钉棒系统导向模板在脊柱外科中的应用进展

张 斌 综述， 谭 军 审校

(1. 同济大学附属东方医院脊柱外科，上海 200120； 2. 余姚市人民医院急诊创伤科，浙江 余姚 315400)



·综 述·

钉棒系统导向模板在脊柱外科中的应用进展

张 斌1，2综述， 谭 军1审校

(1. 同济大学附属东方医院脊柱外科，上海 200120； 2. 余姚市人民医院急诊创伤科，浙江 余姚 315400)

总结近年来国内外钉棒系统导向模板在脊柱外科领域的临床研究，阐述钉棒系统导向模板的产生、发展和技术特点，为导向模板的临床应用和导向模板的设计提供参考。

快速成型； 模板； 导航； 脊柱

在脊柱外科手术中，椎弓钉置入技术已成为脊柱内固定的主流技术。在置钉过程中，通过C臂透视技术和影像导航技术可以大大减少椎弓根钉偏移的风险，已成为置钉过程中不可缺少的步骤。近年来，随着3D打印技术的快速发展，打印导向模板也成为椎弓根钉置入的辅助技术，给椎弓钉置入起到导向作用，进而减少徒手置钉中偏差的发生。椎弓根钉导向模板操作简便，置钉准确度高。随着计算机辅助应用技术的发展和3D打印技术的推广，使得导向模板技术在临床应用的推广成为可能。

1 导向模板的概念和制作过程

快速成型导向模板是快速成型技术或增材制造技术的一种临床应用导板。在手术过程中利用快速成型导向模板，协助骨科医师进行定位导向，进而实现钻孔、置钉、截骨等临床操作。

解剖模型和快速成型导板的制作。 (1) 解剖数据的重建和快速成型导板的设计： 利用螺旋CT连续扫描手术部位解剖结构，将CT连续断层图像以DICOM格式保存。将DICOM文件输入三维建模软件(如Mimics)，建立三维模型，以STL格式导出。在3D-CAD软件(如Freeform Date Design)中打开三维模型，设计手术方案。根据方案制定设计钉道，制作钉道进针表面的解剖反向模板，将钉道和反向模板结合一体完成个体化导板的设计。(2) 将三维解剖模型和导板设计以STL文件格式输入3D打印机，根据要求制作解剖模型和个体化导板。

2 钉棒系统导向模板在脊柱外科的发展进程

Radermacher等[1]及Birnbaum等[2]通过DISOS planning workstation技术平台，应用铣床技术制作的导板是最早设计的个体化导板。其制作的导板是单节段单侧椎弓根钉导板，设计理念： 将导板覆盖单节段半侧棘突、椎板、横突，固定导板后进行钻孔。2001年，Birnbaum 等[2]进行了在13具尸体标本上应用铣床技术制作的个体化定向导板与传统手术方式的比较研究，认为应用个体化导板技术是一种方便、准确，能减少操作时间的新技术。

Goffin等[3]较早报道了应用立体光固化技术打印制作的丙烯酸树脂颈椎导板，并利用导板在尸体标本及临床患者置入了magerl螺钉。Berry等[4]也报道了应用选择性激光烧结技术打印制作的聚酰胺尼龙导板，共制作了4种类型的导板应用于颈、胸、腰椎的椎弓钉置入。

早期的导板设计有着各自的设计特点。Van Brussel最早提出了用V型夹固定横突和棘突的导板设计。Goffin等[3]设计的寰枢椎关节突螺钉导板以寰椎椎弓和枢椎的棘突、椎板为解剖标记点，用多个似刀口设计的夹具来固定。Berry等[4]在Van Brussel的基础上用V型钩联合多个圆柱支撑点来设计导板。以上的导板设计理念都以点面接触方式来固定导板。他们的基本特征为： 导板与脊椎接触有限，不是通过导板与脊柱面面接触的贴附方式来实现，通常需要夹具、V型钩的局部接触来实现贴附固定。这可以也是第1代导板的技术特点。

2007年，Owen等[5]介绍了一种应用逆向工程技术制作的新型颈椎椎弓根钉导板，并在尸体标本上应用该导板进行了临床研究。Owen等[5]设计的导板是第2代导板的经典代表。他在数字解剖模型上通过逆向工程技术制作接触导板，实现了完全面面接触贴附固定的导板设计。这种设计大大提高了导板的稳定性和定位的精确性。此后的导板设计都以该设计理念为主。Lu等[6-11]是我国早期个体化导板应用的开拓者。他们借鉴了Owen等[5]的逆向工程技术，设计的面面接触固定导板，已经在国内临床患者中应用，并且取得良好疗效。虽然完全面面接触的导板有其稳定、精准的优点，但也暴露出一些客观存在的问题。(1) 因为需要完全面面接触贴附，使得手术创伤较大；(2) 手术中要求精确暴露骨面，彻底剔除周围软组织。倘若软组织解剖不彻底，会使导板贴附不稳定，导致置钉不准确。Merc等[12-13]也报道了一种多节段腰椎椎弓钉导板在腰椎骶椎脊柱手术的临床应用。

