3D打印辅助寰枢椎置钉的临床分析

陈磊,朱斌,次仁伦珠,钟华璋,王涛,田大胜*,荆珏华

(1.安徽医科大学第二附属医院骨科,安徽 合肥 230601;2.西藏自治区山南市人民医院骨科,西藏 山南 856000)

寰枢椎骨折、脱位、不稳等疾病是比较常见的脊柱疾病,在其治疗过程中常需做寰枢椎固定融合等[1-2]。而寰枢椎解剖结构较为复杂且变异较多,传统徒手置钉难度及风险较大[3]。尽管近年来机器人、导航等技术一定程度上提高了置钉的准确性和安全性,但相关设备的高成本、高射线暴露及使用不便限制了其普及[4-5]。近年来,关于3D打印在脊柱外科方面的应用研究越来越多[6-7],多数相关研究集中在特殊椎弓根螺钉(如寰枢椎螺钉)置入过程中使用3D打印导板进行辅助[8-10]。但3D打印导板辅助的寰枢椎螺钉置入也存在很多缺陷,比如导板误差、导板消毒过程中产生变形、术中需剥离的范围较大、导板难以准确贴附骨表面等[11]。有研究者提出了借助寰枢椎3D打印模型,帮助外科医生诊断骨折类型、制定术前计划的方法,既避免了导板的缺点,也取得了良好的效果[12]。本研究回顾性分析安徽医科大学第二附属医院骨科2014年3月到2022年9月期间由同一手术团队完成的33例寰枢椎后路钉棒固定融合术患者的临床资料,其中研究组在观察分析3D模型的基础上,增加了术前在3D模型上的理想钉道制备,并用制备好钉道的3D模型作为术中置钉的参考,比较了3D打印辅助置钉技术和传统常规技术的临床疗效和安全性,现报告如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料 纳入标准：(1)外伤导致的不稳定寰枢椎骨折或脱位;(2)其他原因导致的寰枢椎不稳。排除标准：(1)采用齿状突螺钉等其他技术治疗;(2)病理性骨折;(3)患者一般情况无法耐受全麻或手术;(4)失访或无法获得完整随访资料。

本研究共纳入33例患者,按手术方式分为3D打印组和对照组。3D打印组进行3D打印模型的制作、模型研读、模型模拟制作钉道、预制好理想钉道的模型术中参考置钉;对照组根据术者经验常规徒手置钉。3D打印组15例,男11例,女4例;年龄20～80岁,平均(52.87±16.97)岁。对照组18例,其中男13例,女5例;年龄19～68岁,平均(43.39±13.59)岁。两组患者一般资料比较,差异无统计学意义(P>0.05,见表1)。

表1 两组一般资料比较

1.2 治疗方法

1.2.1 3D打印组 3D打印模型制作方法：完善包括颅底在内的上颈椎薄层连续CT或CT血管造影(CT angiography,CTA)检查,获得DICOM格式的CT数据。电脑上用mimics 21.0软件提取包含颅底的上颈椎骨性结构并进行三维重建,生成stl格式模型文件。将stl格式文件导入到3D打印机配套切片软件行打印参数设置,并且切片生成可打印的gcode格式文件。将gcode模型文件导入3D打印机进行打印[1.75 mm直径聚乳酸(polylactic acid,PLA)线材],所有过程按照与真实大小1∶1进行制作。模型研读及模拟手术方法：由术者在个体化的3D打印模型上观察寰枢椎的解剖特点,并在直视下用电钻进行钉道制作,若发现钉道不良则调整钉道至最理想状态。分析进钉点、钉道等的可行性和特征,如C1后弓是否过度细小需改用侧块螺钉、C1进钉点和椎动脉压迹的相对位置关系(见图1)、骨折线和进钉点的相对位置关系(见图2)。手术方法：全身麻醉,取俯卧位,行颈后正中纵切口,暴露C1后弓、C2棘突椎板等。根据术前模拟手术情况并参考制作好钉道的3D打印模型选择进钉点及方向,制作术中真实钉道。钉道放入定位针透视确认位置良好后置入螺钉,安装连接棒,制作植骨床并植骨融合,最后放置引流管并逐层缝合切口。

