应用透明三维打印模型辅助枢椎后路内固定置钉的准确性和安全性

郝帅 马迅 张彦男 赵浩亮 冯皓宇 柳青青

椎动脉V2段是自C6横突孔下缘至C2横突孔上缘的部分。该段头端位于枢椎侧块内，向内向上走行并“侵占”枢椎侧块外侧。有时该段椎动脉过度向内向上偏移，致枢椎椎弓根直径狭小，在置入椎弓根钉时易向外损伤椎动脉，向内损伤颈脊髓，引起大出血、脊髓损伤及脑缺血等严重并发症[1-2]。因此，术前必须明确椎动脉高跨向内和向上偏移程度，必要时放弃椎弓根钉内固定术而改用椎板螺钉内固定术。近年来三维打印技术在上颈椎手术规划中的应用方兴未艾。通过将患者颈椎CT平扫数据进行三维重建后打印模型，可以直观认识上颈椎畸形、骨折的形态及椎动脉在骨质外的走行[3]。但是，椎动脉自远端向近端进入枢椎侧块骨质内部后，受限于模型的不透明性，无法从外部观察椎动脉在侧块内部对椎弓根的挤压程度，亦不能准确判断枢椎椎弓根直径，依然需要通过颈椎CT平扫对枢椎椎弓根直径及高跨程度进行评估。本研究采用以透明光敏树脂为原料，通过光固化三维打印机制作的患者枢椎透明模型，可从外部观察枢椎侧块内椎动脉向内和向上移位程度，评估枢椎椎弓根钉的置钉可行性，为内固定方式的选择及置钉操作提供指导。

资料与方法

一、资料

1.一般临床资料：对2018年6月至2021年3月山西医科大学第三医院骨科行寰枢椎后路内固定术治疗的患者45例的临床资料进行回顾性分析。其中男25例，女20例；年龄(47.36±12.84)(23～70)岁；损伤包括齿突骨折32例、枢椎椎弓骨折11例和游离齿突伴颈脊髓损伤2例。依据辅助螺钉置入方法将全部病例分为模型组(19例)与徒手组(26例)，两组患者一般临床资料见表1。所有手术由2名高年资脊柱外科专业医生完成。所有患者均签署手术同意书；该研究符合《赫尔辛基宣言》原则。

表1 两组患者术前一般临床资料的比较

2.病例纳入与排除标准：(1)病例纳入标准：①行寰枢椎后路手术；②行内固定术；③围手术期影像学资料及随访资料完整；④术中麻醉后经3～6 kgf颅环牵引可见寰枢椎复位良好。(2)病例排除标准：①难复性寰枢椎脱位；②既往有上颈椎手术史；③存在上颈椎感染或肿瘤；④行前路手术。

3.设备与材料：本研究使用的主要设备与材料包括Optima CT660 64层CT扫描机(西门子公司，德国)、西门子syngo.via工作站(西门子公司，德国)、Mimics 21.0软件(Materialise公司，比利时)、Photon Workshop软件(纵维立方 Photon Mono公司，中国)、高精度光固化打印机(纵维立方 Photon Mono公司，中国)和透明树脂(纵维立方 Photon Mono公司，中国)等。

二、方法

1.三维打印模型的制作：对全部患者行颈椎横断面螺旋CT平扫(管电压120 kV，视野3 mm×310 mm，矩阵512×512，螺距1.0 mm，层厚0.75 mm)，扫描范围自颅底至T1椎体。将患者颈椎CT检查DICOM数据导入Mimics 21.0软件，通过蒙版建立、分割相邻椎骨和重建三维模型形成STL格式文件。将模型组患者STL格式文件导入Photon Workshop软件，处理后生成pwmx格式文件，再导入高精度光固化打印机，以透明树脂为原料进行打印。将打印完成的模型以95%乙醇溶液清洗干净，去除支撑，再采用紫外线固化机进行固化，待模型表面树脂和乙醇风干后于表面涂抹抛光油使模型透明度增高。

