基于3D打印的腰椎椎弓根螺钉在腰椎退变性疾病治疗中的应用效果

郝为民

[摘要] 目的 研究在腰椎退变性疾病治疗中应用基于3D打印的腰椎椎弓根螺钉的临床效果。方法 方便选择2016年1月—2017年12月该院收治的腰椎退变性疾病患者100例，依据应用的治疗方式不同分为观察组、对照组，各50例，其中对照组患者接受微创腰椎椎间固定融合术实施治疗，观察组应用CT详细数据资料联合3D 打印技术制作的导航模板辅助实施腰椎椎弓根螺钉置入治疗，比较两组临床效果。 结果 观察组治疗总有效率为92.00%，对照组总有效率70.00%，差异有统计学意义（χ2=5.632 8，P=0.010 5）;观察组术后1周及术后1个月腰椎功能评分均低于对照组，差异有统计学意义（t=5.331 7、6.822 4，P=0.000 0、0.000 0）;观察组置钉的准确率为96.44%，对照组88.74%，差异有统计学意义（χ2=3.854 5， P=0.001 6）。 结论 在腰椎退变性疾病治疗中应用基于3D打印的腰椎椎弓根螺钉能够提升置钉准确性，提升腰椎功能，有推广意义。

[关键词] 3D打印;腰椎椎弓根螺钉;腰椎退变性疾病;治疗

[中图分类号] R687.3          [文献标识码] A          [文章编号] 1674-0742（2018）08（c）-0010-04

Application of Lumbar Pedicle Screw Based on 3D Printing in Treatment of Lumbar Degenerative Disease

HAO Wei-min

Department of Spinal Surgery， Heze Hospital， Heze， Shandong Province， 274000 China

[Abstract] Objective To study the clinical effect of lumbar pedicle screws based on 3D printing in the treatment of lumbar degenerative diseases. Methods A total of 100 patients with lumbar degenerative diseases in the hospital from January 2016 to December 2017 were convenient selected and divided into observation group and control group according to different treatment methods. 50 patients in the control group received minimally invasive lumbar interbody fusion. The treatment was performed， and the observation group was assisted in the treatment of lumbar pedicle screw placement using CT detailed data combined with a navigation template made with 3D printing technology. The clinical effects of the two groups were compared. Results The total effective rate was 92.00% in the observation group and 70.00% in the control group，the different was statistically significant（χ2=5.632 8， P=0.010 5）. The lumbar function scores in the observation group were lower than the control group one week after the operation and one month after the operation，the different was statistically significant（t=5.331 7， 6.822 4， P=0.000 0， 0.000 0）; The accuracy rate of nail placement in the observation group was 96.44%， 88.74% in the control group， the different was statistically significant（χ2=3.854 5， P=0.001 6）. Conclusion Application of lumbar pedicle screws based on 3D printing in the treatment of lumbar degenerative diseases can improve the accuracy of nail placement and promote lumbar function.

[Key words] 3D printing; Lumbar pedicle screw; Lumbar degenerative disease; Treatment

非手术方式的保守治疗、外科手术治疗是临床治疗腰椎退变性疾病的重要方法，针对早期腰椎退变性疾病患者，80%以上的患者經非手术保守治疗就能获得满意效果，其中基因治疗、细胞因子治疗是两种应用较广且疗效明显的保守治疗方法[1]。腰椎椎弓根螺钉植入手术是脊柱内固定应用较多一类方法，腰椎椎弓根螺钉生物力学性能良好，能够保证脊柱重建时三柱稳定性，对于腰椎退变性疾病如腰椎骨折等的治疗具有重要意义。腰椎椎弓根螺钉是否能够成功植入主要看植入的腰椎椎弓根螺钉是否从腰椎椎弓根这一狭长的骨性管道准确地经过。

