3D打印导航技术应用于后路手术治疗青少年特发型脊柱侧凸

李雷，杨国志

(南阳市中心医院骨二科，河南南阳 473000)

青少年特发性脊柱侧凸(adolescent idiopathic scoliosis,AIS)约占整个脊柱侧凸的80%，国内发病率达0.61%～1.9%[1]。手术是治疗进展性AIS的主要方式，其治疗目的是完全或部分矫正畸形、重建或保持脊柱平衡[2]。近年来，3D打印技术在脊柱外科得到广泛应用，通过脊柱畸形的CT扫描数据可重建和快速打印1：1的聚苯乙烯脊柱模型，用于模拟手术[3]。3D打印技术在脊柱手术中的应用促进了椎弓根导向器的应用，但其在AIS术中的有效性尚需进一步论证。本研究观察了3D打印技术和椎弓根引导技术对AIS患者手术时间和并发症的影响，现报告如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选择2016年6月～2019年12月在本院接受后路固定矫形治疗的AIS患者作为研究对象。纳入标准：①符合AIS的诊断标准，年龄10～18岁；②进展性AIS，具有手术指征；③心肺功能足以承受脊柱手术。排除标准：①精神疾病或沟通障碍者；②先天性、骨软骨发育不良、结缔组织疾病、肿瘤等导致的脊柱侧凸患者；③合并严重基础疾病不能耐受手术或可保守治疗的AIS患者；④既往有脊柱手术史者。共纳入64例AIS患者，根据椎弓根置钉技术的不同分为观察组(n=31)和对照组(n=33)。观察组中，男9例，女22例；年龄10～17岁，平均(14.32±3.16)岁。对照组中，男10例，女23例；年龄10～18岁，平均(14.79±2.87)岁。两组患者性别、年龄等一般资料差异均无统计学意义(P>0.05)，具有可比性。

1.2 研究方法

两组患者术前、术后均采用64排螺旋CT，采用基于模型的迭代重建降低辐射剂量。观察组从工作站下载Dicom格式的数据并上传到mimics14.0软件重建数字三维脊柱模型。重建的三维脊柱模型可以从任何方向观察和测量，以评估椎弓根长度、横径和椎体旋转角度等各种特征。从重建的三维脊柱模型获得的数据保存为立体光刻(STL)格式的文件。基于mimics14.0软件生成的STL格式文件应用Makerbot replicator2打印机打印一个三维的脊柱模型。采用激光熔融技术将聚苯乙烯粉末固化成三维模型。三维脊柱模型按照1：1比例打印，可直观地观察椎体和椎弓根发育等表现(见图1)。在术前制订方案时使用三维脊柱模型确定截骨方案和适合融合的节段。利用mimics14.0软件，基于该软件重建的虚拟脊柱模型，设计了椎弓根螺钉导向器。通过反复调整虚拟杆的插入点和角度确定理想的置入轨迹。根据虚拟杆坐标设计了一个空心隧道，以允许手术中克氏针通过。设计了连杆稳定左右椎弓根的引导通道。基底由板层、棘突和横突的内侧边缘支撑，与局部骨表面完全吻合。椎弓根螺钉导向器由基底、两个空心隧道和一个连杆组成。椎弓根引导器用相应的椎体标记，并采用聚乳酸材料用三维打印机打印。术前在三维脊柱模型表面测试了每个椎弓根螺钉导向器。患者全身麻醉后，剥离椎旁肌，显露椎板、上下关节突和棘突，将椎弓根导向器固定于椎板和关节突上，通过提供插入点和角度的引导通道将一根3.0 mm的K形导针钻入椎弓根，用椎弓根探针扩大椎弓根轨迹，并置入椎弓根螺钉。对照组采用徒手技术置入椎弓根螺钉(见图2)。两组均根据术前讨论行预定截骨术。

1.3 2观察指标

术后2周观察椎弓根螺钉置入的CT分型和准确性。根据CT检查，将螺钉置入分为四个等级：①0级：螺钉未穿过椎弓根皮质；②1级：螺钉穿过椎弓根皮质0～2 mm；③2级：螺钉穿过椎弓根皮质2～4 mm；④3级：螺钉穿过椎弓根皮质>4 mm。0～1级定义为精确置钉，2～3级定义为错位。

