三维打印导板在腰椎后路椎弓根螺钉固定中的临床应用

韦武，杨渊，宁金沛，梁柱德，何恩谋，潘式新，黄巍峰，谢琦

(1.广西医科大学附属埌东医院，广西南宁 530000；2.梧州市工人医院，广西梧州 543000；3.梧州市红十字会医院，广西梧州 543000)

近年来，椎弓根螺钉固定技术发展迅速，已广泛应用于腰椎间盘突出症、腰椎管狭窄症、腰椎滑脱等多种腰椎疾病[1]。虽然目前多数脊柱外科医师熟练掌握椎弓根螺钉置入技术，但因椎弓根解剖结构的多样性和神经根血管损伤、椎弓根损伤等潜在并发症，精确置钉和减少并发症仍然是脊柱外科医师面临的挑战[2]。3D打印已经广泛用于临床医学领域，研究显示，将3D打印制作的脊柱手术导板用于颈、胸椎椎体手术中，术前可以估算螺钉的直径和长度，并在个性化设计3D打印导板的辅助下进行置钉，可缩短手术时间，提高螺钉置入的准确性，减少并发症[3-4]。本研究将3D打印技术应用于后路腰椎椎弓根螺钉固定导航模板的制作中，探讨其应用价值，现报告如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选择2016年9月～2018年11月在本院接受后路腰椎椎弓根螺钉固定术的患者作为研究对象。纳入标准：①保守治疗无效且有手术指征的腰椎间盘突出证、腰椎管狭窄症、腰椎滑脱症等患者；②全身体质较好，无严重脏器病变，可耐受手术，积极配合治疗；③无明显骨质疏松；④腰椎无明显畸形，椎板发育良好；⑤患者对研究知情并签署知情同意书。排除标准：①合并严重心、肝、肾、肺等重要脏器疾病或凝血机制障碍者；②严重髋膝关节病变或偏瘫、小儿麻痹等疾病导致下肢功能障碍者；③严重精神疾病，不能正确理解研究内容者。共纳入患者58例，根据治疗方法分为传统组和3D组各29例。传统组29例，其中男13例，女16例；年龄34～69岁，平均(54.28±10.29)岁；体质量指数18.2～29.3 kg/m2，平均(23.28±3.97)kg/m2；疾病类型：腰椎间盘突出症15例，腰椎管狭窄症9例，腰椎滑脱5例。3D组29例，其中男11例，女18例；年龄35～71岁，平均(55.03±11.47)岁；体质量指数17.9～29.0 kg/m2，平均(23.51±3.85)kg/m2；疾病类型：腰椎间盘突出症14例，腰椎管狭窄症11例，腰椎滑脱4例。两组患者性别、年龄、体质量指数、疾病类型等一般资料比较，差异均无统计学意义(P>0.05)，有可比性。

1.2 研究方法

所有患者均接受影像学检查，如腰椎后前位/侧位片、屈伸X线片、腰椎MRI和腰椎CT以明确诊断。3D组采用1 mm层厚腰椎CT三维重建，使用MEDCAD建立手术椎体模型上的虚拟螺旋路径，使路径平行于椎弓根的长轴，根据图像数据重建与椎体相对应的3D椎弓根螺钉导板，在相应椎弓根螺钉导板的帮助下建立椎弓根钉路径，并用同样方法处理另一侧，使用德国EOS公司的P1003D打印机，打印材料为聚酰PA220。两组患者均由同一组医师完成手术，切开腰背部皮肤和筋膜，剥离椎旁肌，充分显露脊柱后部的棘突、椎板、关节突等骨结构，充分暴露后，将3D打印导板紧贴手术节段腰椎椎板上缘，将克氏针插入导板上的针孔内，获得放置角度。通过3D打印导板确定插入点，电刀标记，打开椎体切口，先将导板稍微往一侧移动，参照克氏针对侧方向完成螺钉路径的准备，然后置入椎弓根螺钉。另一侧的椎弓根螺钉以同样方式插入。通过术中C型臂透视确定放置螺钉的角度、位置和程度。若椎弓根螺钉位置错误，则调整螺钉路径和角度以重复放置螺钉。传统组则采用传统X线辅助后路腰椎椎弓根螺钉内固定。

