基于3D 打印的椎弓根螺钉置钉技术治疗胸腰段脊柱骨折的价值

刘正蓬 王雅辉 明颖 张义龙 孙志杰 王建华 李哲 孙贺

承德医学院附属医院脊柱外科（河北承德067000）

胸腰椎脊柱骨折指的是外因导致胸腰椎的稳定性和连续性受到破坏，是脊柱骨折的常见类型之一［1］。胸腰椎脊柱骨折患者的韧带及关节囊受损，椎间盘被撕裂，重者脏器受损，腹腔大出血，如果不及时有效地治疗，导致患者病死率升高［2］。临床上常采用椎弓根螺钉内固定术进行治疗，对于恢复伤椎高度及生理弧度具有重要意义，同时能够稳定骨块，恢复解剖结构［3-4］。但是常规的椎弓根螺钉内固定术容易导致置钉位置发生偏差，从而发生神经损伤、脑脊液漏及内固定失效等并发症，不仅严重影响预后效果，而且增加患者的经济负担［2，5］。虽然已经有CT 导航在置钉过程中发挥重要作用，但是价值昂贵，给基层医院的推广及应用带来不小障碍，同时使用过程中产生的辐射也会影响患者的健康，常规的影像学技术提供的数据多为平面、静态，术前规划要求施术者具有较强的空间想象力，而且手术过程中需要不断对比影像资料来设计，延长手术时间，增加术中出血量［1］。3D 打印技术依托于影像学数据，通过计算机打印出精准化、个体化手术辅助置钉工具，并且与脊柱特异嵌合来达到治疗目的，另外安全性和准确性均较高，操作方便，经济性高，近年来，随着3D 打印技术在骨科手术方面的飞速发展，逐渐应用于外科手术中［2，6］。本研究的主要特点为3D打印技术在高分辨率CT 的辅助下精确还原骨骼的三维形态，再现复杂结构，精细化处理手术。2016年2月至2017年9月，我科采用3D 打印的椎弓根螺钉置钉技术治疗56 例胸腰段脊柱骨折患者，疗效满意，报告如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料接受3D 打印的椎弓根螺钉置钉技术治疗的56 例胸腰段脊柱骨折患者为观察组，另外选择同期我科收治的胸腰段脊柱骨折患者56 例，作为对照组，采用常规方法置钉。纳入标准：（1）经CT、X 线及MRI 等确诊为单纯闭合性胸腰椎骨折；（2）符合椎弓根螺钉置钉内固定术的适应证；（3）均为新鲜骨折；（4）患者的各项临床资料完整，且临床依从性高；（5）将患者及其家属同意，并签署治疗知情同意书。排除标准：（1）合并恶性肿瘤；（2）合并心脑血管疾病患者；（3）合并其他位置骨折；（4）凝血功能障碍患者。观察组 中 男36 例，女20 例；年 龄40 ～58 岁，平 均（46.63 ± 3.09）岁；受伤至手术时间2 ～6 d，平均（3.96 ± 0.67）d；致伤原因：车祸伤14 例，重物砸伤16 例，高处坠落伤17 例，摔伤9 例；骨折部位：T1112 例，T1215 例，L19 例，L210 例，L310 例。对照组中男35 例，女21 例；年龄40 ～60 岁，平均（46.78 ± 3.15）岁；受伤至手术时间2～7 d，平均（3.87±0.73）d；致伤原因：车祸伤15 例，重物砸伤15 例，高处坠落伤16 例，摔伤10 例；骨折部位：T1111 例，T1214 例，L110 例，L210 例，L311 例。两组患者的性别、年龄、致伤原因、骨折部位之间的差异无统计学意义（P ＞0.05），具有可比性。研究通过我院医学伦理委员会审核。

1.2 手术方法

1.2.1 采集数据及处理图像观察组患者术前进行高分辨率CT 及X 线检查，扫描层厚为5.00 mm，矩阵512×512，扫描结束后重建骨窗和软组织窗，厚度为1 mm，扫描结果的数据以。Dicom 格式存储。将数据导入Mimics17.0 中，通过阈值分割和区域增长的功能，得出胸腰椎三维模型，以.STL 格式输出。

1.2.2 3D 模型打印及手术规划应用Maker Bot Desktop 软件，导入1.2.1 中采集的.STL 文件，显示出胸腰椎的三维模型，调整模型的空间位置，落在平台的合适位置，层厚为0.1 mm，温度设置为230 ℃，添加支撑和平台，生成.X3g 文件，储存于SD 卡中。然后将SD 卡插入3D 打印机中打印其中的.X3g 文件，采用HY-500 FDM 专业级3D 三维打印机，辅以PLA 材料，通过熔融沉积制造技术逐层加工1∶1 的胸腰椎模型。

