3D打印、逆向工程技术结合体外模拟手术辅助寰枢椎置钉治疗Ⅱ型齿突骨折

李 阳，王 静，宗海洋，林 玮，徐永清

解放军联勤保障部队第920医院骨科，昆明 650032

齿突骨折占脊柱骨折的1%～2%，占颈椎骨折的10%～14%[1］。Anderson分型分为3型：Ⅰ型为齿突尖部骨折，占1%～5%；Ⅱ型为基底部骨折，最为常见，占38%～80%；Ⅲ型为骨折线通过C2椎体，占15%～30%[2］。其中Ⅱ型齿突骨折容易继发寰枢椎不稳，患者可无神经症状或有轻度脊髓损伤症状，但颈髓处于高风险状态，非手术治疗不愈合风险高[3］，常需要手术治疗。寰枢椎后路椎弓根螺钉内固定是目前临床公认的治疗齿突骨折的有效术式之一，然而由于头颈交界处解剖结构复杂，如何准确安全有效地置入C1，2椎弓根螺钉一直是临床手术的难点。笔者应用3D打印结合逆向工程技术实施体外模拟手术后，术中采用模板导航辅助C1，2置钉，提高了手术的安全性和准确性，节约了手术时间，减少了术中出血量，现报告如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

回顾性分析2010年1月—2018年3月接受椎弓根螺钉内固定治疗的23例Ⅱ型齿突骨折患者资料。12例常规徒手置入C1，2椎弓根螺钉（徒手组），其中男8例、女4例，年龄（37.0±5.5）岁；重物砸伤3例，车祸伤7例，摔伤2例；1例合并右肱骨骨折、2例合并右侧尺桡骨骨折。11例在利用3D打印和逆向工程技术实施体外模拟手术成功后，术中利用导航模板辅助置入C1，2椎弓根螺钉（导航组），其中男7例、女4例，年龄（39.0±6.2）岁；重物砸伤3例，车祸伤5例，高处坠落伤2例，摔伤1例；2例合并右上肢软组织损伤，1例合并左侧跟骨骨折。2组患者术前一般资料差异无统计学意义（P＞0.05），具有可比性。

1.2 制作3D打印及逆向工程导航模板

患者平躺于64排螺旋 CT（GE Medieal Systems，美国）平台，对上颈椎进行薄层扫描。扫描数据设定：电压120 kV，电流150 mA，矩阵512×512，层厚0.625 mm。将原始CT图像数据以dicom格式导入Mimics 17.0软件（Materialise Corporation，比利时）。在Mimics 17.0软件中利用阈值分割功能，沿剖面线灰度值分布曲线，跨过颈椎双侧皮质绘制剖面线，拖动分割线选择最适合的阈值，分割结果保存为蒙板。随后利用区域增长选择所要细分的原始蒙板，将互不连接的分割区域漂浮像素和噪声点滤除，得到新的蒙板，最后利用计算3D模型选项完成颈椎三维模型的重建。利用SPS 350B固体激光快速成型机（陕西恒通智能机械有限公司，中国），以光敏树脂14120（DSM Somos公司，美国）为材料，打印出1∶1颈椎模型。

利用Mimics 17.0软件Med CAD模块设计模板的导航管部分，分别在矢状面、冠状面、横断面视图中，仔细手动调整导航管位置，确定最佳椎弓根螺钉进针角度及位置（图1）。通过上述步骤确定寰枢椎的最佳进钉通道后，在Mimics 17.0软件中利用测量功能测量导航管进针深度。将stl数据导入Geomagic studio 12.0软件（Geomagic Corporation，美国），在寰枢椎的棘突、椎板区域勾勒出导板形状，逆向建立同该模板域表面骨性解剖结构相通的定位模板，以2.0 mm厚度做抽壳处理，以stl格式保存。将抽壳后的定位模板同导航管精确配准，数字化生成stl格式的虚拟导航模板，最后利用SPS 350B固体激光快速成型机，以光敏树脂14120为材料，打印实物导航模板（图2）。将加工完成的导航模板进行再处理，去除残余支撑，进行光固化处理，增强物理性能。术前对导航模板进行低温等离子消毒以备术中使用。

1.3 体外模拟手术

利用3D打印颈椎模型和原比例数字倒模取得的导航模板，术前常规行体外手术演练。将导航模板紧密贴附于C1后弓和C2椎板及棘突，测试模板与骨性结构的贴附性。沿导航管利用2 mm克氏针电钻在C1，2椎弓根开路，直至从椎体前方穿出，观察克氏针是否完全位于骨道内（图3a～c）。如进钉点偏外，进钉方向外翻角偏大，则重新设计模板，在保证开路均位于骨性结构内的前提下，进钉点尽量偏内，外翻角尽量减小，以利于手术操作（图3d～f）。测量记录骨性通道的长度，从而得到术中开路深度及置入螺钉长度，并测量左右进钉点到后弓中点或棘突顶点间的距离。

