3D打印技术在胸腰段脊柱骨折椎弓根螺钉内固定手术中的应用

冀胜辉

胸腰椎脊柱骨折常由高能量的外伤损害或骨质疏松导致，现临床上多采用椎弓根螺钉内固定手术为主要治疗方式[1]，后期卧床休息并戴护具恢复，往往可以回归正常生活能力。但是由于术中需要在暴露伤椎后多次利用X线定位来确定置钉点和角度，所以手术时间长，导致术中出血量多，增加手术风险且患者术后恢复时间长。3D打印技术是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术[2]。本研究采用3D打印技术制作出胸腰段脊柱骨折患者伤椎的模型，辅助医生设计椎弓根螺钉内固定的术前方案，然后按术前设计好的方案进行手术，以探究3D打印技术在胸腰段脊柱骨折椎弓根螺钉内固定手术中的应用价值，现报告如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料 选择2017年5月至2019年6月南阳医学高等专科学校第三附属医院收治的80例胸腰段脊柱骨折患者为研究对象。采用随机数字表将80例胸腰段脊柱骨折患者分为对照组和观察组，每组40例，观察组患者接受3D打印辅助椎弓根螺钉置钉技术治疗，对照组患者采用常规方法置钉。观察组中男26例，女14例；年龄40～56岁，平均年龄(48.22±3.86)岁；受伤至手术时间2～6 d，平均时间(4.02±0.93)d；脊柱骨折AO分型，A1型17例，A2型11例，A3型7例，B2型5例；致伤原因：车祸受伤10例，重物砸伤14例，高空坠落受伤15例，摔伤1例；术前ASIA功能评定：C级6例，D级18例，E级16例；骨折部位：T11处9例，T12处13例，L1处5例，L2处6例，L3处7例。对照组中男25例，女15例；年龄39～55岁，平均年龄(47.25±4.03)岁；受伤至手术时间1～6 d，平均时间(3.87±1.13)d；脊柱骨折AO分型，A1型15例，A2型12例，A3型8例，B2型5例；致伤原因：车祸受伤11例，重物砸伤13例，高空坠落受伤14例，摔伤2例；术前ASIA功能评定：C级7例，D级18例，E级15例；骨折部位：T11处7例，T12处14例，L1处5例，L2处6例，L3处8例。两组患者的性别、年龄、病程、AO分型、致伤原因、ASIA功能、骨折部位之间的差异无统计学意义(P＞0.05)，具有可比性。

1.2 选取标准 纳入标准：符合胸腰椎骨折的诊断标准[3]，经CT、X线及MRI等确诊；符合椎弓根螺钉置钉内固定术的适应证；脊柱骨折的AO分型[4]为A、B型者；各项临床资料完整且临床依从性高者；患者及其家属对本研究知情同意。排除标准：合并神经或脊髓损伤者；多节段椎体骨折或其他部位骨折患者；伴有恶性肿瘤、心脑血管疾病、凝血功能障碍者；需要椎管减压或有明显手术禁忌证者。本研究经医院伦理委员会批准。

1.3 治疗方法 观察组患者的手术方案制定：应用HY-500 FDM专业级3D打印机，采用PLA为打印材料，打印出1∶1的胸腰椎模型，根据模型设计手术时的进钉点和方向并与患者及其家属沟通。手术方法：患者采用全身麻醉，取俯卧位于脊柱手术床，胸腹部悬空，减少手术中出血量，以受伤椎体为中心做后正中纵行切口，逐层分离皮下肌肉，轻微分离椎旁神经血管，充分暴露受伤椎体。观察组患者采用制定好的方案置钉。对照组患者根据上下关节突间隙，在X线机透视下确定伤椎及椎弓根螺钉准确置入部位，采用Weinstein定位法确定进钉点，骨锥与矢状面成12°～15°。在伤椎和相邻的上下椎均置入椎弓根螺钉，使其在一条直线上；安放预弯的连接棒，锁紧头端螺母以固定棒尖，再次使用X线机确定伤椎复位良好，然后依次拧入固定螺帽，旋紧上方螺帽。手术结束后冲洗切口，放置引流管，逐层缝合筋膜和皮肤。术后应用抗生素避免感染，48 h后拔除引流管。

