个体化3D打印导板在寰枢椎椎弓根置钉中的初步应用

周全 赵加力 张少先 徐进 潘伟 王新宏 张佳园

·论著·

个体化3D打印导板在寰枢椎椎弓根置钉中的初步应用

周全 赵加力 张少先 徐进 潘伟 王新宏 张佳园

目的 评估个体化3D打印导板辅助寰枢椎椎弓根螺钉技术在临床应用中的安全性及准确性。方法 枢椎齿状突Ⅱ型骨折行后路椎弓根螺钉内固定术病人3例，根据寰枢椎后方骨性结构数据设计个体化导板，术中根据导板确定进针点，磨钻磨除进针点骨皮质，根据导板方向建立钉道，根据术前测量选择并拧入合适长度螺钉。术后通过观察螺钉在CT横断面和矢状面的位置来评估螺钉置入的安全性。结果 术后CT检查显示共置入寰椎椎弓根螺钉6枚，枢椎椎弓根螺钉6枚，12枚螺钉均为0级螺钉。结论 个体化3D打印导板能辅助寰枢椎椎弓根螺钉置钉技术，提高临床手术置钉的准确率和安全性，减少神经血管损伤。

3D打印； 颈椎； 椎弓根螺钉

寰枢椎后路椎弓根螺钉内固定植骨融合术是治疗枢椎齿状突Ⅱ型骨折的有效方法。椎弓根螺钉内固定具有更好的生物力学，从而获得更好的融合率，临床应用逐渐增多[1-3]。但寰枢椎周围有椎动脉、静脉丛及颈髓等，而且椎动脉和寰椎椎弓根变异较大，偏离椎弓根容易导致椎动脉和神经损伤，导致严重后果[4]。Lee等[4]采用导航技术提高颈椎椎弓根螺钉的置钉准确性，减少并发症的发生，但导航设备费用昂贵，难以推广。3D打印技术是快速成型技术的一种，能够根据病人的个体数据，结合计算机辅助设计个体化定制、快速准确制备出适合不同病人需求的医用材料和器械。我们采用3D打印技术设计打印个体化导向模板，辅助寰枢椎椎弓根螺钉置入。现将结果报道如下。

对象与方法

一、对象

2015年10月～2016年8月收治的枢椎齿状突骨折病人行后路椎弓根螺钉内固定术病人3例，均为男性；年龄23～46岁，平均年龄37.4岁。均为Ⅱ型齿状突骨折。病人均存在不同程度的枕颈部疼痛，均无神经损伤症状及体征。所有病人均行寰枢椎椎弓根螺钉内固定+植骨融合。

二、方法

1.导板制作：颈椎CT扫描，扫描参数层厚1 mm，层间距0.5 mm，窗位300。参照胡勇[5]等方法，将扫描数据以DICOM格式保存，导入三维重建软件Mimics 10.0软件，运用阈值选取技术，获得寰枢椎原始蒙罩，然后运用填充技术，修补因数据转换产生的结构间隙漏洞，得到新的蒙罩；再运用三维重建获得目的区域的三维重建图像。在CAD模块中，以3.5 mm的圆柱体模拟椎弓根螺钉，通过软件设计椎弓根螺钉的最佳进针点和进针方向及通道，将三维重建模型透明化，分别在冠状面、矢状面和横断面观察圆柱体和椎弓根的关系，确保圆柱体位于椎弓根内，不穿破周围骨皮质。以圆柱体中轴线为中心，在椎板表面做内径为2.5 mm、长度5 cm的进针导管。提取目的椎体后部的解剖学形态，建立反向模板，并将进针导管与反向模板复合，形成个体化进针导板，将颈椎三维模型及导向模板文件导入3D打印机，利用光敏树脂材料，1∶1 3D打印个体化椎体模型和导向模板(打印精度50 μm)，体外验证导板与椎体后部对应骨性结构贴合紧密且稳定。过氧化氢低温等离子消毒导板备用。

