数字骨科学技术在胸腰椎骨折个体化治疗中的应用

杨宇，徐伟，金刚，刘大鹏，凯赛尔江·艾合买提

（1.温州医科大学附属台州医院 骨科，浙江 台州 317000；2.新疆医科大学附属第五医院 骨科，新疆 乌鲁木齐 830011）

椎体后路切开复位椎弓根螺钉内固定术是目前治疗胸腰椎骨折最主要的手术方式。传统依靠主刀医师个人经验、主观判断及术中反复透视辅助参考的置钉方法，存在着椎弓根螺钉置入位置欠佳甚至失准，进而损伤椎体周围神经、血管和组织的风险，影响着手术的安全性和准确性。数字骨科学技术（计算机辅助设计与制造、逆向工程技术、快速成形技术等）是一项以数字骨科学理论为基础，以计算机科学与骨科学相交叉为特点的新兴交叉学科[1]。该项技术通过多维度转换、逐层剖切、参数获取、数字重建及计算设计与分析，不但可精确显示病损骨骼复杂的三维结构，而且还可用于手术设计、模拟操作及辅助手术等操作，最终使骨科手术更精确、更安全[2]。本研究中，笔者通过利用数字骨科学相关技术与软件（Mimics17.0、Geomagic studio12.0、Unigraphics NX10.0、数字化快速成型技术），将其用于腰椎骨折的个体化治疗中，取得了良好的临床效果，现报告如下。

1 资料和方法

1.1 一般资料 回顾性分析2015年12月至2017年6月间，在新疆医科大学附属第五医院利用数字骨科学技术辅助治疗的10 例胸腰椎骨折患者，均为单椎体受累骨折，其中男6例，女4例，年龄24～57（47.9±18.7）岁；伤椎部位：T12 4例，L1 3例，L2 3例；根据Denis椎体骨折分型标准：A型4例，B型 5例，C型1例。所有患者入院后均常规予胸腰椎X 线、CT平扫或MRI检查；术后予胸腰段X线、CT复 查，用于评价椎弓根螺钉置钉效果。本研究经本院伦理委员会批准，且所有患者术前均签署知情同意书。

1.2 数据采集 通过64排螺旋双源CT（SIEMENS，德国）对患者胸腰椎骨折数据进行采集，具体扫描条件与参数设置如下：电压120 kV，电流166 mA，层厚为0.625 mm，层距为1.0 mm，矩阵512×512。平扫后将所获数据以“DICOM”格式整体输出保存，备做后续编辑及处理。

1.3 数字骨科学技术的应用

1.3.1 置钉椎体模型的设计：平扫后将所得数据通过医学影像控制系统Mimics 17.0软件（Materialise，比利时）进行图像处理、阈值分析、区域增长及蒙版分割等操作建立所需置钉椎体的三维数字模型，然后以“STL”格式储存数据。

1.3.2 导航模板的设计：具体步骤包括：①将处理所获“STL”格式的数据导入到逆向工程软件Geomagic studio12.0（Geomagic，美国）中，并逐次进行点操作、多边形运算、形状阶段操作，然后以“IGS”格式输出目标文件；②通过工程设计软件Unigraphics NX10.0（SIEMENS，德国），缝合导入数据的片体结构，建立工作坐标系，对置钉椎体进行剖切、编辑（拉伸、边倒圆、修剪体等），寻找最佳置钉钉道，然后利用卡扣原理与布尔运算，设计与所需置钉椎体后侧附件骨（棘突、乳突、椎板等）三维互补的椎弓根导航模板。以上操作完成后，以“S-IL”格式保存。

1.3.3 快速成型技术的应用：利用切片软件Cura14.7（Ultimaker，荷兰）设置患者胸腰椎骨折数字模型和导航模板快速成型的支撑结构，并以医用级PLA-3001D（NatureWorks，美国）为材料，通过快速成型设备CreatBot DX Plus（科瑞特，郑州）打印出实物样品，同时进行模型间的匹配测试。

1.3.4 术前宣教与教学：利用椎体骨折模型和导航模板对患者进行术前健康宣教。在进行模拟手术时，对低年资医师及规培轮转人员进行相关知识的专业讲解与教学操作。而后将椎体骨折模型和导航模板送手麻科消毒，以备术中使用。

1.3.5 手术操作：本组研究所选患者植入耗材均为脊柱钉棒内固定系统。麻醉平稳后，常规消毒、铺巾。取伤椎为中心的后正中切口，充分显露所需置钉椎体棘突及双侧椎板，利用椎弓根导航模板上预置的卡扣设计，将其解剖贴合于置钉椎体后侧附件骨（棘突、乳突、椎板等）上，而后依次进行克氏针定位、空心钻头钻孔及置入椎弓根螺钉等操作。C型臂X线机确认螺钉位置满意后，用撑开器撑开上下位椎弓根螺钉，在专用手柄的帮助下先行前、中柱的复位，然后进行后柱的撑开复位，最后连接钉棒进行固定。C型臂X线机再次透视确认位置满意 后，冲洗伤口，逐层关闭切口，术毕。

1.4 随访与评价 术后3 d内，根据Gertzbein和Robbins评级标准[3]对手术置钉效果进行评级；术后12～24个月内门诊定期随访，通过查体、影像学检查等方式评价患者有无脊髓神经损伤、内固定失效等并发症发生。

