3D打印及术前数字化设计辅助椎弓根置钉治疗寰枢椎不稳的临床疗效*

史玉林 王炳武刘伟强 于明东 张晓霞 潘洪发 李志卫 李曰众

（潍坊市人民医院脊柱外科，山东潍坊261041）

创伤、畸形、肿瘤、炎症等的破坏均可造成寰枢椎局部不稳，寰枢椎结构不稳可致局部脊髓受压，造成肢体感觉、运动障碍等，严重者甚至呼吸功能障碍危及生命。寰枢椎的固定方法众多，椎弓根钉内固定可提供很好的生物力学性能，并且还适用于椎体后路棘突和椎板切除术后的患者，故而该内固定技术被广泛应用于临床[1]。但是，寰枢椎局部的解剖复杂，邻近结构多，局部变异大，椎弓根相对细小，从而造成临床上寰枢椎椎弓根置钉难度大、风险高，而限制着寰枢椎椎弓根钉的临床应用[2,3]。因此，如何提高置钉的准确性一直是临床中期待解决的重大问题，数字技术及3D打印的快速发展为临床提供了新的解决途径。本研究回顾性分析2014年8至2017年12月使用术前数字化设计及3D打印技术辅助治疗的14例寰枢椎不稳患者，探讨该技术在临床应用中的作用。

1 资料与方法

1.1 一般资料

本组14例患者中，男8例，女6例，年龄26～67岁，平均（47.3±13.8）岁。陈旧性骨折不稳5例，齿状突畸形8例，类风湿性关节炎1例。所有患者术前均有不同程度的枕颈部位疼痛及活动受限，术前VAS评分3～6分，平均（3.9±1.1）分。9例患者术前存在脊髓损伤表现，均为Frankel D级。术前颈椎屈伸位检查14例患者寰枢椎均可复位至正常状态，且复位状态下无脊髓神经功能损伤征象。

1.2 术前数字化设计

术前所有患者均采用西门子双源CT行上颈椎CT平扫，扫描层厚0.6 mm。将CT扫描图像以Dicom格式导入Mimics 17.0软件中，重建寰枢椎三维模型，生成STL格式文件。在Med CAD模块中，以3.5 mm直径圆柱模拟椎弓根钉设计，沿平行于椎弓根的方向模拟寰枢椎椎弓根置钉，并在横断面、矢状面、冠状面对钉道进行认真调整，再次生成STL格式文件，从各个角度观察钉道的位置，确保钉道没有侵入椎孔和椎动脉孔等结构（图1）。确定钉道后分别在其横断面与矢状面上测量椎弓根钉的内倾角与头倾角。分别测量寰椎、枢椎进钉点的解剖位置，寰椎以进钉点距中线距离与距上缘距离交点确定，枢椎以进钉点距椎管内缘与距椎板上缘距离确定。

图1 数字化钉道设计（3.5 mm圆柱，A.后面观；B.前面观)

1.3 3D模型的制作使用

根据术前设计的寰枢椎模型数据导入3D打印机，打印出1∶1比例的寰枢椎模型。仔细观察实物模型，明确寰枢椎位置关系，充分了解局部的解剖结构，结合影像检查结果，明确椎动脉走行，确定数字化设计的进钉点的实际位置及局部关系，实物模型再次测量确定，便于术中更加准确的确定进钉点。在实物模型上分别进行寰椎与枢椎的模拟钉道练习，熟悉设计钉道的内倾角和头倾角，掌握其位置关系（图2）。实物模型消毒后带入手术室，方便术中实时观摩。

图2 实物模型（A.后面观；B.前面观）

1.4 手术方法

手术均由同一名医师负责确定体位并主刀完成。气管插管全身麻醉后，患者取俯卧位，头部位置以头架支撑固定，行颅骨牵引（3～5 kg），术中透视寰枢椎位置良好后固定为该体位。取颈部后正中纵行切口，逐层切开，骨膜下剥离双侧肌肉至进钉点。根据术前数字设计确定进钉点，高速磨钻去除进针点处皮质骨，根据术前设计角度使用半圆仪协助确定角度，开路锥逐步进至预定深度，探针确定钉道底部皮质完整及四壁光滑。若开路锥钻入困难术中根据经验调整方向并通过透视验证无误，同法处理对侧后插入定位针。正侧位透视检测定位针位置良好，去除定位针、攻丝，再次探查钉道底部及四壁后测深，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，行自体骨或结合同种异体骨植骨。

