.2 mm.The placement accurate rate was 96%.The accuracy acceptance rate was 100%.No neurovascular and visceral injury related-complications was noted.Conclusion Patient-specific biocompatible drill template is reliable and safe in the thoracic and cervical pedicle screw implantation.

thoracic；cervical；3D rapid prototyping；drill template；pedicle screw

梧州市科学研究与技术开发计划项目(201302002)

1008-5572(2015)05-0385-05

R318.08

B

2014-12-18

宁金沛(1968- )，男，副主任医师，广西梧州市红十字会医院骨一科，543200。