3D打印胸椎结核病灶椎体模型个体化指导胸椎椎弓根螺钉置入

马鹏飞 石仕元 费 骏 赖 震 石林锋 刘 飞

脊柱结核因病灶硬化壁存在，抗结核药物难以透过硬化壁在病灶区形成有效的药物浓度，外科手术可清除病灶并同期植骨内固定，临床效果肯定。椎弓根螺棒系统内固定均有三维固定矫形作用，是脊柱结核后路手术的常用固定方式，但胸椎椎弓根个体差异大[1]，置钉失误率高，常有文献[2]报道误置造成严重后果发生。其次，反复调整置钉角度和螺钉来回拧入拧出，会导致螺钉把持力下降，在骨质疏松患者中表现尤为明显[3]。对于胸椎结核如何提高置钉准确率和骨质疏松性椎体螺钉固定强度是临床关注的焦点。近年来，3D打印技术应用于临床，改变了传统手术方式。通过术前打印出1:1的实物模型，个体化规划手术方案、术中对比已成为外科术者提高手术精细操作的一种发展趋势，目前被广泛应用于脊椎肿瘤切除、骨盆骨折固定、跟骨骨折、关节置换术中，并取得较传统手术更好效果[4-7]。笔者通过术前3D打印患者胸椎结核病灶区域实物模型制定个体化置钉方案，评价3D打印技术辅助胸椎个体化置椎弓根螺钉的疗效。

1 临床资料

1.1一般资料 选择2016年1月—2017年1月浙江省中西医结合医院骨科病房胸椎结核患者52例，男 23例，女 29例，年龄 43～79 岁，平均（61.37±4.31）岁；单节段29例，双节段14，多节段9例，其中有跳跃型2例。所有入组患者均有低热、盗汗、乏力，局部压痛和不同程度活动受限症状，红细胞沉降率（ESR）23～129mm/h，平均（87.35±5.12）mm/h，C 反应蛋白（CRP）31～109mg/L，平均（79.54±7.34）mg/L。3 例有胸腹不同平面感觉异常。对52例患者胸椎椎弓根置入螺钉数进行汇总统计，其中胸椎T1 16枚，T2 24枚，T3 24枚，T4 32枚，T5 37枚，T6 39枚，T7 48枚，T8 51 枚，T9 45枚，T10 41枚，T11 36 枚，T12 36枚，共置入429枚螺钉。

1.2纳入及排除标准 纳入标准[8]：（1）诊断标准：结合病史，X线、CT、MRI等影像学检查，结核感染T细胞斑点试验（TSPOT）结果阳性，结核分枝杆菌及利福平耐药检测技术Xpert-MTB/RIF（美国Cepheid公司）阳性，穿刺活检病理提示结核分枝杆菌。伴有或不伴有胸腹及以下平面感觉异常。（2）抗结核治疗效果不佳，椎体骨质严重破坏，脊柱稳定性下降。（3）病例随访资料完整。排除标准：（1）合并活动性肺结核。（2）诊断脊柱结核，非胸椎结核。（3）病例随访资料不完整。（4）内固定方式非胸椎后路椎弓根螺钉内固定。

2 方法

2.1胸椎3D打印 52例患者术前均采用PILIPS 64排快速扫描CT进行胸椎薄层扫描，将扫描得到的数据导入医学专业三维重建软件，选定含有病灶为中心的三维重建数字化虚拟模型，然后利用3D打印机器打印出三维实物模型（见图1-①，封底）。

