个体化导航模板在颈椎椎弓根置钉中的应用进展

谢兆林　谭海涛　张其标

【关键词】 3D打印；导航模板；颈椎；椎弓根置钉

中图分类号：R683.7 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-1383.2018.04.028

颈椎椎弓根螺钉置入是颈椎手术维持其生物力学稳定性的重要内固定方式之一，符合脊柱三柱固定生物力学理论，且对脊柱活动度影响较小[1]。但由于颈椎解剖结构复杂，椎弓根偏细且个体间变异大，特别是上颈椎，增加了椎弓根螺钉的置入难度，因此，如何安全、精准置入颈椎椎弓根螺钉是脊柱外科医师需要研究的重要课题之一。目前，颈椎椎弓根置钉技术主要有C臂透视下徒手置钉法、计算机导航实时引导下置钉法及3D打印个体化导向模板辅助下置钉法等。随着数字医学与3D打印技术的发展，个体化导航模板置钉在各类脊柱置钉手术中获得广泛的应用[2～4]。现就个体化导航模板在颈椎椎弓根置钉中的应用现状进行综述。

1 个体化导航模板的数字化设计与3D打印制作

1.1 数据采集与来源

目前，3D打印的骨科个体化骨骼模型、导航模板及金属内植入物，其数据来源主要为患者特异性的、真实的影像资料如CT、MRI等。其中，CT对骨组织显影优势明显，是骨科的骨骼模型、导航模板的数字化设计最为常用的医学数据来源。对于3D打印个体化的颈椎导航模板的设计、制作，需要制定最佳、合理的CT扫描条件，以便获得高精准度的数据。扫描设备推荐使用螺距小的多排螺旋扫描仪，如64或128排CT，常见的扫描条件如下：电压120 kV，电流150～310 mA，层厚0.5～1.0 mm，矩阵512×512，扫描后以“Dicom”格式保存输出。

1.2 数据处理

将扫描的数据资料以“Dicom”格式导出，并刻录光盘储存，然后导入 3D编辑软件处理图像数据，如医学三维重建软件Mimics（Materialise公司，比利时）、E3D、Arigin 3D等，以及后处理软件如3-matic、Geomagic Studio和UG等医学图像处理软件。数字化设计软件，以Mimics软件为例，导航模板的数字化设计常常分为两步：①在Mimics中，经“Edit Mask”“Region growing”及“Caculate in 3D”等工具运算出目标颈椎椎体的三维模型。②在三维透视模式360°观察及模拟螺钉的位置、方向、直径，调整其位于最佳进钉路径，不突破周围骨皮质，经“布尔运算”形成钉道；提取各椎板、侧块、棘突背侧的皮质骨的解剖形态数据，建立与之解剖形状一致的模板，并反向增厚至2.0～2.5 mm，经“布尔运算”将模拟钉道、导管及此反向模板联合，获得数字化导航模板。

1.3 快速成型

目前，用于颈椎导航模板的3D打印机型有熔融沉积类、光固化成型法类、选择性激烧结法类等。在选择导航模板打印的材料方面，主要有光敏树脂、尼龙、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（acrylonitrile butadiene styrene copolymers，ABS）、聚乳酸（polylactic acid，PLA）、石膏等，此类材料性能好，强度大，稳定性良好，部分材料可经等离子消毒直接用于术中，同时，成本较低，能为患者节约住院费用。

2 个体化导航模板在颈椎椎弓根置钉中的应用效果

2.1 个体化导航模板辅助上颈椎椎弓根置钉

上颈椎包括寰枢椎、颈3椎体。其中，寰枢椎手术因其自身发育及解剖结构特殊，且与周围椎动静脉、神经根、脊髓的复杂解剖关系，该区域常被称为脊柱手术的禁区，置钉失误带来的往往是灾难性后果，导致其骨折或脱位后进行椎体椎弓根置钉的难度大，风险高，该手术极具挑战性[5]。随着数字医学与3D打印在骨科的成功运用，目前有许多学者对于上颈椎的颈椎置钉进行了新的尝试、实践。Owen 等[6]及Ryken等[7]利用数字医学与3D打印技术治疗上颈椎手术，并取得了满意的效果。卢腾等人[8]对12例上颈椎畸形的患者进行椎弓根螺钉模板置钉手术，结果发现置钉优良率达97.1%，提示椎弓根置钉导航模板对于上颈椎手术是有效可靠的导航方法，同时显著降低术中电离辐射的暴露时间。姜良海等[9]将标杆型3D打印导板用于21例寰樞椎脱位患者的手术治疗，结果发现寰枢椎术后的实际钉道与术前预设最佳钉道的内倾角、头倾角、进钉点坐标比较差异均无统计学意义，说明该3D打印导板辅助寰枢椎椎弓根置钉方向可调整性好，置钉精准度高，为寰枢椎置钉提供了一种新的思路。而蒲兴魏等[10]通过探讨改良 3D 打印导航模板辅助治疗了17 例寰枢椎手术的患者，结果发现该改良的3D打印导板可提高与术前预设最佳钉道的吻合度、精确匹配术前计划，也得到了类似的研究结果。周全等人[11]对3例枢椎齿状突Ⅱ型骨折行后路椎弓根螺钉内固定术的病人进行研究，根据寰枢椎后方骨性结构数据设计个体化导板，结果发现，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，提示个体化3D打印导板能提高临床手术置钉的准确率和安全性，减少神经血管损伤。谢兆林等[12]对94例颈椎骨折脱位患者行3D打印个体化椎弓根螺钉导航模板辅助颈椎椎弓根螺钉内固定术，试验组置钉精确度明显优于对照组，提示个体化导航模板辅助下颈椎椎弓根螺钉内固定术较传统方法的置钉准确率高、手术效果好。由此可见，3D打印技术可在术前对患者的寰枢椎体进行个性化、精准化把控，设计、打印相应的椎弓根置钉导板，从而提高寰枢椎置钉的精准性，降低了手术并发症的发生。

