3D打印技术用于腰椎椎弓根螺钉植入术的可行性分析

王雅辉，刘正蓬

(承德医学院附属医院，河北承德067000)

3D打印技术用于腰椎椎弓根螺钉植入术的可行性分析

王雅辉，刘正蓬

(承德医学院附属医院，河北承德067000)

目的探讨3D打印技术指导腰椎椎弓根螺钉植入术的可行性。方法提取40例健康人腰椎(L1～5)薄层CT扫描数据，在椎弓根中心设计导航，获得导航模块。通过3D打印技术打印出导航模块和腰椎模型，在导航模块辅助下植入腰椎椎弓根螺钉，观察植入螺钉的进钉点、进钉方向及螺钉在椎弓根内的位置，明确椎弓根皮质是否破坏。在导航模块辅助下，于成人腰椎(尸体)标本上实施腰椎椎弓根螺钉植入，评价置钉效果。结果3D打印腰椎模型及成人腰椎标本应用导航模块均进行98次(置钉98枚)置钉实验，其中L1均为18枚、L2均为22 枚、L3均为21 枚、L4均为19 枚、L5均为18枚，虚拟钉道长度与实际钉道长度比较差异均无统计学意义(P均>0.05)。全部螺钉的进钉点、进钉方向及螺钉于椎弓根内的位置均与方案中预见的钉道相符合，均未损伤椎弓根旁其余结构。结论3D打印腰椎导航模块可指导腰椎螺钉植入，植入的螺钉在进钉点、进钉方向及固定位置等方面均无偏差。

腰椎损伤；3D打印技术；导航模块；椎弓根螺钉植入

植入腰椎椎弓根螺钉是最常用的脊柱内固定方法之一，在临床骨科手术中应用广泛。椎弓根毗邻神经及脊髓等重要结构，生理功能重要且解剖结构复杂，普通医学影像手段难以显示脊柱椎体形态变化，难以为脊柱外科手术提供全面的解剖信息，是导致椎弓根螺钉植入失败的原因之一[1～3]。3D打印技术通过对健康人椎体结构进行3D建模，在椎弓根中心设计导航，获得导航模块，在导航模块的辅助下植入椎弓根螺钉，实现微创准确置钉[4～6]。本研究探讨3D打印技术用于腰椎椎弓根螺钉植入术的可行性。

1 临床资料

选取2013年11月～2014年12月在我院体检中心体检的健康人40例，男22例、女18例，年龄25～37(32.3±2.3)岁，BMI 19～24(21.7±2.3)。另选防腐健康成人腰椎骨骼标本49个(南通医学院解剖教研室)，L19个、L211个、L38个、L410个、L511个，来源尸体男28例、女21例，年龄25～37(32.5±2.3)岁。

2 方法与结果

2.2 导航模型制备及模拟置钉

2.2.1 导航模型制备 提取40例健康人腰椎(L1～5)薄层CT扫描数据，并进行腰椎三维模型重建，得到椎体断层图；对图像进一步处理，调整灰度级对比度，去掉椎体周围软组织阴影，修补图像缺损部位，得到对应椎体节段的三维模型。建模后调整设计导航杆，使导航杆以最佳位置穿过椎弓根中心，测量虚拟钉道长度。调整导航杆位置，使其与腰椎“人”字嵴部位骨面重合，通过布尔运算减去导航杆和相应腰椎，得到具有导航通道(直径 2 mm)的导航模块。

2.2.2 模拟置钉 导航模块前端与腰椎“人”字嵴部位的骨面完全反向，以良好固定在“人”字嵴处。采用Renishaw 3D 打印机，以选择性激光熔化技术打印最终模拟的导航模块。打印精度为 0.3 mm。将打印好的导航模块固定在腰椎“人”字嵴部位骨面上，用电钻(直径2 mm的克氏针作为钻头)沿导航通道钻出钉道，测量进钉点到出钉点的长度(实际钉道长度)。采用直径5 mm的钻头对钉道进行扩容，根据虚拟测量的椎弓根最狭窄处的宽度、高度和实际钉道长度选择合适规格的螺钉(螺钉直径一般为椎弓根横径的70%左右，螺钉长度为进钉通道长度的80%左右)。植入椎弓根螺钉后，观察椎弓根螺钉的进钉点、进钉方向和螺钉在椎弓根内的位置。

2.2.3 螺钉植入效果评价 应用导航模块共进行98次(置钉98枚)模拟置钉实验，其中L118枚、L222 枚、L321 枚、L419 枚、L518枚，各段腰椎的虚拟钉道长度与实际钉道长度比较差异均无统计学意义(P均>0.05)，见表1。全部螺钉的进钉点及方向均与方案中预见的钉道相符，均未损伤椎弓根旁其余结构。

2.3 导航模块辅助下腰椎椎弓根螺钉植入 取防腐成人腰椎骨骼标本49枚，在2.1中3D导航模块辅助下于骨骼标本置钉。具体方式：术前以甲醛熏蒸消毒导航模块，传统后路正中切口，清除腰椎“人”字嵴部位骨膜周围软组织，完全暴露“人”字嵴部位骨面，随后将导航模块紧密贴合于腰椎。待固定牢固后，一手握持导航模块中后部，另一手持电钻顺着导航通道方向钻一进钉通道，深度约为15 mm。采用2.0 mm直径的椎弓根探子通过椎弓根与椎体到达预定深度。采用5 mm丝锥攻丝，以球形探针对四壁进行探测，明确骨质是否光滑连续。如无异常，缓慢拧入合适的螺钉。待置钉完毕后，采用C型臂X光机进行透视，明确螺钉植入情况。