1.4 观察指标 ①记录两组患者围手术期参数：手术时间、切口长度、术中X线透视次数、住院时间、术中出血量以及置钉准确率。②于术前和术后1个月评估患者伤椎前缘高度比和Cobb角，术前及术后2 h检测患者血清C反应蛋白(CRP)水平。③于术前、术后1个月、术后6个月评定患者的日本骨科协会评分(Japanese orthopaedic association Scores，JOA)[5]和伤椎疼痛[视觉模拟评分法(VAS)]评分[6]。④进行为期1年的随访，观察并记录患者并发症的发生情况，包括切口出血、螺钉松动、肌肉萎缩、感染以及脑脊液漏等。

1.5 统计学方法 采用SPSS 21.0进行统计学分析。计数资料以率表示，采用χ2检验；计量资料用均数±标准差(±s)表示，采用t检验；P＜0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两组患者围手术期参数比较 观察组患者的围手术期参数：手术时间、置钉准确率、术中X线透视次数、术中出血量、切口长度及住院时间均优于对照组(P＜0.001)，见表1。

表1 两组患者围手术期参数比较(±s)

表1 两组患者围手术期参数比较(±s)

组别 例数 手术时间(min) 置钉准确率(%) 术中X线透视次数(次)术中出血量(mL) 切口长度(cm) 住院时间(d)观察组 40 93.54±16.52 90.83(109/120) 11.75±3.53 91.45±26.41 10.26±1.87 14.12±2.45对照组 40 125.34±22.54 73.77(90/122) 16.36±4.72 125.47±37.84 12.62±1.74 22.58±4.59 t(χ2)值 7.197 12.054 4.947 4.663 5.843 10.284 P值 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001

2.2 两组患者手术前后伤椎前缘高度比、Cobb角及CRP 水平比较 术后两组患者前缘高度比、Cobb角均显著优于术前(P＜0.05)，且观察组患者的上述指标变化更显著(P＜0.001)；术后两组患者的CRP水平均显著高于术前(P＜0.05)，但对照组患者的水平变化更显著(P＜0.05)，见表2。手术前后患者影像学资料，见图1。

图1 手术前后患者影像学资料

表2 两组患者手术前后伤椎前缘高度比、Cobb角及CRP水平比较(±s)

表2 两组患者手术前后伤椎前缘高度比、Cobb角及CRP水平比较(±s)

注：CRP＝C反应蛋白；与术前比较，*P＜0.05。

组别 例数 伤椎前缘高度比(%) Cobb角(°) CRP(mg/L)术前 术后1个月 术前 术后1个月 术前 术后2 h观察组 40 70.56±8.24 89.75±9.46* 14.84±4.15 4.85±1.22* 2.65±0.72 12.34±4.01*对照组 40 71.78±7.78 82.36±9.22* 15.47±4.23 6.91±1.31* 2.51±0.83 16.58±4.37*t值 0.681 3.538 0.672 7.278 0.806 4.521 P值 0.498 ＜0.001 0.503 ＜0.001 0.423 ＜0.001

2.3 两组患者手术前后VAS和JOA评分比较 两组患者术后1个月及术后6个月的VAS评分和JOA评分均显著优于术前(P＜0.05)，且观察组患者的上述评分变化更显著(P＜0.001)；两组患者术后6个月的VAS评分和JOA评分均显著优于术后1个月的评分(P＜0.05)，且观察组患者的上述评分变化更显著(P＜0.001)，见表3。

表3 两组患者手术前后VAS和JOA评分比较(±s) 单位：分

表3 两组患者手术前后VAS和JOA评分比较(±s) 单位：分

注：VAS＝视觉模拟评分法，JOA＝日本骨科协会评分；与术前比较，*P＜0.05；与术后1个月比较，#P＜0.05。

组别 例数 VAS评分 JOA评分术前 术后1个月 术后6个月 术前 术后1个月 术后6个月观察组 40 7.27±1.74 4.45±1.05* 2.52±0.37*# 13.65±2.72 20.34±3.01* 24.84±3.12*#对照组 40 7.24±1.85 5.24±0.93* 2.77±0.24*# 13.51±2.83 17.58±3.37* 19.56±3.84*#t值 0.075 3.562 3.585 0.226 3.863 6.749 P值 0.941 ＜0.001 ＜0.001 0.822 ＜0.001 ＜0.001?

