数字骨科技术在寰枢椎手术中的应用寰枢椎脱位系列讲座（七）

艾福志，李克维



数字骨科技术在寰枢椎手术中的应用
寰枢椎脱位系列讲座（七）

艾福志，李克维

【关键词】寰枢关节；脱位；图像处理，计算机辅助；计算机模拟；计算机辅助设计；模型，解剖学；骨螺丝；导板；外科手术，计算机辅助

作者单位：510010广州军区广州总医院骨科医院

E-mail：spine2000@126.com

1　概述

寰枢椎位于颅脊交界区，解剖结构上具有独特性。寰椎由前后弓、侧块、横突构成，侧块上接枕骨髁、下邻枢椎关节突上关节面，形成寰枢外侧关节，而枢椎齿突与寰椎前弓构成寰齿关节，寰枢、寰枕之间由横韧带、翼状韧带和齿突尖韧带等多个韧带连接，这样就形成了一个复杂的三维复合结构；寰枢椎还毗邻诸多重要的血管和神经，因此治疗难度较大，风险较高［1-2］。

寰枢椎脱位是各种上颈椎与颅脊交界疾患的病理转归，临床上并不少见，除了部分儿童自发性寰枢椎脱位可保守治疗之外，一般寰枢椎脱位需手术治疗。按复位可能性以及难易程度，寰枢椎脱位分为可复型、难复型、不可复型3种类型：经牵引等保守治疗能复位者为可复型，术前通过大重量牵引也无法完全复位者为难复型，寰枢椎之间已存在骨性融合者为不可复型［3］。可复型寰枢椎脱位一般行寰枢椎后路手术，目前临床上优先选择寰枢椎后路椎弓根螺钉固定植骨融合术，通过钉棒提拉进行复位；而对于存在解剖变异的患者，可选择寰椎部分椎弓根螺钉、寰椎侧块螺钉、枢椎椎板螺钉等固定方法［4-5］。难复型及不可复型寰枢椎脱位常合并颅底凹陷、先天寰枕融合等畸形，寰枢椎解剖结构异常，治疗难度加大。其中难复型寰枢椎脱位通常采用经口寰枢椎复位钢板（transoral atalantoaxial reduction plate，TARP）内固定或一期经口松解后路寰枢复位植骨融合内固定［6-7］，不可复型则主要根据融合部位选择前路或后路手术，同时基于融合范围判断是否需加用内固定。

数字骨科学是一门将骨科学基础临床研究与数字化技术紧密融合的新兴交叉学科。医学影像处理、计算机辅助设计（computer aided design，CAD）、计算机辅助制造（computer aided manufacturing，CAM）、快速成型技术（rapid prototyping，RP）、逆向工程技术等数字技术目前已广泛应用于骨科临床，在复杂四肢骨折、骨肿瘤、骨缺损及脊柱畸形等治疗方面取得良好的应用效果。而在上颈椎外科领域，基于CAD-RP技术的数字化模拟、3D模型打印、置钉导板等数字骨科技术的应用正在使寰枢椎手术向着个性化精准外科方向发展。

2　数字化模拟与手术设计

数字化模拟与手术设计是在术前利用薄层CT数据建立计算机三维重建模型，虚拟还原寰枢椎骨骼/骨折的三维形态，从不同角度、不同平面观察寰枢椎病变情况，掌握寰枢椎周围重要神经血管的解剖关系［8-9］，同时提供手术相关解剖结构的准确数据（如寰枢椎椎弓根宽度、高度等）；在此基础上进行有限元计算，预测应力分布情况；进行计算机虚拟手术，评估手术的可行性、手术方式及可能产生的手术效果；进行计算机个体化测量，明确安全置钉的位置、方向、角度以及螺钉规格等数据［10-11］；最后术者基于这些数字化模拟结果进行手术设计，制定个体化手术方案，进而指导临床手术。总之，通过术前数字化模拟与手术设计，不仅有助于寰枢椎疾患的术前诊断及准确分型，而且有助于选择合适的手术方式以及精确预估手术效果，改变了单纯依赖经验和手感的传统，缩短了年轻术者的学习曲线，提高了手术精确性［12］。

典型病例：女性患者，51岁，因“双上肢疼痛3年余，四肢麻木、乏力1年余”入院。入院后通过寰枢椎CT扫描获得其DICOM数据，导入三维重建软件，通过阈值分割、区域增长等进行三维重建（图1A）。然后在计算机上对脱位的寰枢椎进行模拟复位（图1B），测量复位后寰枢椎的各项数据，选择合适大小的TARP，然后将TARP模型与复位寰枢椎模型进行匹配（图1C）。在此基础上进行手术设计，制定手术计划，实际手术复位顺利，钢板大小合适。术后5 d复查CT见寰枢椎复位良好（图1D），术后12 d患者顺利出院。