1.5 术后处理

术后拆除颅骨牵引，患者卧床，硬质颈托限制活动，轴向翻身。术后给予低分子肝素预防血栓，抗生素使用24～48 h，术前存在脊髓损伤症状者给予激素及脱水药物3～5 d，使用自控静脉泵镇痛。观察引流情况，当引流量低于50 ml/d时拔除引流管；通常术后第2天拔除引流管。复查颈椎CT，确认内固定等无异常后指导患者硬质颈托保护下逐步下床活动、功能锻炼。

1.6 观察指标及评估方法

观察记录每例患者术前VAS评分及脊髓功能，记录手术时间、出血量、透视次数、术后引流量，记录末次随访的VAS评分及脊髓功能。术后行上颈椎CT扫描，采用在横断面和矢状面CT上测量实际螺钉角度，比较数字设计钉道和实际螺钉的内倾角、头倾角来评价螺钉的准确性[4]。根据螺钉的位置，采用Kawaguchi等提出的方法对置钉准确度进行分析[5]：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，未出现并发症；3级，出现临床并发症，如椎动脉、神经根损伤。

1.7 统计学分析

使用SPSS 19.0软件进行数据分析，计量资料以均数±标准差表示。对实际钉道与数字设计钉道角度偏差比较采用配对样本t检验，P＜0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 手术效果

14例患者均顺利完成手术，手术时间为110～200 min，平均（146±34）min；术中出血量150～300 ml，平均（213±45）ml；透视5～11次，平均（7.4±1.5）次；术后拔管时引流总量90～200 ml，平均（140±34）ml。术中3例患者出现开路锥置入困难，术中行透视调整后置入。2例患者术中局部静脉丛损伤出血，给予明胶海绵、止血纱布压迫后止血。术中未出现椎动脉损伤，术后均无切口感染、脑脊液漏、神经损伤等并发症。所有患者随访8～36个月，平均（18.6±8.1）个月。至末次随访时均植骨融合，平均VAS评分从术前的（3.9±1.1）分（3～6分）降至末次随访的（0.9±0.6）分（0～2分）；9例术前脊髓功能Frankel D级患者均恢复至E级。典型病例的影像学资料见图3。

2.2 螺钉准确性

14例患者共置入椎弓根螺钉56枚，寰椎与枢椎分别28枚，术前进钉点位置测量见表1。术后CT判定：0级占94.6%（53/56），Ⅰ级占5.4%（3/56），Ⅱ、Ⅲ级均为0，准确率为94.6%。寰椎、枢椎左右侧预设钉道和实际钉道的内倾角、头倾角差异均无统计学意义（P＞0.05，表2）。

图3 患者，男，53岁，齿突畸形

表1 术前进钉点位置测量结果（±s，mm）

表1 术前进钉点位置测量结果（±s，mm）

进钉点位置C1进钉点距中线距离C1进钉点距后弓上缘距离C2进钉点距椎管缘距离C2进钉点距椎板上缘距离右侧11.8±0.4 2.8±0.3 6.6±0.9 4.6±0.6左侧11.9±0.4 2.7±0.4 6.7±0.8 4.8±0.8

表2 寰枢椎预设钉道和实际钉道的内倾角及头倾角（±s，°）

表2 寰枢椎预设钉道和实际钉道的内倾角及头倾角（±s，°）

内倾角和头倾角C1左侧内倾角C1左侧头倾角C1右侧内倾角C1右侧头倾角C2左侧内倾角C2左侧头倾角C2右侧内倾角C2右侧头倾角实际角度7.3±1.1 5.5±0.8 7.4±1.0 5.5±0.9 25.5±2.0 25.0±2.1 25.6±2.0 24.3±1.6规划角度7.6±0.9 5.7±1.0 7.6±0.8 5.7±0.9 25.2±1.6 25.4±2.2 26.0±1.6 24.9±1.0 T值0.64 1.22 0.33 2.14 0.42 0.92 0.96 1.84 P值0.536 0.243 0.75 0.052 0.682 0.373 0.353 0.089