2.术前规划：观察枢椎模型双侧侧块，于椎动脉在侧块内走行处表面涂抹红色颜料，即可从模型外部观察椎动脉在侧块内向上和向内移位程度，并于模型上方观察椎动脉内移程度，于模型上测量侧块内高度、椎弓根高度及椎弓根宽度。对徒手组患者通过颈椎CT轴位和矢状位像测量侧块内高度(椎动脉顶部至枢椎上关节面的距离)、椎弓根高度(椎弓根上极至椎动脉顶部的最短距离)及椎弓根宽度(于选择过椎弓根长轴中间的轴位层面测量)。对每例患者根据测量结果确定采用椎弓根钉内固定或椎板螺钉内固定术。单侧或双侧枢椎椎弓根宽度<4 mm不宜行枢椎椎弓根钉置钉[4-5]。对陈旧性齿突骨折和游离齿突伴颈脊髓损伤患者行后路内固定术后需一期行取髂骨植骨术；对枢椎椎弓骨折患者采用后路枢椎椎弓根拉力螺钉；对新鲜齿突骨折患者行寰枢椎后路内固定术。

3.术前准备：对所有患者行颈椎正侧位X线、颈椎CT平扫、颈部动脉CTA及颈椎MRI检查。

4.手术操作：(1)模型组：采用全身麻醉。患者取俯卧位。将患者头部固定在马蹄形面架上，保持颅环牵引，牵引力为3～6 kgf，经“C”型臂X线机透视确认复位满意。常规消毒铺单。取后正中入路切口，自枕骨隆凸至C2棘突下方，逐层切开显露枕骨、寰椎后弓、枢椎棘突、椎板、椎弓根及侧块骨质。于寰椎后结节中点外18～20 mm后弓处，以经后弓下缘2 mm水平线和寰椎侧块中央垂线的交点为进钉点，向内倾斜10°～15°，向上倾斜约6°，置入3.5 mm万向螺钉[6-7]。根据术前透明模型所规划的置钉角度行枢椎置钉；依据通过模型测得的侧块内高度、椎弓根高度及椎弓根宽度确定采用枢椎椎弓根钉或枢椎椎板螺钉。枢椎椎弓根进钉点位于枢椎下关节背面内上象限中点，进钉方向依据模型测量结果向内侧成角10°～15°，向上成角20°～30°置入3.5 mm万向螺钉[6-7]。采用枢椎椎板螺钉时，于枢椎椎板中1/3和下1/3与棘突根部交点处，与椎板平行置入3.5 mm万向螺钉。(2)徒手组：寰椎后路椎弓根钉置钉方式同模型组。术前通过CT测量枢椎侧块内高度、椎弓根高度和椎弓根宽度，并依此确定采用枢椎椎弓根钉或枢椎椎板螺钉。对两组患者完成置钉后行寰枢钉棒固定，植入自体髂骨松质骨(枢椎椎弓骨折和新鲜齿突骨折患者无需植骨)。术区以生理盐水冲洗后放置负压引流管1枚，逐层缝合，以无菌敷料覆盖，术毕。

5.术后处理：嘱患者卧床休息，颈托制动，轴向翻身。24 h引流量<30 ml拔除引流管。患者术后3 d在颈托制动下下地行走。术后常规行颈椎张口位、侧位及颈椎CT检查，必要时行颈椎过伸和过屈位X线检查。

6.随访：术后6，12个月行门诊随访，复查颈椎正侧位X线及颈椎CT，并对患者疼痛程度和颈椎功能进行评价。

7.评价指标：通过CT采用Kawaguchi等[8]提出的方法对枢椎椎弓根钉置钉的准确性进行评价：0级为螺钉完全位于椎弓根内；1级为螺钉穿出椎弓根内侧或外侧骨皮质距离≤2 mm，但未出现神经和椎动脉损伤等并发症；2级为螺钉穿出椎弓根骨皮质距离>2 mm，但未出现神经和椎动脉损伤等并发症；3级为出现神经或椎动脉损伤等置钉相关并发症。0～2级置钉为准确置钉。椎板螺钉未突破对侧椎板内外骨皮质为准确置钉。采用疼痛视觉模拟评分(visual analogue scale，VAS)和日本骨科协会(Japanese Orthopedic Association，JOA)评分对手术效果进行评价。对两组患者的术中脊髓和椎动脉损伤情况、手术时间、术中出血量以及术前、术后1周和末次随访的VAS和JOA评分进行比较。

