中上胸椎3D 打印导板引导与徒手椎弓根钉置入比较△

姜泽威，李志恒，金海龙，汤舒婷*，周纪平，王东，丛波，刘彬，吴瑞，李佳佳，张廷伟，杨凯，严伟，席焱海，谭明生

（1.山东省文登整骨医院，山东威海 264400；2.安徽省淮南市寿县中医院，安徽淮南 232200；3.海军军医大学第二附属医院，上海 200000；4.中日友好医院，北京 100020）

中上胸椎骨折大多通过后路复位固定，椎弓根螺钉内固定具有良好的生物力学性能，已在临床工作中广为应用。但中上胸椎椎弓根内径窄小，且毗邻主动脉、下腔静脉、食管、肺、脊髓等重要器官，螺钉误置将带来灾难性的后果。有文献指出，徒手置钉的误置率可以达到10%～40%［1］。因此，在中上胸椎手术中，如何将螺钉安全有效的置入成为临床亟待解决的问题。伴随数字骨科的不断发展，3D 打印导板技术越来越多的应用于中上胸椎手术［2，3］，本研究回顾性分析2019 年12 月—2022 年12 月行胸椎后路椎弓根钉内固定治疗的50 例中上胸椎骨折脱位病例，对导板技术与常规徒手置钉的效果进行分析，报道如下。

1 资料与方法

1.1 纳入与排除标准

纳入标准：（1）影像学检查显示胸椎骨折，且骨折累及前中柱或三柱；（2）无手术禁忌证，可耐受手术治疗。

排除标准：（1）重度骨质疏松、感染、结核未控制等不适宜手术的患者；（2）患有严重内科疾病，无法承受手术；（3）随访资料不全。

1.2 一般资料

回顾性分析2019 年12 月—2022 年12 月收入本院接受手术治疗的中上胸椎骨折患者的临床资料，其中50 例符合上述纳入标准，纳入本研究。依据术前医患沟通结果，25 例采用3D 打印导板技术置钉（导板组），25 例采用传统徒手技术置钉（徒手组）。两组患者术前一般资料见表1，治疗前两组患者年龄、性别、BMI、病程、病种及骨折节段差异均无统计学意义（P＞0.05）。此次研究获医院伦理委员会批准，所有参与本次研究的患者均签署手术知情同意书。

1.3 3D 打印脊柱模型及导板的制作

患者术前均行手术节段CT+MPR 重建、MRI 及DR 检查（图1a, 1b），导板组依据胸椎CT 平扫及MPR 重建得到数据，扫描图像存为Dicom 格式。将CT 数据在mimics 软件合成中上胸椎三维模型（图1c～1e），利用Med CAD 功能取3.5 mm 圆柱体替代椎弓根钉模拟置钉，调整钉的角度及长度，居中通过细小的椎弓根，主刀医生反复确认评估无误后获得满意的钉道，进行布尔运算得到导向筒，以STL 格式导出模型，导入至soildworks 软件，提取胸椎附件等解剖标志，建立与附件解剖吻合的反向模板，按照模拟钉道方向设计导向孔，完成导板设计。为术中把持稳定方便，设计拱形支撑，并在拱门上方建立一个直径为6 mm、长度45 mm 的把持柱，将设计好的导板文件导入3D 打印机（stratasys SLS4500，美国）进行打印及后处理系统，消毒以备术中使用。

图1 患者，男，51 岁。1a: 术前矢状位CT 显示上胸椎骨折脱位，椎管侵犯；1b: 术前横截面CT 显示胸椎爆裂骨折；1c: 胸椎骨折数字模型；1d: 导板设计后面观；1e: 导板设计侧面观；1f: 术中3D 导板引导下置钉，导板坚实地固定于棘突之上，避免漂浮；1g: 术后矢状位CT 显示椎弓钉位置良好；1h: 术后横截面CT 显示骨折脱位复位及椎弓钉置入位置良好。Figure 1.A 51-years old male.1a:Preoperative sagittal CT image showed upper thoracic spine fracture and dislocation,with vertebral canal involved;1b:Preoperative CT cross-sectional image revealed the thoracic burst fracture;1c:Preoperative digital model of the thoracic spine fracture;1d:Posterior view of the guide design for pedicle screw placement;1e:Lateral view of guide design;1f:A cloth forceps was used to firmly fix the guide plate on the spinous process during screw insertion to avoid floating;1g:Postoperative cross-sectional CT shows good position of the pedicle screw;1h:Sagittal CT shows good reduction of fracture and dislocation with pedicle screws in good position.