1.4 手术方法

患者全身麻醉成功后，俯卧于手术台，头部用Myfiled头架固定。取枕骨隆突至C3棘突正中切口，依次切开皮肤、皮下组织、筋膜，紧贴棘突分离肌肉，防止出血，暴露C1后弓、C2棘突及椎板。徒手组常规徒手置钉。导航组将消毒后的导航模板紧密贴附于C1后弓和C2椎板，利用2 mm克氏针电钻沿导航管开路，直至模拟手术中预设的深度，探针探及周围均为骨性结构后攻丝，置入直径3.5 mm椎弓根螺钉，其长度略小于或等于模拟手术中所得螺钉长度。透视确认椎弓根螺钉位置良好，利用钉棒连接复位齿突骨折及C1/C2半脱位。从髂后上棘取松质骨，于C1后弓与C2椎板、棘突间植骨，取带三面皮质骨的松质骨块，修整至双侧“H”型，将骨块嵌入C1后弓与C2棘突间，完成植骨。检查无活动性出血，常规冲洗切口，置入1根“半管”进行引流，逐层缝合切口并进行包扎。

图1 手动调整虚拟导航管位置Fig. 1 Adjust position of navigation tube manually

图2 虚拟导航模板和3D打印模板与颈椎模型的匹配情况Fig. 2 Matching of virtual navigation template and 3D printing template with cervical model

图3 体外模拟手术Fig. 3 Extracorporeal simulated surgery

1.5 术后处理

术后常规补液治疗。24 h拔出“半管”引流管，复查颈椎X线、CT平扫及三维重建。卧床期间防止呼吸、泌尿系统感染，指导患者行双下肢功能锻炼，防止深静脉血栓形成，3 d后佩戴头颈胸支具下床行功能锻炼。

1.6 影像学测量及疗效评定

术后1、3、6、12、18个月行颈椎正侧位X线和/或CT三维重建检查，观察骨折位置、螺钉位置、植骨融合情况，并进行影像学测量。置钉偏差定义为CT三维重建示椎弓根螺钉突破椎弓根侧方骨皮质超过1 mm和/或椎弓根螺钉突破前方骨皮质超过2 mm。术前和术后6个月采用视觉模拟量表（VAS）评分[4］评估疼痛情况，按美国脊髓损伤协会（ASIA）分级[5］标准评定术后脊髓功能恢复情况。

1.7 统计学处理

应用SPSS 17.0软件对数据进行统计学分析。计量资料以±s表示，组内不同时间数据比较采用配对t检验，组间比较采用独立样本t检验；计数资料以例数或百分数表示，组间置钉偏差率比较采用χ2检验；等级资料以例数或百分数表示，组间ASIA分级比较采用秩和检验；以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结 果

所有手术顺利完成，术中无脊髓损伤、椎动脉损伤等严重并发症发生。所后患者随访超过6个月。导航组手术时间、术中出血量及置钉偏差率低于徒手组，差异均有统计学意义（P＜0.05，表1）。2组术后6个月VAS评分均较术前显著改善，差异有统计学意义（P＜0.05，表1），组间比较差异无统计学意义（P＞0.05，表1）。徒手组术前ASIA分级D级4例、E级8例，导航组术前D级3例、E级8例，术后均为E级；2组差异无统计学意义（P＞0.05）。导航组典型病例影像学资料见图4。

表1 2组统计数据Tab. 1 Statistical data of 2 groups

图4 导航组典型病例影像学资料Fig. 4 Imaging data of a typical case in navigation group

3 讨 论

目前治疗齿突骨折常用的手术入路主要有前路和后路，患者骨质及全身情况好，骨折非粉碎性，骨折线呈横行或前上向后下斜行，同时不伴有C1/C2不稳或半脱位时，可采用前路齿突螺钉固定，但其稳定性不如后路螺钉稳定性强[6-7］。伴有C1/C2不稳或半脱位时，前路手术需要行C1/C2固定融合，但手术部位深、操作视野受限，术区难以彻底消毒，中枢神经系统潜在感染风险极高，国内外仅少数医院能开展此类术式，报道及应用相对较少[8］。后路手术应用较广，其中颈枕融合术因其融合节段多、创伤大、术后颈椎旋转活动范围影响大，逐渐被后路寰枢椎融合术代替[9］。钛缆捆扎及椎板夹技术存在椎管内占位风险，抗旋转及平移力量较差，术后存在松动风险，临床单独应用较少[10］。C1，2关节突关节螺钉技术要求置钉前骨折解剖复位，屈颈畸形、鹅颈畸形、胸椎后凸畸形、短颈畸形及C1后弓缺如患者不能采用此术式[11］。C1侧块螺钉及椎弓根螺钉是新兴的后路内固定技术[12］，C1侧块螺钉进钉点位于寰椎后弓下缘与侧块后缘移行处，术中必须暴露C1侧块后方，该位置静脉丛丰富、枕大神经穿出，易发生大出血，术后易出现神经牵拉麻木症状[13-14］。相比较而言，C1椎弓根螺钉置钉位置偏内侧，置钉通道长，把持力好。颈椎椎弓根螺钉是三柱固定，可提供即刻的三维稳定性，生物力学强度好，临床应用后植骨融合率高，适用于绝大多数患者，显示出其他内固定方法无可比拟的优越性[15-17］。