2.2测量与模拟手术 仔细观察三维胸椎结核实物模型，了解结核病灶的三维空间状态，明确椎体破坏的范围，病灶椎体与后方椎管、椎弓根的关系，椎弓根壁是否完整，椎弓根是否有变异。确定上关节突基底部与横突根部交叉点为进钉点，测进钉点经过椎弓根内外侧凹连线的中点达椎体前缘皮质的距离，即钉道长度，其长度的80%为理想椎弓根螺钉长度。钉道在横截面与后正中线的夹角为理想内倾角α（见图1-②，封底）。测进钉点经过椎弓根下上凹连线的中点达椎体前缘皮质，其与椎体横截面的夹角为理想头倾角或尾倾角β（见图1-③，封底）。测量椎弓根内外侧凹连线的长度，其长度的70%作为椎弓根螺钉的理想直径（见图1-②，封底）。根据所测得的椎弓根螺钉长度、直径、内倾角及头倾角（尾倾角）在实物模型上按顺序置钉。因本组3D打印材料为聚乙烯树脂，与实际骨组织弹性模量有别，防止椎弓根因弹性模量小被椎弓根螺钉撑开断裂，故模拟置钉前，先用克氏针按所测得的数据预置钉，再用与螺钉直径相同规格的攻丝进行丝攻，然后缓慢拧入椎弓根螺钉，判断螺钉的稳定性。测量钉棒的长度及按胸椎实物模型折弯钉棒，装钛棒及横连杆。反复观察及评价，对于不适行调整并记录。分离每个椎体，沿螺钉骨接触面截开，观察椎弓根螺钉是否沿着理想钉道方向及角度置入，有无穿破椎弓根内外侧皮质。

2.3手 术 手术均由同一组医生完成。均采用了全麻后取俯卧位，胸腹部采用洞垫垫高，后路椎弓根螺钉固定手术方式采用经肋横突入路[9]，以病椎肋横突关节为中心纵行向内切一约10～12cm弧形切口，钝性剥离竖脊肌，显露关节突关节、横突根部及椎板，与实物模型采用相同的进钉点（上关节突基底部与横突根部交叉点），开口器开口，按照术前测量的角度和方向置入1枚克氏针，术中C型臂X线机透视显示与术前模拟置钉方向及角度基本相同，挑选测量所得合适直径椎弓根螺钉，选用略小于椎弓根螺钉直径规格的空心攻丝丝攻，拧入椎弓根螺钉，缝合竖脊肌、深筋膜。切除病椎横突，经肌间隙进入，分离肋骨及肋骨下组织，注意保护胸膜，剪短合适长度的肋骨，留取为植骨材料。继续小心分离，显露病灶，清除病灶周围脓液，死骨，干酪样组织，咬除硬化骨，建立植骨床，按术前测量结果剪下合适长度肋骨作为支撑骨，对于双节段病灶清除后行钛网支撑植骨或人工椎体重建椎体高度及矫正后凸畸形。病灶反复冲洗后，用异烟肼10g稀释液冲洗病灶，并用明胶海绵包裹链霉素粉10g置入病灶，植骨区周围。放置负压引流管1根，止血后逐层缝合切口。

术后患者一般四联抗结核加护肝、补液等对症治疗。术后每周复查血常规、肝肾功能电解质等，每月复查胸椎X线、CT、MRI检查。术后3周左右佩戴支具下地活动，支具佩戴3～6个月。

2.4指标观察 术后行CT薄层扫描，观察螺钉置入后螺钉有无穿破骨皮质情况，螺钉的长度、直径、角度与方向是否与实物模型测量最佳参数一致。术后1年椎骨融合情况及螺钉松动情况。术后采用电话随访、门诊随访、住院复查等方式。

3 结果

3.1实际螺钉置钉准确率 术后由2名高级职称影像学医师独立阅读入组病例资料内固定术后CT薄层扫描图像与重建图像，按照张树芳等[10]报道的置钉评价标准评价实际螺钉置钉情况。Ⅰ类：置入螺钉位置满意，未出现螺钉穿破椎弓根皮质；Ⅱ类：置入螺钉位置不理想，存在螺钉穿破椎弓根皮质，稳定性良好，未损伤邻近组织，但需要翻修；Ⅲ类：置入螺钉位置不理想，存在螺钉穿破椎弓根皮质，稳定性差，损伤邻近组织。实际螺钉置入准确率按Ⅰ类置钉计算。

3.2置钉效果 共置钉429枚，结果显示实际置入椎弓根螺钉的进钉点、长度、角度和方向与3D打印结核模型测量数据、模型置钉最佳长度、角度方向基本一致，数值差异无统计学意义（P＞0.05），见表 1。术后X线检查显示病椎固定螺钉未见松动滑出,CT薄层扫描检查未见螺钉突破椎弓根内外侧壁。有6枚螺钉与术前设计相比角度稍有偏移，但位置均在满意位置，3D打印结核模型辅助个体化置钉准确率为98.6%（423/429）（见图 1-④，封底）。

