计算机辅助设计联合3D打印技术在胸腰椎骨折椎弓根螺钉置入术中的应用

王雅辉，刘正蓬，褚立，明颖，张义龙，孙志杰，王建华，李哲，孙贺(承德医学院附属医院，河北承德 067000； 中国人民解放军第二六六医院)

胸腰椎骨折是指胸腰椎的连续性遭到破坏，主要致伤诱因为外界暴力、车祸伤、骨质疏松等。高能量损伤可导致胸腰椎骨质的连续性及稳定性遭到破坏，出现轴向压缩或者侧方、扭转压缩，直接导致骨皮质断裂，韧带和关节囊受损，神经受刺激，椎间盘被撕裂；严重者受损骨质可直接损伤机体重要脏器，出现腹腔大出血，如不及时处理，患者病死率极高[1～4]。椎弓根螺钉植入术是目前治疗胸腰椎骨折的主要手段，但手术复杂、对手术操作的准确度要求较高，稍有不慎会导致术后脑脊液漏、神经损伤[5,6]。近年来计算机辅助设计联合3D打印技术在骨科领域得到广泛应用，其辅助进行椎弓根螺钉置入手术有助于制备完善的术前计划，提前充分考虑伤椎情况，有利于复杂精细手术的进行，术后并发症较低。本研究探讨计算机辅助设计联合3D打印技术在胸腰椎骨折椎弓根螺钉置入术中的应用效果。

1 资料与方法

1.1 临床资料 选择承德医学院附属医院2015年1～12月收治的胸腰椎骨折患者37例为观察组，2014年1～12月收治的胸腰椎骨折患者23例为对照组。纳入标准：①单纯闭合性胸腰椎骨折；②保守治疗未见明显效果；③椎体压缩超过椎体高度的1/3或脊柱生理弯曲改变；④椎弓根状况良好，未见骨折；⑤胸腰椎损伤TLIC评分≥3分。排除标准：①伴严重骨质疏松；②伴脊柱肿瘤；③合并严重心脑血管等内科疾病；④凝血障碍。观察组男22例、女15例，年龄19～67(46.9±13.4)岁，病程1～9(4.5±2.6)d；致伤原因：车祸11例，坠落伤12例，暴力损伤8例，其他6例；骨折部位：胸椎骨折5例，腰椎骨折24例，胸腰椎连续骨折8例；神经功能Frankel分级[6]：A级1例、B级2例、C级1例、D级5例、E级28例。对照组男16例、女7例，年龄20～65(44.4±12.5)岁，病程1～14(8.1±4.3)d；致伤原因：车祸10例，坠落伤6例，暴力损伤4例，其他3例；骨折部位：胸椎骨折7例，腰椎骨折14例，胸腰椎连续骨折2例；神经功能Frankel分级：B级1例、C级2例、D级4例、E级16例。两组性别、年龄等一般资料均具有可比性。本研究通过承德医学院附属医院医学伦理委员会审核，患者及其家属均签署知情同意书。

1.2 手术方法 观察组行计算机辅助设计联合3D打印技术辅助椎弓根螺钉置入术。术前计划：对伤椎及上、下临近节段椎体进行薄层CT扫描，层厚1 mm，螺距1.0，将数据保存为DICOM格式；将CT数据导入Mimics16.0，重建脊柱骨骼三维模型，在软件中观察脊柱椎弓根三维结构，模拟置钉，寻找最佳置钉入点及方向，以STL格式导出保存。将STL格式数据导入Geomagic Studio 2013进行光滑处理、铺面、封装，用PLA材料对其进行打印，建立仿真椎体模型。按照手术正规流程椎体模型进行预手术，对手术中螺钉置入角度、椎弓根钉长度以及置入准确度、入针点等进行充分测量和模拟，观察椎体活动度，评测结果。术中操作：患者进行全麻，根据伤椎部位和具体情况选择舒适体位，调节手术台弯曲度以适应患者脊柱曲度，必要时垫软枕于腹部下方。使用C型臂X线机定位伤椎，选择进针点，根据术前测量头尾倾角、螺钉外展角差值、螺钉进钉点水平位置差值等确定置钉角度和椎弓根钉长度；打开皮质骨，恒力稳持开路器缓慢进入，置入螺钉。对照组采用常规CT检查进行评估和预测，对手术中螺钉置入角度、椎弓根钉长度以及置入准确度、入针点等进行充分测量，手术方法同上。两组术后常规给予抗生素预防感染，尽早进行康复锻炼。