由于寰枢椎解剖结构的特殊性，术中无法完全暴露其椎弓根，完全依靠术者术中肉眼观察测量，是导致置钉相关并发症发生率高的一个重要原因。尤其是寰椎正常解剖上下、左右径只能容下3.5 mm直径的螺钉通过，进钉点和进钉内外、上下角度的一点偏移都可能导致置钉相关严重并发症的发生。有研究报道，徒手寰椎椎弓根螺钉置钉错误占所有并发症的55.45%[18］。寰枢椎椎弓根解剖结构个体差异较大，变异较多，同样的置钉方式对不同的患者可能产生不同的结果，每例手术均应根据每个椎弓根的实际影像学测量结果来置钉，才能提高手术成功率。图像导航技术在置钉方面显示出其独特的优越性[19-23］，但设备昂贵，操作复杂，目前尚未大范围开展应用。

数字骨科技术已广泛应用于骨科临床各个分学科，快速成型技术、倒模技术可行3D模型打印与导航模板的打印，符合个体化原则，能有效指导手术方案的制订和手术的实施，与徒手置钉技术比较可减少手术时间，提高手术准确性和安全性[24-27］。笔者在3D打印的1∶1颈椎模型上，利用逆向工程技术，为患者量身定做导航模板，利用导航模板在3D模型上体外模拟手术辅助寰枢椎置钉，结果显示，导航组与徒手组手术疗效相当，但导航组置钉安全性、准确性更高，且手术效率更高。实践证实3D打印、逆向工程技术结合体外模拟手术辅助寰枢椎置钉有以下优点。①个体化直观展现患者上颈椎及骨折脱位特点，让术者心中有数；②个体化导航模板为术中置钉准确性和安全性提供保障；③体外模拟手术可查找模板的各种缺陷，反复模拟手术，不断优化导航模板，最大程度地提高手术安全性和准确性；④在导航辅助下的个体化置钉方案可大大减少手术时间，设计的进钉点较徒手置钉位置更偏内侧，需剥离的静脉丛减少，减少了术中出血量，同时也降低了损伤C1神经根的风险。

为保证手术成功，手术操作应注意以下事项。①体外模拟手术所得进钉点位置、进钉长度等数据，术中需核对左右侧，并反复验证，避免产生置钉位置错误或螺钉过长、过短等错误。②在计算机制作导航模板的过程中，利用C1后弓中点、C2棘突上缘等骨性凸起作为重要标定点，制作出的导航模板贴附性更好，不易产生位移。③计算机制作导航模板过程中，进钉点的选择应在保证骨性钉道完整性、不进入椎管、不损伤椎动脉的前提下，尽量靠内，进钉外翻角尽量偏小。如进钉位置偏向外侧，外翻角必然会相应偏大，势必增加暴露的宽度，损伤静脉丛，容易引起大出血；同时后方的肌肉和皮肤会阻碍导航管和克氏针，导致误差甚至钉道偏移，损伤椎动脉或脊髓。④术前应对1∶1模型及导航模板进行低温等离子消毒，高温高压消毒可能会导致其变形。⑤术中需充分剥离寰椎、枢椎后部的骨组织，将软组织清除干净，利于导航模板与骨性结构完全贴合。C2棘突部位剥离的肌肉予以带线标记，手术结束时便于各肌肉起点重建。⑥骨皮质光滑，直接开路可能会打滑，导致钉道偏移，可先行进钉点单层骨皮质部分咬除。⑦为确保导孔在导航过程中的稳定，导航管管壁须有一定的厚度，建议至少3 mm。⑧徒手置钉的原则和经验是导航模板手术成功的基本保障。

综上所述，3D打印和逆向工程技术结合体外模拟手术辅助寰枢椎椎弓根螺钉置钉治疗Ⅱ型齿突骨折，置钉方案完全个体化，提高了置钉的准确性和安全性，是一种安全有效的寰枢椎置钉辅助手段。但本研究样本量偏小，随访时间短，今后仍需进一步积累病例，延长随访时间，验证该技术的临床效果。