表1 腰椎导航模块虚拟钉道长度与实际钉道长度比较

应用导航模块在成人腰椎骨骼标本上进行 98 次(置钉98枚)置钉实验，其中L118枚、L222 枚、L321 枚、L419 枚、L518枚，各段腰椎的虚拟钉道长度与实际钉道长度比较差异均无统计学意义(P均>0.05)，见表2。全部螺钉的进钉点及方向均与方案中预见的钉道相符合，均未损伤椎弓根旁其余结构。

表2 腰椎标本虚拟钉道长度与实际钉道长度比较

3 讨论

脊柱生理功能重要且解剖结构复杂，脊柱外科手术需要更加精确的解剖定位，术者还需克服术中视野不开阔、清晰度不足等问题，提高手术精确度，从而达到更好的治疗效果[7～9]。腰椎植入椎弓根螺钉是最常用的腰椎内固定方法之一，在临床脊柱外科手术中应用广泛。椎弓根毗邻神经及脊髓等重要结构，且腰椎椎弓根椎管狭长，如何在保证精确度及减少损伤的情况下将螺钉植入椎弓根，是临床亟待解决的问题[10～12]。

数字化设计的显著特色是可以在虚拟环境中通过反复修改而获得最优化的虚拟手术方案，通过设计并3D打印导航模块辅助实现现实手术中的设计方案[13～15]。3D打印模块是综合了计算机辅助设计、辅助制造、数控技术等方法制备的三维模型。3D打印技术不仅可以在术前制备导航模型，还可进行术前手术模拟，进行虚拟钉道测试，以提高手术操作精确性，增加材料契合度，减少由于螺钉植入不精确导致的脱落[16～18]。目前，3D打印技术常采用粉末状金属壳黏合材料打印三维模型，但打印材料的生物相容性、生物力学性能等仍需不断探索[19～21]。

实现高精度的腰椎椎弓根螺钉植入不仅与手术设计方案的质量直接相关，亦与导航模块的打印精度以及实施方法关系密切。本研究对3D打印过程中各个环节进行有效的质量控制，在打印时采用选择性激光熔化技术，该技术可将全部融化材料及金属形成高致密度的材料，解决了以往选择性激光烧结技术中由于金属粉末融化度不高导致的材料致密度过低、强度不足、成型尺寸不准确等问题。本研究应用导航模块对3D打印腰椎模型各节段进行了 98 次模拟置钉实验，其中L118枚、L222枚、L321枚、L419枚、L518枚，各节段全部螺钉的进钉点及方向均与方案中预见的钉道相符，均未损伤椎弓根旁其余结构。进一步应用导航模块在成人人体骨骼标本上进行置钉，同样植入腰椎椎弓根螺钉98枚，置钉效果与3D打印椎体置钉效果一致，即虚拟钉道长度与实际钉道长度比较差异无统计学意义，全部螺钉的进钉点及方向均与方案中预见的钉道相符合，均未损伤椎弓根旁其余结构；提示导航模块可用于指导腰椎置钉。3D打印技术指导腰椎椎弓根螺钉植入尚存在一些不足[22，23]，如对于椎体“人”字嵴部位骨面相对平坦的患者，导航模块的固定稳定性不佳；为有效固定导航模块，需彻底剥离“人”字嵴部位骨面周围软组织，如处理不当，易导致导航模块无法精确导航。

综上所述，3D打印腰椎导航模块可指导腰椎螺钉植入，植入的螺钉在进钉点、进钉方向及固定位置等方面均无偏差；3D导航模块可辅助脊柱外科医生实现微创条件下椎弓根内精准螺钉置入。

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Feasibilityanalysisofapplying3Dprintingtechniquetolumbarvertebralpediclescrewimplantation

WANGYahui,LIUZhengpeng

(TheAffiliatedHospitalofChengdeMedicalCollege,Chengde067000,China)

ObjectiveTo explore the feasibility of 3D printing technique for lumbar vertebral pedicle screw implantation.MethodWe selected the thin CT scan data of 40 healthy human lumbar vertebrae (L1-5), and designed the navigation in the pedicle center to obtain the navigation module. Through 3D printing technology, we printed out the navigation module and lumbar model, and implanted the lumbar vertebral pedicle screw with the assistant of navigation module. Meanwhile, we observed the entry point, screw direction and screw position clearly to determine whether the pedicle cortex was damaged or not. With the assistance of the navigation module, we performed lumbar pedicle screw implantation on adult lumbar (body) specimens and evaluated the placement effect.ResultsWe applied the navigation module to perform 98 times of placement experiments (98 pedicle screws) in both the 3D printed lumbar models and adult lumbar specimens, including 18 times on L1, L222, L321, L419, and L518; no statistically significant difference was found between the virtual screw length and the actual screw length (allP>0.05). The entry point of all the screws, the direction of the screws and the position of the screw in the pedicle conformed to the predicted nail path, and all the other structures beside the pedicle were not damaged.ConclusionThe 3D printing lumbar navigation module can guide the lumbar screw implantation, and the implanted screws have no deviation in the entry point, the direction of the nail entry and the fixed position.

lumbar injury; 3D printing technique; navigation module; pedicle screw implantation

承德市科学技术研究与发展计划项目(20157060)。

王雅辉(1985-)，男，主治医师，研究方向为脊柱外科基础与临床。E-mail： wangyahui3310@163.com

刘正蓬(1983-)，男，主治医师，研究方向为脊柱外科基础与临床。E-mail： 33104206@qq.com

10.3969/j.issn.1002-266X.2017.48.003

R683.2

A

1002-266X(2017)48-0009-03

2017-07-20)