1.2.3 手术方法所有患者的手术均由同一位医生完成，患者取俯卧位于脊柱手术床，根据脊柱弧度调节俯卧位，同时悬空腹部，减少手术中出血量，采用全麻，后正中切口为脊柱伤椎椎体中心，逐层分离皮下肌肉至脊柱椎体，轻微分离椎旁组织及神经血管，观察组患者按照术前设计的进钉点和方向置钉。对照组患者根据上下关节突残留的关节间隙，胸椎采用Roy-Camille 法进钉，腰椎采用人字嵴顶点法进钉。在伤椎上下固定2 ～3 个椎体，在C 型臂X 线机确定椎弓根螺钉位置良好，然后安装钉尾，保证伤椎椎体撑开后紧密连接螺帽。固定完成后，再次使用C 型臂X 线机确定伤椎复位良好。手术结束后冲洗切口，安防引流管，逐层缝合切口。

1.3 术后处理术后常规应用抗生素预防感染，密切关注术后引流量，48 h 后拔出引流管，观察切口恢复情况，卧床休息4 周后佩戴护具下地进行康复训练，带腰围护具3 个月，术后常规X 射线确定螺钉无松动、愈合情况良好即可除去腰围护具。

1.4 观察指标（1）记录两组患者手术相关指标：手术时间、术中X 线透视次数、术中出血量、置钉准确率。（2）分别于术前（T0）和术后1（T1）、6（T2）、12 个月（T3）按照日本骨科协会评估治疗分数（Japanese Orthopaedic Association Scores，JOA）［6］评估腰椎状态，总分为29 分，优：25 ～29 分；良：16～24 分；中：10 ～15 分；差：＜10 分。（3）分别于T0和T2评估患者伤椎复位情况，包括伤椎前后缘高度比和矢状位后凸Cobb 角。（4）另外进行为期1年的随访，观察患者并发症情况。

1.5 统计学方法应用SPSS 2.0 软件统计分析研究中的数据，手术相关指标、JOA 评分、伤椎复位指标用平均数±标准差（±s）表示，符合正态分布的数据组间比较采用t 检验，不符合正态分布数据比较采用Mann-Whitney 秩和检验；并发症发生情况用百分数（%）表示，组间比较采用χ2检验。检验标准设置为P ＜0.05。

2 结果

2.1 对比两组患者手术相关指标观察组患者的手术时间、术中X 线透视次数和术中出血量均明显低于对照组，而置钉准确率显著高于对照组，且差异均具有统计学意义（P ＜0.05）。见表1。

表1 对比两组患者手术相关指标Tab.1 Comparison of surgical indicators between the two groups ±s

表1 对比两组患者手术相关指标Tab.1 Comparison of surgical indicators between the two groups ±s

组别对照组观察组t/χ2值P 值例数56 56手术时间（min）115.37±10.62 90.15±9.21-13.426 0.000术中X 线透视次数（次）16.03±4.12 11.17±3.03-7.111 0.000术中出血量（mL）140.52±12.16 93.86±10.07-22.116 0.000置钉准确率70.29%（97/138）90.71%（127/140）18.523 0.000

2.2 比较不同时间点JOA 评分两组患者T0时JOA 评分之间的差异无统计学意义（P ＞0.05）。与T0相 比，两组患者T1、T2及T3时JOA 评分均明显升高，同时观察组患者术后各时间点JOA 评分均显著高于对照组，且差异均具有统计学意义（P ＜0.05）。见表2。

表2 比较不同时间点JOA 评分Tab.2 Compares JOA scores at different time points ±s

表2 比较不同时间点JOA 评分Tab.2 Compares JOA scores at different time points ±s

组别对照组观察组t 值P 值例数56 56 T0 T1 T2 T3 13.31±2.25 13.27±2.16 0.096 0.924 17.12±3.13 20.08±3.78-4.513 0.000 19.65±3.83 24.02±4.17-5.776 0.000 21.33±3.09 25.12±3.14-6.438 0.000

2.3 比较两组患者治疗前后伤椎复位情况两组患者T0时伤椎前后缘高度比和矢状位后凸Cobb角之间的差异无统计学意义（P ＞0.05）。两组患者T2时伤椎前后缘高度比明显高于T0，而T2时矢状位后凸Cobb 角显著低于T0，同时观察组患者T2时伤椎复位情况明显优于对照组，且差异均具有统计学意义（P ＜0.05）。见表3。

2.4 对比两组患者并发症情况对照组并发症发生率为16.07%（9/56），明显高于观察组的3.57%（2/56），差异具有统计学意义（P ＜0.05）。见表4。

2.5 典型病例患者男，35 岁，因车祸导致T12节段胸腰椎椎体骨折，在我院行计算机辅助设计及3D 打印技术辅助胸腰椎骨折椎弓根螺钉植入术，术后无并发症出现，术后置钉准确率为92%，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。见图1。

