3D打印个体化导向板辅助经皮椎体成形术治疗双节段骨质疏松性椎体压缩骨折: 新技术报道

胡佩伦，林吉生，费琦，孟海，苏楠，范子寒，李锦军，李东，杨雍

(首都医科大学附属北京友谊医院骨科，北京 100050)

骨质疏松性椎体压缩骨折(osteoporotic vertebral compression fracture, OVCF)作为骨质疏松性骨折中最常见的一种类型，因其可引起急慢性腰痛、日常活动的限制、增加患者卧床时间及死亡率等原因，越来越引起临床医师的重视。自1987年Galibert等[1]将经皮椎体成形术(percutaneous vertebroplasty, PVP)应用于颈椎椎体血管瘤的治疗后，该技术凭借其手术创伤小、术中出血少、术后恢复快等优点，已被广泛应用于治疗OVCF[2]。目前，PVP手术主要依赖于术中C型臂X线机的反复透视，得以不断调整穿刺针的进针角度及方向，以确保手术穿刺的精准性，降低手术风险及并发症的发生。该术式不仅增加了医生、患者的放射暴露，手术相关并发症的报道也屡见不鲜[3-7]，如：穿刺损伤脊髓或神经根、椎弓根断裂、骨水泥渗漏等，严重者甚至瘫痪或死亡。准确的经皮椎弓根穿刺技术是预防大多数PVP手术并发症的关键。

目前，临床上陆续出现了各种辅助技术用以提高PVP手术的精准性，如手术机器人技术、术中计算机导航技术等，但这些技术复杂，相关设备价格高昂，一般医院难以承受。因此，探索一种简单、经济且精准的PVP手术穿刺辅助技术非常必要。本课题组前期基于患者术前CT影像资料，在MIMICS(Materialise's interactive medical image control system，Materialise Company)软件内重建出患者病椎的三维图像，并在软件内模拟穿刺针的进针角度、方向及进针深度，将上述数据记录后，在真实手术中通过测量上述数据来辅助穿刺操作，以实现个体化、精准的穿刺方案，保证手术安全进行[8]。此方式在一定程度上可减少手术穿刺的偏差，提高手术精准性，但本团队也发现了该技术存在的一些弊端，例如，术中对于术前设计的参数进行测量，需额外耗费一定的时间；此外，有时术中测量无法完全还原术前设计，无法实现预设的穿刺路径。在以上基础上，本团队进一步改进该技术，将基于患者术前CT影像学资料所设计出的3D打印导向板应用于PVP手术之中，在前期研究中，笔者发现将之应用于治疗单节段骨质疏松性椎体压缩骨折取得了良好的临床疗效，可以缩短手术时间，减少手术暴露，并实现精准穿刺[9]。本次研究在此基础之上，进一步将该技术应用于双节段骨质疏松性椎体压缩骨折，现报道如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

患者，女性，65岁，主诉：跌倒后致腰背部疼痛5d。入院查体：脊柱无明显后凸畸形，胸腰段棘突压痛(+)，叩痛(+)，脊柱屈伸活动明显受限；双下肢感觉、运动正常，双下肢肌力V级，肌张力正常；双下肢直腿抬高试验(-)、加强试验(-)，病理征未引出。肛门括约肌收缩可。X线及MRI示：T12、L1新发椎体压缩性骨折。入院诊断为：骨质疏松性椎体压缩骨折(T12,L1)；严重骨质疏松症。入院VAS评分9分。

本研究已通过首都医科大学附属北京友谊医院伦理委员会审批，批号为：2016-P2-042-01。患者已签署知情同意书，研究资料获得患者授权。

1.2 研究方法

1.2.1 术前伤椎CT影像学资料的采集

于手术前1d将3枚标记物(圆形不锈钢垫片)置于患者背部皮肤正中，平对伤椎水平，用马克笔描绘出3枚标记物的轮廓，再用透明皮肤贴膜覆盖并固定标记物，防止其移动。患者俯卧位，行伤椎及相邻椎体的CT薄层扫描(图1-A)。行CT检查前，用手机水平仪软件调整患者体位，使标记物两侧的背部皮肤处于同一水平，并用手机水平仪软件记录患者行俯卧位CT时的体位数据(图1-B)。在真实手术时，需根据此数据，尽可能保证患者手术俯卧位的体位与行术前CT时的体位相一致。完成CT检查后，将术前CT影像学资料以DICOM格式文件储存。

