3D打印个性化异形解剖导向钢板辅助经口前路寰枢椎置钉的数字化研究

郑 轶，张嘉锴，吴君龙，袁欣华

1.中国科学院大学宁波华美医院骨科，宁波 315010

2.中国科学院大学宁波生命与健康产业研究院，宁波 315010

寰枢椎脱位通常由创伤、感染、肿瘤及先天性发育畸形等引起。对于颅颈交界区畸形及其他疾病引起的寰枢椎脱位常需减压内固定。目前主流的手术方法仍为后路寰枢椎减压融合内固定术。但是，后路减压融合手术失败需要翻修的寰枢椎脱位，颅脊段脊髓的压迫主要来自前方，寰枢椎后部先天性结构缺失，常需行经口入路减压植骨内固定［1-3］。经口入路具有入路直接、解剖层次简单、不直接牵拉延髓、直接解除脊髓腹侧压迫等优点，但同时也存在以下局限性。①逆向寰枢椎螺钉置入依靠术者经验；②前路寰枢椎钢板切迹较高，为非解剖型钢板，置钉区域受限；③寰枢椎后方即为延髓，外侧为椎动脉，置入螺钉可能造成脊髓血肿，甚至呼吸抑制等严重并发症［4-6］。为了弥补前路寰枢椎钢板的不足，寰枢椎个性化异形解剖导向钢板的数字化研究具有重要意义。本研究探讨3D打印个性化异形解剖导向钢板辅助经口前路寰枢椎置钉的可行性，旨在为寰枢椎脱位的治疗提供一种更为精确的新方法。

1 资料与方法

1.1 寰枢椎3D数字模型的建立

选取2018年6月—2020年12月中国科学院大学宁波华美医院收治的5例难复性寰枢椎脱位（脱位经大质量牵引不可复位）患者的影像学资料，其中男3例、女2例，年龄42 ～ 55（49.0±5.8）岁。采用64排螺旋CT以层厚1.0 mm对所有患者寰枢椎进行扫描，将原始CT图像数据以DICOM格式导入Mimics 15.01软件，利用Threshold工具选取骨组织密度、Calculate 3D工具重建寰枢椎3D模型（图1a、b）。

1.2 螺钉最佳钉道的设计及相关参数的测量

在Mimics 15.01软件中利用Toggle transparency工具调整模型的透明度，利用模拟复位功能进行难复性寰枢椎脱位的复位，全面观察椎动脉走行。在透明化处理的重建图像中标记寰枢椎的轴线，以该轴线的垂直平面对寰枢椎进行切割，使之处于寰枢椎正中。利用Measurements测量工具测量经口前路寰椎侧块轴线长度、枢椎椎弓根长度、寰枢椎钉道长度及倾斜角度。根据以上测量结果选择直径为3.5 mm，长度合适的虚拟螺钉按照轴线置入寰枢椎。利用NX12.0软件将寰枢椎模型的曲面抽壳2.4 mm作为钢板厚度，根据Mimics 15.01软件所设计的最佳钉道设计异形解剖钢板，异形钢板四角可设定位孔，定位孔的直径为1.0 mm，根据倾斜角度决定锁定导向孔的螺纹方向，螺纹的螺距为0.5 mm，并设计4.0 cm长度的锁定导向管便于置钉，其中导向管的螺纹与锁定导向孔的螺纹相契合，通过布尔运算完成对钢板的切孔操作（图1c、d）。按照测量的最佳进钉点位置及外倾角、尾倾角，将异形钢板贴附于寰枢椎表面，虚拟螺钉置入寰椎侧块和枢椎椎弓根。置入后将3D数字图像多方位、多层面切割，观察虚拟螺钉是否穿破寰椎侧块和枢椎内侧壁进入椎管或横突孔。然后通过微调螺钉至最佳位置，测量最佳钉道参数（图1e、f）。

图1 寰枢椎模型数字化处理Fig. 1 Digitization of atlantoaxial model

1.3 3D打印模型及个性化异形解剖导向钢板制作

将复位后的寰枢椎数据转化为stl格式导入3D打印机，打印1∶1寰枢椎模型（图2a）。将NX 12.0软件设计的异形解剖导向钢板数据导入3D金属打印机中进行打印（图2b、c），并在实体模型上进行贴合实验，观察钢板贴合度并观察螺钉是否穿破寰椎侧块和枢椎椎弓根内侧壁，以分析评价螺钉置入的安全性和准确性（图2d ～ f），并采用X线和CT检查进行验证。

图2 寰枢椎异形解剖导向钢板实体贴合实验Fig. 2 Physical fitting experiment of atlantoaxial special-shaped anatomical guide plate system

1.4 评价指标

记录3D模型的打印时间、钉道设计时间及异形解剖导向钢板制作时间。记录导向钢板的钉道方向、角度及长度，并与基于CT 3D重建数据设计的虚拟钉道进行对比，评估螺钉位置的准确性。

1.5 统计学处理

采用SPSS 19.0软件对数据进行统计分析。符合正态分布的计量资料以±s描述，正态分布且方差齐的计量资料组间均数比较采用独立样本t检验；以P＜ 0.05为差异有统计学意义。