结 果

对所有患者均顺利实施手术。模型组置入枢椎椎弓根钉33枚、椎板螺钉5枚，枢椎椎弓根钉位置0级23枚(69.7%)，1级10枚(30.3%)，无2级和3级置钉；徒手组置入枢椎椎弓根钉48枚，椎板螺钉4枚，枢椎椎弓根钉位置0级20枚(41.7%)，1级22枚(45.8%)，2级6枚(12.5%)，无3级置钉。两组患者椎板螺钉均位于枢椎椎板骨质内。模型组枢椎椎弓根钉置钉准确率优于徒手组(P=0.006)(表2)。所有患者获随访(8.4±8.6)(6～12)个月。两组患者手术时间、术中出血量以及术前JOA评分和VAS评分差异无统计学意义(均P>0.05)；两组患者术后1周与末次随访的VAS评分和JOA评分均较术前有明显改善(均P<0.05)，组间差异均无统计学差异(均P>0.05)(表3)。两组均未见术中脊髓及椎动脉损伤。末次随访时所有患者均获得骨性融合，未见内固定松动、错位和断裂。

表2 两组患者枢椎椎弓根钉置钉准确性的比较[枚(%)]

表3 两组患者各项评价指标的比较

典型病例见图1，2。

图1 患者，女，45岁。主因摔伤致颈部疼痛伴四肢麻木无力6 h入院。诊断为游离齿突伴颈脊髓损伤。行寰枢椎后路椎弓根钉内固定+取髂骨植骨术治疗 A 术前颈椎CT示游离齿突 B 颈椎MRI示枢椎后方脊髓损伤 C 透明模型上面观，红色颜料处为椎动脉沟，游标卡尺测量左右两侧椎弓根宽度(黄色标记线之间距离)分别为5.30 mm和5.21 mm D 术后X线示内固定位置满意 E 术后CT示双侧枢椎椎弓根钉位置均为Kawaguchi分级0级 图2 患者，男，70岁。主因摔伤后颈痛伴四肢麻木无力半年入院。诊断为陈旧性齿突骨折。行寰枢椎后路椎弓根钉内固定+枢椎椎板内固定+取髂骨植骨术治疗 A 术前颈椎CT示陈旧性齿突骨折 B 颈椎MRI示枢椎后方脊髓受压，局部水肿信号 C 术前CT平扫见枢椎右侧椎弓根直径较窄 D 透明模型上面观，红色颜料处为椎动脉沟，游标卡尺测量左右两侧椎弓根宽度(黄色标记线之间距离)分别为6.12 mm和3.27 mm E 术后X线示内固定位置满意 F 术后CT示左侧枢椎椎弓根钉位置为Kawaguchi分级1级，椎板螺钉位置满意

讨 论

椎弓根钉广泛应用于枕颈、寰枢椎和下轴脊柱病变的治疗，被认为是最强的颈椎内固定装置[9-10]。然而，枢椎解剖结构的变化可能使椎弓根钉置入技术具有挑战性，置钉失败容易导致椎动脉损伤[11-12]。医源性椎动脉损伤是上颈椎手术的严重并发症之一，可能导致动静脉瘘、血栓形成、假性动脉瘤、脑动脉栓塞和脑缺血，甚至患者发生病死等诸多灾难性后果。椎动脉部分位于枢椎椎骨包绕的管道之中，向内并向上挤压枢椎侧块，形成位于侧块内部的倒“L”形骨性管道，因此难以从外观观察该管道的形态与走行。王建华等[13]根据术前CT轴位像测量椎动脉入口与椎管外壁的最小距离和椎动脉球部高度，将枢椎椎动脉孔解剖分为4型，即松散低拐型、紧密高拐型、紧密低拐型和松散高拐型，其中紧密高拐型椎动脉严重向内并向上挤压枢椎椎弓根，被认为是枢椎椎弓根钉置入术的禁忌证。但该分型方法单纯基于 CT 轴位像的测量，结果可能受到患者体位及CT扫描的层厚和间距等的影响。Maki等[14]与张艳等[15]采用CT多平面重组技术，在影像学测量软件上将矢状位、冠状位及轴位定位线与枢椎椎弓根轴线重合，获得枢椎椎弓根的斜冠状位像，不仅可以显示枢椎椎弓根的斜冠状面形态和直径，而且能够从斜冠状位平面显示椎动脉与椎弓根的位置关系。虽然CT平扫可以显示枢椎横突孔的形态以及枢椎椎弓根外倾与尾倾的角度和直径，但由于枢椎横突孔具有不规则的立体结构，单纯的平面CT影像测量不能从宏观立体角度评估椎动脉与枢椎椎弓根的位置关系，且多平面重组需要专业影像分析软件方可操作。目前全球学者采用的测量方法尚不一致，需要一种直观立体简易的术前测量及观察手段，用以评估枢椎椎弓根钉置钉的可行性。