病例分析：TARP复位内固定是难复型寰枢椎脱位的常用手术方式，术中彻底松解寰枢后通过寰枢椎复位器联合TARP即可完成寰枢椎的复位、固定和植骨融合，但由于脱位前寰枢相对于枢椎向前下脱位，结构重叠，如何选择合适大小的钢板，是手术的难点之一。既往常通过术者经验主观预测复位后的位置，进而估计出大小可能合适的钢板。由于缺乏客观依据，钢板长度的选择可能会有偏差：钢板过短，则复位后枢椎进钉点会因高过枢椎关节突而导致无法置钉；钢板过长，则复位后枢椎进钉点会因过低而使枢椎逆向椎弓根螺钉进钉角度偏小，无法进入椎弓根。由于复位前已用2枚螺钉将钢板固定于寰椎，故只能在器械复位后才能判断钢板下方螺钉孔位置是否合适，如果依靠经验选择的钢板不合适，则只能拆下寰椎螺钉，取出钢板，重新选择合适钢板。此时寰椎已置过钉，更换钢板可能对寰椎螺钉的固定强度产生一定影响；手术步骤的重复进行也延长了手术时间，加大了手术风险。而本病例通过数字化模拟和手术设计，在术前即模拟完成寰枢椎复位、合适钢板选择、螺钉置入等核心手术过程，使实际的手术简单化、个体化、精确化，提高了手术成功率，降低了手术风险。

3　3D模型打印

3D模型打印技术是通过薄层CT或MRI扫描人体组织和器官结构，获得其二维数据并导入M imics等医学图像软件，重建出患者组织器官的3D模型，然后借助RP技术，打印出与患者组织器官结构、大小一致的实物模型。其优势体现在：①便于术者更加直观地观察患者的解剖结构及其特征，全面深入地了解其病变情况、变异畸形程度、椎动脉走向及其他重要毗邻关系；②有助于术前与患者、手术团队成员之间的沟通；③可在实物模型上进行术前模拟手术，确定内植物置入位置、方向及角度，选择大小合适的内固定器械，为术中操作提供参考［13］；④有助于制定针对性的手术规划，明确手术步骤，缩短手术时间，提高手术技巧。

随着数字骨科技术的迅速兴起，3D模型打印技术在寰枢椎手术中的应用逐渐增多。对于寰枢椎骨折脱位、齿状突游离小骨等疾患，个体化3D打印模型辅助下内固定手术可提高置钉的成功率［14-17］。对于不可复性寰枢椎脱位，通过细致观察等比例3D打印模型，可以准确判断畸形程度及受压严重的部位，在术前即确定安全减压的部位及方法，术中还可将模型与实际所见相互比对，更利于手术定位及调整［18］；而对于需行翻修手术，或合并肿瘤、风湿、先天畸形等复杂因素的寰枢椎脱位手术，3D打印辅助个体化技术可使其简单化，提高了手术效率和精确度［18-25］；将其用于指导儿童寰枢椎脱位手术，安全性也大为提升［26-27］。

典型病例：女性患者，59岁，因“四肢无力、麻木10余年”入院，术前CT示异常增大的齿突小骨与枕骨斜坡畸形融合，向后突入椎管，寰枕关节后脱位（图2A）；入院诊断：先天性颅脊交界畸形，寰枕后脱位。术前基于3D模型打印技术制作颅脊交界区模型，可清晰观察到发育畸形的齿突小骨异常增大，并与枕骨斜坡融合，脊髓在椎管内的代偿空间很小（图2B）。完善检查后于全麻下行经口前路畸形齿突小骨和部分枕骨斜坡切除、TARP内固定植骨融合术。术后CT见齿突小骨和枕骨斜坡下端切除彻底，减压充分，椎管容积完全恢复（图2C）。1周后症状好转出院。

病例分析：患者术前CT提示先天枕颈发育畸形，存在先天性游离齿状突，且与枕骨斜坡融合。但仅凭CT及MRI等影像学数据无法明确游离齿状突的形态，也无法明确压迫范围。通过CAD-RP技术打印出三维模型实物后，术者可直观地看到畸形融合的游离齿状突的形态，以及其在椎管内严重压迫脊髓的部位和范围，进而确定其与枕骨斜坡的融合情况（融合范围较小，属于局限融合型［29］）。据此确定手术方案，拟经口前路切除畸形的游离齿突和部分枕骨，行TARP内固定，在减压的同时重建寰枢稳定性，然后在寰枢外侧关节间植入自体髂骨融合寰枢椎。考虑到压迫最严重部位脊髓的代偿空间非常狭小，为避免使用Kerrison咬骨钳直接咬除齿突时损伤脊髓的风险，术中减压参照3D实物模型（消毒后带入手术室），先用高速磨钻将齿突打磨菲薄，只保留后壁的薄层骨质，再从两侧及头尾侧压迫不严重的部位减压，中央压迫最严重的部位遂处于漂浮状态，最后用刮匙及神经剥离器剥离即可切除之；术中还可通过比对3D实物模型，顺利完整地切除畸形的齿突和斜坡下部。术后复查CT及MRI可见手术减压充分，脊髓腹侧受压明显改善，疗效满意。