2 结 果

寰枢椎3D模型打印时间、钉道设计时间及异形解剖导向钢板制作时间分别为（210.0±10.3）min、（15.0±2.7）min、（1 440.0±25.3）min，总费用平均约为4 000元。3D打印寰枢椎个性化异形解剖导向钢板与模型贴合良好，X线和CT检查证实寰枢椎螺钉位于骨性钉道内（图3）。逆向寰枢椎椎弓根螺钉钉道方向、角度及长度与基于CT 3D重建数据设计的虚拟钉道一致（表1）。

图3 螺钉位置验证Fig. 3 Screw position verification

表1 虚拟及异形解剖导向钢板钉道参数Tab. 1 Screw path parameters of virtual and special-shaped anatomical guide plate N=5，±s

表1 虚拟及异形解剖导向钢板钉道参数Tab. 1 Screw path parameters of virtual and special-shaped anatomical guide plate N=5，±s

寰椎Atlas枢椎Axis左侧钉道长度/mm Length of left screw path/mm组别Group左侧钉道外倾角/（°）Camber of left screw path/（°）右侧钉道长度/mm Length of right screw path/mm右侧钉道外倾角/（°）Camber of right screw path/（°）左侧钉道长度/mm Length of left screw path/mm左侧钉道外倾角/（°）Camber of left screw path/（°）左侧钉道尾倾角/（°）Tail angle of left screw path/（°）右侧钉道长度/mm Length of right screw path/mm右侧钉道外倾角/（°）Camber of right screw path/（°）右侧钉道尾倾角/（°）Tail angle of right screw path/（°）虚拟Virtual 29.5±0.5 9.5±1.2 28.7±0.8 8.7±1.0 26.5±0.8 19.6±1.4 13.9±1.8 26.8±0.7 19.5±1.7 13.8±1.4导向钢板Guide plate 29.2±0.5 9.2±1.0 29.4±0.6 8.8±1.1 26.7±0.7 19.8±1.3 13.7±1.7 26.5±0.8 19.3±1.8 13.9±1.5

3 讨 论

后路寰枢椎减压融合术是治疗寰枢椎脱位的标准方案，具有入路简单、固定牢固的优点［7-8］，不足之处在于间接减压对寰枢椎畸形或后方结构医源性损伤的寰枢椎脱位无法实施固定［9］。而经口前路寰枢椎减压内固定术可从前方直接减压、固定，直视下进行复位固定操作。有研究［10-11］显示，经口前路寰枢椎内固定和传统后路寰枢椎内固定的生物力学相比，差异无统计学意义。但寰枢椎周围解剖结构复杂，椎动脉在枢椎横突孔和寰椎上方走行，置钉失误易伤及邻近重要血管及神经，限制了经口前路钢板-螺钉内固定系统的推广应用［12-13］。目前，国内外关于经口前路逆向寰枢椎螺钉最佳置钉方案尚无统一规范，由于寰枢椎形态变异较大，解剖学测量数据在寰枢椎置钉临床实际操作时只能作为参考，形态结构的大体观测难以适应不同个体寰枢椎内固定所经通道的变化特点。本研究组前期通过解剖学和螺旋CT扫描对于逆向寰枢椎椎弓根螺钉的进钉点和安全通道进行了形态学研究［14］，发现经口入路置入直径为3.5 mm的C2椎弓根螺钉安全可行。也有文献［15］报道，3D影像导航可为手术过程提供实时图像，降低置钉难度及并发症发生率，但费用较高，目前难以大范围推广应用。目前，临床上常用的经口前路寰枢椎钢板系统为经口前路寰枢椎复位钢板（TARP）［16］。本研究设计的个性化异形解剖导向钢板与传统TARP均为一体化经口前路寰枢椎钢板，TARP的不足之处在于寰枢椎螺钉的置入依赖术者的经验和手感，钢板贴合度欠佳，学习曲线陡峭；而本研究设计的个性化异形解剖导向钢板通过术前模拟复位设计螺钉的导向孔，可实现螺钉的精确置入，减少神经、血管损伤等风险；同时，个性化异形解剖导向钢板的设计克服了贴合性不佳的问题。

3D打印、逆向工程技术辅助经口前路寰枢椎个性化异形解剖导向钢板的适应证主要包括后路减压融合手术失败需要翻修的寰枢椎脱位、寰枢椎后方先天性结构缺失、医源性寰枢椎后部结构切除及颅脊段脊髓压迫主要来自前方的患者。禁忌证包括寰枢椎病理性骨折、肿瘤等椎体破坏塌陷无法进行经口前路手术者，严重肺部感染者及其他原因不能耐受手术者。本研究组研制的经口前路寰枢椎个性化异形解剖导向钢板由于个性化设计难以批量生产，且制作成本较高，从设计制作到临床应用需要2 ～ 3 d，不适用于急性寰枢椎脱位的诊治，存在一定的时间滞后性，尚有待改进。

综上，本研究基于3D打印、逆向工程技术进行经口前路寰枢椎个性化异形解剖导向钢板的数字化研究，建立个性化寰枢椎3D模型并设计贴合度良好的带导向孔的个性化异形解剖导向钢板，研究个性化逆向寰椎侧块、枢椎椎弓根螺钉的进钉点及螺钉置入的理想角度和长度，通过控制导向螺纹的方法控制螺钉的外倾角和尾倾角，经影像学证实该系统具有可行性，且安全、准确，为寰枢椎脱位的治疗提供了一种精确的新方法。