三维打印技术即增材制造技术，通过对模型数据的处理，使用打印材料经三维打印机打印立体实物模型，目前在医疗领域已得到较广泛的应用。在寰枢椎后路内固定手术的规划上，三维打印技术主要通过以下2个方面发挥作用：一方面是打印术前模型，用以观察解剖及病变结构，制定手术操作计划；另一方面是打印手术导板，经灭菌处理后贴合于患者骨质或皮肤表面，用以引导置钉操作。在模型制作方面，现有研究局限于采用聚乳酸、不透明光敏树脂及尼龙等非透明材料打印模型，使用该类模型辅助手术在提高寰枢椎置钉准确性以及规避脊髓和椎动脉损伤等方面较传统徒手置钉有明显优势[16-17]。但是，由于椎动脉向内并向上挤压枢椎骨质，单纯从外观上不能观察到椎动脉向上和向内移动的程度，依然需要通过患者颈椎CT像测量枢椎侧块内高度以及椎弓根的高度和宽度，根据测量结果评估枢椎椎弓根钉置钉的可行性。近年来有研究结果证实使用三维打印置钉导板可以提高置钉准确性[18-21]。该技术可规避椎动脉和脊髓等重要结构的损伤风险，但需要术中充分剥离颈后肌组织，以保证导板与椎板骨质贴合紧密，否则易出现置钉误差，且导板的制作工艺、打印参数的设置以及制作设备等尚无统一标准，这些局限性限制了其进一步的推广和应用。近年来术中实时导航技术、机器人辅助手术技术在脊柱外科取得长足进展，但由于其高昂的采购、使用及维护成本，目前尚无法广泛普及[23-26]。

为克服上述各种技术的缺点，本研究以透明光敏树脂为材料，采用光固化打印机精确打印1∶1枢椎透明模型。这种模型具有如下优势：首先，模型的透明度好，将椎动脉管染色后，从模型外观即可观察椎动脉向内和向上挤压侧块的程度；其次，可用游标卡尺在模型上测量椎弓根宽度和侧块内高度，而无需通过颈椎CT进行测量；第三，模型不仅在术前可用于手术指导和规划，还可以经环氧乙烷灭菌后被带入手术区域使用，方便术者在术中进行内固定方式和螺钉入钉点的选择以及对进钉方向的控制；最后，这种模型成本低廉，制作简单，使用者经过短暂学习即可掌握制作技术，易于推广。使用这种透明光敏树脂模型时需要注意如下事项：首先，要采用薄层CT扫描数据，层厚度≤1 mm，否则将会降低打印精度；其次，光敏树脂材料与聚乳酸和尼龙等材料不同，在打印成型后需要先用95%乙醇溶液进行充分清洗，将模型表面的未固化树脂彻底清除，然后置于紫外线固化机内进行固化以增加模型的强度，避免模型发生变形和断裂以及未固化的液态树脂污染术区；第三，在模型固化后需要在其表面涂抹抛光剂以使模型表面光滑并增加透明度，利于使用者更好地观察椎动脉在枢椎侧块内移和上移的程度；最后，如需用于术中指导，应对模型进行低温等离子灭菌，避免采用蒸汽高压灭菌，否则会导致模型融化和变形。

本研究存在局限性：为回顾性研究，且样本量较小，需要进一步扩大样本量并开展多中心研究以验证研究结果；采用三维打印透明枢椎模型辅助技术与手术导板相比，在置钉准确性方面是否具备优势，还需要进一步研究探讨。

综上所述， 使用三维打印透明枢椎模型辅助枢椎后路内固定置入手术可以实现对枢椎椎弓根钉置钉可行性的精确评估，提高手术的安全性和置钉的准确度，同时具备成本低廉和制作简便的优点，适宜得到进一步的推广和应用。