2.4 两组患者手术后并发症发生情况比较 观察组患者术后1例切口出血，1例肌肉萎缩，1例感染；对照组患者术后3例切口出血，1例螺钉松动，2例肌肉萎缩，3例感染，1例脑脊液漏；观察组患者术后并发生的总发生率为7.50%，显著低于对照组的25.00%(P＜0.05)，见表4。

表4 两组患者手术后并发症发生情况比较[n(%)]

3 讨论

椎弓根螺钉内固定手术对于胸腰椎骨折的患者来说，有矫正畸形伤椎，恢复伤椎稳定的作用，能够最大限度地保留椎体的运动能力[7]。椎弓根螺钉内固定是通过对关节突和横突根等解剖标志的分析来选择入钉点的，然后通过C型臂X线机确定患者伤椎上的具体位置，最终用螺钉固定伤椎并保留其旋转功能的方法。如果手术中置钉点和角度有偏差，可能会致使螺钉松动或击穿椎体损伤脏器，产生多种术后并发症，严重者会威胁患者生命。因此，精准的确定并找到螺钉的置钉点和角度，将会大大提高手术的疗效。3D打印技术可以打印精准的1∶1骨骼模型，在诊断方面可以清晰提供伤椎情况，提高准确率；还可以提前为患者制定针对性手术方案，进而提高手术疗效和效率[8]。此外，该技术打印出来的立体模型可以将脊柱更加清晰地展示在患者面前，有利于术前谈话并顺利进行，使医患双方达成统一意见。

本研究结果显示，采用3D打印技术辅助手术患者的手术时间、置钉准确率、术中X线透视次数、术中出血量、切口长度、住院时间及术前、术后伤椎前缘高度比、Cobb角的改善效果均优于未采用3D打印技术辅助手术患者，与Elmasry等[9]的结果相似，说明采用3D打印技术辅助椎弓根螺钉内固定治疗胸腰段骨折的手术创伤小，术后复位效果佳。不仅通过提前确定置钉点和角度，提高了置钉准确率，使手术的治疗效果更佳，而且施术者根据实际模型可以提高其可操作性，进而减少了术中X线透视次数，从而缩短了手术时间，达到降低术中出血量的效果。研究结果还显示，两组患者术后1个月及术后6个月的VAS评分和JOA评分均显著优于术前(P＜0.05)，采用3D打印技术辅助手术患者的术后各时间段的VAS评分和JOA评分均优于未采用3D打印技术辅助手术患者，原因是3D打印技术可使医生在术前能够更加直观地从各个角度观察到立体的伤椎情况，在术前进行手术推演和预估，初步获得置钉点，螺钉长度及直径以及进钉的方向，可以减少在手术过程中过度分离椎体旁的组织[10]，肌肉剥离更少，损伤程度也更小，从而减少出血量，使患者在术后恢复更快且相对降低疼痛程度。另外，研究结果显示未采用3D打印技术辅助手术患者的并发症的发生率显著高于采用3D打印技术辅助手术患者，推测可能是因为传统手术需要术中广泛剥离多裂肌止点及长时间牵拉挤压等造成术后肌纤维瘢痕化，肌肉功能下降，肌纤维水肿及失神经改变，甚至坏死[11]，从而引发一系列并发症。

综上所述，3D打印技术可以直观并精确地展现伤椎的情况，为施术者制定术前计划提供精准的模型，不仅提高了椎弓根螺钉内固定治疗胸腰段脊柱骨折的效果，还降低了术后并发症的发生率，说明3D打印技术在脊柱外科手术的诊断及治疗方面有重大价值。