3D打印导航模板辅助寰枢椎椎弓根螺钉置钉准确性的实验研究

吴炳华 徐 聪 邓高荣 高 翔 缪 锌 凌 强 懂财荣 张魁忠

南昌大学第四附属医院骨科，江西南昌 330003

经后路颈椎椎弓根螺钉内固定具有明显的生物力学优势，置钉是手术的关键，直接影响手术的成败。近年来计算机导航下的辅助置钉得到很大的发展，尤其是其较高的置钉准确性对临床医生很有吸引力，虽然准确率大大增加[1]，但导航设备价格昂贵、操作繁琐，在国内得到广泛应用及推广的路程还很漫长[2]，为进一步提高椎弓根螺钉置入的准确率，需要寻找简单、安全、有效的置钉方法。3D 打印技术（three dimension printing） 为这种方法提供了理论上的可能，由于3D 打印技术具有很强的三维直观性，价格相对便宜，近年来在国内外医学领域得到了广泛发展[3-6]。本研究选取南昌大学医学院解剖教研室提供的10 例成人颈椎标本作为研究对象，通过医学数字化技术，利用计算机辅助设计及3D 打印制作一种专门应用于辅助颈椎椎弓根螺钉置入的个体化导航模板，探讨个性化导航模板辅助颈椎椎弓根螺钉置入的可行性及准确性，为临床应用提供实验依据，现报道如下。

1 资料与方法

1.1 实验器材

Philips Brilliance 型64 排螺旋CT仪（飞利浦医疗设备有限公司）；Geomagic Studio 9 软件；Mimics Research 21.0（试用版），3-matic researchl 软件（Materialise 公司，比利时）（试用版）；Magics 9.5 软件（Materialise company，比利时）；（试用版）华硕笔记本电脑（家用型电脑），Windows 7（微软公司），32 位操作系统；电钻及钻头由江西林华医用设备技术有限公司提供；颈椎固定器一付（自制）。

1.2 实验标本

成人颈椎（C1～C7）标本10 具，由南昌大学医学院解剖教研室提供，见图1。男6 例，女4 例。经10%甲醛处理，所有标本清除寰枢椎椎板后方、侧块的皮肤及软组织，充分暴露出寰枢椎骨性解剖结构。本研究经我院医学伦理委员会审核及同意。

图1 实验标本

1.3 导航模板制作及置钉

将尸体标本进行CT 扫描，扫描条件：电压140 kV，电流150 mA，层厚0.625 mm，512×512 矩阵。CT 图像数据以DICOM 格式保存，将颈椎CT 图像导入Mimics 软件处理后，生成寰枢椎三维模型；利用逆向工程软件3-matic 9.0，依据椎弓根形态设计反向导航模板，模板两侧各有一个钻孔导向器，钻孔导向器正好通过椎弓根中央，将此导板以STL 格式保存；将寰枢椎三维模型及相应导航模板发送给专业3D 打印公司实施打印。将10 套打印好的导航模板与相对应的寰枢椎标本进行组合，模板与标本完全贴合后，从导向孔置入2.0 mm 导针，然后用攻丝处理钉道，沿导针置入3.0 mm 普通螺钉。本研究中螺钉只是用于验证钉道的准确性，故在实验过程中，未使用椎弓根螺钉，而用普通螺钉代替。

1.4 检验置钉的准确性

把置好椎弓根钉的标本进行CT 扫描，以及对扫描后的DICOM 图像进行三维重建，最后对标本进行解剖，通过三种方法检验螺钉置入的准确性。根据Lee 等[7]的方法评价颈椎椎弓根螺钉的准确性.

2 结果

通过标本CT 扫描，利用Mimics 软件成功建立寰、枢椎模型20 套以及寰枢椎导航模板20 套，而且导航模板与标本实体解剖形态匹配良好。通过导航模板置入寰枢椎双侧螺钉40 枚，对置钉后标本行CT扫描，结果证实置钉准确（图2，封四）、对CT 扫描数据行重建，结果证实置钉准确（图3，封四）以及对标本进行解剖，解剖证实导板置钉准确（图4），检测置钉准确性结果提示，置钉正确率为97.5%。

图4 枢椎及寰椎置钉和去钉后解剖图像

3 讨论

自从寰、枢椎后路椎弓根钉内固定发展起来后，临床上最常用的椎弓根螺钉置钉方法有徒手置钉和计算机导航系统置钉[8-9]。徒手置钉法由法国医生Leconte 在1964年首次应用。徒手置钉技术不需要特殊设备，徒手置钉都是以解剖结构表面为定位标准，但由于寰、枢椎缺乏固定的解剖标志，而且椎弓根结构变异较大，临床普遍建议个体化的置钉方案[10-11]。陈晓明等[12]在57 例先天性脊柱侧弯手术中应用三维CT 导航辅助置钉，准确率高达92%。但是CT 导航系统工作原理复杂，要完全掌握这一导航方法尚需一定的学习曲线，这一缺陷也不利于该设备的推广应用[13]，但是到目前为止临床上仍未找到一种较为简单实用而相对安全的置钉技术，这一难题随着骨科数字技术的发展，逐渐有了解决方向。本研究通过采用医学数字化技术，利用计算机辅助设计及3D 打印机制作一种专门应用于辅助颈椎椎弓根螺钉置入的个体化导航模板，此导航模板操作简单，费用低廉，并且在本研究中证实其置钉的正确率为97.5%，这为临床医师提供一种简单有效的置钉方法，值得推广。

数字化导航模板设计需要掌握：医学三维重建和逆向工程技术。医学三维数字重建技术，可使CT、MRI 抽象图形得到直观形象的实物模型，有利于患者了解病情，有利于临床医师手术模拟和手术方案的制定[14]，使得手术更加精确。逆向工程是机械设计与制造的一个重要分支，它利用各种影像设备（CT，MRI等）对现有的实物进行扫描和测量，获得其空间点资料，然后通过计算机技术处理得到实物CAD（computer aided design）和三维实体造型的过程。重构后的CAD 模型可用于对实物的分析、修改、制造和检验等。本研究正是利用逆向工程技术，设计了寰枢椎椎弓根钉导航模板，使得导航模板的导向孔与椎弓根轴线方向一致，从而达到准确置钉的目的。3D 打印技术是一种以三维数字化模型文件为基础，运用各类粉末状材料，通过逐层打印来构建物体。本研究中，医学三维重建和逆向工程技术都能够很好的实现，3D 打印技术依托专业3D 打印公司，本研究通过三维重建，反向设计导航模板与标本实体解剖形态完全匹配，并且做到了个体化与精准化。

本研究设计导航模可以提高置钉的准确性，其主要有以下优点[15]：①符合椎弓根个体化置钉的原则，置钉准确率高；②操作简单，无特别的经验要求，可以缩短医师的学习曲线，较好地促进年轻医师的成长[16]。拥有不同临床经验的手术者均可应用，特别适用于年轻缺乏经验的医师[17-18]；③模板均为单椎体设计，不受体位因素的影响； ④导航模板的应用可以减少并发症，避免副损伤。

综上所述，本研究应用计算机数字化技术辅助设计寰枢椎椎弓根螺钉导航模板，此模板设计具有个体化精确定位，体现了个体化置钉的原则，通过实验证实导航模板具有良好的解剖贴合度，通过导航模板置钉正确率为97.5%，可以大大减少置钉的并发症，而且可以缩短医师的学习曲线，本研究目前仅限于对尸体标本的研究，还需进一步改进，以达到临床应用的目的。