椎弓根置钉手术导航模板的个体化设计一例报告

林 泽 陈思颖 林 果 邹婷婷 叶博文 向子渊 罗浩威 彭鳒侨

1.广州医科大学基础医学院，广东广州 511436；2.广州医科大学附属第一医院广东省矫形植入骨科重点实验室，广东广州 510120

椎弓根螺钉内固定术在脊柱内固定手术中有最可靠的三维稳定性和良好的骨性融合，得到了广泛的应用。传统椎弓根置钉术依赖术者对解剖标志点的辨认和定位，与术者的临床经验紧密联系。此后，椎弓根螺钉内固定术的改良一方面是借助计算机辅助导航技术，另一方面是通过计算机辅助设计（computer aided design，CAD）设计个体化导航模板。1998 年Radermacher［1］最初报道了使用导航模板辅助螺钉置入，此后许多研究证实了个体化导航模板辅助下的椎弓根螺钉置入较传统的徒手置入更准确［2-5］，与计算机辅助椎弓根螺钉置入比较有近似效果［6-8］。本研究将叙述如何使用医学图像处理软件Mimics 制作个体化导航模板［9-10］，降低术中寻找解剖标志点及判断进钉情况的难度，减少对术者临床经验的依赖［11-15］，同时探究在Mimics 设计模板的过程中进行解剖教学和模拟手术的可行性［16］。

1 材料与方法

1.1 材料

选取64 排螺旋CT 薄层扫描的腰椎图像1 例，医学图像处理软件Mimics-17，三维绘图软件Pro/E 5.0。

1.2 导航模板的设计方法

1.2.1 2018 年6 月于广州医科大学附属第一医院（以下简称“我院”）放射科保存的旧病号数据中抽取1 份64 排螺旋CT 薄层扫描的正常成人腰椎，数据以DICOM 格式保存并导入医学交互影像软件MIMICS，通过Bone Segmentation 快速建立腰部骨骼蒙版（Mask），以Calculate 3D 建造腰椎3D 模型。以Smothing 光滑操作，使模型更加接近真实。本研究经我院医学伦理委员会批准。

1.2.2 将已建好的腰椎模型透视，在CAD Object 生成小圆柱体替代螺钉，寻找理想的置钉方位和角度。在小圆柱体位置上生成直径稍大的大圆柱体，在Boolean中作Minus 操作，获得导航模板的通道。

1.2.3 对原先的模版进行Morphology Operation/Dilate操作，计算3D 模型，经Boolean/Minus，得到与腰椎模型贴合的外壳，适当切割得到导航模板卡合部位。

1.2.4 对腰椎模型、大小圆柱体、腰椎外壳运行Boolean/Minus 和Unit，最终得到用于确定置钉方位和角度的导航模板与预设的钉道。见图1。

图1 导航模板制作步骤

1.3 螺钉的设计

1.3.1 以Mimics 测量位于腰椎内小圆柱体的长度和直径，之后设计螺钉长度和直径。

1.3.2 运用Pro/E 旋转命令绘制基础螺钉模型，调整螺钉长度与内芯直径，使其与小圆柱体相同，螺钉头部直径应等于螺钉内芯直径合并螺纹高度的数值。

1.3.2 在螺旋“扫描/伸出”项中，选择Front 为草绘平面，扫引轨迹绘制时，将轨迹头尾内收实现螺纹渐进收尾，把螺钉内芯螺纹扫引轨迹往中轴靠近，避免螺钉末端螺纹与内芯之间出现缝隙，最后绘制截面时，在螺钉头部半径减去内芯半径的基础上，应保留螺钉内芯螺纹扫引轨迹距离边缘的长度，以使螺钉整体的直径相一致。见图2。

1.3.3 在“混合/切口”命令完成螺钉头部的绘制。将设计完成的螺钉输出为*.STL 格式。

1.4 三维打印

图2 个体化螺钉制作步骤

用于术前制定手术方案或者是临床练习的模型可用塑料以熔融沉积成型法（Fused Deposition Modeling，FDM）作3D 打印。使用Flash print 导入设计模型，利用视图查看模型薄弱区并调整模型以减少薄弱区，设定支撑参数，加入树状支撑结构，将所有已添加支撑的模型导入Cura 打印。本次的成品以BT600 3D打印机按1∶1 打印。见图3。

2 结果

2.1 虚拟组合

将设计成品输入Mimics 软件中组合，观察效果，确保导航支架与脊骨贴合面积足够以保证两者能牢固卡合并精准对应预设的钉道，螺钉符合预设钉道的长度。见图4。

图3 打印设定参数及效果图

图4 螺钉、导架、脊椎组合虚拟锁钉

2.2 现实锁钉

将带有预设钉道的脊骨模型、导航模板和螺钉3D 打印，实物进行组合。导航模板与脊骨模型之间能够牢固稳定的卡合，用螺钉进行实际锁钉，导航模板通道与脊骨内预设钉道精准对应，螺钉进钉深度符合术前设计。见图5。

图5 3D 打印实体效果图

3 讨论

FDM 打印工序包括加热丝状热熔性材料并透过喷嘴挤出。融化材料按照设计模型每一层的预定轨迹沉积于制作面板或者前一层已固化的材料上，一边沉积一边固化，通过层层叠加形成成品［17-18］。FDM 的优点包括安全、干净、环保，价格便宜，材料利用率高。然而FDM 技术打印的成品表面粗糙，需要后期抛光处理［19］；由于喷头只做机械运动，打印速度较慢；另外，横面打印的喷头不支持悬垂物的打印，因此模型需要设计支撑结构。添加支撑结构需要遵从两个原则：①当模型的悬垂物与垂直方向倾斜的角度大于或等于45°便需要支撑结构；②在打印横桥时，支撑结构之间不能少于5 mm［20-21］。支撑结构的种类有树状支撑和线性支撑，前者能承力性弱，仅能支撑在某些点触及突出物；后者承力性强，能支撑整个悬伸部分但比树状支撑更难以移除并且耗用更多材料［22-23］。

个体化导航模板设计至今已出现许多新的设计方案，如经皮个体化导航模板［24］、点接触导航模板等［25］。本研究设计的导航模板为基础方式，手术与传统术程基本相同。导航模板的精准度很大程度上取决于与脊骨贴合程度，与脊骨贴合面积越大，贴合越紧密，精准度就越高，同时也需更大的创口和剥离更大范围的软组织，应根据实际情况权衡利弊。

Mimics 作为三维编辑软件，其三维模型重建功能可以让医师在直观模型上学习解剖结构，导航模板的设计过程中可学习选择最佳的进钉点和进钉角度，软件自带的Simulation 模块可让医师模拟手术，进一步提升对椎弓根螺钉内固定术的认知，实现“以教代练”。同时，导航模板辅助置钉降低了手术难度和对医师的要求，在保证教学效果的同时缩短医师的培训周期。

综上所述，个体化设计的脊术导航无论是应用于教学培训还是临床实践都有现实意义。