3.3不良反应 手术过程均顺利，术后第2、5、6天有3例患者出现胸闷气急，B超提示胸腔积液，予以置管引流均缓解。到终末随访结束，未发现螺钉松动、断钉、钉道感染、切口感染等不良反应。

表1 实际置入螺钉与3D打印术前设计模拟置钉的直径、长度、角度、比较（x±s）

4 讨论

4.1胸椎结核椎弓根螺钉内固定存在的困难 近年来，我国脊柱结核患者数量稳中有增，抗结核药物治疗难以透过结核病灶硬化骨而不能在病灶周围形成有效的抑菌或杀菌血药浓度，单纯药物治疗脊柱结核疗效不佳。通过外科手术治疗脊柱结核取得一定的疗效，高位脊柱结核如胸椎单节、多节段结核均可通过手术病灶清除、内固定、植骨融合等方式去除病灶和矫形固定。椎弓根螺钉内固定系统因能对椎体前、中、后达到三维固定、操作简便、矫形效果佳等优点被作为胸椎结核后路内固定首选。然而，胸椎结核患者早期症状不明显，较少有患者就诊，或因轻微外伤后疼痛就诊，易误诊、漏诊，最终椎体破坏严重、脊柱不稳，椎体旋转、后凸畸形、截瘫，后期手术治疗较为棘手，加上胸椎椎弓根较腰椎细小，椎弓根个体变异大[11]，老年患者附件小关节增生硬化，给椎弓根钉的置入带来许多困难。

目前临床置胸椎椎弓根螺钉，通过解剖标志寻找置钉进钉点，容易导致置钉失误。文献[12]报道，椎弓根螺钉置钉失误率无统一数值，在3%～55%不等，但均表明胸椎置钉失误率远高于腰椎。胸椎椎体周围解剖结构复杂，前方有主动脉和胸腔肺脏，椎管狭窄，椎管内有脊髓，椎间孔内有神经根，置钉角度失误将可能导致神经根、脊髓损伤、脑脊液漏，螺钉过长刺伤前方动脉及内脏，危及生命。尽管文献[12-13]报道有穿破椎弓根壁和椎体前缘皮质而未出现神经脊髓、内脏损伤，但螺钉在椎弓根及椎体内位置不佳，无疑会减小螺钉的抗拔出力，椎弓根结构破坏，强度下降导致螺钉松动、固定失效，增加螺钉翻修几率和内脏、神经大血管损伤风险。因此，如何增加胸椎椎弓根螺钉置入的准确率是近年来脊柱外科研究的重点。

传统的胸椎后路显露无法在直视下观察到椎弓根全部，置钉技术依靠术中解剖标志的辨识，置钉的角度和方向完全依靠术者的经验和手感，即使很有经验的术者也可能出现螺钉置入位置不佳。Sagi等[14]研究术中X线辅助置钉准确率仅为73%，螺钉置入的准确率并没有增加，且术者需长时间暴露在X线下。计算机导航技术虽可在直视下检查进针点和螺钉置入角度是否准确，将椎弓根壁穿透率控制在5%以内，很大程度上提高了螺钉置入的准确率，但导航系统操作复杂、设备昂贵，对体位变化敏感，在临床得不到推广应用[15]。

4.23D打印胸椎结核模型个体化指导置钉的优势

胸椎结核因椎体破坏，脊柱畸形与传统胸椎骨折不同，很难通过X线及CT二维图像全面、形象的掌握病椎破坏的空间形态，对破坏椎体的残余部分无法通过影像学感知其能否行病椎固定。长节段固定必然要失去更多的正常运动单元，若病椎一侧可行椎弓根螺钉固定，可以减少固定节段，减少正常运动单元的丢失。施建党等[16]对191例患者行病椎间固定，疗效满意，病灶硬化骨骨量丰富，可提供比单纯椎弓根60%外更多的螺钉抗拔出力。3D打印技术通过专业软件将CT扫描的二维数据重建成三维数字模型，再由3D打印机逐层按0.1mm厚度打印出与患者1:1的三维实物模型，获得比普通影像学更加充实、全面的信息，在临床开始逐步应用。国内外学者通过术前3D打印指导，甚至因3D实物模型更改手术方案的报道并不少见[17]。本研究所有患者均在术前打印病灶3D实物模型，可以在体外离体情况下真实触摸拟手术节段胸椎椎体，术前反复观察实物模型，获得CT、MRI不能反映的解剖学资料。实物模型可以立体化、形象化的呈现出患者病灶以及每个节段椎弓根的三维情况，可以在术前充分了解到病灶后方椎管有无占位，椎弓根的形态大小以及变异情况。依据实物模型不仅能够在模型上精确的获知死骨位置及死骨的多少，还可在术前了解到硬化骨的厚度，为术中行病灶清除、预备植骨块及建立植骨床提供指导。

