胸腰椎骨折PSF手术联合计算机辅助设计3D打印技术对置入螺钉效果及预后的影响

章飞翔 崔海东 吕书军* 蒋 栋 吕 畅

胸腰椎骨折主要是间接暴力导致，肌肉的强烈收缩造成附着的胸腰椎椎体前半部压缩或撕脱性骨折[1]。对于无神经损伤的稳定性骨折或椎体压缩≤1/3的骨折，可进行保守治疗，以卧床休息和背伸锻炼为主[2]。对于不稳定性骨折需在2周内进行手术治疗，以重建脊柱稳定性[3-4]。

经皮微创椎弓根螺钉内固定术(pedicle screw fixation，PSF)是治疗胸腰椎骨折的先进手术方式，与传统开放手术相比，具有术中切口小、创伤出血少、保留肌肉韧带完整性等优势，患者可早期下床活动，术后恢复快[5-6]。但PSF手术复杂，微创的手术理念使得其往往无法完全暴露骨折断端，很多时候处于“管中窥豹”的尴尬局面，对医师的手感和空间立体感要求很高。尽管借助术前CT影像重建脊柱椎弓根三维图像可以较好的帮助医师术前设计手术方案，但在实际手术中螺钉准确置入仍有一定困难。计算机辅助设计(computer aided design，CAD)的3D打印技术在复杂骨折领域具有广阔的应用前景，医师可以根据打印的仿真模型进行模拟手术，规划手术入路，设计复位方案，制备完善的术前计划，尽可能提高手术效率，并减少神经的意外损伤[7-8]。本研究探讨胸腰椎骨折患者借助CAD的3D打印技术行经皮微创PSF手术的应用效果。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2017年1月至2018年12月海安市人民医院收治的112例胸腰椎骨折患者，所有患者均存在明显暴力损伤，胸椎或腰椎疼痛和压痛，均自愿接受PSF手术。根据患者手术设计方案的不同将其分为观察组(60例)和对照组(52例)。观察组中男性26例，女性34例；年龄25～63岁，平均年龄(39.15±7.64)岁；其中胸椎骨折21例，腰椎骨折39例；采用计算机辅助设计3D打印技术行PSF手术。对照组中男性24例，女性28例；年龄20～67岁，平均年龄(40.28±7.37)岁；其中胸椎骨折19例，腰椎骨折33例；采用术前常规CT评估后行PSF手术。两组患者一般资料比较无差异，具有可比性。本研究经医院伦理委员会批准，患者及家属知情同意。

1.2 纳入与排除标准

(1)纳入标准：①符合胸腰椎骨折的诊断标准[9]；②年龄18～70岁；③新鲜闭合性骨折，受伤至手术时间＜14 d，仅累及1个椎体；④保守治疗效果不佳，自愿接受PSF手术，术后能按时复查。

(2)排除标准：①PSF手术禁忌症；②合并椎弓根骨折、脊髓损伤；③合并严重心、脑、肝、肾、内分泌、恶性肿瘤等疾病。

1.3 仪器设备

采用SOMATOM Definition双源CT(德国西门子公司)；Geomagic Studio 2013软件(美国Geomagic公司)；医疗骨科专用CR-4040型3D打印机(深圳创想三维科技公司)；RADspeed M X射线透视机(日本岛津公司)。

1.4 手术方法

所有患者术前均进行常规CT扫描，设置扫描参数：层厚0.625 mm，矩阵512×512，螺距1.375。患者平躺于扫描床中，足先进。扫描范围为所需锥体上下各多扫一个锥体。根据定位片显示，适当倾斜扫描机架角度。扫描完毕后保存为Dicom格式。将CT扫描数据导入Mimics17.0软件，进行CT图像处理，重建胸腰椎脊柱椎弓根三维图像。两组患者根据重建胸腰椎脊柱椎弓根三维图像，术前模拟PSF手术置入螺钉，寻找最佳置钉位置和方向。

(1)观察组：采用计算机辅助设计3D打印技术，按照计算机辅助设计3D打印技术打印的仿真椎体模型模拟手术设计的位置和方向置入螺钉。将患者的CT重建数据以stl格式导入Geomagic Studio 2013软件，软件通过CAD完成一系列数字切片，并将数字切片信息生成X3G格式文件存储于SD卡中，传输到3D打印机上，使用聚乳酸材料打印仿真椎体模型。术前按照正规PSF手术流程，进行模拟手术，模拟正常椎体高度和曲度，模拟螺钉置入角度、置入椎弓根长度、置入准确度等，确定最佳置钉位置和方向。