日本学者[14-16]在第2代导板设计中提出多步骤导板设计的理念。Sugawara等[14]介绍了三步骤的胸椎椎弓根钉导板，将同一节段的导板分为开孔、钻孔、置钉三步骤导板。Kaneyama等[15]介绍了中段颈椎椎弓钉三步骤导板。以往的导板设计都以开孔为设计理念，认为开孔后可以直接沿孔道置入螺钉。应用三步曲的导板设计避免了徒手置钉的发生。操作者通过置钉导板能沿着导向一次置钉。虽然多步骤的导板设计，增加了术前准备，增加了手术的操作步骤，但能更为安全可靠地使用导板，提高导板技术的精确性和安全性。

Merc等[12-13]介绍了一种多节段腰骶椎椎弓根钉导板。这是一种跨椎体节段的导板，优点是组织损伤相关较小，只需彻底暴露腰椎上下关节突，缺点是导板的稳定性、准确性较单节段导板差。

在第2代导板应用中，随着计算机技术的进步和导板制作工艺的改进，导板的稳定性、准确性越来越高。个体化定向导板不再是单一的置钉技术。Wu等[17]报道了应用置钉导板来治疗先天性脊柱侧弯畸形。Chen等[18]介绍了个体化定向导板用于骶骨骨折和骶髂关节脱位的治疗。

2015年，Takemoto等[19]报道了一种新型3D金属打印胸椎椎弓钉导板，使用该导板为36位脊柱侧弯畸形及4位后纵韧带骨化患者分别置入胸椎椎弓根钉420枚、46枚，置钉准确率达98%。该导板不同于以往的导板设计。Takemoto等[19]通过对建模后局部区域的数据分析，选取了7个较为可靠的解剖标记点。利用该解剖标记点来逆向工程设计导板贴附接触面。接触面采用了用直径为4、6mm的圈，7个小圈围成一个大的环形贴附圈。该设计利用多个点、面结合的办法来减少软组织的暴露及软组织的损伤，通过选择可靠的解剖标记点来设计导板，达到稳固贴附脊柱的目的。该设计可以认为是第3代导板设计。

综上所述，根据导板设计的技术特点，可以将导板设计分为3代。第1代导板的设计以点面接触贴附固定为特征。其优点为手术暴露部位小，软组织剔除少，创伤小，适合颈、胸、腰椎。其缺点为导板稳定性差，固定不可靠，导致精度和安全性不高。第2代设计以完全面面接触贴附固定为特征。其优点为导板贴附固定可靠，导板的精度和安全性高，适合胸椎、颈椎；其缺点为手术部位创面暴露大，软组织剔除要求高，而且要求彻底剔除软组织同时不损伤骨皮质。第3代的导板设计是更为坚固的金属打印导板，分析选取可靠的解剖标记点，利用多个点面结合的办法，既能可靠地贴附固定、精准定位，又能达到减小创面暴露减少对软组织的创伤。

3 钉棒系统导板技术在脊柱外科的临床应用

个体化导板技术它是计算机技术、逆向工程技术、分层制作技术的集成。在实体应用或虚拟应用中，个体化导板技术都具有重要临床意义。在术前准备中，可以利用计算机技术做好手术规划，可以虚拟呈现手术部位的解剖结构，通过二维或三维的视觉方式呈现相关解剖关系。在规划手术方案时，能发现手术可能遭遇的困难和问题。Lu等[10]介绍了在胸椎侧突畸形术前导板规划中，遇到椎弓根变异的情况。椎弓根特别细，不能以常规方式置入螺钉，采取了特殊的置钉方式(内-外-内)，从而避免相关的手术并发症。在寰枢椎复位固定导板设计中，当遇到椎动脉解剖异常的患者，可以根据椎动脉的变异情况来制定手术方案，选择关节突螺钉或侧块螺钉还是椎板螺钉来固定颈椎。选择更为安全有效的手术方式，降低手术风险，减少手术创伤。

手术区域3D实物模型可以呈现更为直观的手术区域解剖，可以发现细微的解剖结构[20]。通过3D解剖模型可以更好地和同事团队交流病情和制定手术方案，也能更好地和患者家属沟通。实体模型可以在体外验证导板的可靠性及准确性，同时在手术中协助术者有效地操作。

随着技术发展，导板技术不再是单一的开孔技术。现在导板技术正不断运用于脊柱侧弯畸形、后凸畸形等矫形手术治疗中[19，21-22]。在解剖畸形的患者，个体化导板可以协助术者能更为安全、精准的操作。在临床操作中因为患者的个体解剖差异，每项临床技术的学习都有其各自的学习曲线。而个体化导板能很好解决每位患者的解剖差异。因此在个体化导板的应用中没有发现明显的学习曲线。