2.2 个体化导航模板辅助下颈椎椎弓根置钉

对于下颈椎的椎弓根置钉，在临床上仍面临不少挑战，但同样可以运用3D打印个体化的导板来使得下颈椎椎弓根置钉更加精准化、安全化。Kaneyamade 等[13]对20例患者共80枚螺钉应用3D导航模块辅助下颈椎置钉，术后CT示80枚螺钉均在椎弓根内，无相关并发症。目前，颈前路椎弓根置钉作为前路手术的坚强内固定方式之一，但如何进行安全、有效及精准的置钉仍是术者十分关注的问题。王力冉等[14]使用10具尸体的C3～T1以探讨颈椎前路椎弓根螺钉置钉导航模板辅助下置钉的准确性，结果发现其总体准确性高达 95.8%，为临床应用提供一定的依据。由于椎体前表面无明显的骨骼标志，无法类似于后路的椎弓根置钉导板，除了剥离清净软组织、按压导板使其紧贴骨面之外，有学者提出了使用3D打印组合式导板辅助下颈椎前路椎弓根螺钉置入[15]，并经与徒手置钉的准确性对比，结果发现该导板安全、准确，且操作简单，易于掌握，体现了置钉的个体化。

3 颈椎的个体化导航模板置钉法与其他置钉方式对比

传统的颈椎徒手置钉主要靠C臂透视下辅助，其具有坚强固定、稳定椎体的效果，多年来已是一种成熟、标准的脊柱融合固定技术，但是它无可避免较大的血管、脊髓损伤的风险[16～17]。而3D打印个体化椎弓根导板辅助置钉术中置钉时间和次数、术中透视次数更少，手术时间更短，操作更简易，置钉更精确[18～19]。计算机导航置钉法可明显提高脊柱手术置钉的精准度，其拥有无可置疑的准确性和方便，但与个体化的颈椎置钉导板相比，计算机辅助系统存在一定的缺陷[20～22]：①计算机导航昂贵，基层医院不易推广使用；②手术时间长，学习曲线长，操作繁琐；③原理基于已注册的椎体位置，相邻节段的椎体若发生移位，将需重新精确定位；④计算机导航设备体积庞大，对手术室空间有一定要求。而对于没有导航系统的医院，需要C型臂透视辅助置钉，其准确性也较好，但需要反复进行术中X线透视定位、验证，产生较大的辐射，对医师和患者均有害，而且X射线照射的图像质量不稳定，要求手术者有很高的阅片能力，较强的技术操作和手术经验，从而限制了其广泛及深入开展。近年来，数字医学与3D打印技术为骨科手术提供新的思路，个体化的置钉导航模板辅助于颈椎椎弓根螺钉植入手术，其优势相对明显。颈椎置钉导板基于患者真实影像数据，利用成熟的医学三维重建软件及先进的快速成型机器，经过数字化设计、3D打印出患者个体化的椎弓根螺钉颈椎置钉导板，大大提高了置钉准确率，同时减少血管、神经损伤的可能。其次，导板的设计、制作重在数字化设计，而高度自动化、智能化的三维重建软件为初学者提供了方便，入门门槛低，能够简单设计、制作满意的导板；另外，导板使用简单，即使经验较少的医生也能准确置釘，如为了使得导板牢靠于骨质，低年资医师也能满意地将有导板覆盖的椎体棘突、椎板上的软组织剥离清净，尽量保证固定效果达到最佳；由于一次性置钉准确率高，术前已掌握了最佳螺钉半径、长度、方向、深度，术中可快速精准地通过导航模板植入，故术中无须多次进行X线辐射透视，降低了辐射剂量。最后，用于3D打印制作导航导板的材料大多是光敏树脂、尼龙、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚乳酸、石膏等，其成本不高，强度大，能满足术中的要求，可广泛推广应用。因此，个体化置钉导航模板辅助于颈椎椎弓根螺钉置钉，可获得较高的置钉准确率，同时也能一定程度上弥补了计算机导航使用的不足。

4 结语

3D打印个体化椎弓根置钉导航模板在颈椎手术中已获得不少经验，随着医学三维重建与快速成型技术的不断应用和成熟，该颈椎置钉导板技术已由实验性研究向临床应用转化[23]。但目前，对于导板的形态、覆盖区域及使用置钉导板的操作规则并无明确的共识，势必影响其使用的精准度。我们实践中发现，虽然理论上数字化导板的准确性很高，但置钉后准确验证螺钉的位置仍有偏差，不利于继续在临床上广泛推广。因此，有必要在颈椎椎弓根置钉准确、安全有效的前提下统一颈椎置钉导板的标准，形成一套导板辅助置钉的规范。

参 考 文 献

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（收稿日期：2018-05-26 修回日期：2018-06-13）

（编辑：梁明佩）