图1 C1左侧进钉点与椎动脉压迹(星号处)位置关系

1.2.2 对照组 全身麻醉,取俯卧位,行颈后正中纵切口,暴露C1后弓、C2棘突椎板等。根据术者的经验采用谭明生法(椎弓根钉)[13]或Goel法(C1寰椎后弓细小等致椎弓根钉置钉困难时改用侧块钉)[14]结合影像学和术中透视情况选择进钉点和方向并制作钉道。钉道放入定位针透视确认,必要时调整,位置良好后置入螺钉。安装连接棒,制作植骨床并植骨融合,最后放置引流管并逐层缝合切口。

1.3 疗效观察 记录患者手术时间、术中出血量、透视次数、术后住院天数、术后三维CT置钉准确性Kawaguchi分级[15](0级：螺钉完全在椎弓根壁内;1级：螺钉穿出椎弓根壁2 mm以下,无临床后遗症;2级：螺钉穿出椎弓根壁2 mm以上,无临床后遗症;3级：有动脉或神经根损伤等临床后遗症)。记录患者术前、术后3 d、术后3个月、术后12个月时疼痛视觉模拟评分(visual analogue scale,VAS)、颈椎功能障碍指数(neck disability index,NDI)。

2 结 果

两组患者顺利完成手术并获得随访,随访时间12～36个月,平均(32.88±7.15)个月。随访期间均未发生神经血管损伤、切口感染、内固定失败、翻修手术等严重并发症。3D打印组手术时间(131.07±28.65)min,短于对照组(168.11±61.75)min,差异有统计学意义(P<0.05)。3D打印组透视次数(9.80±2.21)次,少于对照组(14.00±3.36)次,差异有统计学意义(P<0.05)。两组术中出血量、术后住院天数比较,差异无统计学意义(P>0.05,见表2)。

两组患者术后3 d、3个月、12个月VAS、NDI与术前比较,差异有统计学意义,且随时间推后均明显改善。术后3 d 3D打印组VAS评分(2.84±1.04)分,较对照组(3.37±1.26)分更低(P<0.05)。两组各时间节点其他VAS、NDI比较,差异无统计学意义(P>0.05,见表3～4)。

表3 两组术前及术后颈痛VAS比较分)

表4 两组术前及术后NDI比较

置钉准确率：3D打印组置钉60枚,Kawaguchi分级0级56枚,优良率(0级)93.33%;对照组置钉72枚,Kawaguchi分级0级57枚,优良率(0级)79.17%;3D打印组置钉准确率优于对照组,差异有统计学意义(P<0.05,见表5)。

表5 螺钉置入准确性Kawaguchi分级

典型病例为一50岁男性患者,诊断：齿状突骨折(2型)、颈部脊髓损伤。术中参考3D打印模型及模型理想钉道进行置钉,手术顺利,术后CT提示置钉位置良好。手术前后影像学资料见图3～5。

图3 术前MRI及CT示齿状突骨折伴移位、脊髓内高信号

图4 术后正侧位X线片示骨折复位固定良好

图5 术后CT示螺钉位置良好

3 讨 论

本研究在术前制作患者个体化3D打印寰枢椎模型,通过对模型研读和模型模拟手术置钉,指导真实手术,验证了该技术的安全性、准确性和有效性,并与传统徒手置钉技术进行了对比,显示了其优越性。