4 脊柱椎弓根钉导向模板的准确性和安全性分析

个体化导板的准确性评估主要通过术后CT影像观察来实现。在早期的评价体系中通过判断椎弓根螺钉与椎弓根的关系来评价导板使用的准确性。常根据在椎弓根有无皮质损伤情况来评价分类。通常认为螺钉超出椎弓根皮质2mm认为置入螺钉不准确。近年来，评判标准更为严格，常通过术后CT观察的螺钉钉道与预先设计钉道在矢狀位和横断位上比较，认定偏差>2mm为不准确。随着导板设计的优化，制作工艺的提高，有文献报道颈椎、胸椎的椎弓根导板准确率分别为100%[15]和98%[19]。

影响导板准确使用的因素包括3个方面： 导板设计、导板制作和导板应用操作。

导板的设计需要将手术部位连续CT扫描，将CT影像转变为三维模型。这需要在数字平台上建立，现在常用软件有Mimics软件、VG Studio软件、Freeform Date Design软件等。软件算法的优化直接影响到数据建模的准确性。在三维模型建立时，需要使用到CT阈值的感念。在不同阈值下，其三维轮廓是存在差异的。Takemoto等[19]指出，HU100和HU350的三维椎体轮廓阈值最多可相差1.5mm 以上。由此在建立三维模型时，虚拟得到三维模型与手术台上暴露的解剖结构还是有差异的。在数据建模时，需要选用合适的阈值，来建立虚拟三维模型。同时根据阈值的变化找到解剖模型中差异最小的解剖点或面，作为解剖标记点，进而根据标记点设计导板。

导板的制作是通过3D打印机来实现的。在以往的导板制作中Goffin等[3]、Kaneyama等[15]和Lu等[6-10]选择立体光固化技术打印机，而Berry等[4]、Merc等[12-13]和Takemoto等[19]都应用了选择性激光烧结技术打印机。前者打印成本相对便宜，以光敏树脂为材料。后者打印成本相对高昂，选择材质多样化(聚酰胺、钛合金)。现有的工业级打印机精度都在毫米级以上，基本可以满足临床需求。

导板的应用操作是影响导板精准的重要因素。个体化导板的稳定操作是导板精准实用的前提，这又是和导板设计相关的。导板的固定可以通过克氏针固定或徒手加压来实现。在操作中唯有良好的固定贴附，才有可能达到精准定位、安全使用。

5 展 望

钉棒系统导向模板技术是计算机辅助技术、逆向工程技术、3D打印技术的集合。计算机技术是快速成型技术的基石。随着计算机技术的发展，快速成型导板设计的软件平台日益成熟。Mimics软件平台、VG Studio软件平台等都具有成熟的计算机技术，使得个体化导板的推广应用能成为可能。快速成型导向模板技术的核心是设计。随着个体化导板临床应用的不断深入，导板设计将不断优化。导板设计趋向于精准设计、微创设计、实用设计。特别是在脊柱椎弓根钉的设计领域，势必出现成熟的第三代设计理念。通过CT阈值分析，找到合适的阈值建立三维数据模型和可靠的解剖标记点。根据数据模型和解剖标记点来设计导板。利用逆向工程技术来制作导板的贴附面，但又不至于需要完全的面面接触，利用局部点、面相结合的办法，较少组织暴露，达到精准、微创、实用的目的。相信随着计算机辅助应用技术的发展、3D打印技术的推广，必然会使得导板技术在我国得到推广使用。

[1] Radermacher K, Portheine F, Anton M, et al. Computer assisted orthopaedic surgery with image based individual templates [J]. Clin Orthop Relat Res, 1998(354)： 28-38.

[2] Birnbaum K, Schkommodau E, Decker N, et al. Computer-assisted orthopedic surgery with individual templates and comparison to conventional operation method [J]. Spine (Phila Pa 1976), 2001,26(4)： 365-370.

[3] Goffin J, Van Brussel K, Martens K, et al. Three dimensional computed tomography-based personalized drill guide for posterior cervical stabilization at C1-C2[J]. Spine (Phila Pa 1976), 2001,26(12)： 1343-1347.

[4] Berry E, Cuppone M, Porada S, et al. Personalised image-based templates for intra-operative guidance [J]. Proc Inst Mech Eng H, 2005,219(2)： 11-18.

[5] Owen BD, Christensen GE, Reinhardt JM, et al. Rapid prototype patient-specific drill template for cervical pedicle screw placement [J],Comput Aided Surg, 2007,12(5)： 303-308.

