3D打印个体化导航模板在腰椎螺钉植入中的应用效果及对患者腰椎功能应激激素的影响

潘玉军, 时长江, 穆怀昭, 张义龙

(承德医学院附属医院， 河北 承德 067000)

目前腰椎螺钉植入是治疗腰椎间盘突出症、腰椎管狭窄重要手段，但腰椎椎弓根与脊髓、神经根等重要结构相毗邻，一旦腰椎螺钉植入方向、长度出现偏差，极易损伤脊髓、神经根，造成永久肢体瘫痪、大小便失禁[1,2]。以往临床多采用徒手置钉法，但该法主要从样本中获取一般规律，忽略个体化差异，最终导致30%～40%误置率[3]。随着辅助器械不断完善，3D打印技术个体化导向模板逐渐应用于脊柱外科领域，通过数字技术、信息技术及材料技术引导术中精准置钉，提高腰椎疾病患者置钉准确度。目前针对3D打印个体化导航模板辅助腰椎螺钉植入已有相关研究，研究内容集中于手术情况、并发症、腰椎功能[4]，近年研究发现，腰椎疾病围术期多伴有氧化应激反应、脊髓损伤，进而影响术后康复[5]，但相关研究报道较少，，本研究首次尝试从氧化应激激素、脊髓功能对比两种术式效果，以期为3D打印个体化导航模板在腰椎螺钉植入中应用提供有利依据。结果如下。

1 资料与方法

1.1临床资料:选取2019年1月至2021年1月我院122例腰椎间盘突出症及腰椎管狭窄患者，纳入标准：腰椎CT、MRI结合临床表现确诊；年龄≥45岁，病程≥6个月，不限男女；均为单节段病变，手术指征明确；经保守治疗3个月以上无效；患者家属知晓手术及研究，自愿签署知晓同意书；排除标准：腰椎手术史；肝肾异常；凝血机制异常；严重骨质疏松；双节段及多阶段腰椎病变。采用随机数字表将122例患者简单随机分为两组，各61例。两组临床资料均衡可比(P>0.05)。本研究经医院伦理委员会审核批准，见表1。

表1 两组患者的一般特征及临床特征比较

1.2方法:对照组行腰椎螺钉植入术，全麻，俯卧位，自病变正中做一切口，剥离棘突、椎板表面肌肉、软组织、韧带，直至腰椎“人”字嵴充分显露，于病变上下正常节段植入椎弓根螺钉，C型臂X线透视下确诊位置满意，后行椎间融合、安装连接棒，结合患者病情给予减压手术，留置1根引流管，闭合切口，引流量不足80mL/d时，拔除引流管。研究组3D打印个体化导航模板辅助下腰椎螺钉植入术：CT扫描：选用64排128层容积CT，行腰椎CT薄层扫描，电流21.6mAs，电压130kV，获取Dicom格式图像，像素512×512pxl，刻录DVD光盘形式输出保存；三维重建：①设计钉道杆：将Dicom格式图像导入三维重建软件Mimics19.0，行腰椎三维模型重建(见图1、图2)，新建Cylinder(模拟进钉通道的钉道杆，见图3)，调整属性，结合病变节段腰椎形态调整钉道杆位置，使其以最佳位置穿过椎弓根中心，同时测量椎弓根最狭窄处高度、宽度及钉道杆贯穿骨质长度(钉道杆长度)；②设计导航模板并3D打印实体：基于钉道杆，创建新Cylinder(导航模板前体，半径7mm、长度2cm，见图4)，使其与腰椎“人”字嵴处骨面重合，获取病变椎体棘突根部背侧、横突横部、椎板解剖形态，据此在软件上设计反向模板，结合导航模板前体与反向模板，获取有导航通道的导航模板(见图5)，并将其固定在腰椎棘突，以STL格式导入打印机，打印出导航模板实体(见图6)；手术操作：麻醉及暴露过程同对照组，待腰椎“人”字嵴充分显露后，安装腰椎导航模板，2mm克氏针钻头顺导航模板中心钻出进钉通道，顺着钉道放入大小合适椎弓根螺钉，剩余步骤同对照组。术后两组均常规应用抗生素、脱水、止痛、营养神经药物，遵医嘱下床活动。

图1 三维重建模型后视图

图2 三维重建模型左视图

图3 进钉通道的钉道杆

图4 导航模板前体

图5 有导航通道的导航模板

1.3观察指标:①两组置钉时间、X线机透视次数、手术时间、术中出血量。②手术效果分为优(CT显示螺钉完全位于椎弓根内)、良(螺钉穿出椎弓根壁2mm以内，无血管及神经损伤)、可(螺钉穿出椎弓根2mm及以上，无血管及神经损伤)、差(螺钉穿出椎弓根2mm及以上，伴血管及神经损伤)4个等级，优良率=(优+良)/总例数×100%。③术前、术后3d、7d，空腹状态下，取2mL肘静脉血，离心取上清液，-20℃冰箱保存，参照上海晶抗生物工程有限公司提供试剂盒说明书，以化学发光法测定过氧化氢酶(Catalase，CAT)、活性氧(Reactive oxygen species，ROS)，比色法测定丙二醛(Malondialdehyde，MDA)。④术前、术后7d、术后3个月，应用肌电图检测仪测得量腓总神经传导速度(Nerve conduction velocity，NCV)、潜伏期(Distal latency，DL)，各指标均测量3次，相差<10%取3次测量均值。⑤术前、术后3个月、6个月，采用Oswestry功能障碍指数问卷表(Oswestry dability index，ODI)评价腰椎功能障碍，该问卷包括疼痛、行走、提物等10项，每项评分0～5分，ODI=实际得分/所能得到的最高分×100%,数值越高功能障碍越严重；采用视觉模拟评分法(Visual analogue scale，VAS)评估疼痛程度，VAS总分10分，分值越高疼痛越剧烈。⑥并发症含下肢麻木、螺钉脱落、腰背部疼痛、螺钉松动等。

