3D打印技术辅助椎弓根螺钉置入治疗胸腰椎骨折的临床分析

刘正蓬，王雅辉，褚立，明颖，张义龙，李哲，王建华，孙贺

(1.承德医学院附属医院骨科，河北 承德 067000；2.中国人民解放军第266医院骨科，河北 承德 067000)

胸腰椎骨折是脊柱外科的多发病，指胸腰椎的连续性受到破坏，多由外界暴力、车祸伤、骨质疏松等引起，好发于青少年和老年人。骨折发生后，神经功能受损，椎体移位，脊柱曲度发生改变，严重者脏器受损，危及生命[1]。椎弓根螺钉植入术是目前治疗此类疾病的主要手段，但是手术复杂，准确度要求高，稍有不慎会导致术后脑脊液漏，因此，神经损伤给医生带来巨大压力并损害患者的利益[2]。3D打印技术辅助手术开展可以制备完善的术前计划，提前将患者伤椎情况充分考虑，有利于进行复杂精细的手术，降低术后并发症。我院采用3D打印技术辅助治疗胸腰椎骨折，现阶段临床效果较好，现做如下报道。

1 资料与方法

1.1 一般资料 本研究纳入了2014年1月至2015年12月在承德医学院附属医院住院的66例胸腰椎骨折患者。根据不同的治疗方法将患者分为2组，每组33个样本。对照组：男19例，女14例；年龄22～72岁，平均(47.4±4.8)岁；病程1～14 d，平均(6.8±1.1)d；致伤原因：车祸伤14例，坠落伤9例，暴力伤7例，其他伤3例。骨折部位：胸椎骨折8例，腰椎骨折11例，胸腰椎骨折14例，神经功能Frankel分级[3]：B级6例，C级7例，D级9例，E级11例。观察组：男16例，女17例；年龄24～71岁，平均(52.3±9.2)岁；病程1～12d，平均(5.9±1.4)d；致伤原因：车祸伤11例，坠落伤12例，暴力伤6例，其他伤4例。骨折部位：胸椎骨折6例，腰椎骨折9例，胸腰椎骨折16例。神经功能Frankel分级：B级7例，C级6例，D级10例，E级10例。两组在性别、年龄、疾病持续时间、损伤原因和Frankel神经功能分类方面差异无统计学意义(P>0.05)，两组都签署了知情同意书。纳入标准：a)单纯闭合胸腰椎椎体骨折；b)患者经过非手术治疗未见明显效果；c)椎体压缩超过椎体高度的1/3或脊柱的生理曲度发生变化；d)未伴随严重脏器损伤；e)椎弓根良好，未见骨折情况出现。排除标准：a)椎管严重狭窄或者伴有严重神经损伤；b)脊柱伴有肿瘤；c)精神异常；d)凝血障碍。

1.2 手术方法 观察组采用3D打印技术进行治疗，以辅助椎弓根螺钉置入。术前计划：受伤椎骨和患者相邻节段的CT扫描(距离该层1 mm处，间距：1.0 mm)，然后对其数据保存，格式为DICOM，导入Mimics 16.0进行重建。重建模型后导出到3D，格式为STL，导入Geomagic 13.0进行光滑处理、铺面、封装。用PLA材料对其打印，建立成仿真椎体模型，并按照手术正规流程在椎体上进行预手术，对手术中螺钉的置入角度、椎弓根钉长度以及置入准确度、入针点等进行一个充分的测量和模拟，观察椎体的活动度，评测结果。术中操作：所有患者均采取全麻，根据患者伤椎部位和具体情况将患者置于舒适体位，调节手术台弯曲度适应患者脊柱曲度，必要时垫软枕于腹部下方。定位受伤的椎骨(使用C型臂X线机)，选择进针点，确定置钉角度(术前测量的矢状面螺钉植入角、螺钉内倾角差值、螺钉插入点水平位置的差异等)和椎弓根螺钉的长度等。打开手术切口和皮质骨，然后用力握住开沟器并插入螺钉。在手术过程中观察患者的呼吸机参数，并及时处理不良变化。术后处理：术后定期抗感染，尽快康复锻炼。对照组采用传统X线、CT、MRI等影像进行术前评估，术中使用C型臂X线机定位伤椎，依据术前规划，徒手置钉，术后处理同观察组。