当前由于科技进步，越来越多的新型科技产品逐渐应用于临床，3D打印技术就是其中代表性的一种，在各个医学领域都有应用。借助3D 打印技术制作个体性、差异性的腰椎实体和螺钉导航模块，在此基础上实施手术治疗，能够明显提升手术效果[2-3]。通过术前模拟螺钉植入，以及术中导航模块的辅助，置钉的准确率得到明显提升[4]。该研究具体分析该院2016年1月—2017年12月在50例腰椎退变性疾病患者的治疗中应用基于3D打印的腰椎椎弓根螺钉的效果，现报道如下。

1  资料与方法

1.1  一般资料

该次研究方便选取该院100例腰椎退变性疾病患者参与研究。其中50例为观察组，包括27例男以及23例女，平均年龄（58.28±5.36）岁，腰椎滑脱症4例、腰椎管狭窄症14例、腰椎间盘突出症22例、腰椎失稳症10例;另外50例为对照组，包括28例男以及22例女，平均年龄（58.59±5.14）岁，腰椎滑脱症5例、腰椎管狭窄症13例、腰椎间盘突出症21例、腰椎失稳症11例。该研究全部患者均对该研究内容知情同意且签订知情同意书，该研究经该院伦理委员会批准。两组各项基本资料比较差异无统计学意义（P>0.05）。

1.2  方法

观察组应用CT详细数据资料联合 3D 打印技术制作的导航模板辅助实施腰椎椎弓根螺钉置入治疗。①重建腰椎三维数据，设计腰椎导航模板：以 Dicom 断层图像格式将CT 扫描得到的详细数据向Mimics14.0 软件中输入，完成三维立体重建。先对不同方位的位置进行确认，选择Segmentation→Thresholding，依照患者实际情况设置具体阈值，接着能够获取“Mask”，然后就能够完成数据的三维重建，流程为Action→Calcu-late 3D，这样就能够获取腰椎虚拟三维模型。通过Edit Mask in 3D 功能可以对虚拟三维模型进行编辑。之后按照顺序选择Med CAD→Create Cylin-der→Radius，接着按照各个三维模型确定进钉的最佳点，接着适当调节 Cylinder 方向以及位置，设置画面整个为透明状，对腰椎椎弓根最狭窄位置的宽度以及高度进行测量，并且测量虚拟螺钉贯穿腰椎骨质的长度。这样就能够得到导航杆的有关数据。根据这一结果进行导航模块的设计，确保导航模块的前端应契合患者“人”字形腰椎峭处，表现为“凹”“凸”骨面完全反向贴合。②3D 打印腰椎导航模板、腰椎实体：在相配套的3D打印机中输入设计好的导航模板数据、腰椎虚拟三维模型，选择聚乳酸材料（Nature Works， IngeoTM3251D）作为打印材料，将有关数据输入进入后就能够完成批量打印，最后将导航模块的实体、腰椎模型实体导出。③微创腰椎椎间固定融合术：选择后路正中切口切入，之后经将“人”字嵴周围的软组织清除，完全暴露“人”字嵴，接着进行腰椎椎弓根导航模板的安装，确保模板紧密贴合患者腰椎。顺着导航模块借助2 mm 克氏针钻头钻出一条进钉通道，利用椎弓根探子探测，对螺钉长度进行确定，另外借助球形探针对四周骨质的光滑程度进行探测，如果没有显示存在异常则将合适的螺钉植入。手术后通过X线机对植入效果进行观察评价，如果没有显示异常，将切口缝合，手术结束。

对照组全麻后保持俯卧，悬空腹部，消毒铺巾后通过X线机进行定位，做椎间隙正中切口，4 cm左右。将部分关节突关节显露出来，进针后咬除骨皮质，利用X线机确认后将椎弓根钉置入。相同方法完成对侧操作，进行连接棒的安装。将患侧下关节突切除，实施神经根减压，将下位神经根、硬膜囊拉向对侧，将纤维环切开后切除椎间盘，在椎间隙植入适量自体骨粒。