A：术前CT矢状面重建示枢椎齿状突骨折；B：根据CT扫描数据设计和打印寰枢椎置钉导板及1：1打印C1-3椎体，体外验证导板安放准确、稳定，钉道安全，并根据导板安放情况确定术中显露范围；C：术中经过寰椎导板钻入克氏针；D：术中透视见椎弓根螺钉位置良好；E：术后CT显示椎弓根螺钉位于寰枢椎椎弓根内；F：术后6周复查可见寰枢椎椎板间有连续性骨性连接，寰枢椎稳定性重建

图1 个体化3D打印导板下寰枢椎椎弓根螺钉内固定植骨融合术

2.手术操作：全身麻醉，病人取俯卧位，头部位置以mayfield头架固定维持牵引，取颈部后正中长约12～18cm纵行切口，逐层切开，骨膜下剥离后方肌肉至侧块外缘。安放个体化导板，以2.0 mm克氏针通过导板作进针点标记，取出导板，磨钻去除进针点皮质，重新安放导板，助手固定导板，沿进针导管钻入2.0 mm克氏针至预定深度，同法处理对侧。透视检测定位克氏针位置，去除克氏针及导板，攻丝，测深，拧入螺钉，再次透视确认椎弓根螺钉位置，连接钛棒，完成固定，磨钻去除寰椎后弓及枢椎椎板表面骨皮质，自体骨或同种异体骨植骨。

3.螺钉安全性及准确性评估：术后所有病人均复查颈椎正侧位X线片和颈椎CT平扫及三维重建。根据CT片显示螺钉与椎弓根的相对位置，使用Kawaquchi等[6]方法评价置钉准确性。0级：螺钉完全在椎弓根内；1级：螺钉穿出椎弓根壁不超过2 mm，未出现并发症；2级：螺钉穿出椎弓根壁超过2 mm；3级：出现临床并发症，如椎动脉、神经损伤等。

结 果

本研究均使用双边导板完成椎弓根螺钉置入，共置入12枚椎弓根螺钉，全部为0级螺钉，置钉准确率100%，无椎动脉、神经损伤等并发症。1例左侧静脉丛破裂出血，予明胶海绵压迫后止血。

典型病例：病人，男，44岁，车祸伤。诊断为枢椎齿状突骨折，多发肋骨骨折，双侧血气胸，双侧肺挫伤，左股骨骨折，左锁骨骨折，右胫腓骨骨折伴右腓总神经损伤，右髌骨骨折；低血容量性休克。伤后1周病情平稳后行左股骨、锁骨、右胫骨骨折、髌骨骨折手术治疗，伤后2周行个体化3D打印置钉导板下寰枢椎椎弓根螺钉内固定术+植骨融合术(图1)。

讨 论

枢椎Ⅱ型齿状突骨折的治疗方法较多，如齿状突中空拉力螺钉、经C1/2关节突螺钉内固定和寰枢椎椎弓根螺钉内固定融合术。这些方法各有利弊，齿状突中空拉力螺钉固定可以保留寰枢椎之间的旋转功能，但适应范围较窄，仅适用于前上斜向后下的齿状突骨折。近些年，采用寰枢椎椎弓根螺钉内固定融合术治疗新鲜和陈旧的枢椎齿状突骨折取得了较好的临床疗效，但寰枢椎椎弓根的直径、角度等参数变化大；周围重要组织多，内侧为脊髓，外侧为椎动脉，寰椎上方还有椎动脉跨过，上下均有神经根通过，导致寰枢椎椎弓根螺钉置入难度和手术风险较胸腰椎显著加大[7]。

目前，临床上常用的颈椎椎弓根螺钉置钉方法主要包括徒手置钉技术、计算机辅助导航技术和导向模板技术。徒手置钉技术需要有很高的手术技巧和经验，有的学者采用椎板开窗，探查椎弓根内壁，或者用微型刮匙沿椎弓根内刮出通道，增加了手术创伤和风险。计算机辅助导航技术能够提高颈椎椎弓根螺钉置入的安全性，准确率高，但其价格昂贵，而且手术时体位和椎体受力时位置和方向改变导致手术操作准确性降低[8]。吴聪等[9]采用可视化虚拟技术对寰枢椎椎弓根螺钉置入提供术前的虚拟手术演练，导向模板根据单个椎体的后方数据，通过逆向工程软件，获得最佳的椎弓根螺钉进针点及进针方向，个体化制作，进而引导椎弓根螺钉的置入，不受颈椎的位置和方向影响，是该可视化虚拟技术的发展，具有定位准确、使用方便、费用低等优点[10]。