1.3 观察指标

观察两组患者术中出血量、置钉时间、平均X线透视次数、置钉准确性。采用Richter法对置入的准确性进行评价：①优良：螺钉完全位于椎弓根内；②良好：只有螺纹穿过椎弓根峡部皮质(小于螺钉直径的1/4)，对周围神经和血管无危害；③不良：螺钉明显穿透椎弓根峡部皮质(大于螺钉直径的1/4)，损伤周围神经血管。

1.4 统计学方法

2 结果

传统组置入椎弓根螺钉128枚，3D组置入124枚。3D组患者均未出现明显神经、血管、内脏并发症；传统组4例置入准确性不良，其中3例出现神经损伤，差异无统计学意义(P>0.05)。

3D组患者术中出血量、单枚螺钉置入时间和透视次数均显著少于传统组，差异均有统计学意义(P<0.05)。见表1。3D组螺钉置入的优良率高于传统组，但无没有统计学意义(P>0.05)。见表2。

表1 两组术中指标相比较

表2 两组患者螺钉置入准确性相比较[例(%)]

3 讨论

随着数字技术的飞速发展，3D打印技术在脊柱疾病中的应用日益广泛[5]。在脊柱手术中，通过CT扫描图像，利用计算机软件重建目标椎体，设计相应的模板、棘突等骨结构的母体模型，椎体母模打印好后，外科医师可在直接观察下进行螺钉置入手术[6]。研究显示，根据CT扫描图像建立螺钉定位的个性化导向板，可提高脊柱椎板的内螺纹固定放置精度[7]。Yang等[8]在Lenke Ⅰ型青少年特发性脊柱侧凸手术中应用3D打印技术制作椎体模型，结果显示，3D打印虽然可缩短手术时间、降低术中出血量，但置钉准确性没有明显提高。

由于腰椎椎弓根螺钉固定的学习曲线长、手术风险高，部分研究报道了计算机辅助固定的应用。Steinmann等于上世纪90年代在脊柱外科首先采用计算机辅助手术导航系统，提高了椎弓根钉置入的准确性，但计算机辅助手术导航系统价格高、操作系统复杂，操作成本高，不利于在基层医院推广应用[9]。Ruatti等[10]采用CT导航，但只能确定切入点，不能确定植入角度。Kraus等[11]通过CT扫描获取患者数据，并用快速成型技术打印辅助置钉，但导板仅附着在腰椎椎弓根一侧，容易移位，尤其是在椎体畸形导致骨标志物丢失时，导板难以准确定位。3D打印技术则具有操作简便快捷、成本低廉等优点，具有明显的优势[12]。本研究3D打印辅助导板系附于腰椎椎弓根两侧，易找到标志物，且接触面积较大，可同时放置于两侧，螺钉不易移动。本研究结果显示，3D组平均放置时间、出血量、平均螺钉置入的透视次数均少于传统组，结果表明，3D打印术中应用方便，可缩短手术时间，减少出血量。与传统治疗组相比较，可减少透视次数，并可间接提高放置的成功率，减少X线暴露。考虑到第二次穿刺会损伤骨结构，第一次穿刺留下的假通道会干扰第二次穿刺，使第二次穿刺困难，降低螺钉的握持，因此，3D打印导板增加穿刺成功率具有较高的临床价值。

既往腰椎内固定手术中，术者完全依赖于椎板解剖标志的位置，螺钉置入的准确性很大程度上受到术者经验等主观因素的影响[13]。3D打印技术将手术从经验转变为数字、精确和个性化的方法，有利于缩短脊柱手术和手术风险的学习曲线[14]。3D打印技术在腰椎内固定术中应用的关键是导向板的制作，需要以高速薄层CT获得的骨数据为基础，尽可能精确地制作出母体模型，与椎体完美匹配，术中根据导向板置入椎弓根螺钉，可降低螺钉路径偏离和穿透椎板皮质的风险[15]。本研究中，3D组患者螺钉置入准确度高于传统组，但两组优良率无明显差异，其原因可能是对于没有解剖异常的手术患者，传统组根据医师经验可满足放置的准确率，因此使用3D打印导板未明显提高置入准确率。

综上所述，本研究结果显示，3D打印导板可缩短手术时间，减少出血量，减少透视次数，但不能显著提高螺钉置入的准确率。