微型快速成型导向模板辅助枢椎椎弓根螺钉置钉偏差分析

严超，陈剑锋，尚峥辉，梁杰，覃涛

(三峡大学人民医院宜昌市第一人民医院骨科，湖北 宜昌443000)

微型快速成型导向模板辅助枢椎椎弓根螺钉置钉偏差分析

严超，陈剑锋，尚峥辉，梁杰，覃涛

(三峡大学人民医院宜昌市第一人民医院骨科，湖北 宜昌443000)

目的 验证微型快速成型导板辅助后路枢椎椎弓根螺钉置钉的准确性及其偏差分析。方法 随机选取2012年9月至2015年9月三峡大学人民医院12例受试者的枢椎CT连续扫描数据，利用Mimics10.01重建后，导入UG7.0，设计偏差检测板及枢椎后表面互补基板。在桌面3D打印机器制作颈椎及导板模型，利用导板、直径3 mm克氏针在3D颈椎模型模拟置钉。最后利用游标卡尺在偏差检测导板上测量出钉点距X轴、Y轴位移，克氏针置入长度，并同计算机测量数值比较。结果 游标卡尺测量组同计算机测量组比较，在进钉深度、X轴位移、Y轴位移方面差异均无统计学意义(P＞0.05)，导板置钉准确性可靠。结论 使用微型导板在减少设计、制造时间同时能有效的辅助枢椎椎弓根螺钉置入，提高了该手术的安全性,同时为数字化导航手术的实现奠定了基础。

微型导板；枢椎；椎弓根螺钉；偏差

自Leconte[1]于1964年提出使用枢椎椎弓根螺钉技术治疗枢椎创伤性滑脱以来，枢椎椎弓根螺钉技术已成为高位颈椎后路手术中一项基本技术。枢椎椎弓根螺钉具有承上启下的重要作用，在寰枢椎失稳、Hangman骨折、枕颈畸形、上颈椎肿瘤以及结核需行后路手术固定者均可使用枢椎椎弓根螺钉技术。虽然还有侧块螺钉、椎板钉等固定技术，但枢椎椎弓根螺钉技术较其他固定方式稳定性更佳[2]。枢椎椎弓根置钉存在脊髓及椎动脉损伤的风险，限制了该技术的推广应用。为了简化枢椎椎弓根螺钉的定位和提高置钉的安全性，笔者开发设计了后路枢椎椎弓根螺钉置钉微型导板，并验证其安全性、准确性，现报道如下：

1 资料与方法

1.1 一般资料 通过三峡大学人民医院Light Speed 64排螺旋CT(GE公司，美国)PACS系统回顾性调取2012年9月至2015年9月行颈椎CT三维重建影像资料，排除枕、颈部畸形、外伤等情况，随机选取12例受试者(健康成人)颈椎CT连续扫描数据集。其中男性6例，女性6例；年龄30～68岁，平均45岁。

1.2 数据处理 在Mimics 10.01(比利时Materialise公司)软件中利用灰度分割提取颈椎信息区，获得3D图像，重建后获得.stl文件。

1.3 导板设计 将数据导入UG7.0(美国Siemens PLM Software公司)取选棘突中垂线和下关节突最下缘上方9 mm的交点为进钉点。模拟螺钉采用直径3 mm圆柱体替代，置钉方向内倾35.2°、上倾38.5°，根据置钉方向设计直径8 mm，高度25 mm圆柱形导板，通过布尔运算获得最终互补导板3D模型(图1)。

1.4 检测板设计 在UG7.0中设计L形检测板，检测板后侧同枢椎椎体前缘垂直，并生成.stl文件。

1.5 颈椎模型、检测板及导板制造 将颈椎模型、检测板及导板部件用.stl文件输入大格Mecrea-BC 3D打印机制作，材料使用PLA(聚乳酸)。

图1 利用Mimics10.01和UG7.0设计微型导向模板

1.6 模拟置钉及三维测量 分别在计算机和利用导板引导置钉，用直径3 mm克氏针模拟经后路枢椎椎弓根螺钉置入过程。选择导板右上角为坐标系原点，测量出钉点距X轴，Y轴位移，克氏针置入长度(图2、图3)。