图1 A:患者行术前俯卧位CT检查；B：用手机水平仪软件记录患者行俯卧位CT时的体位数据

1.2.2 MIMICS软件内模拟PVP手术操作

①骨折椎体的建模：将包含患者CT影像学资料的DICOM格式文件导入MIMICS 17.0软件内。在软件内通过横断面、矢状面和冠状面3个视窗中再次确认目标椎体(T12、L1)。选择阈值工具设定恰当的CT值(125～3071 H)，将骨骼组织与其他组织分割开，建立新蒙版。利用形态学操作工具，对新蒙版中的伤椎经行擦除操作，以此重建出伤椎的三维模型(图2-A)。②模拟经伤椎双侧椎弓根穿刺路径：利用软件内的绘图工具，绘制出圆柱图形以模拟穿刺针，其具体参数参考实际穿刺针的长度及直径(真实手术穿刺针型号：VertePort needle，美国Stryker公司)。在伤椎蒙版内，利用平移和旋转功能调整圆柱图形的位置，模拟经双侧椎弓根入路的椎体成形术，并在横断面、矢状面和冠状面三个窗口内再次调整细节，达到真实手术时所能达到的最理想穿刺进针点、角度及深度(图2-B)。③记录关键参数：利用MIMICS软件内的测量工具，测量背部3枚标记物(圆形不锈钢垫片)中心的距离，穿刺针穿刺进入椎体的深度(图3-A，B，C)。④将软件内重建出的椎体三维图像、自动提取的患者皮肤数据、模拟的PVP操作过程及记录的相关数据等文件以STL格式文件储存。

图2 A:在MIMICS软件内重建出伤椎的三维模型；B：在横断面、矢状面和冠状面3个窗口内调整穿刺针的进针点、角度及深度

1.2.3 术前个体化3D导板的制作及打印

将储存的STL格式文件发送至3D打印公司(北京华胜普天科技有限公司)，公司将STL文件导入逆向工程软件Design X中，根据所选取的皮肤区域，设计出贴合皮肤外形的导板底座；根据患者背部标记物的位置及形状，在导板底座上切割出定位孔用于术中导板与患者背部匹配；根据MIMICS软件内模拟的穿刺针直径、角度及深度，设计出双侧空心导向柱；利用熔融沉积成型技术(fused deposition modeling,FDM)，使用聚乳酸材料，打印出导向柱及导板底座；最终将打印好的3D导板进行组装并打磨毛刺，查看有无变形等问题。3D打印导向板共打印两套，一套用于术前匹配确定手术理想穿刺点位置，另一套用于术中穿刺时导向使用(图3-D)。

图3 A:左侧视图下穿刺针的最终位置及深度；B：后前位视图下穿刺针的最终位置及深度；C：右侧视图下穿刺针的最终位置及深度；D：最终打印出的3D个体化导向板

1.2.4 真实手术

患者在脊柱手术床上保持俯卧位，利用手机水平仪软件记录的数据调整患者体位，使患者体位尽可能与术前行俯卧位CT检查时的体位保持一致，以减少导向板与患者背部匹配时的误差(图4-A)。先将一套导向板放置于患者背部皮肤上，保证底座的3个圆形定位孔与术前背部放置的标记物相吻合(图4-B)，再将棉签分别插入两侧的导向柱内，稍用力按压，使其在患者背部皮肤上形成4个压痕，这4处压痕便为手术时皮肤理想的穿刺入点，用马克笔标记压痕及标志物轮廓(图4-C)。常规消毒、铺巾，将穿刺针针尖放置于4处标记好的穿刺点处，用C型臂X线机行正位透视以检验导向板所确定的皮肤穿刺进针点是否理想(图4-D，D1，D2)，若穿刺点无误，则于穿刺点皮肤处行局部麻醉，在各穿刺点切一小口，将另一套已行低温蒸汽消毒后的导向板贴附于患者皮肤上并以无菌贴膜固定，要保证此导向板底座上的3个圆形定位孔与患者背部皮肤上的3个圆形标记物轮廓相吻合。之后，将4根穿刺针分别插入导向柱内，再次验证皮肤穿刺入点是否可行(图4-E，E1，E2)，确定皮肤穿刺点无误后，继续进针至针尖抵达骨膜处时，用正侧位C型臂X线机透视，以验证骨性穿刺点是否为设计的理想穿刺点(图4-F，F1，F2)，骨性穿刺点位置满意后，则按照导向柱所设计的长度进针至理想深度，穿刺结束后再次行正侧位X线透视，检查穿刺针的最终位置(图4-G，G1，G2)。确定进针位置满意后，保留针管，退出针芯。调制骨水泥(型号：SpinePlex，Stryker公司，美国)后，置入旋转螺旋推进器内(Stryker 公司，美国)，用螺旋推进器分别推动骨水泥4 mL进入T12及L1椎体内。注射过程中行C型臂X线机透视，确保骨水泥弥散位置良好，避免出现骨水泥渗漏造成神经损伤、脊髓压迫等并发症(图4-H，H1-8)。术毕缝合伤口。