1.4 手术方法

所有手术均在全麻下进行，多人配合轴性翻身避免骨折或脱位断端移位压迫胸髓，髂前及胸前垫乳胶垫。消毒铺巾，行胸后路切口，显露棘突、椎板及棘突间关节。

导板组：局部骨性结果充分显露后，将导板与骨性结构镶嵌紧密减少误差。一助在置钉过程中用布巾钳将导板坚实的固定于棘突之上（图1f）避免漂浮，术者将1.5 mm 的克氏针沿导板设定的导向孔敲入少许确定进钉点，去除克氏针，用马头咬骨钳将进钉点周围皮质适当咬除。再次固定3D 导板，为避免钻头摇摆，沿导向孔用手摇钻将克氏针缓慢穿入椎弓根，钢针进入长度到达术前模拟的螺钉长度时，退出导板及钢针，攻丝，球探探查五壁完整拧入术前已测量好长度及直径的螺钉。

徒手组：咬骨钳将胸椎横突根部外侧皮质咬除，依据胸椎突间关节外缘选择进钉点，根据术者经验及手感选择头倾及外展角度，每进入5 mm 探查均为骨性后继续，安放MARK 针，C 形臂X 线机透视，若位置不佳则重新置备钉道，再次透视直到位置满意，攻丝后置入螺钉。

安装双侧棒，调整钉-棒系统，至骨折复位满意，紧固钉-棒系统。逐层缝合切口。术后1 d 拔除引流管，行CT+重建评估螺钉等级（图1g,1h）。

1.5 评价指标

记录围手术期资料，包括手术时间、切口总长度、术中出血量、透视次数、一次置钉成功率、单钉置入时间、住院时间及医疗费用。采用完全负重活动时间、疼痛视觉模拟评分（visual analogue scale,VAS）、Oswestry 功能障碍指数（Oswestry disability index, ODI）、美国脊髓损伤协会神经评级（American Spinal Injury Association,ASIA）及日本骨科协会评分（Japanese Orthopaedic Association Scores,JOA）评价临床效果。行影像学检查，记录置钉准确率及融合率。

使用Lu 等［4］提出的置钉准确度评价法评估螺钉位置，0 级：螺钉完全在椎弓根内；I 级：螺钉超过椎弓根内壁2 mm 内，或不足螺钉直径的一半；II级：螺钉超过椎弓根内壁2～4 mm，或超过螺钉直径的一半；III 级：螺钉超过椎弓根内壁4 mm。记录置钉过程中发生的主动脉、胸髓及神经根损伤等并发症。

1.6 统计学方法

应用SPSS 22.0 软件进行统计学分析。计量数据以±s表示，资料呈正态分布时，两组间同一时间点比较采用独立样本t检验；组内两时间点比较采用单因素方差分析；资料呈非正态分布时，采用秩和检验。计数资料采用卡方检验。等级资料两组间比较采用Mann-whitneyU检验，组间多个时间点比较采用Kendall检验。P＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结 果

2.1 围手术期资料

50 例手术均顺利完成，术中无动脉、胸髓及神经根损伤，围手术期资料见表2。导板组未发生螺钉重新调整，均一次置钉成功率100%；徒手组14 钉探查钉道时发现椎弓根壁破裂，重新置备钉道，一次置钉成功率90.7%（136 钉/150 钉）；导板组一次置钉成功率显著高于徒手组（P＜0.05）。导板组术中透视次数、单钉置入时间显著少于徒手组（P＜0.05），但医疗费用显著高于后者（P＜0.05）。两组手术时间、切口总长度、术中出血量及住院时间的差异均无统计学意义（P＞0.05）。