我们所有导板设计均基于单个椎体，使用时不受颈椎各椎体间相互位置的改变而影响导板的放置。枢椎及以下颈椎后方棘突能够为导板的放置提供很好的着力点和参照物，维持通过导板进针时的准确性及稳定性；而寰椎后结节较小，不能为导板放置的准确与否提供依据。寰椎椎动脉沟处上下缘较平，容易为寰椎导板提供上下方的参照点，但需要进行椎板上下方显露，增加椎动脉损伤风险。因此，我们拟在将来的导板设计中选择一些关键点来确定导板安放位置，从而达到既能稳定导板，又减少重要部位的显露，减少椎动脉损伤的可能性。

[1] Qi L，Li M，Zhang S，et al.C1-C2 pedicle screw fixation for treatment of old odontoid fractures[J].Orthopedics，2015，38(2)：94-100.

[2] Zhang XL，Huang DG，Wang XD，et al.The feasibility of inserting a C1 pedicle screw in patients with ponticulus posticus：a retrospective analysis of eleven patients[J].Eur Spine J，2017，26(4)：1058-1063.

[3] Yoshii T，Hirai T，Sakai K，et al.Cervical pedicle screw placement using intraoperative computed tomography imaging with a mobile scanner gantry[J].Eur Spine J，2016，25(6)：1690-1697.

[4] Lee GW，Kim HJ，Yeom JS，et al.Feasibility study of free-hand technique for pedicle screw insertion at c7 without fluoroscopy-guidance[J].Asian Spine J，2016，10(1)：38-45.

[5] 胡勇，袁振山，董伟鑫，等.数字化导向模版技术辅助置钉治疗寰枢椎不稳的临床应用[J].中华创伤杂志，2014，30(8)：768-773.

[6] Kawaquchi Y，Nakano M，Yasuda T，et al.Development of a new technique for pedicle screw and Magerl screw insertion using a 3-dimensional image guide[J].Spine(Phila Pa 1976)，2012，37(23)：1983-1988.

[7] Yeom JS，Buchowski JM，Kim HJ，et al.Risk of vertebral artery injury：comparison between C1-C2 transarticular and C2 pedicle screws[J].Spine J，2013，13(7)：775-785.

[8] Scheufler KM，Franke J，Eckardt A，et al.Accuracy of image-guided pedicle screw placement using intraoperative computed tomography-based navigation with automated referencing.Part II：thoracolumbar spine[J].Neurosurgery，2011，69(6)：1307-1316.

[9] 吴聪，刘登均.可视化虚拟手术在齿状突骨折寰枢椎椎弓根螺钉内固定术中的应用[J].临床外科杂志，2013，21(8)：640-642.

[10]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.

(本文编辑：徐文聃)

Preliminary application of individualized 3D printing template for C1-C2 pedicle screw implantation

ZHOU Quan，ZHAO Jiali，ZHANG Shaoxian，et al.

(Department of Spinal Surgery，the Second Hospital of Huaian,Huaian 223002，China)

Objective To evaluate the safety and accuracy of individualized 3D printing template for C1-C2 pedicle screw technique.Methods 3 patients undergoing C1-C2 pedicle screw fixation because of odontoid fracture type Ⅱ.We designed individualized 3D printing template according to the bony structure data，then we determined the insertion point according to the template，and removed the cortex of insertion point with a reamer.We builded screw channels according to the direction and implanted pedicle screw.After the surgery，we evaluated the safety and accurate by CT scan.Results 6 atlas pedicle screws and 6 axis pedicle screws were implanted，and all screws were classified as class 0.Conclusion Individualized 3D printing template can assist and improve the accuracy and safety of C1-C2 pedicle screw implantation，decrease the injury to nerve and vessel.

three-dimensional printing； cervical vertebra； pedicle screw

10.3969/j.issn.1005-6483.2017.08.008

江苏省“六大人才高峰”基金资助项目(WSW-159)

223002 江苏省淮安市第二人民医院脊柱外科

2016-10-29)