图2　3D打印模型用于先天性颅脊交界畸形、寰枕后脱位患者手术前后图片［28］（女，59岁）2A术前CT示增大的齿突小骨与枕骨斜坡畸形融合，向后突入椎管，寰枕关节后脱位2B 3D打印模型显示脊髓在椎管内代偿空间很小2C术后1周复查CT见齿突小骨和枕骨斜坡下端切除彻底，减压充分，椎管容积完全恢复

4　置钉导板

脊柱手术内固定应用较为普遍，但当存在脊柱畸形、解剖结构变异的情况时，置钉难度会明显增加。尤其是在寰枢椎部位，常合并各种畸形、变异，如枢椎椎弓根细小、椎动脉高跨、寰枕融合等，造成置钉困难。基于数字骨科技术的置钉导板辅助手术能够使以往单纯凭经验和手感置钉的操作化难为简，为安全置钉提供可靠帮助。其设计原理是先将薄层CT扫描所获得的数据导入计算机，重建出置钉部位的三维骨结构；利用计算机软件模拟理想的进钉点和进钉轨迹，通过反向延长，即可确定从外部进钉的位置和方向；然后再设计出与骨结构完全贴服、带有固定导钻通道的导板；术中完全显露骨结构后（注意不可破坏骨组织），将导板完全贴附于预定位置，即可直接钻孔、手钻开路，钻入深度可按照术前计算机精确计算的长度，单皮质或双皮质可按病例的不同需要进行选择，最后在畸形骨结构上实现螺钉的精确置入。

Hu等［30-31］通过快速成型技术制作出3D钻孔导板，将其用于尸体颈椎标本的寰枢椎椎弓根置钉和寰枢经关节螺钉置入手术，结果表明，尽管存在与计算机设计制造相关的偏差，但置钉导板仍可最大限度地减少寰枢椎螺钉置入过程中的人为操作失误，同时增强寰枢经关节螺钉置入的安全性；Fu等［32］的尸体标本研究亦显示，借助RP技术制作的患者个体化钻孔导板生物相容性好，操作简便，有助于提高前路经椎弓根螺钉置入的准确性。临床研究方面，基于CAD-RP的寰枢椎手术置钉导板也越来越多地见诸报道［18，26，28，33-36］。王建华等［33］将RP机打印的导航模板用于寰枢椎椎弓根螺钉个性化置钉，有效提高了置钉成功率；艾福志等［28］利用椎弓根螺钉导向钻套模板在颅颈交界手术中指导实时进钉，取得满意效果。总之，通过应用个体化置钉导板，可以提高寰枢椎内固定手术的安全性，值得进一步推广和应用。

典型病例1：男性患儿，2岁，因“头部歪斜1个月，行走不稳1周”入院。术前颈椎CT示齿突溶骨性骨质破坏，骨皮质部分缺损（图3A）。入院诊断：齿突破坏性质待查。术前利用CAD-RP及逆向工程等数字骨科技术制作出等比例3D模型和寰枢椎进钉导向模板（图3B），术中应用导向模板辅助寰枢椎螺钉置入（图3C），然后一期术中翻身行经口病灶清除。患儿术后恢复良好，病理诊断为炎性破坏，术后1周颈椎CT示寰枢椎螺钉位置良好（图3D，3E）。

病例分析：儿童寰枢椎尚未充分发育，结构小［37］，置钉困难，徒手置钉风险较高。术前通过打印3D模型来进行手术设计和模拟置钉，通过逆向工程技术设计椎弓根螺钉个性化导板，手术中实时指引置钉，提高了置钉的准确率，降低了损伤椎动脉和脊髓的风险。应用导向模板时要求术前CT扫描厚度尽量小于1 mm，RP打印机的打印精度尽量控制在1 mm以下，这样获得的导向模板具有较高的精度，与手术显露的解剖部位能够充分贴合。为提高导向模板与小儿骨性结构的贴合程度，手术显露时应尽可能将骨面的软组织清理干净。

典型病例2：男性患者，17岁，因“车祸伤致颈部不适10个月，加重伴四肢无力2个月”入院。术前颈椎CT示齿突骨折畸形融合，延脊髓腹侧受压明显（图4A）。入院诊断：陈旧性齿突骨折畸形愈合，不可复型寰枢椎脱位。术前根据数字骨科技术制作1∶1实物模型（图4B），可见齿突与枢椎椎体畸形融合并向后方成角，脊髓在枢椎后上方位置受压，代偿空间很小。术中切除寰椎前弓及大部分影响复位、已畸形融合的齿突（图4C），然后借助TARP系统完成寰枢椎复位和固定。其中固定枢椎时采用术前制作好的TARP手术枢椎置钉导板，辅助精确置入C2逆向椎弓根螺钉（图4D）。术后5 d影像学图片可见寰枢复位，脊髓压迫解除，寰枢螺钉位置理想（图4E～4G）。