1.3 观察指标 a)治疗后，记录患者的手术时间、术中出血量、术中X线暴露量及输血情况；b)治疗后复查CT，记录螺钉数量，并计算螺钉放置的准确性；c)治疗后复查CT，测量患者矢状螺钉插入角度、螺钉内倾角的差值，螺钉插入点的水平位置差异；d)术前、术后半年和术后1年，前后椎体高度比和矢状后凸Cobb角；e)统计术后并发症发生情况：出血、感染、神经损伤、脑脊液漏等发生率。其中置钉准确评判标准如下，优：螺钉方向和位置准确，螺钉均在椎弓根内；良：置钉方向、位置存在一定误差，但属于允许范围内，小部分螺钉穿出椎体；差：置钉方向、位置误差大，大部分螺钉穿出椎体；以优、良椎弓根钉比例作为置钉准确率。

2 结 果

2.1 两组患者围手术期指标的比较 治疗后观察组手术时间、术中出血量、术中X线暴露量和术中输血量均明显低于对照组(P<0.05)。结果见表1。

2.2 两组患者置钉情况比较 治疗后，观察组置钉数量306个，置钉准确数289个，置钉准确率94.4%；对照组置钉数量359个，置钉准确数266个，置钉准确率74.5%，观察组显著高于对照组，差异具有统计学意义(P<0.05)。

表1 两组患者围术期指标比较

2.3 两组患者螺钉一致性比较 治疗后，观察组矢状角的差异，螺钉内倾角与螺钉插入点水平位置的差异明显低于对照组(P<0.05)。结果见表2。

表2 两组患者螺钉一致性比较

2.4 两组受伤椎体复位指数的比较(见表3) 治疗后，前后椎体高度比显著增加，矢状后凸畸形的Cobb角明显减小(P<0.05)。治疗后半年和1年，对照组受伤椎体高度比显著低于观察组(P<0.05)，对照组矢状后凸Cobb角明显高于观察组(P<0.05)。

表3 两组患者伤椎复位指标的比较

2.5 比较两组并发症的发生率(见表4) 观察组的总体并发症发生率(6.1%)显著低于对照组(12.2%)(P<0.05)。

表4 两组并发症发生率比较[例(%)]

2.6 典型病例 a)29岁男性患者，车祸致T12节段胸椎椎体骨折，行3D打印技术辅助胸腰椎骨折椎弓根螺钉植入术，术后随访1年，伤椎前后高度比恢复到94%，螺钉固定好，脊柱生理弯曲正常，患者满意，手术前后影像学资料见图1～3。b)34岁男性患者，高处坠落伤致T9节段胸椎椎体骨折，行普通CT、X线技术辅助胸腰椎骨折椎弓根螺钉植入术，术后随访1年，伤椎前后高度比恢复到78%，手术前后影像学资料见图4～6。

