个体化颈椎椎弓根置钉导航模板的设计制作及其应用观察

张振辉,王庆德,梅伟,毛克政,朱耀辉,姜文涛,刘沛霖,郭润栋,陈旭义

(1郑州市骨科医院，郑州450052；2天津武警后勤学院附属医院)

个体化颈椎椎弓根置钉导航模板的设计制作及其应用观察

张振辉1,王庆德1,梅伟1,毛克政1,朱耀辉1,姜文涛1,刘沛霖1,郭润栋1,陈旭义2

(1郑州市骨科医院，郑州450052；2天津武警后勤学院附属医院)

目的 设计制作个体化颈椎椎弓根置钉导航模板，观察其辅助颈椎椎弓根螺钉置入的效果。方法 对8具成人尸体标本颈椎(C3～C6)进行CT扫描获取数据，用MIMICS软件重建颈椎三维模型，设计颈椎椎弓根的最佳进钉通道。根据颈椎椎板的表面解剖学形态，设计与颈椎椎板相吻合的反向模板。最后将椎弓根螺钉进钉通道和反向模板合成在一起，建立个体化颈椎椎弓根置钉导航模板的数据模型并以STL格式保存。用快速成型技术打印出导航模板实物。将导航模板与尸体椎体的后部结构贴合，辅助置入颈椎椎弓根螺钉，术后X线及CT检查评价椎弓根螺钉位置。结果 共制作出个体化颈椎椎弓根置钉导航模板32个，充分暴露尸体椎体后部骨性结构，模板能够和椎体后部结构很好地贴合在一起。在无透视情况下置钉64枚。置钉过程中导航模板稳定性高，置钉顺利。术后X线和CT检查结果显示62枚螺钉完全在椎弓根内，1枚螺钉穿破椎弓根内侧壁，1枚螺钉穿破椎弓根外侧壁。结论 成功设计制作了个体化颈椎椎弓根置钉导航模板，用其辅助颈椎椎弓根螺钉置入效果满意。

颈椎；椎弓根螺钉植入术；导航模板

颈椎椎弓根螺钉置入内固定技术符合脊柱三柱固定原理，提供了较传统固定方法更为可靠的生物力学稳定性，对脊柱活动度影响较小[1, 2]。但由于颈椎解剖结构复杂，椎弓根细小且个体变异性大，增大了椎弓根螺钉的置入的难度[3～5]。因此，如何提高颈椎椎弓根螺钉置入的准确性一直都是研究热点[6]。目前对于椎弓根螺钉置入技术标准尚未达成共识[7]。2014年1月～2015年12月，我们综合利用影像学、计算机三维重建、逆向工程原理以及快速成型技术设计制作了一种新型个体化颈椎椎弓根置钉导航模板，并用其辅助尸体颈椎椎弓根螺钉置入，效果满意。现报告如下。

1 材料与方法

1.1 材料 10%甲醛浸泡的成年尸体标本8具，由郑州市卫生学校解剖教研室提供。标本包括完整的C3～C7骨性结构及颈旁肌肉、韧带等软组织。所有标本均通过X线及CT检查，排除骨折、结核、肿瘤、严重畸形以及椎弓根特别细小等可能会影响实验结果的因素。

1.2 个体化颈椎椎弓根置钉导航模板的设计和制作方法 对8具尸体标本颈椎行64排螺旋CT扫描(层厚0.65 mm，电流220 mA，电压120 kV)，数据以DICOM格式保存，导入三维重建软件MIMICS10．01件(比利时Materialise公司)进行颈椎三维模型重建。在MIMICS软件中，首先运用阈值选取技术根据骨组织密度范围选定颈椎骨性结构，得出该组织的阈值范围，接受这一范围并获得颈椎的原始蒙罩。然后运用三维区域增长技术选取欲重建的颈椎区域，对原始蒙罩进行处理，得到新蒙罩。随后在三维实体(3D Object)栏导入新蒙罩并加以运算，便获得所选取实体结构区域的三维重建模型。将三维重建模型透明化，参考 Resnick颈椎椎弓根螺钉置入法标记出椎弓根轴线。轴线确定后，用直径3.5 mm的圆柱体代替椎弓根螺钉，通过软件设计椎弓根的最佳进钉通道，分别在矢状面、冠状面和轴面观察圆柱体通过椎弓根的位置。提取C3～C6椎体后方对应骨性表面解剖数据，建立与其解剖形态一致的反向模板；最后将设计的椎弓根螺钉进钉通道和反向模板合成在一起，形成带有双侧定位定向孔的单椎体个体化导航模板，以STL格式保存。将STL格式保存的颈椎三维模型及导向模板文件导入三维打印机，采用快速成型技术和丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物(ABS)树脂材料制作出椎弓根螺钉个体化导航模板。

1.3 个体化颈椎椎弓根置钉导航模板应用效果观察方法 尸体颈椎后正中入路，充分显露后方结构至双侧小关节突外侧缘。将导航模板和尸椎椎体的后部紧密贴合，助手将其固定，用电钻沿着导向孔钻出进钉通道，用探针对置钉通道四壁及底部进行探查，确定钉道没有偏离椎弓根后进行置钉。攻丝后缓慢拧入相应长度和直径的螺钉。 术后行颈椎正侧位X线片及CT检查，评估椎弓根螺钉置入的精确性。