表2 两组患者围手术期资料比较Table 2 Comparison of perioperative data between the two groups

2.2 随访结果

所有患者均获随访，随访时间12～24 个月，平均（16.8±3.4）个月，两组患者随访资料见表3。随时间推移，两组患者VAS 评分及ODI 指数均显著下降（P＜0.05），JOA 评分显著升高（P＜0.05），ASIA神经评级显著改善。相应时间点，两组间VAS 评分、ODI 指数、JOA 评分及ASIA 神经评级的差异均无统计学意义（P＞0.05）。

表3 两组患者随访资料比较Table 3 Follow-up data results and comparison between two groups of patients

2.3 影像评估

两组影像资料见表4。导板组25 例，共置入螺钉150 例，其中，0 级146 例，I 级4 例，置钉准确率97.3%（146/150）；徒手组25 例，共置入螺钉150例，其中0 级122 例，I 级23 例，II 级5 例，置钉准确率81.3%（122/150）；导板组置钉准确率显著优于徒手组（P＜0.001）。至末次随访时，两组病例均达到骨性融合，内固定物无断钉、松动等。

3 讨 论

后路胸椎椎弓根钉固定牢固、稳定，已得到广泛的应用［5，6］。但中上胸椎椎弓根内径细小，置钉难度大，其前方邻近胸主动脉，胸髓娇嫩，若损伤则出现灾难性的后果，患者及术者都面临着极大的风险。目前临床上多采用徒手置钉的方法。徒手法通过胸椎小关节、横突等骨性标志来确定进钉点，头倾角和外展角度主要依靠术者的手感，但对于严重骨质疏松患者，椎弓根的皮质骨和髓腔内松质骨手感差异很小，存在螺钉误置的风险。为保证验证螺钉是否在正确位置，手术中需要多次C 形臂X 线机透视和神经电生理监测下，手术医师和患者的射线暴露时间增加。该法学习曲线长、主观性强，要求术者有丰富的脊柱外科手术经验［7］。因此在中上胸椎置钉是可采用个体化原则，术前通过计算机模拟胸椎形态，3D 打印真实的还原，术前设计好进钉的角度长度，术中按导板引导精准置钉，提高置钉的精准度［8，9］。

本研究通过术后CT 复查，徒手组中有5 枚2 级螺钉，23 枚1 级螺钉；而导板组中，0 级螺钉达97.3%，无2、3 级螺钉，Belmont 等［10］研究结果表明，无脊柱脊髓畸形及变异的正常人群中，椎弓根与脊髓之间存在2～4 mm 的间隙。另外，尚无文献报道螺钉穿出椎弓根2 mm 以内会降低螺钉内固定系统的固定效能和（或）导致临床并发症发生的相关报道。因此，大多数文献都认为，穿出范围＜2 mm 的螺钉是可以接受的［11～16］，说明3D 导板辅助下置钉能保证手术的安全性，且导板组的透视次数小于徒手组，减少了射线暴露［17，18］。但导板组置钉仍然出现了误差，考虑以下原因：（1）导板置钉要求胸椎附件周旁的软组织需要彻底清理，力求导板可与骨性凸起紧密的贴附，细小的偏差都将导致进钉位置的偏移；（2）3D 打印材料多为树脂，术前需要消毒备用，在高温消毒过程中可能会出现形变，金属材料可避免这一弊端。

总之，个性化3D 打印导板技术应用于中上胸椎置钉中，能简化手术操作，不必过分依赖术者经验，学习曲线相对较短，低年资的医师在指导下可以开展，且置钉的安全性也可以得到保证，适合在基层医院推广。3D 导板费用大约在800～1 000 元，相较CT导航系统及脊柱机器人辅助系统费用低，为患者及医保减少医疗开支，造福社会。虽然目前3D 打印技术还存在短板，但随着数字化骨科的发展及相关新材料的研发，3D 打印导板技术将会取得更大的进步。