图1 术前CT重建图像示T12节段胸椎椎体压缩性骨折

图2 骨折节段及邻近节段3D打印模型 图3 术后X线片示椎体高度恢复，螺钉固定良好，脊柱生理弯曲正常

图4 术前矢状面CT示T9节段胸椎椎体爆裂性骨折 图5 术前矢状面MRI示T9节段胸椎椎体爆裂性骨折，无神经根、脊髓压迫

图6 术后正侧位X线片示椎体高度恢复，螺钉固定良好，脊柱生理弯曲正常

3 讨 论

胸腰椎椎体骨折是目前骨科的常见病和多发疾病，脊柱在受到压缩、垂直、旋转等外力损伤时，稳定性遭到破坏，出现轴向压缩或侧方、扭转压缩，直接导致骨皮质断裂[4-5]。同时，韧带和关节囊也会受损，神经受刺激，椎间盘被撕裂，严重者破坏的骨质直接损伤机体重要脏器，出现腹腔大出血，如若处理不及时，死亡率极高[6-7]。椎弓根螺钉置入是脊柱手术史上的重要技术工具。通过螺钉置入的方法恢复脊柱的屈伸、侧弯及旋转等活动[7-8]。但是，螺钉本身极易造成患者术中正常组织的损伤，手术复杂而且对螺钉的精确置入要求极高，不正确的放置(如穿过椎体前部的螺钉)会损坏胸部和腹部的大血管或重要器官。手术后导致许多与损伤相关的并发症，这不利于术后恢复[9]。如果术前能够很好的对伤椎进行螺钉置入模拟或者角度的精确测量，将会极大的减少术后并发症和术中出血量[10-11]。

3D打印模型的核心是执行CT扫描以获得器官组织结构的三维数据，并在相应的医学图像软件上构建三维模型，然后通过3D打印机的分层实体制造将实体模型打印为手术模拟和术中参考。模拟钉可提高手术成功率和螺钉置入的准确性，缩短手术时间，减少出血量，提高术后效果。Liu等[12]在他的3D打印技术中指出了治疗胸腰椎压缩性骨折的方法：术前采用3D打印技术能够提高螺钉一致性，增加置钉成功率，术后恢复效果也优于术前用X线评估的患者。本研究得出结论：治疗后，观察组螺钉置入准确率为94.4%，显著高于对照组74.5%(P<0.05)；治疗后，观察组矢状面螺钉植入角差异明显低于对照组(P<0.05)。可以看出，使用3D打印技术可以在放置螺钉时使螺钉更准确地贴合患者受伤的椎骨，并且脊柱更稳定。

由于术前采用3D打印技术造模，能够更加清晰的展示患者骨折伤椎的形态，提前精准的个体化的分析椎体伤情，医生能够精准的选择螺钉长度和直径，避免了术中不必要的出血，有利于术中有把握的置入螺钉，减少了术中辅助设备的X线照射，降低患者损伤[13]。本研究显示：治疗后观察组手术时间、术中出血量、术中X线暴露量和术中输血量均明显低于对照组(P<0.05)。可以看出，术前使用3D打印技术可以有效缩短手术时间，减少术中出血量和输血量，降低患者放射性损伤的风险。

3D打印技术能够在术前直观观测患者伤椎情况，减轻患者的压力，而且有利于向患者解释病情，螺钉选择恰当了，就避免了术中螺钉对患者脏器等的损伤，治疗效果更佳[14]。本研究结果得出：半年后和最后一次随访后，观察组前后椎体高度比显著高于对照组，矢状后凸Cobb角低于对照组，说明术后矫正丢失更少。观察组的并发症总发生率显著下降(6.1%)，显著低于对照组(12.2%，P<0.05)。一般认为螺钉进入椎体距离以2/3为宜，根据脊柱稳定性的三柱理论，有学者认为，螺钉到达或接近椎体前缘是防止矫正丢失的主要措施，这需要螺钉进入椎体Cobb角和伤椎高度丢失的距离足够远且准确，而3D打印技术通过个性化术前模拟置钉，有助于手术期间置钉的有效性与准确性，能有效防止术后矫正丢失[15]。因此本研究3D打印技术置钉效果更优，有利于预防伤椎前后高度丢失。可见，利用3D打印技术能够减少术后并发症的发生，而且能够有效恢复伤椎高度，恢复脊柱正常生理弯曲。

总之，使用3D打印技术辅助椎弓根螺钉放置，能够缩短手术时间、减少术中出血量和输血量、降低患者辐射危害、提高置钉准确率、有效恢复患者的脊柱畸形、降低并发症的发生率，治疗效果优于普通X线或CT机辅助组，临床上值得推广。