(2)对照组：采用术前常规CT评估后行PSF手术。患者俯卧位，在气管插管全身麻醉下行PSF手术，后正中切口逐层分离皮下肌肉和脊椎椎体，C型臂X射线透视机定位下，暴露伤椎前后各一椎体，透视机引导下打入2对椎弓根螺钉。按照CT重建胸腰椎脊柱椎弓根三维图像设计的位置和方向(椎弓根关节突、横突对应位置关系)置入螺钉。

两组患者经C型臂X射线透视机定位确保螺钉内固定无误、伤椎复位良好后，止血、缝合、引流。术后患者均平卧4 h，48 h候拔除引流管，3个月内配合支具保护，进行早期康复锻炼，每3个月进行X射线复查。

1.5 观察与评价指标

(1)手术情况：观察手术时间、术中出血量和术中X射线透视次数。

(2)螺钉置入准确率：评价一次置入螺钉和总体置入螺钉的准确率。

(3)伤椎复位情况：评价术前、术后1年X射线拍片，测量椎体滑脱率、椎体前缘高度及Cobb角。

(4)预后评估：术后1年采用日本骨科协会(Japanese Orthopaedic Association，JOA)功能评分表评估预后，满分29分，25～29分为优，16～24分为良，10～15分为中，＜10分为差。

(5)手术并发症：评价两组手术并发症情况。

1.6 统计学方法

采用SPSS22.0软件分析数据。计量资料均满足正态分布，以均值±标准差()表示，计数资料以例和百分比表示。组间比较采用独立样本t检验和x2检验，组内比较采用配对t检验。以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两组患者手术情况比较

观察组手术时间短于对照组，差异有统计学意义(t=4.914，P＜0.05)，术中出血量和X射线透视次数均少于对照组，差异有统计学意义(t=3.157，t=14.847；P＜0.05)，见表1。

表1 两组患者手术情况比较()

表1 两组患者手术情况比较()

2.2 两组患者置入螺钉准确率比较

观察组一次置入螺钉准确率为89.17%，明显高于对照组的78.85%，差异有统计学意义(x2=4.501，P＜0.05)；观察组总体置入螺钉准确率为98.33%，明显高于对照组的90.38%，差异有统计学意义(x2=6.943，P＜0.05)，见表2。

表2 两组患者置入螺钉准确率比较[枚 (%)]

2.3 两组患者伤椎复位情况比较

术前，两组患者的椎体滑脱率、椎体前缘高度及Cobb角比较差异无统计学意义；术后1年，观察组和对照组患者的椎体滑脱率及Cobb角均下降(t椎体滑脱率=76.390，t=30.700；tCobb角均下降=56.909，t=31.801；P＜0.05)，椎体前缘高度增加(t=12.000，t=8.994；P＜0.05)。观察组的椎体滑脱率及Cobb角小于对照组，椎体前缘高度大于对照组，两组比较差异有统计学意义(t=19.047，t=2.891，t=2.494；P＜0.05)，见表3。

表3 两组患者伤椎复位情况比较()

表3 两组患者伤椎复位情况比较()

2.4 两组患者预后情况比较

观察组预后良好率为96.67%，高于对照组的86.54%，差异有统计学意义(x2=3.867，P＜0.05)，见表4。

表4 两组患者预后情况比较(例)

2.5 两组患者手术并发症情况比较

观察组并发症中腰痛、坐骨神经痛2例(占3.33%)，泌尿系统感染1例(占1.67%)。对照组并发症中腰痛、坐骨神经痛2例(占3.85%)，螺钉松动1例(占1.92%)，脑脊液漏1例(占1.92%)。两组患者手术并发症发生率比较，差异无统计学意义(x2=0.345，P＞0.05)。

2.6 典型病例分析

患者女性，46岁，L1腰椎压缩性骨折，在计算机辅助设计及3D打印技术辅助下，行PSF手术。手术用时140 min，术中出血量100 ml，一次置入螺钉准确率为100%，术后未见并发症，螺钉固定良好。术后随访1年，L1椎体前缘高度及Cobb角恢复正常，脊柱生理弯曲正常。见图1和图2。