1.7 统计学方法 应用SPSS10统计软件进行数据分析，计量资料以均数±标准差(±s)表示，组间比较采用配对样本t检验，以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 置钉效果 本研究置入枢椎椎弓根螺钉24枚，均未穿破椎弓根内、外侧骨皮质。在实际模拟置钉过程中，导板在枢椎后缘滑动度小。24枚克氏针均成功的通过枢椎后缘经过椎弓根至椎体前方到达测量导板。

2.2 导板偏差评估 计算机测量组和游标卡尺测量组左右侧进钉深度，左右侧X、Y轴出钉点位移通过配对样本t检验，差异均无统计学意义(P＞0.05)，见表1。

图2 利用计算机、游标卡尺分别测量出钉点距X轴，Y轴位移，克氏针置入长度

图33 D打印和游标卡尺术后测量

表1 计算机测量组和游标卡尺测量组各项测量值比较(mm，±s)

表1 计算机测量组和游标卡尺测量组各项测量值比较(mm，±s)

组别计算机测量组游标卡尺组t值P值左侧进钉深度64.68±1.99 64.5±2.10 1.00 0.34右侧进钉深度63.65±2.09 62.73±3.02 1.36 0.20左侧出钉点X轴位移32.84±1.41 32.62±1.99 0.65 0.53左侧出钉点Y轴位移6.48±0.47 6.75±0.87 -1.08 0.30右侧出钉点X轴位移32.79±1.04 32.79±2.69 0.00 1.00右侧出钉点Y轴位移29.58±0.85 29.77±2.04 -0.45 0.66

3 讨论

枢椎横突孔内椎动脉呈“C”形或“S”形走行，上关节面外侧1/3悬空，造成了解剖结构的薄弱[3]。枢椎椎弓根存在较大个体差异性，不同的学者测量的上倾角和内斜角度存在很大的差别[3-4]。为了提高置钉的准确性和安全性，国内外许多学者根据对枢椎解剖、影像学的研究提出了多种进钉点的定位和置钉方法，但螺钉穿破骨皮质损伤血管、脊髓的风险依然存在。近年来随着数字骨科技术的迅速发展，一些学者将数字设计、RP技术与脊柱内固定技术结合应用于临床，极大地提高了置钉安全性，取得良好的手术效果[5-6]。此项技术里用逆向工程原理，利用术前薄层CT扫描数据设计螺钉进钉点和置钉通道，并利用计算机设计出同椎板后方互补的置钉导航模板，可在术前进行手术预演、在术中引导置钉，极大提高手术精度。

枢椎椎弓根螺钉进钉点的定位方法有多种，但为了降低对脊髓和椎动脉损伤的机率，目前在置钉的过程中大多数医生都选择用神经剥离子骨膜下剥离显露枢椎椎弓根峡部的上面和内侧缘，直视下确定枢椎椎弓根螺钉的进针点及置钉角度。在显露枢椎椎弓根峡部的过程中极易损伤静脉丛导致大量的出血，增加了手术时间、手术出血量及剥离范围。另外颅椎区的椎动脉走行存在一定变异率，显露枢椎椎弓峡部的上面和内侧缘极易损伤椎动脉。微型快速成型导向模板无需暴露椎弓根，可以减少手术时间、手术出血量及剥离范围[7-9]。陆声等[10]认为导板与骨面的贴合程度是影响置钉准确性的因素之一。为了达到最大的贴合和在实际操作中导板的稳定，目前各种导板的设计多需贴合枢椎后部的全部椎板和棘突，以减少软组织的干扰，这种充分的剥离无疑会延长手术时间、增加手术的出血量。笔者认为在不影响置钉准确性前提下减少贴合面积有利于减少手术对颈椎后方韧带复合体的破坏，降低颈椎后路术后出现颈椎后凸等失稳并发症的发生。本研究为了更加真实模拟手术环境，设计了无需贴合棘突的微型导板，并利用3D打印机制作了C1～5的3D模型。此外为了检测导板精度，研究者设计了同椎体前方垂直的测量板，用来测量置钉误差。在导板的引导置钉过程中，微型导板和椎体表面贴合好、滑动度小，24枚模拟置钉均未穿破椎弓根内、外侧骨皮质，计算机测量组和游标卡尺测量组各项测量值比较差异无统计学意义(P＞0.05)，说明该微型导板的精确度、可操作性可以胜任辅助置钉的任务。