1.3 相关指标观察 ①围术期相关指标：手术时间、术中出血量、术中X线暴露次数、术中输血量。②置钉情况：记录两组术中置钉数量、置钉准确数，计算置钉准确率；③螺钉一致性相关指标：术后即刻进行CT检查，测量两组螺钉矢状面夹角、螺钉内倾角差值、螺钉进钉点水平位置差值；④伤椎复位相关指标：两组术前、术后6个月进行CT检查，根据工作台图像系统处理软件计算伤椎手术前后高度比、矢状位后凸Cobb角。⑤记录两组术前、术后6个月胸腰椎日本骨科协会(JOA)评分及疼痛视觉模拟评分(VAS)，JOA评分越高表示患者恢复越好，VAS越低表示患者疼痛程度越轻。⑥记录两组术后6个月出血、感染、神经损伤、脑脊液漏等并发症发生情况。

2 结果

2.1 两组围术期相关指标比较 观察组与对照组手术时间分别为(101.54±21.34)、(140.83±23.33)min，术中出血量分别为(94.84±15.17)、(158.90±21.18)mL，术中X线暴露次数分别为(9.92±2.12)、(14.56±4.34)次，术中输血量分别为(95.88±23.19)、(149.14±34.78)mL；观察组手术时间短于对照组，术中出血量、术中X线暴露次数、术中输血量均少于对照组(P均<0.05)。

2.2 两组置钉情况比较 观察组术中置钉256个、置钉准确数242个、置钉准确率为94.5%，对照组分别为154、115个及74.6%；观察组置钉准确率高于对照组(P<0.05)。

2.3 两组螺钉一致性相关指标比较 观察组螺钉矢状面夹角、螺钉内倾角差值、螺钉进钉点水平位置差值均低于对照组(P均<0.05)。见表1。

表1 两组螺钉一致性相关指标比较

注：与对照组比较，*P<0.05。

2.4 两组伤椎复位相关指标比较 两组术后6个月伤椎前后高度比均高于术前，矢状位后凸Cobb角均低于术前(P均<0.05)。观察组术后6个月伤椎前后高度比高于对照组，矢状位后凸Cobb角低于对照组(P均<0.05)。见表2。

表2 两组手术前后伤椎复位相关指标比较

注：与同组术前比较，*P<0.05；与对照组同时间点比较，#P<0.05。

2.5 两组手术前后胸腰椎JOA评分、VAS比较 两组术后6个月胸腰椎JOA评分均高于术前，VAS均低于术前(P均<0.05)。观察组术后6个月胸腰椎JOA评分高于对照组，VAS低于对照组(P均<0.05)。见表3。

表3 两组手术前后胸腰椎JOA评分、VAS比较(分，

注：与同组术前比较，*P<0.05；与对照组同时间点比较，#P<0.05。

2.6 两组并发症发生率比较 观察组术后发生出血1例、感染1例，对照组术后发生出血1例、感染1例、神经损伤1例、脑脊液漏1例；观察组与对照组并发症发生率分别为5.4%、17.3%，P<0.05。

3 讨论

椎弓根螺钉置入术是生物力学研究的产物，对患者创伤小，术中剥离肌肉，以人字脊、横突根及上关节突等解剖标志参考入钉点，通过术中C型臂X线机透视确定位置，最后通过螺钉置入的方法恢复脊柱屈伸、侧弯及旋转等活动[4,7]。若术中置入螺钉位置不当，如螺钉击穿椎体前方，则会损伤大血管或者胸腹腔重要脏器，导致术后并发症发生[8]。因此，术前如果能够充分模拟伤椎螺钉置入或者精确测量各种角度，将有助于减少术后并发症的发生并减少术中出血量[9,10]。3D打印技术可在术前对伤椎进行造模，于制作的专门的导板上模拟椎弓根螺钉术，有助于提高手术成功率及螺钉置入准确性。Parthiban等[11]术前采用3D打印技术辅助治疗胸腰椎椎体压缩骨折，结果显示该技术能够提高两侧螺钉的一致性，提高置钉成功率，术后恢复效果优于术前用X线评估的患者。