通过全脊柱X线片测量术前和术后主要影像学参数，由2名脊柱外科副主任医师独立测量，并协商一致。详细记录手术时间、螺钉放置时间及螺钉放置相关并发症。

1.4 统计学方法

图1 三维打印脊柱模型((a)模型冠状面，(b)模型矢状面，(c)导向模板设计，(d)导向模型的三维打印模型)

图2 患者，15岁，采用徒手技术置入椎弓根螺钉，(a、b)示术前正侧位片，(c、d)示术后正侧位片。

2 结果

观察组31例患者置入505枚螺钉，平均(16.29±3.17)枚/例，对照组33例患者置入561枚螺钉，平均(17.00±2.76)枚/例。两组患者平均置钉数相比，差异无统计学意义(P>0.05)。观察组螺钉置钉准确率高于对照组，差异有统计学意义(P<0.05)，见表1。术后两组患者主弯、C7铅垂线与骶骨中垂线相对距离(C7plumb line- center sacral vertical line,C7PL-CSVL)、脊柱后凸角、矢状面平衡距离均较术前显著降低(P<0.05)，但两组差异均无统计学意义(P>0.05)，见表2。观察组手术时间和单枚螺钉放置时间显著短于对照组，差异有统计学意义(P<0.05)；观察组置钉相关并发症发生率低于对照组，但差异无统计学意义(P>0.05)，见表3。

表1 两组患者椎弓根螺钉准确性比较[n(%)]

表2 两组患者影像学参数比较

表3 两组围手术期结局比较

3 讨论

后路手术是AIS最常用的矫形方式，椎弓根螺钉系统可为侧凸矫形提供坚强固定，在AIS得到广泛应用[4]。严重AIS患者椎弓根明显旋转，椎弓根小，椎弓根螺钉置入仍是一个难题。本研究比较了3D打印结合椎弓根导航技术与传统徒手矫正技术在AIS中的应用，结果显示，前者可有效提高AIS患者椎弓根螺钉置入的准确性、缩短手术时间，体现了3D打印结合椎弓根导航技术的前景。

一项关于严重先天性脊柱侧凸患者的研究显示，采用椎弓根导航技术的患者84%螺钉完全固定于椎弓根内，没有发生穿孔[5]。另一项针对严重脊柱侧凸(主弯>70°)患者应用椎弓根引导模板植入48枚螺钉的研究中，椎弓根置入的准确率为93.8%[6]，与本研究94.47%的准确率类似。既往研究显示，CT和O型臂导航辅助置钉均可获得90%左右的置入精确率[7-8]，但CT导航存在配准过程复杂和患者体位变化可能引起图像漂移等缺点，O型臂导航则增加了患者的辐射量，且费用昂贵。相比之下，椎弓根螺钉导向器植入过程简单，不增加额外的放射定位和放射量，具有明显优势。

本研究中，3D打印技术和椎弓根螺钉导向器技术缩短了总手术时间和每枚螺钉的置入时间。在椎体严重旋转、椎弓根狭窄等状况下，徒手置钉需要反复透视和调整螺钉，无疑增加了AIS患者的手术时间。既往研究显示，手术时间是脊柱侧凸患者术后并发症的独立风险因素[9-10]，因此在理论上，缩短手术时间有助于降低AIS患者术后并发症的发生率。既往研究显示，AIS患者椎弓根螺钉错位可能导致神经损伤，严重的螺钉位置不当可能导致瘫痪和潜在的血管损伤[11]，常见包括胸主动脉损伤、髂动脉损伤。但本研究未发现两组并发症发生率差异，这可能与病例数较少有关。

综上所述，3D打印联合椎弓根螺钉导向器引导技术应用于AIS后路内固定矫形手术，可提高螺钉置入准确性，缩短手术时间。本研究样本量较小，无法精确统计单项并发症发生率的差异，因此3D打印和椎弓根螺钉导向器对手术安全的影响尚需要大样本、多中心研究进一步论证。