2 结果

本例患者手术共耗时(从消毒铺单开始计时到最终透视结束)25 min，术中2次透视即确定T12及L1椎体的双侧皮肤穿刺入点，术中总透视次数为20次，总透视剂量5.55 mGy。患者术中未出现任何手术相关并发症，VAS评分由术前9分改善至术后2分。术后复查X线示骨水泥弥散良好，无渗漏(图4-J，K)。3个月后随访，患者手术效果满意，VAS评分降至0分；无任何手术相关并发症发生。

图4 A:利用手机水平仪软件匹配患者体位；B：导板与皮肤匹配确定皮肤入点；C : 最终确定好的皮肤入点；D，D1，D2: 放置克氏针检验穿刺点位置；E，E1，E2：检验皮肤穿刺进针点是否理想；F，F1，F2：验证骨性穿刺点是否理想；G，G1，G2：完成穿刺并检查穿刺针最终位置；H，H1-8：注入骨水泥；I：拔出穿刺针后的最终情况；J，K：术后复查腰椎正侧位X线

3 讨论

对于OVCF患者，常采用后路经椎弓根双侧入路的经皮椎体成形术治疗。为了提高PVP手术的成功率，穿刺前，在C型臂X线机的透视下用克氏针确定好皮肤穿刺入点及最佳的骨性穿刺点至关重要。传统手术穿刺方法存在以下缺点：①术中穿刺针的进针角度主要依赖于手术医生的手术经验和手感。不同患者背部皮肤和肌肉的厚薄程度以及椎弓根的解剖结构不尽相同，影响了术者对皮肤入点及角度的确定，进而影响穿刺的成功率，而且穿刺相关并发症及骨水泥渗漏相关并发症的发生也会随之增加。②穿刺过程中需反复X线透视，增加了患者、手术医师及麻醉医师的放射暴露风险。Fitousi等[10]的研究显示，在传统PVP手术过程中，外科医生手的平均暴露剂量为1.661mGy。这一研究表明，一名外科医生每年最多只能主刀约150台PVP手术，才能保证不会超过放射剂量安全限制值。

随着精准外科概念的提出和快速发展，3D打印技术也越来越多地应用于临床实践中，与传统手术方式相结合以改良手术技术，其中包括复杂骨折的治疗、关节置换、个性化植入物等[11-13]。3D打印个体化导向板作为3D打印技术的一项分支技术，已在多种脊柱外科的手术中得到了应用[14]。并且随着CT、MRI等影像学技术、计算机辅助设计软件以及3D打印技术在近年来的不断进步，3D打印个体化导向板技术发展迅速且愈发成熟，因其自身所具备的一些优势，如提高手术精准性，缩短手术时间等[15-16]，已在脊柱外科领域得到了越来越多的应用。为此，在本研究中，本团队设计并制作了3D打印个体化导向板来改良传统的经皮椎体成形术，以期可以提高PVP穿刺技术的准确性和安全性，并获得了理想的治疗效果。

通过本例手术的研究，笔者发现与传统手术相比，3D打印个体化导向板辅助的PVP手术具有以下优势：①通过术前在MIMICS软件内重建出骨折椎体的三维形态，手术医师可以更好地了解椎体的形态特点，包括有无上、下终板的破损，有无前、后缘的破裂。基于对于目标椎体的了解，可设计出最佳的个体化穿刺路径用于手术之中，尽可能地避免穿刺相关并发症的出现。②因为打印出用于手术的3D个体化导向板上的导向柱已预先确定好了穿刺针的方向和深度，所以与传统术式相比，3D导板辅助的手术只需要在穿刺前使用极少次数的X线透视来确定导向柱的准确性，当导向柱的精准性确认无误时，便无需在术中多次使用X线透视来调整穿刺针的方向及角度，从而节省了术中调整穿刺针的时间以及反复透视的时间，也进而减少了术中X线透射的次数和剂量，并缩短了手术的时间。③本团队认为，此技术在术前重建了骨折椎体的三维图形，并在此基础上设计出个体化的手术穿刺路径，所以该技术可能有助于减少术中穿刺相关并发症的发生及降低术中、术后骨水泥渗漏的概率，但是此假说需后续进一步开展大样本的研究来证实；④对于初学手术的青年医师而言，该技术可能有助于缩短PVP的学习曲线，并有助于更容易地找到穿刺点。

在本团队的实际临床操作中，笔者也发现该手术技术的如下不足：①熟练地掌握MIMICS这项软件的应用操作需要一定的学习时间；②术前在软件内设计导向板需要花费一些额外的时间，消耗一定的人力，而导向板的打印也会增加患者少量额外的费用；③在真实手术操作时，需保证患者手术时的体位与术前行俯卧位CT检查时的体位完全一致，如果体位确定不好，可能会造成术中无法完全复原术前的设计，从而造成些许的穿刺角度的偏差，但这并不一定会影响手术的效果和成功率。