胸椎的椎弓根直径较腰椎细小，最窄节段在T4、T5、T6，文献报道最窄在 3.2～4.7mm，尚未统一[18]，表明胸椎椎弓根个体变异较大，且术中C型臂X线机图像分辨率低，易受肋骨和肩胛骨、肺脏等影响，给临床胸椎准确安全置钉带来困难，导致置钉错误，造成严重后果。传统置钉依靠解剖标志和术者经验，且术前必须了解患者椎体形态及病变部位，但实际置钉时的角度具有主观性和随机性，无数据参考。因此如何提高置钉准确率和预防错误置钉具有重要意义。3D打印技术术前对实物模型椎弓根变异情况进行掌握熟悉，测量出每个椎弓根的直径，选用合适直径的椎弓根螺钉，并术前设计理想钉道，测算出螺钉长度，内倾角及头倾角，术前模拟置钉过程，模仿术中置钉时存在的问题，使得手术得心应手，为术中选用螺钉及置钉角度、方向提供指导，减少术中反复测量、X线透视而缩短手术时间，减少曝光次数，降低手术感染风险。通过比较术中实际使用的螺钉直径、长度、置钉方向和角度与3D打印模型测量的数据结果，其数据虽有差异，但差异较小（P＞0.05），说明3D打印能够很好的指导胸椎结核置钉，提高置钉的准确率。本研究在3D打印模型的指导下共置入429枚螺钉，术后CT扫描图片显示螺钉位置与术前设计基本相同，螺钉均未穿破内外侧椎弓根皮质，置钉准确率为98.6%，说明3D打印技术提高了胸椎结核置钉安全性。通过3D打印模型的认识，选择了病椎间固定，缩短了固定节段，减少正常运动单元的损害，治疗个体化。

老年胸椎结核患者因活动量减少，免疫力低下，结核杆菌破骨能力旺盛，合并有糖尿病、高血压、类风湿等长期服药导致体内钙磷代谢紊乱，女性绝经后激素水平下降，出现骨质疏松，普通的椎弓根螺钉对椎体松质骨的把持力下降，易导致内固定物松动、拔出，固定失效。特别是术中因置入角度和方向不佳，需多次调整螺钉置入轨迹，导致固定效果大打折扣。Polly等[19]研究指出，螺钉在首次正确置入时稳定性最强，旋出后再次旋入，扭矩将下降34%。因此对胸椎结核骨质疏松患者务必一次性置入，尽可能不要反复旋出旋入。然而因胸椎椎弓很解剖复杂，传统置钉很难一次性正确置入，国内外学者[20]通过骨水泥强化螺钉方式增加螺钉的把持力取得一定疗效，但因骨水泥产生高热、溢出、误注，长期留置有一定毒性和致癌风险，难以取出，无骨生物相容性，长期负荷下可发生松动，导致骨吸收等不能适用于胸椎结核患者。3D打印技术通过术前设计置钉角度和方向，可一次性准确安全置钉，较少需要调整，增加了螺钉在骨质疏松患者椎体的稳定性，同时无上述骨水泥不良情况发生。本研究中老年患者居多，因结核杆菌导致骨吸收增加，表现骨质疏松，通过3D打印术前设计指导，术中均一次性置钉，术后CT扫描螺钉位置良好，术后随访结束未发现螺钉松动情况发生，效果满意。

总之，基于3D打印胸椎结核椎体模型，通过术前反复研究3D实物模型，模拟手术，熟悉手术过程，指导临床椎弓根螺钉置入，具有提高置钉准确率、术时短、软组织损伤小、术中透视少、术后并发症少等个体化治疗优势。

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