表3 比较两组患者治疗前后伤椎复位情况Tab.3 Comparison of injured vertebral reduction before and after treatment between the two groups ±s

表3 比较两组患者治疗前后伤椎复位情况Tab.3 Comparison of injured vertebral reduction before and after treatment between the two groups ±s

注：与对照组相比，*P ＜0.05

组别对照组（n=56）t 值P 值观察组（n=56）t 值P 值T0 T2 T0 T2 43.56±6.58 72.17±9.53 18.487 0.000 43.62±6.59 90.78±10.83*27.838 0.000 25.01±4.17 12.55±3.12-17.904 0.000 25.03±4.26 9.02±2.67*-23.830 0.000时间点 伤椎前后缘高度比（%）矢状位后凸Cobb 角（°）

表4 对比两组患者并发症情况Tab.4 Comparison of complications between the two groups例（%）

3 讨论

表1 术前、术后患者骨折影像学检查Fig.1 Imageological diagnosis of fracture before and after operation

椎弓根螺钉置入术常用于治疗胸腰椎骨折，有效矫正畸形的胸腰椎，恢复伤椎的稳定性，最大限度地保留运动节段［2］，椎弓根螺钉置入术通过关节突、人字脊和横突根等解剖标志选择入钉点，通过C 型臂X 线机确定位置，最终置入螺钉固定伤椎，保证其旋转功能，如果不能正确置入螺钉，可能会导致螺钉击穿椎体前方，损伤脏器，产生术后并发症，因此如果能够精准确定螺钉的置入点和角度，对于提高手术疗效具有重要意义［1，7-9］。3D 打印技术提前规划手术方案，打印精准的1∶1骨骼模型，不仅可以提供清晰的伤椎骨骼情况，提高诊断准确率，而且为患者提供针对性的置钉方案，提高手术疗效和置钉准确率［6，10］，另外，3D 打印技术模拟的立体化模型将脊柱更加形象地展示在患者及医生面前，便于向患者解释，同时提高医生手术的效率［1，11］。

3D 打印技术又称为快速成型技术，在CT、MRI 等高精度影像的辅助下，采用金属或塑料粉末将三维数字模型打印成实物［11］。漆启华等［12］利用3D 辅助打印技术治疗复杂髋臼骨折的手术创伤小，术后复位效果好，近期疗效满意。同时危小东等［13］通过3D 打印技术在复杂肱骨近端骨折中的疗效显著，关节Neer 评分较好。研究结果中，相对于传统的椎弓根螺钉置钉术，在3D 打印技术辅助下，患者的手术时间、术中X 线透视次数、术中出血量及置钉准确率明显改善，这与国内外研究结果基本一致［2，6］，提示基于3D 打印技术的椎弓根螺钉技术能够有效改善胸腰段骨折患者的临床效果。3D 打印技术术前初步获得螺钉的直径、长度及进钉方向，减少术中过度分离组织，降低手术中出血量，减少手术时间［6］，同时3D 打印技术制造出来的实物模型在手术过程中实时对比，提高施术者的可操作性，减少X 线透视次数等临床相关指标［14-15］，另外3D 打印技术操作简单，不需要在特殊设备的辅助下进行术前模拟，提高置钉准确率［6］。同时观察组患者术后各时间点JOA 评分和伤椎复位情况均显著优于术前和对照组，表明3D 打印技术对于伤椎的辅助治疗作用突出。3D打印技术从维结构立体化观察伤椎情况，不仅对于选择正确的手术方式及手术范围具有重要作用，而且术前进行推演，预估术中的难点及要点，降低手术的风险［4］，并且能够任意旋转化及透明化骨骼模型，避免其他结构影响观察，或者是单独选择某一节段脊柱进行针对性的观察［16］，打印出来的脊柱实物模型清晰显示伤椎形态，有助于施术者正确理解椎体的解剖形态，精准分析病情，提高病情诊断率，并且制定个性化手术方案，从而有利于伤椎的复位［6］。另外，观察组并发症发生率明显低于对照组，说明增加3D 打印技术能够有效改善椎弓根螺钉置钉术治疗胸腰段脊柱骨折患者的安全性。笔者推测这可能是由于观察组患者在3D技术的辅助下能够预先设计好螺钉的排列、角度，同时手术过程汇总只需要显露模块周围的组织，肌肉剥离更少，损伤程度小。目前3D 打印多采用聚乳酸材料，在打印出的骨骼模型上置入螺钉时易导致其破裂，影响手术效果，但是临床医生相信随着3D 打印技术的成熟及材料的突破，会提高3D打印技术在脊柱外科领域的应用范围［4］。

综上所述，3D 打印技术提供精准的术前计划，提高椎弓根螺钉置入术治疗胸腰段脊柱骨折的手术效果，减少并发症，对于脊柱外科手术的诊断及治疗方面作用会更加突出。