3D打印个体化导板在19例胸椎和颈椎椎弓根螺钉植入的临床应用①

韦 武，宁金沛，梁柱德，潘式新，黄巍峰，杨 渊②

(1.广西医科大学附属埌东医院，广西 南宁 530000；2.梧州市工人医院，广西 梧州 543000；3.梧州市红十字会医院，广西 梧州 543000)

脊柱后路手术是治疗部分脊柱疾病的有效方法之一，脊柱后路椎弓根螺钉固定融合术在临床已经广泛使用。但是由于胸椎和颈椎的椎弓根解剖关系比较复杂和存在较大的变异性，椎弓根螺钉的置入仍存在很大的风险，国外有文献指出徒手置钉的错误可以达到10～40%[1]，所以该技术在胸椎，特别是颈椎上的应用受到一定限制。

近年来数字医学的发展和推广，应用3D打印技术进行的导板辅助置钉技术在临床中开始应用[2-3]，为胸椎、颈椎置钉的个体化提供了新的技术手段，置钉的成功率有了很大的提高、降低了置钉的风险，同时减少了手术的时间[4-6]。笔者对2013年7月至2018年11月采用数字化设计，3D技术导板辅助下胸椎、颈椎个性化置钉的19例病例进行总结。

1 资料和方法

1.1 一般资料

本组病例19例，其中男13例，女6例；年龄27～73岁，平均50.5岁。其中胸椎及腰椎病变11例，需要置入胸椎椎弓根螺钉44枚；颈椎病变8例，需要置入椎弓根螺钉20枚，其中高位颈1，2椎弓根螺钉置入3例。所有病例均在术前进行椎弓根螺钉置入的设计，进行导板和病椎的打印。

1.2 术前设计

术前患者取仰卧位，采用高速多排螺旋CT，对患者进行螺旋CT薄层扫描(层厚选择1.0 mm)，将获得的原始Dicom格式图像数据刻盘后导入Mimic软件和Geomagic Studio 2013 、Simpleware软件,进行三维图像建模、目标椎体的结构分析、进钉点和钉道的设计，并测量虚拟的钉道长度，供手术时参考。然后应用逆向工程技术设计与目标椎后方结构相匹配的导航模板。利用国产的激光快速成型打印机，将目标椎模型和导板同时打印出来 (模型和导板材料为聚乳酸)。将打印后的模板与目标椎模型进行体外匹配，观察钉道导航的准确性，确认经过导航孔置钉不会损伤椎动脉和脊髓。然后将其包装消毒，供手术中使用。

设计导航模板过程中，依据病例的特点，椎板的结构、椎弓根大小分别设计不同的导板。如：①单边局限型导航模板。②双侧单边单个导航模板。③胸椎双侧双边导航模板。④颈7椎弓根双侧双边单个导航模板。⑤颈2椎板螺钉交叉导航模板等。

1.3 手术方法

患者取俯卧位，取后正中切口显露目标椎后方棘突和椎板等结构。手术过程中需要将安放导板的椎板上的软组织剥离干净，获得一个完全清晰的骨面可以和导板相匹配。将消毒好的导板与目标椎后方结构进行贴合，确认选取的几个解剖点相匹配后开始通过导板进行克氏针穿刺。先用克氏针在骨面敲出进钉定位点，取出导板和克氏针，磨钻去除进钉点的骨皮质。然后再安放导板，在导板的导引下使用电钻钻孔，注意保持钻头的稳定性，当进入约10 mm后，改用手钻钻孔，建立目标椎的钉道。用探子探查钉道无误后，按术前设计测量的数据，选择合适的螺钉分别置入。置钉完成后继续进行余下的减压手术，最后安放连接棒，完成手术。

1.4 典型病例

陈某，男，31岁，因为车祸导致颈部疼痛、活动受限2 d入院。术前诊断：①C1后弓骨折。②C2齿状突骨折。患者进行术前椎弓根螺钉钉道模拟，导板的设计并打印。术中通过导板的钉道进行置钉。术后复查CT，螺钉完全位于椎弓根内，没有神经损伤的表现。详见图1～4。

图1 患者术前X光片及设计出来的导板

图2 术中使用导板进行钻孔

图3 术后X光片可见螺钉位置良好

图4 患者术后CT可见螺钉完全位于椎弓根内无神经损伤的表现

2 结果

实施19例共64枚螺钉固定，术后CT钉道扫描结果显示62枚完全在椎弓根内，2枚由于椎体变异，本身椎弓根比较小穿破椎弓根外壁，穿出距离均小于2 mm，椎弓根穿破率为3.2%，植钉准确率为96.8%，螺钉位置可接受率为100%。无1例出现螺钉植入有关的神经、血管损伤等并发症。

3 讨论

后路椎弓根螺钉技术可以提供坚强的内固定稳定，在临床上广泛应用。但是胸椎及颈椎椎弓根周径相对细小，特别是上胸椎和颈1、2，加之毗邻脊髓、重要的动脉等结构，解剖结构变异多，容易造成椎弓根螺钉植入困难和产生大的风险[7]，在临床上应用受到了一定的限制。目前临床多采用徒手置钉方法来完成椎弓根螺钉的置入，主观性较强,需要术者有丰富的经验，术中反复透视，手术时间长，同时置钉的准确率较低。也有部分大医院采用计算机导航置钉，但计算机平台存在明显缺陷，例如平台价格非常昂贵，难以普及，操作复杂难以掌握，术中需要精确定位等。徒手置钉和计算机导航置钉的缺陷都使得3D打印的优势愈发明显[8]。国外有研究报道，3D打印导航模板法置钉的准确率为81%～92%， 稍低于CT计算机辅助导航置钉的89%～100%[9]。而部分学者使用3D打印导板置钉，准确率均达到90%～100%[10-13]。本组病例的置钉准确率达到了96.8%，满意率100%。

数字化3D打印技术在胸椎及颈椎椎弓根个体化置钉中的应用体会：①可以极大地简化手术操作、降低手术难度，术中透视次数少进而缩短手术时间。②对于存在解剖畸形或变异以及术中解剖标志点位置不清、螺钉置入困难者，导航模板也不受影响。③导板的合理设计，在模型重建过程中，切勿人为更改模型的边界，尤其是重要解剖参照边界。设计的导板需要达到安放后稳定，服帖，不轻易移位。导板打印后要进行导板和病椎的配对模拟穿刺，了解穿刺是否理想。④术中用电刀将黏附在椎板的软组织尽量清理干净，获得最佳的骨面进行贴附，导板和椎板应该尽可能紧密，减少导板和椎板间的缝隙，否则会使得进针角度有偏移，导致置钉不准。⑤术前设计发现有过小的椎弓根时，应及时更改为其他固定方式。⑥在使用导板时要先用克氏针定位，再用磨钻先突破一层皮质骨，然后开孔时尽量使用电钻钻孔，当进入约10 mm后，改用手钻根据手感钻入，开孔后常规探查，探查发现完全位于骨性通道后再拧入螺钉。

3D打印技术优势明显，也有其一定的局限性，操作人员需要一定的学习曲线，3D打印设备价格仍然较贵，而且患者需要承担一定的额外费用，不利于基层医院推广；由于数据提取及导板制作需要一定的时间，对于某些脊柱急诊手术患者并不适合。但是随着数字技术的发展，3D打印技术在临床上的普及一定会越来越广泛。