2 结果

根据尸体标本颈椎CT扫描DICOM格式数据重建颈椎三维模型。将三维重建模型透明化，通过软件设计椎弓根的最佳进钉通道，并观察进钉通道的位置。根据椎体后方骨性结构设计与其贴合的反向模板。将带有导向孔的反向模板与椎体表面相结合。共制作出个体化颈椎椎弓根置钉导航模板32个，充分暴露椎体后部骨性结构，模板能够和椎体后部结构很好地贴合在一起。在无透视情况下置钉64枚。置钉过程中导航模板稳定性高，置钉顺利。术后X线和CT检查结果显示62枚螺钉完全在椎弓根内，1枚螺钉穿破椎弓根内侧壁，1枚螺钉穿破椎弓根外侧壁。

3 讨论

颈椎椎弓根螺钉内固定有着抗拔出力强、螺钉稳定性好等优点，广泛用于治疗颈椎骨折、肿瘤、畸形、后纵韧带骨化等[8]。目前国内外颈椎椎弓根螺钉植入的方法主要有四种：解剖定位法、椎板开窗椎弓根探查法、计算机导航定位法、导航模板法等[9]。解剖定位法主要是依靠术者的经验及手感来保证椎弓根螺钉的准确置入，有一定的盲目性，对术者要求高且术后并发症较多[10～15]。通过部分椎板切除行椎弓根螺钉置入一定程度上降低了螺钉误置率，但椎板开窗有误伤脊髓的可能，增加手术时间及术中出血量[16]。计算机辅助导航法使术者在直视下评估螺钉进钉点及方向，大大提高了置钉安全性和准确率，降低了神经、血管损伤的风险[5, 17～19]。但考虑目前的导航设备价格昂贵、操作步骤繁琐、手术时间长、消毒不便等缺点，尚难以在国内广泛推广。

数字化骨科是数字医学在骨科领域中的具体应用。通过计算机三维图像处理软件读取医学影像设备输出的计算机断层扫描图像，并对骨骼数字图像进行切割、拼接、测量、分析，规划术前方案，模拟手术过程，评估术后结果，在骨科领域中尤其在复杂骨科疾患的临床应用中具有广阔的发展前景，将成为未来骨科技术发展的主要趋势[20]。本研究中笔者综合利用影像学、计算机三维重建、逆向工程原理以及快速成型技术设计制作了个体化颈椎椎弓根置钉导航模板，并用其辅助尸体颈椎椎弓根螺钉置入，效果满意。逆向工程原理是利用影像设备(CT、MRI等)对实物体进行扫描和测量，通过计算机加工处理重现三维实体造型的过程。快速成型技术是一种集计算机处理、数控技术、激光技术及材料学等多学科交叉的新兴成形技术。运用粉末状金属或树脂等可黏合材料，按照逆向工程所构建的数字模型逐层打印实物标本。

本研究所涉及导航模板有以下优点：①便于消毒，导航模板在低温等离子条件下即可完成消毒；操作方便，术者只需要将导航模板紧密贴合于相应解剖位置上，即可完成椎弓根螺钉的准确定位及定向。②置钉准确率及安全性高。合理的术前规划使得对每个椎弓根都准确定位、定向以及所置入螺钉直径、长度的恰当选择。③导航模板为单椎体双侧定位导向孔设计。模板大小未超过单个椎体范围，不会因为相邻椎体间的相对移动而导致定位失败，术中可以任意改变患者的体位。④相比计算机导航技术，无需人工注册等繁琐操作。

用个体化颈椎椎弓根置钉导航模板辅助行颈椎椎弓根置钉目前也存在一些亟待解决的问题，比如术前规划、导航模板设计和制作时间较长，手术人员同时需要熟练掌握相关计算机软件等[5]。以下几个因素可能会影响到模板辅助置钉的准确性，应引起足够重视。①导航模板设计的稳定性：考虑相邻颈椎间有相对活动度，设计导航模板时不应超过单个椎体范围。导航模板的过大或过小都会影响进钉通道的准确性。本研究所设计制造出的个体化导航模板均为单椎体双侧定位导向孔，增加模板应用时的稳定性，术中可以根据需要改变患者的体位。②导航模板制作的精确性：导航模板制作过程中有几个环节可能影响其精确性：如颈椎三维模型建立过程中CT扫描的层厚、层间距及骨结构轮廓勾勒等；快速成型过程中STL格式转化的精度；快速成型材料选择不当导致模板的变形等。有研究表明，快速成型模型和对应实物之间的误差范围在0～1 mm。因此，模板在对椎弓根的定位定向上可能会出现轻微的偏差。术者必须在导航模板操作基础上，应用探针对置钉通道四壁及底部进行探查，确定钉道没有偏离椎弓根后方可置钉。置钉完成后常规透视以证实螺钉的位置是否正确，确保手术安全。③导航模板的贴合性：导航模板和相应颈椎骨性结构是否能很好地贴附吻合，是手术准确定位定向、置钉成败的关键所在。故术中必须将相应的颈椎棘突、椎板、侧块背侧等软组织剔除干净，同时避免破坏颈椎后部的骨性解剖结构，使模板能够紧密贴合于骨性结构，从而提高进钉通道的准确度。④手术操作的稳定性：由于手动钻头容易产生晃动，导致模板的移动。因此在置钉通道准备时，最好采用电钻，使得进钉通道顺着定位导向孔方向。否则有可能会引起定位、定向的偏差，影响螺钉置入的准确性。

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国家自然基金青年项目(11102235)；郑州市普通科技攻关项目(141PPTGG327)。

王庆德(E-mail: 15093483697@163.com)

10.3969/j.issn.1002-266X.2016.47.024

R681.5

B

1002-266X(2016)47-0078-03

2016-07-22)