病例分析：据报道，椎弓根钉置钉术中对神经、血管的损伤或术后螺钉对神经刺激的发生率可达2%～7%［39］。而枢椎逆向椎弓根螺钉置入难度要大于后路置钉，原因在于：枢椎段椎动脉走行常存在变异；枢椎前方椎体体积远大于后方椎弓根，从前方逆向置入椎弓根螺钉比后方直视下直接置入椎弓根螺钉难度要大［40］。通过数字骨科技术制作出的枢椎逆向椎弓根螺钉导板，有利于准确还原术前规划的进钉点及角度，降低枢椎逆向椎弓根螺钉置入的相关潜在风险，进而提高置钉的精确性。需要强调的是，枢椎后路椎弓根导板应用时仅需与后路特异恒定的解剖结构贴合即可；而前路逆向椎弓根螺钉导板使用前建议先按术前计算机模拟出的寰枢椎复位后的位置，在枢椎相应位置上放置第一块导板后钻孔，从而“注册”位置，然后再安装TARP系统以复位寰枢关节，尽量使复位后钢板下方的钉孔位置刚好位于进钉位置，即可进钉成功。当遇到复位后钢板下方枢椎逆向椎弓根钉进钉位置与钻孔理想位置存在偏差的情况时，若偏差较小，一般按钻孔方向进钉难度不大；如偏差较大，则需重新钻孔和开路，依靠术中透视及术者的经验和手感进钉。

图3数字骨科技术用于小儿寰枢椎后路置钉手术前后图片［28］（男，2岁）3A术前颈椎CT提示齿突溶骨性骨质破坏，骨皮质部分缺损3B术前利用计算机辅助设计-快速成型及逆向工程等数字骨科技术制作出等比例3D模型和寰椎后路进钉导向模板3C术中应用导向模板辅助寰椎螺钉置入3D，3E术后1周复查颈椎CT示寰枢椎螺钉位置良好

5　展望

随着数字骨科技术的不断成熟，其在寰枢椎手术中的重要价值越来越受到人们的关注。3D打印是当前的研究热点，在上颈椎领域，目前通过3D打印技术已制作出个性化人工椎体假体，用于重建枢椎椎体肿瘤切除后的骨结构缺失［41］。随着计算机及其软件的进一步发展，将来可通过精度更高、质量更好的模型打印技术直接打印植入材料，真正实现个性化、精确化的寰枢椎手术。置钉导板方面，寰椎前路逆向椎弓根钉置钉已取得初步的干燥标本数据［42］，由置钉导板辅助的前路寰枢椎椎弓根精确置钉技术可望实现与后路技术相似的坚强固定。

手术导航技术和机器人辅助手术也逐渐应用于上颈椎外科，并获得成功［43-46］，而TARP系统的改良以及Jefferson骨折复位钢板的数字化研究则标志着数字骨科技术在上颈椎手术医疗器械产品设计、开发、制造方面的突破［12，47］，计算机虚拟现实技术、可穿戴技术、康复机器人等也将越来越多地助力于上颈椎疾患的手术治疗与康复训练［48-50］。

总之，手术的微创化、数字化和智能化不仅是未来上颈椎外科发展的方向，也是当下的现实需求。相信伴随着计算机技术、医学影像技术和机械制造技术的不断进步，数字骨科技术将为寰枢椎手术保驾护航，为患者提供高效、安全、个性化的精准医疗服务。

图4　数字骨科技术用于不可复型寰枢椎脱位患者手术前后图片［38］（男，17岁）4A术前颈椎CT提示齿突骨折畸形愈合，延脊髓腹侧受压明显4B 3D打印模型可见齿突与枢椎椎体畸形融合并向后方成角，脊髓在枢椎后上方位置受压，代偿空间很小4C术中切除寰椎前弓以及大部分影响复位、已畸形融合的齿突4D复位寰枢椎后用术前制作好的枢椎置钉导板，辅助精确置入C2逆向椎弓根螺钉4E～4G术后5 d复查影像学图片显示寰枢复位，脊髓压迫解除，寰枢螺钉位置理想

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中图分类号：R684.7，R726.87

文献标识码：A

文章编号：1674-666X（2016）02-120-08

DOI：10.3969/j.issn.1674-666X.2016.02.010

收稿日期：（2016-02-02；修回日期：2016-02-28）（本文编辑：白朝晖）