术前采用3D打印技术模拟手术能更加清晰地显示伤椎形态，提前精准地对伤椎病情进行个体化分析[12～14]。本研究结果显示，观察组手术时间短于对照组，术中出血量、术中X线暴露次数、术中输血量均少于对照组；置钉准确率高于对照组，螺钉矢状面夹角、螺钉内倾角差值、螺钉进钉点水平位置差值均低于对照组；术后6个月胸腰椎JOA评分高于对照组，VAS低于对照组。进一步证实计算机辅助设计联合3D打印技术可提高置钉准确率，减少手术操作误差，更加准确地契合伤椎及正常椎体，使脊柱更加稳定。本研究观察组并发症发生率低于对照组，说明胸腰椎骨折患者采用计算机辅助设计联合3D打印技术辅助进行椎弓根螺钉置入术的安全性更高。

综上所述，胸腰椎骨折患者采用计算机辅助设计联合3D打印技术辅助进行椎弓根螺钉置入术的手术时间短、损伤小、治疗效果好、安全性高，值得临床借鉴。

参考文献：

[1] 薛文,刘舒娆,管晓鹂,等.微创经皮与传统开放椎弓根螺钉置入固定胸腰椎骨折的文献荟萃[J].中国组织工程研究,2016,20(13):1961-1969.

[2] 吴梅祥,白波,何二兴,等.小切口椎弓根螺钉技术治疗胸腰椎骨折的初步应用[J].中华创伤骨科杂志,2014,16(7):629-631.

[3] Borcek AO, Suner HI, Emmez H, et al. Accuracy of pedicle screw placement in thoracolumbar spine with conventional open technique[J]. Turk Neurosurg, 2014,24(3):398-402.

[4] Li K, Li Z, Ren X, et al. Effect of the percutaneous pedicle screw fixation at the fractured vertebra on the treatment of thoracolumbar fractures[J]. Int Orthop, 2016,40(6):1103-1110.

[5] Wang L, Li J, Wang H, et al. Posterior short segment pedicle screw fixation and TLIF for the treatment of unstable thoracolumbar/lumbar fracture[J]. BMC Musculoskelet Disord, 2014,11(15):40-41.

[6] Aoude AA, Fortin M, Figueiredo R, et al. Methods to determine pedicle screw placement accuracy in spine surgery: a systematic review[J]. Eur Spine J, 2015,24(5):990-1004.

[7] 邓海棠.有限元法分析胸腰椎骨折椎弓根钉置入内固定的应力分布[J].中国组织工程研究,2016,20(17):24493-24499.

[8] 张琼美,孙俊明,刘德美,等.经椎旁肌间隙行后路椎弓根螺钉内固定术治疗胸腰椎骨折的效果观察[J].中国当代医药,2014,21(20):41-42.

[9] Phan K, Ramachandran V, Tran TM, et al. Systematic review of cortical bone trajectory versus pedicle screw techniques for lumbosacral spine fusion[J]. J Spine Surg, 2017,3(4):679-688.

[10] 李开南,聂海,何智勇,等.后路腰椎间盘镜下胸腰椎椎弓根螺钉置钉技术的临床评价[J].中华创伤骨科杂志,2015,17(9):770-775.

[11] Parthiban JKB. Osteoporotic lumbar spine - Principles of pedicle screw fixation and interbody fusion[J]. Neurol India, 2017,66(1):126-132.

[12] 刘兰泽,刘梦扬,逯强,等.椎弓根定向爆裂器在胸腰段椎体骨折后路固定术中的应用[J].中华创伤骨科杂志,2015,17(3):205-208.

[13] 王刚.通用型脊柱内固定系统与椎弓根螺钉固定系统治疗胸腰椎骨折的比较[J].中国现代药物应用,2016,10(2):46-47.

[14] Chandra Vemula VR, Prasad BC, Jagadeesh MA, et al. Minimally invasive transforaminal lumbar interbody fusion using bone cement-augmented pedicle screws for lumbar spondylolisthesis in patients with osteoporosis. Case series and review of literature[J]. Neurol India, 2017,66(1):118-125.