徒手技术与导板辅助下置入腰椎皮质骨通道螺钉的比较

赵永辉 梁金龙 罗浩天 徐永清 陆声

随着3D打印技术的成熟与发展，我们逐渐步入了数字骨科及精准医疗的时代。目前，3D打印导航模板已广泛应用于髋膝关节置换、四肢关节矫形、脊柱置钉等手术[1-11]，其中在辅助脊柱置钉方面尤为广泛。皮质骨通道(cortical bone trajectory，CBT)螺钉技术可用于骨折疏松及临椎病翻修的病人，创伤小，把持力强，并发症少[12-16]，是近年来临床应用的一种新的腰椎后路内固定方法。由于螺钉的置钉点更靠内靠下，仍有穿破钉道皮质损伤神经的风险。Mizuno等[17]通过该技术对12例腰椎滑脱病人进行了后路固定，螺钉刺破椎弓根及椎体皮质的发生率为8.3%。本研究基于腰椎CT数据进行三维重建并分别设计3D打印置钉导板，利用3D打印机打印出腰椎树脂模型及对应的置钉导板。比较徒手技术与3D打印导板技术辅助置钉的安全性、准确性。

对象与方法

一、对象

选取我院2016年6月～2016年12月9例病人的腰椎CT数据，其中男性4例，女性5例，年龄42～76岁，平均年龄(58.3±8.9)岁。纳入标准：(1)年龄≥18岁；(2)完整的腰椎CT断层扫描数据；(3)腰椎结构完整。排除标准：椎体发育异常或腰椎畸形；骨折、感染或肿瘤破坏椎体结构；既往有腰椎手术史。

二、方法

分别将CT原始数据以医学数字成像和通信格式导入到Mimics 19.0软件三维重建腰椎模型并设计置钉导板(图1)。通过3D打印机以高分子光敏树脂为材料打印出腰椎和置钉导板的实物模型。每例分别打印出1套置钉导板和2套完全相同的腰椎模型(图2A、B)。由3位操作者(分别为1年、3年、5年工作经验的脊柱外科医生，对应为操作者1、操作者2、操作者3)随机选取其中3套标本，每套标本分别采用徒手置钉和导板辅助置钉(图2C、D)，分为徒手和导板两种方法。徒手置钉参照Kojima等[18]提出的置钉方法。完成置钉后，通过术后X线及直接观察从正位、侧位和横断面上判断螺钉是否穿出钉道，穿出钉道的位置和距离，以及螺钉轨迹接触的皮质骨区域(图2E～J)。然后记录螺钉刺破皮质位置和数目、螺钉穿出距离及螺钉轨迹接触皮质区域的数量进行分级及置钉评价。

我们参考Lonstein等[19]提出的螺钉评价标准，并结合CBT螺钉的特点，考虑到螺钉接触的皮质骨数量决定着置钉质量，而螺钉穿出钉道的位置及距离决定着风险的高低。我们综合以上因素对分级标准进行改良。分级标准：0级为螺钉完全被皮质骨包裹，螺钉轨迹至少经过3层皮质区(置钉点背侧皮质、椎弓根内侧壁、椎弓根外侧壁及椎体侧壁)；1级为螺钉穿出皮质<2 mm，螺钉轨迹至少经过3层皮质区；2级为螺钉穿出皮质≥2 mm且<4 mm，螺钉轨迹至少经过3层皮质区； 3级为螺钉穿出皮质≥4 mm，或螺钉轨迹经过2层或2层以下皮质区。0级为优；1级穿破椎弓根外壁或椎体外壁为良，穿破椎弓根内壁或下壁为可接受；2级穿破椎弓根外壁或椎体外壁为可接受，穿破椎弓根内壁或下壁为置钉失败；3级为置钉失败。最后计算出置钉成功率[(优+良)/总置钉数]、可接受率[(优+良+可接受)/总置钉数]、失败率(失败数/总置钉数)进而综合评价置钉效果。

三、统计学分析

所有数据均在SPSS19.0 统计软件上分析，计数资料以钉数(%)表示，组间及组内置钉成功率和置钉接受率采用χ2检验。P<0.05为差异有统计学意义。

A.腰椎各节段CBT螺钉钉道的设计；B.基于钉道的导向管与定位模板并精确配准；C、D.抽壳处理后生成置钉导板

结 果

1.本研究共置钉180枚，其中徒手与导板各置入90枚，每位操作者分别采用徒手及导板技术各置钉30枚。徒手共有27枚螺钉穿出钉道，导板为11枚。螺钉穿出钉道的位置、数量及分级情况见表1。根据评价标准，徒手的置钉成功率73.3%，可接受率83.6%；导板的置钉成功率92.2%，可接受率98.9%。导板成功率及可接受率均大于徒手，差异有统计学意义(P<0.05)。