3 讨论

胸腰椎骨折的复位和内固定一直是骨科领域治疗的难点和研究热点，由于患者骨折的个体差异，实施经皮微创PSF手术如何准确置入螺钉对医师的技术要求极高。CAD的3D打印技术的出现，很大程度上解决了这一问题，被广泛应用于骨科术前方案计划、辅助器械的制作、骨组织工程等方面[10-11]并在胫骨、骨盆等骨折中发挥重要作用[12-13]。该技术可以将术前CT影像转化为三维模型，并通过3D打印技术制作患者三维立体骨头实物复制品，帮助医师提前计划手术修复方案，简化手术操作，尽可能规避手术失败风险[14-15]。

图1 典型病例计算机及3D打印技术辅助设计示图

图2 典型病例X射线影像

本研究对胸腰椎骨折患者借助CAD的3D打印技术行经皮微创PSF手术，与术前常规CT重建胸腰椎脊柱椎弓根三维图像评估后行PSF手术相比，探讨其应用效果。结果显示，观察组手术时间短于对照组，术中出血量少于对照组，表明借助计算机辅助设计3D打印技术，医师手术操作更加娴熟，提高了手术效率，极大节省了手术时间，且更加发挥微创手术创伤小、出血少的优势。由于微创PSF手术下，骨折区域暴露较少，准确置入螺钉对医师技术要求高，螺钉置入的方向和位置大多取决于医师的操作经验，缺乏客观性。若术中置入螺钉位置不当，可能加重损伤椎体甚至导致脊髓神经损伤、脑脊液漏等并发症，要求术中操作必须多次进行C型臂X射线透视机定位，增加了患者X射线暴露风险[16]。

本研究发现，观察组术中X射线透视次数少于对照组，一次置入螺钉准确率高于对照组，总体置入螺钉准确率亦高于对照组，表明借助CAD的3D打印技术，可以显著提升螺钉置入准确性，为手术成功和治疗效果奠定了基础。吴超等[17]研究表明，该技术应用于不典型Hangman骨折可以明显改善螺钉进钉点和螺钉在椎弓根内相对于术前的偏移量、螺钉内倾角以及最大骨折位移，提高螺钉准确性。樊勇等[18]、Chen等[19]研究表明，借助术前数字化设计及3D打印技术可充分了解胸腰椎骨折的损伤程度，进而指导减压范围及置钉节段，有助于缩短手术时间、提高骨折脱位复位程度以及降低内固定失败的发生率，提高手术效果。

此外，术后1年对患者的骨折X射线复查结果显示，两组患者的椎体滑脱率及Cobb角均下降，椎体前缘高度均有增加，但观察组的椎体滑脱率及Cobb角小于对照组，椎体前缘高度大于对照组，提示观察组的骨折椎体复位效果更好，这与刘正蓬等[20]研究报道相符。术后1年的预后随访也表明，借助CAD的3D打印技术行经皮微创PSF手术患者的预后更好。尽管两组患者术后并发症发生率比较差异无统计学意义，但对照组患者出现1例螺钉松动、1例脑脊液漏，而观察组未出现类似并发症，也证实了CAD的3D打印技术可以避免经皮微创PSF手术螺钉置入失误导致的并发症，极大提高了安全性。

4 结论

借助CAD的3D打印技术，打印出1∶1的骨头实物模型，还原骨折部位的形态，可为手术医师提供直观的空间立体感，医师在术前可以直观地了解骨折的类型及损伤程度，规划手术入路，设计复位方案，模拟手术过程对实际手术进行演练，从而提前选择合适的内固定器械。CAD的3D打印使其均可体外完成，极大减少了术中无效的复位，减少X射线透视次数，减少了患者及医务人员的射线暴露。同时避免多次置入螺钉造成的意外损伤，提高了手术效率，缩短了手术时间，降低手术风险，使胸腰椎骨折的经皮微创PSF手术变得高效快捷，提供了安全保障，锻炼了医师的操作技术，这对临床医师大有裨益。

借助CAD的3D打印技术，选择最佳手术入路和复位方案行经皮微创PSF手术治疗胸腰椎骨折，有利于提高手术效率，降低手术风险，患者预后更好，增加临床获益，具有临床应用价值。