2 结果

10例均顺利完成椎弓根钉置钉操作，共置入64枚椎弓根钉，置入螺钉长度为30～45 mm，直径为5.0～7.0 mm。术后对64枚椎弓根钉行CT复查，按照改良置钉分级标准[2]评定：I级（椎弓根钉完全在椎弓根内）53 枚，II级（椎弓根钉穿出椎弓根皮质＜2 mm）9枚，III级（椎弓根钉穿出椎弓根皮质距离为≥2 mm且＜4 mm）2枚。无螺钉穿破椎弓根上、下方，可接受置钉（I、II级）为62（占96.9%）枚。未发现与置钉相关的螺钉误置、脊髓损伤、内固定失效等手术并发症。典型病例见图1。

3 讨论

图1 典型病例[患者，女，46岁，高处坠落伤，入院诊断：腰1椎体压缩性骨折。术前行MRI及CT检查，其中MRI矢状面（A）示：腰1椎体压缩骨折，骨髓水肿，椎体后壁不完整，骨折碎片突入椎管；第2天将CT所得的DICOM数据导入Mimics17.0中，建立置钉椎体三维影像（B），并利用卡扣设计原理，经剖切、测量、运算、分析（C），设计椎弓根导航模板，然后利用快速成型技术进行打印制作，并借助于实物模型模拟置钉操作（D-E）；第3天按术前计划行手术治疗（F），术中按照预先设计的钉道安装椎弓根螺钉；术后1 d复查胸腰椎CT（G-J）示：椎弓根螺钉均完全位于椎弓根内，位置佳，根据改良置钉分级标准评定6枚椎弓根螺钉置钉效果均为I级]

如何提高胸腰椎骨折患者术中椎弓根螺钉置入的安全性和有效性，一直是当前的热门课题[4-5]。传统的椎弓根置钉方法主要依靠X线、CT、MRI等二维影像资料进行手术方案设计，不能在三维空间内形象、具体地反映所需置钉椎体椎弓根的骨质情况，可发生术者因主观判断失误，致使螺钉置入位置发生偏差甚至失误的风险；而三维重建技术所得到的伤椎影像又相对较抽象，不能进行参数设计，术中只能依靠主刀医师的经验、主观判断以及术中反复透视的方法，来寻找最佳螺钉进钉通道，不但增加医患的辐射伤害，而且影响手术的安全性和精准性。随着现代医学技术的快速发展，外科手术已进入到了个体化、精确化的崭新时代[6]。骨科数字解剖（三维重建）、计算机辅助设计、逆向工程技术与快速成型技术相结合的数字骨科技术就是现代医学技术进步的产物。白波等[7]认为数字骨科学技术使传统骨科步入到数字化时代，为当代骨科的发展注入了新的活力和变革。张鹰等[8]研究证实，借助于数字骨科学技术，术前可对患者骨折情况进行全面的剖切、观察以及参数测量，进而合理制定手术计划，模拟术中操作，开展临床教学，全面提高骨科手术的安全与质量。在本研究中，笔者利用数字骨科学技术，根据每位手术患者伤椎在三维空间内的骨折分型、病损特点以及椎弓根骨性通道的实际解剖情况，参数化重建与编辑每位患者所需置钉的椎体，个体化地制定与预演手术方案，然后根据术中实际置钉需要，定制每位患者所需的导航模板，同时利用相关组件进行术前健康宣教和术前实操演练，最终安全、精准地完成胸腰椎骨折患者的个体化手术治疗。

笔者认为数字骨科技术在胸腰椎骨折个体化治疗中具有如下优势：①通过利用数字骨科术制造的骨折模型，可全面、直观地了解伤椎骨折信息，便于医师对于病情的分析了解，制定个体化手术方案，进而提高医疗质量与医疗安全；②椎弓根导航模板可以精确、快速、安全置钉，可缩短手术时间、减少术中出血及周围软组织的损伤，利于患者预后；③数字骨科技 术可克服不同患者脊柱各节段椎弓根直径的差异性以及不同个体间的变异性对手术置钉的影响，使患者得到个体化的治疗；④术前通过实物模型可以让患者更加直观地了解手术过程及可能的预后信息，减少患 者及其家属的焦虑和担忧，使患者及家属能更好地理解并配合治疗，提高术前宣教及谈话签字的效果，促进医患沟通；⑤通过术前模拟，熟练术中操作的同时，还可以在模型上开展针对于低年资骨科医师、规培轮转人员的临床教学[9]，促进其对胸腰段骨折专业理论与手术操作的理解；⑥降低置钉操作技术门槛，便于低年资医师对于椎弓根螺钉置入技术的掌握。

受限于现阶段技术、材料以及相关政策的影响，该项技术也存在如下不足：①数字骨科学技术的了解与掌握，涉及到多款专业参数设计软件的交叉应用，学习曲线较为陡峭；②此项技术的临床应用需要具备相关专业设备（图形工作站、快速成型设备等），而且数字骨科学技术和耗材尚未收录于国家医保目录中，无法进行报销，因此限制了其在临床治疗中的进一步推广和应用；③快速成型技术打印制品，因工艺与材料的限制，模型制品存在一定程度的台阶和热胀冷缩效应，本研究中虽未发生，但仍不排除其有着影响置钉精度的风险，需在术前进行模型间的匹配测试。

4 总结与展望

数字骨科学技术对于提升胸腰椎骨折患者的手术质量、预后疗效，以及促进术前健康宣教和开展临床教学工作等均有着积极的应用意义。数字骨科学技术在为胸腰椎骨折患者个体化、精益化治疗提供一种新的选择和方案的同时，也可为将来精确、微创的人工智能机器人胸腰椎骨折手术，提供一定的经验积累。笔者相信，随着未来相关政策与设计制造技术的完善和发展，数字骨科技术在骨科领域的应用前景一定会更加广阔。