1.3  评价指标

疗效标准：在术前以及术后分别对患者进行一次腰椎功能评分，量表总分29分，得分越低，腰椎功能越差。通过比较术前、术后得分改善情况对患者治疗效果进行评价，显效：治疗后腰椎功能评分较治疗前改善超过75%;好转：治疗后腰椎功能评分较治疗前改善30%～75%;无效：治疗后腰椎功能评分较治疗前改善不足30%。

腰椎功能评价：利用Oswestry功能障碍指数评价患者腰椎功能，量表评分总分为50分，得分越高证实患者腰椎功能越差。术后置钉效果：手术结束后通过X线机、CT探测螺钉置入的位置、长度、状态、方向，对照软件模拟与实际操作的参数符合情况。

1.4  统计方法

采用SPSS 22.0统计学软件对获取数据开展分析，（x±s）表示计量资料，行t检验，[n（%）]表示计数资料，行χ2检验，P<0.05为差异有统计学意义。

2  结果

2.1  治疗效果

观察组治疗后总有效率为92.00%，对照组治疗后总有效率为70.00%，结果对比差异有统计学意义（P<0.05）。见表1。

2.2  腰椎功能

术前两组腰椎功能评分结果差异差异无统计学意义（P>0.05），术后1周以及术后1个月两组腰椎功能评分均有明显下降，与术前比较组内差异有统计学意义（P<0.05），术后1周及术后1个月观察组腰椎功能评分均明显低于对照组，差异有统计学意义（P<0.05）。见表2。

2.3  手术置钉效果

该研究观察组设计并制作的导航模块共有281个，腰椎椎弓根螺钉植入281枚，手术结束后通过X线机以及CT探测植入螺钉的长度、位置、方向、状态，结果显示相较于术前模擬的位置有10枚螺钉稍微出现偏移，不过没有对置入螺钉的整体情况形成影响，剩下的271枚螺钉和手术之前模拟的方向、位置、长度没有差别，手术置钉的准确率为96.44%。对照组手术中腰椎椎弓根螺钉植入共231枚，结果术中置入位置不佳或者穿破腰椎椎弓根皮质的螺钉共有26枚，手术置钉准确率为88.74%。两组置钉准确率差异有统计学意义（χ2=3.854 5，P=0.001 6）。

3  讨论

腰椎是机体躯体活动的枢纽组织，需要承受大部分机体活动产生的压力，所以出现腰椎病变的可能性也较大[5]。随着年龄的逐渐增加，劳累过度会使得腰椎出现退变性疾病，具体会有腰椎滑脱症、腰椎间盘突出症、腰椎失稳症、腰椎管狭窄症等，对患者的生活质量存在严重影响[6]。腰椎对机体而言具备非常重要的生理功能，同时其本身解剖结构比较复杂，临床开展脊柱外科手术必须保证解剖定位足够精准，并且手术操作者还必须克服手术期间存在的清晰度不高、视野不开阔的多类问题，必须如此才可以确保手术实施有效性[7]。腰椎内固定多利用腰椎植入椎弓根螺钉，但是椎弓根和神经、脊髓等重要结构非常接近，同时腰椎椎弓根椎管比较狭长，怎样在减少损伤、确保精确度的前提下在椎弓根中植入螺钉，是临床医师必须重视的问题。

腰椎退变性疾病治疗中腰椎椎弓根螺钉置入内固定方法应用已有较长时间，临床经验非常丰富，但是由于患者存在的个体差异，所以选择的进钉方向、进钉深度、进钉点都有明显差别，同时腰椎椎弓根临近重要解剖结构，包括神经、脊髓、血管等，特别是针对骨肿瘤、脊柱侧凸、严重腰椎骨折等患者，无法直接依据人群共性研究的解剖学测量数据精确地植入腰椎椎弓根螺钉。所以即便相同方法下不同患者的手术具体实施效果也会存在差异。植入腰椎椎弓根螺钉时，如果腰椎椎弓根螺钉位置存在比较大的偏差，那么可能直接导致非常严重的并发症，直接影响手术植入的成功率。以往临床会有配套瞄准器械辅助进行腰椎器械的内固定，不过在植入腰椎椎弓根螺钉时，还是需要多次的应用X线机对植入的腰椎椎弓根螺钉位置是否满意进行确定。另外也可以应用电磁技术、红外线等计算机輔助系统，其能够明显提升植入腰椎椎弓根螺钉的准确性，不过这一方法所利用到的设备非常昂贵，操作非常繁杂，应用前工作人员需要接受长时间的培训才能上岗，所以其应用也受到了限制。