[6] Lu S, Xu YQ, Zhang YZ, et al. A novel computer-assisted drill guide template for lumbar pedicle screw placement： a cadaveric and clinical study [J]. Int J Med Robot, 2009,5(2)： 184-191.

[7] Lu S, Xu YQ, Lu WW, et al. A novel patient-specific navigational template for cervical pedicle screw placement [J]. Spine (Phila Pa 1976), 2009,34(26)： E959-966.

[8] Lu S, Xu YQ, Zhang YZ, et al. A novel computer-assisted drill guide template for placement of C2laminar screws [J]. Eur Spine J, 2009,18(9)： 1379-1385.

[9] Ma T, Xu YQ, Cheng YB, et al. A novel computer-assisted drill guide template for thoracic pedicle screw placement： a cadaveric study [J]. Arch Orthop Trauma Surg, 2012,132(1)： 65-72.

[10] Lu S, Zhang YZ, Wang Z,et al. Accuracy and efficacy of thoracic pedicle screws in scoliosis with patient-specific drill template [J]. Med Biol Eng Comput, 2012,50(7)： 751-758.

[11] Lu S, Xu YQ, Chen GP， et al. Efficacy and accuracy of a novel rapid prototyping drill template for cervical pedicle screw placement [J]. Comput Aided Surg, 2011,16(5)： 240-248.

[12] Merc M, Drstvensek I, Vogrin M, et al. A multi-level rapid prototyping drill guide template reduces the perforation risk of pedicle screw placement in the lumbar and sacral spine [J]. Arch Orthop Trauma Surg, 2013,133(7)： 893-899.

[13] Merc M, Drstvensek I, Vogrin M, et al. Error rate of multi-Level Rapid prototyping trajectories for pedicle screw placement in lumbar and sacral spine[J]. Chin J Traumatol, 2014,17(5)： 261-266.

[14] Sugawara T, Higashiyama N, Kaneyama S, et al. Multistep pedicle screw insertion procedure with patient-specific lamina fit-and-lock templates for the thoracic spine： clinical article[J]. J Neurosurg Spine, 2013,19(2)： 185-190.

[15] Kaneyama S, Sugawara T, Sumi M. Safe and accurate midcervical pedicle screw insertion procedure with the patient-specific screw guide template system[J]. Spine (Phila Pa 1976), 2015,40(6)： E341-348.

[16] Kaneyama S, Sugawara T, Sumi M, et al. A novel screw guiding method with a screw guide template system for Posterior C-2 fixation： clinical article [J]. J Neurosurg Spine, 2014,21(2)： 231-238.

[17] Wu ZX, Huang LY, Sang HX, et al. Accuracy and safety assessment of pedicle screw placement using the rapid prototyping technique in severe congenital scoliosis [J]. J Spinal Disord Tech, 2011,24(7)： 444-50.

[18] Chen B, Zhang Y, Xiao S, et al. Personalized image-based templates for iliosacral screw insertions： a pilot study [J]. Int J Med Robot, 2012,8(4)： 476-482.

[19] Takemoto M, Fujibayashi S, Ota E, et al. Additive manufactured patient-specific titanium templates for thoracic pedicle screw placement： novel design with reduced contact area [J]. Eur Spine J， 2016，25(6)： 1698-1705.

[20] D’Urso PS, Williamson OD, Thompson RG. Biomodeling as an aid to spinal instrumentation [J]. Spine (Phila Pa 1976), 2005,30(24)： 2841-2845.

[21] Mao K, Wang Y, Xiao S, et al. Clinical application of computer-designed polystyrene models in complex severe spinal deformities： a pilot study[J]. Eur Spine J, 2010,19(5)： 797-802.

[22] Yang JC, Ma XY, Lin J, et al.Personalised modified osteotomy using computer-aided design-rapid prototyping to correct thoracic deformities[J]. Int Orthop, 2011,35(12)： 1827-1832.

Computer-assisted drill-guided templates for spine pedicle screw placement： a literature review

ZHANGBin1，2，TANJun1

(1. Dept. of Spine Surgery, East Hospital, Tongji University, Shanghai 200120, China；2. Dept. of Trauma, YuYao People’s Hospital, YuYao 315400, Zhejiang Province, China)

There has been a lot of advantages to be gained from drill-guided template in spine surgery. This review identifies and analyzes clinical and experimental studies of rapid prototyping patient-specific surgical guides, focusing on their application and outcomes, providing details on the guides’ design and type of manufacturing process.

rapid prototyping; dill template; navigation; spine

10.16118/j.1008-0392.2016.05.026

2015-06-02

上海市浦东新区卫生系统重点学科建设项目(PDZX2014-02)

张 斌(1980—)，男,主治医师，硕士研究生.E-mail： bzsweetin@163.com

谭 军.E-mail： dr.tan@139.com

R 681.5

A

1008-0392(2016)05-0124-04