本实验尚处于模型设计、验证阶段，目前还存在一定的缺陷。如尚未进行大量的骨骼标本的测试、使用克氏针替代直径更大的椎弓根螺钉等。但笔者认为随着实验次数的增多和更加先进科技手段的运用，必然使该项技术更加迅速、便捷的为骨科临床手术服务。

[1]Leconte P.Fracture et luxation des deux premieres vertebres cervicales[M]//Judet R,Luxation Congenitale de la Hanche,Fractures du Cou-de-pied Rachis Cervical.Actualites de Chirurgie Orthopedique de l’Hopital Raymond-Poincare.Vol 3.Paris:Masson et Cie,1964: 147-166.

[2]Jones EL,eller JG.Cervical pedicle screws versus lateral mass screws.Anatomic feasibility and biomechanical comparison[J]. Spine,1997,22(9):977-982.

[3]曹正霖,钟世镇,徐达传.寰枢椎的解剖学测量及其临床意义[J].中国临床解剖学杂志,2000,18(4):299-301.

[4]孙宇,王志国,党耕町.颈椎椎弓根的观测及其临床意义[J].北京医科大学学报,1993,25(4):279-280.

[5]杨文玖,邹云雯,褚言琛,等.枕骨髁螺钉固定的三维解剖学研究[J].中华创伤骨科杂志,2013,15(1):45-49.

[6]覃涛,杜远立,王华,等.数字矩阵建模在寰椎椎弓根螺钉通道研究中的应用[J].中华创伤骨科杂志,2013,15(1):41-44.

[7]Xu H,Chi YL,Wang XY,et al.Comparison of the anatomic risk for vertebral artery injury associated with percutaneous atlantoaxial anterior and posterior transarticular screws[J].Spine J,2012,12(8): 656-662.

[8]Ferrari V,Parehi P,Condino S,et al.An optimal design for patient-specific templates for pedicle spine screws placement[J].Med Robot,2013,9(3):298-304.

[9]Lu S,Zhang YZ,Wang Z,et al.Accuracy and efficacy of thoracic pedicle screws in scoliosis with patient-specific drill template[J]. Med Biol Eng Comput,2012,50(7):751-758.

[10]陆声,徐永清,张元智,等.计算机辅助个体化导航模板在Hangman骨折中的临床应用[J].中华创伤杂志,2009,25(8):886-889.

Deviation analysis of pedicle screw placement in axis assisted by micro rapid prototyping drill guide template.

YAN Chao,CHEN Jian-feng,SHANG Zheng-hui,LIANG Jie,QIN Tao.Department of Orthopedics,Three Gorges University People's Hospital/the First People's Hospital of Yichang,Yichang 443000,Hubei,CHINA

ObjectiveTo verify the accuracy and deviation of pedicle screw placement in axis assisted by micro rapid prototyping drill guide template.MethodsThis study was based upon CT scans in axis of 12 subjects from Three Gorges University People's Hospital between Sep.2012 and Sep.2015,using the Mimics10.01 for reconstruction and then UG7.0 for design of deviation detection plate and the axial inverse plate.Cervical model and guide plate were made by desktop 3D printing machine,and guide plate and the Kirschner wire of 3 mm in diameter were used to simulate the cervical screw drilling.The vernier caliper was applied to measure the length of Kirschner wire in the vertebra, displacement in the X axis and Y axis in deviation detection plate.The obtained data was compared with the computer measurement.ResultsNo statistically difference existed in the length of Kirschner wire in the vertebra,displacement in the X axis and Y axis between the vernier caliper measurement group and the computer measurement group(P＞0.05). ConclusionMicro rapid prototyping drill guide template could reduce the designing and manufacturing time and at the same time improve the surgery safety of posterior pedicle screw placement in axis.

Micro rapid prototyping drill guide template;Axis;Pedicle screw;Deviation

R686.1

A

1003—6350（2017）02—0227—03

10.3969/j.issn.1003-6350.2017.02.018

2016-06-28)

覃涛。E-mail：2293699909@qq.com