数字化设计的最突出特色是能够在虚拟环境中经反复、多次修改最终得到最优化的虚拟手术方案，并且经设计并3D 打印导航模块辅助完成实践手术中的设计方案[8]。该研究实施的基于3D 打印技术制作的导航模板进行腰椎椎弓根螺钉置入术的辅助治疗，其优势主要包括如下：①具备非常高的置钉准确性，且能够确保置钉的安全性;②这一技术方法操作难度小，只要医生具备腰椎椎弓根螺钉内固定经验，就能够顺利完成操作;③这一技术方法的应用能够使手术整个用时明显缩短，能够减小对患者机体的创伤，减少手术相关出血，同时能够使手术中X射线暴露的时间明显缩短;④观察组应用的导航模版都是按照个体化数据设计后得到的，所以使用期间不会出现由于术中体位改变、椎体间相对移动影响植入螺钉的成功;⑤术后患者能够迅速恢复，患者能够在术后早期即开始参与功能康复锻炼，这样能够使患者整个病程明显缩短，明显减轻患者痛苦。不过这一技术在当前来看也存在一些不足，包括设计模版、制作模版都需要较长时间，不能实施在急诊手术患者的治疗中;另外操作必须确保对相关软件的操作方法有明确掌握，否则会影响操作的顺利进行;并且3D打印费较高，无法推广应用在基层医疗单位的临床治疗中[9-10]。不过从整体上看，这一技术的优势要多于不足，应用价值值得肯定。

在应用3D 打印技术制作的导航模板时，为了保证效果及质量，应该注意以下几点，①如果患者腰椎“人”字嵴位置骨面平坦，无法牢固固定导航模块，无法保证较高稳定性，因而置钉的稳定性会受影响。这种情况下手术操作必须用手将导航模块握紧，防止导航模块松动。②进行影像数据提取时，无法保证持续良好的数据质量，保真度不佳，并且进行三维重建时也会有数据失真情况出现，同时由于3D打印机会存在固有误差，所以可能影响实际手术时的导航效果[11]，针对这一情况，应该收集质量高的影像学数据，实施三维重建时必须保证细致操作，以最高标准完成重建，另外应该设置最高精度的打印精度，以最大程度减小误差。

该研究观察组应用基于3D打印的腰椎椎弓根螺钉治疗腰椎退变性疾病患者，结果显示治疗总有效率为92.00%，明显高于对照组治疗后总有效率70.00%（P<0.05）;观察组术后1周及术后1个月腰椎功能评分分别为（27.41±4.15）分、（20.16±3.30）分，均明显低于对照组评分结果（32.46±5.01）分、（27.42±4.62）分（P<0.05）;观察组置钉的准确率为96.44%，明显高于对照组置钉准确率88.74%（P<0.05）。类似研究显示[12]，模拟置钉组置入椎弓根螺钉后均未发生相关并发症，置钉后复查156枚螺钉中153枚位于椎弓根内，置钉正确率显著高于对照组（98.1%，88.5%，χ2=11.49，P<0.05）。且模拟置钉组手术时间、出血量及患者放射线暴露时间少于对照组，差异有统计学意义（P<0.05）。该研究结论与之存在一致性。

综上所述，基于3D打印的腰椎椎弓根螺钉应用在腰椎退变性疾病治疗中能够提升置钉的准确率，更明显改善患者腰椎功能，值得推广。

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