3 讨论

寰枢椎不稳的后路治疗方法众多，有钢丝、钛缆、椎板钩、经关节突螺钉、侧块螺钉、椎弓根螺钉以及几种方式联合内固定等方法[6]。寰枢椎的椎弓根内固定于2002年由Resnick等[7]首次报道，是近年来较新的治疗方式与研究热点，椎弓根螺钉固定相比而言能够提供更好的生物力学性能，无需外固定的辅助，并且因为椎弓根螺钉复位力量大，其适应证更加宽泛，国内外有较多的寰枢椎椎弓根内固定基础及临床研究的文献报道，寰枢椎椎弓根螺钉内固定已被广泛用于各种原因引起的寰枢椎不稳，但报道中均指出寰枢椎局部的解剖复杂，邻近重要血管、神经结构，从而造成临床上寰枢椎椎弓根置钉难度大、风险高，一直限制着寰枢椎椎弓根钉的临床应用[1-3,8-10]。传统的影像学观察及置钉方法需要长时间的学习及经验的积累，并且存在不确定性及不易传承性，而尸体标本的练习十分困难，因为尸体捐献率很难达到临床教学科研的要求，很多甲醛固定保存的尸体标本，因为脱水等原因，骨骼形态发生变化而影响了研究的准确性[11]。

脊柱外科手术的基本原理之一就是脊柱内固定及重建技术，而脊柱的重建与内固定手术多需要在脊柱的椎弓根等重要结构精确置入螺钉，且不损伤重要的血管和神经[12]。3D打印数字导航等技术的迅速发展为实现脊柱手术的精准提供了方便。目前脊柱外科领域应用的技术主要是导航及椎弓根导向模板技术，有报道[13-15]在导航技术辅助下置入寰椎枢椎螺钉的准确率明显提高。导航技术虽然满足了不同患者的个体化需求，但计算机导航置钉操作复杂，学习曲线长，从开始接触到熟练操作需要较长的时间。其需要的经济投入亦较大，且占地空间大，对手术室面积有要求。术中操作过程中体位的任何变化都可以影响导航结果，限制了其推广应用。

3D打印椎弓根导板技术同样在临床广泛应用，综合报道准确率均在90%以上，在减少手术时间、出血量等方面有优势，但3D导板同样存在问题[2,8,6-19]：①3D打印导板的设计需要脊柱外科医师与工程师的协作，CT、3D打印机质量，设计的精度及打印的精度均会影响椎弓根钉的置入准确性；②应用导板过程中产生置钉偏差，椎体后部软组织剥离不充分，导航模板未紧密地与椎板后部骨性结构贴附、钉道准备中的震动都会造成置钉偏差，造成术中舍弃部分导板而根据术中透视及术者经验进行椎弓根螺钉置入；③导板材料质地脆弱，使用过程中容易损坏，消毒等操作会造成模板形变等；④颈部切口深，椎弓根成角较大，导向模板放置困难，易产生微动，有时需向外剥离过多的软组织等，损伤局部结构的风险升高；⑤由于接触面光滑、较小，术中难以准确扶持固定，覆盖遮挡影响导板及通道位置、方向准确性的观察。

本组所有患者均顺利完成手术，无严重并发症发生。文献报道中无辅助下徒手置钉的准确率在53%～76%[2,18,20]。本组共植入椎弓根螺钉56枚，准确率为94.6%，所有螺钉均无临床并发症，实际临床中均可接受，明显高于普通的徒手置钉。我们认为，术前的数字化设计及模型模拟手术可能起到了关键的作用。通过术前3D实物模型的仔细观察及术前设计从而达到精准、精确。需要说明的是，所有的测量设计均是以寰椎及枢椎单椎体的解剖定位为基础，相互参照观察作为参考，避免术中体位变化及寰枢椎位置变化影响准确性。但本研究为回顾性总结分析，样本量较小，仍需在临床中进一步加强实践。也有学者[21-26]在其他临床工作中发现应用3D打印技术等进行术前规划在减少并发症、控制失血和输血量、降低辐射暴露、降低住院综合费用等方面有很多优势，同时认为应用3D实物模型可更好地与患者及家属沟通，显著增进医患沟通。

综上，3D打印数字技术是当今脊柱外科医师的重要辅助手段。采用术前数字化设计及3D打印技术辅助寰枢椎不稳的治疗，可显著提高寰枢椎疾患治疗的准确性及安全性，是治疗寰枢椎疾患的安全、有效途径。