与其他方法相比,3D打印辅助的寰枢椎置钉有以下几个优点：(1)3D打印模型具有特异性,可减少解剖变异对手术的影响,观察模型能够帮助术者在术前对手术细节进行一定程度的规划。(2)通过在3D模型上的模拟预手术,术者可将自己对病例解剖和手术规划理解提前预演,并进行修正。(3)相比3D打印导板,3D打印辅助的寰枢椎置钉更为简单易实施,同时避免了导板消毒过程中产生变形、术中需剥离范围较大、难以准确贴附骨表面等缺点[11]。(4)时间及耗材成本较低,使用科室自有小型3D打印机就可完成模型制作。每个模型打印使用的PLA耗材成本仅需30～40元人民币,每个模型电脑制作时间约30 min,3D打印机自动打印时间(不需人工值守)12～24 h,模拟手术时间15～30 min。Lam等[16]也发现3D打印在骨科手术方面具有学习曲线短、易于获得、成本较低等特点,特别是科室自有小型3D打印机,经济和时间成本远低于商业化3D打印,且不需向打印公司泄露患者数据,更利于保护患者隐私。

本研究结果显示,3D打印组辅助置钉的优良率为93.33%,高于对照组传统徒手置钉的79.17%。Buchmann等[3]报道徒手置钉的优良率为79.2%,Zhang等[17]报道徒手置钉的优良率为80.7%。本研究中3D打印辅助寰枢椎置钉较传统徒手置钉优,可能的原因如下：(1)3D打印模型能很好地显示一些有特征的解剖细节与理想进钉点的相对位置关系,可更精准的选择进钉点。(2)3D打印技术使手术团队能依据病例特点改进术前计划,预演手术过程,修正手术方案,减少在真实手术中出现置钉偏差的可能性。

本研究结果显示3D打印组手术时间更短,术后3 d颈痛VAS评分更低,表明手术创伤更小、恢复速度更快。原因可能和以下两方面有关：(1)3D打印骨骼模型能比较精准还原骨性结构真实情况,适用于术前规划和操作[18]。(2)通过对3D模型的研读和预演手术,能对手术细节进行规划。3D打印模型给术者提供了真实的视觉和触觉参考,帮助术者选择进钉点、螺钉方向等,使得螺钉置钉的过程更为个体化。根据术前模拟结果仅暴露到进钉点即可,不需盲目扩大暴露范围,减少了肌肉损伤,减轻了术后早期的颈痛,从而减少了手术时间。Galvez等[19]和Yang等[20]研究也表明3D打印技术辅助脊柱手术能减少手术出血和手术时间。

寰枢椎置钉还可采用术中导航、机器人辅助等新技术[4-5,21]。Hur等[5]报道O臂导航辅助的寰枢椎置钉,发现4.4%的C1螺钉和7.6%的C2螺钉的皮质突破超过2 mm。Lang等[22]报道的机器人辅助寰枢椎置钉,发现3.7%的螺钉突破皮质超过2 mm。而本研究中3D打印组无突破皮质超2 mm螺钉,说明3D打印辅助置钉准确性并不低于导航、机器人等技术。Wada等[21]研究发现O臂导航辅助的寰枢椎螺钉融合术手术时间为212 min,Zhan等[23]报道机器人手术时间为266 min,相比本研究中采用的3D技术(131 min)也无优势。Smith等[24]报道了O臂辅助寰枢椎融合的射线暴露量约为39.0 mGy,Zhan等[23]报道的机器人辅助寰枢椎融合的射线暴露量约为49.6 mGy,均显著大于本研究中的9.8次透视(1次剂量1.03～1.15 mGy[25])。相对于这些昂贵的技术,采用3D打印辅助技术最大的优势是廉价和易获得,易于广泛推广。

本研究的局限性在于样本量有限,为单中心回顾性研究。下一步需开展多中心、大样本量、前瞻随机对照研究。此外还有一些值得改进的地方,比如近期的病例已将制作好理想钉道的3D打印模型进行低温等离子消毒,拿到手术台上供术者在术中进行近距离的观察和触摸,以提供更好的术中参考。

综上所述,3D打印模型可术前研读、模型模拟手术及术中参考,缩短手术时间,减轻术后早期疼痛,提高寰枢椎置钉安全性,减少潜在的神经血管损伤风险,疗效满意,值得推广。