2.操作者在徒手和导板的置钉情况比较见表2。结果表明，操作者1在徒手成功率为50.0%，可接受率66.7%；而在导板的成功率80.0%，可接受率93.3%；导板置钉准确率和可接受率均大于徒手，差异有统计学意义(P<0.05)。操作者2在徒手成功率80.0%，可接受率93.3%；导板成功率90.0%，可接受率100%；两种方法间成功率和可接受率比较，差异无统计学意义(P>0.05)。操作者3在徒手成功率为90.0%，可接受率为96.7%；导板的成功率为100%，可接受率为100%；两种方法间成功率和可接受率比较，差异无统计学意义(P>0.05)。另外，3位操作者徒手间的成功率和可接受率比较，操作者2和操作者3间比较差异无统计学意义(P>0.05)，但与操作者1比较差异有统计学意义(P<0.05)。导板3位操作者的成功率和可接受率比较差异无统计学意义(P>0.05)。以上结果表明，徒手置钉受到操作者资历的影响较大，资历越高置钉的准确性越好。而导板受操作者资历影响较小，置钉稳定可靠。

A～D：每例CT数据打印2套腰椎模型和一套置钉导板，分别采用徒手置钉和导板辅助置钉；E～J：完成置钉后通过观察及X线片检查从正位、侧位和横断面上明确置入螺钉的位置、方向

表1 徒手和导板置钉结果

表2 三位操作者在徒手和导板置钉结果

讨 论

椎弓根螺钉技术是目前腰椎后路手术最常见的内固定方法。腰椎退变性疾病病人常合并有骨质疏松。如何提高内固定的强度，是脊柱外科医生面临的挑战。Santoni等[12]通过改变螺钉轨迹，使螺钉最大化地与皮质骨接触，从而降低松质骨因骨量减少对螺钉固定强度的影响，从而提出了CBT螺钉技术。CBT螺钉技术和传统椎弓根螺钉技术存在显著的差异，CBT螺钉的置钉点更靠内靠下，矢状位由下向上置入，冠状面由内向外置入，置钉点靠内邻近峡部。该螺钉较传统椎弓根螺钉长度更短，直径更细，但螺纹更密。其独特的钉道轨迹在提供有效固定的同时还可以减少肌肉剥离的范围和术中出血，同时也降低了血管、神经损伤的风险[14,20-21]。然而，随着CBT螺钉技术在临床应用的增多，其同样暴露了一些不足。

在置钉过程中，CBT螺钉尾帽受背侧皮质的遮挡导致了置入螺钉的有效长度减少，可能会降低螺钉的固定强度[22]。螺钉可能会因与椎板的遮挡应力导致椎弓根峡部及通道其他部位的骨折[23]。对一些椎弓根细小或发育异常的病人，置钉中易穿破皮质导致血管神经的损伤；CBT螺钉技术对置钉要求较高，在追求最大化的皮质骨接触面时容易钻破皮质造成相应的损伤。而追求过分安全时则容易使螺钉轨迹改变导致固定强度下降。因此，CBT螺钉并没有快速普及应用。

3D打印技术在脊柱领域的应用，为临床置钉提供了一种新的选择。由于导板设计、操作技巧及评价标准的不同，3D打印导板技术的安全性及准确率存在一定差异[9,24-25]。我们在置钉评价时，根据螺钉轨迹接触皮质区的多少及螺钉刺出钉道皮质的距离对置钉进行分级。然后，将螺钉分级并结合穿出钉道的位置(不同位置其风险不同)将置钉结果分为优、良、可及失败。最后，将优良设为成功，将优、良、可之和设为可接受，计算出置钉的成功率及可接受率。该评价方法充分考虑了CBT螺钉钉道的特点及置钉安全性，对置钉结果评价更合理科学。通过比较两组间的置钉结果我们发现，导板总体置钉的成功率及可接受率均大于徒手置钉组。从操作者间的置钉结果看，徒手置钉受到操作者资历的影响较大，资历越高，置钉的准确性越好。而导板3位操作者在置钉成功率和可接受率方面并没有明细差异。这说明导板辅助置钉受操作者资历影响较小，置钉稳定可靠。因此，对于初学者，3D打印导板技术可以缩短学习曲线。

本研究将每例数据分别打印了2套完全相同腰椎模型并通过徒手置钉和导板辅助置钉，避免了因标本的差异而造成误差，且可重复性好。然而，3D打印的树脂模型，在置钉过程中易因螺钉过粗而造成劈裂，而传统标本的椎弓根具有一定的弹性形变，从而减少钉道劈裂的情况。在置钉过程中可以直观的看到整个腰椎标本，在判断置钉点及置钉方向时会比实际临床置钉直观，这对置钉结果同样会有一定的影响。由于树脂密度均匀且密度明显低于骨质密度。术后X线检查，由于显影较淡，在确定螺钉轨迹接触皮质骨区域时不如传统标本，这对置钉结果的判断可能存在一定偏差。另外，样本量较少同样会对结果的准确性产生影响。在今后的研究中还要进一步完善，同时也需要大量的临床应用进一步验证。