2 结 果

图6 导航模板实体

2.1围手术期指标:两组手术时间、术中出血量比较，差异无统计学意义(P>0.05)，研究组置钉时间短于对照组，X线机透视次数少于对照组(P<0.05)。见表2。

表2 两组患者围手术期指标比较

2.2手术效果:研究组手术优良率高于对照组(P<0.05)。见表3。

表3 两组患者手术效果比较n(%)

2.3应激激素:MDA、CAT、ROS在不同组间、不同时间的差别及分组与时间的交互作用均有统计学意义(P<0.05)；研究组对MDA、CAT、ROS水平的影响小于对照组(P<0.05)。见表4。

表4 两组患者应激激素比较

2.4脊髓功能:NCV、DL在不同组间、不同时间的差别及分组与时间的交互作用均无统计学意义(P>0.05)。见表5。

表5 两组患者脊髓功能比较

2.5功能评分:ODI、VAS评分:ODI、VAS在不同组间、不同时间的差别及分组与时间的交互作用均有统计学意义(P<0.05)，随时间变化均呈现下降趋势，研究组下降幅度大于对照组(P<0.05)。见表6。

表6 两组患者ODI VAS评分比较分)

2.6并发症:研究组并发症总发生率低于对照组(P<0.05)。见表7。

表7 两组患者并发症比较n(%)

3 讨 论

腰椎椎弓根周径相对细小，横径、水平面角及螺钉通道存在个体化差异，加以邻近脊髓、椎动脉、主动脉等结构，一旦螺钉穿破椎弓根，极易诱发脊髓、神经损伤等严重并发症[6]。徒手置钉多凭借操作者手术经验，主观性强，置钉准确度低，反复置钉可加重周围血管、神经损伤，增加并发症发生风险，精确置钉已成为腰椎螺钉植入内固定研究热点之一[7,8]。

近年3D打印个体化导航模板辅助脊柱外科内固定手术效果得到诸多研究者证实，如王雅辉等[9]发现，3D打印技术辅助下腰椎后路椎弓根钉植入，可提高置钉精准度，减少手术并发症。研究组置钉时间短于对照组，X线机透视次数少于对照组，观察组手术优良率显著高于对照组,(P<0.05)，与上述报道结果一致，其原因在于：3D打印技术具有精准还原、快速制造等优点，根据患者病变椎体解剖特点设计、制作1∶1腰椎模型，使其与病变椎体紧密贴合，为螺钉准确植入提供有利条件，同时良好的内固定效果能够促进椎间融合，提升节段稳定性，有助于提高手术预后；术前模拟演练可精准确定置钉点、置钉方向及深度，简化手术步骤，缩短置钉时间，减少X线暴露次数；椎弓根导向模板自带定位及导向功能，利于螺钉植入，加以其学习曲线短，经验较少的年轻脊柱外科医师亦能短时间内掌握置钉方法。同时发现研究组并发症总发生率低于对照组(P<0.05)，原因在于，术者可通过3D打印技术直观模拟手术操作，确定精准置钉点、置钉方向及深度，减少周围神经损伤；徒手置钉为寻找精准置钉点，稍有不慎螺钉便会穿透椎弓根，引起相关并发症。本研究还发现，ODI、VAS在不同时间的差异俱有统计学意义(P<0.05)，说明经手术治疗后两组患者腰椎功能障碍以及疼痛症状均得到显著改善；但ODI、VAS F组间分别为18.523、17.512，P均<0.001，提示研究组疗效更佳，主要原因在于，3D打印个体化导航模板辅助手术置钉准确度高，可显著缓解腰椎椎体压迫症状，恢复腰椎生理弯曲，改善腰椎功能。

氧化应激是了解围手术期患者受应激程度重要指标，一旦遭受手术创伤，机体产生剧烈氧化应激反应。因此，监测腰椎疾病围手术期氧化应激指标水平变化，有助于了解机体综合应激程度及术后恢复。MDA、ROS为脂质过氧化反应产物，其水平变化可直接反映组织损伤程度。CAT为酶类抗氧化剂，主要作用是清除有害ROS，其含量与应激程度密切相关。从本研究结果来看，术后3d 两组CAT低于术前，MDA、ROS高于术前，CAT、MDA、ROS F时间分别为15.999、19.976、28.213，P均<0.001，提示两组患者术后均出现了明显的氧化应激反应；但研究组CAT高于对照组，MDA、ROS低于对照组，MDA、CAT、ROS F组间分别为13.364、15.662、10.015,P均<0.001,可见3D打印个体化导航模板辅助腰椎螺钉植入创伤小，氧化应激反应轻。另腰椎椎弓根与脊髓相邻，置钉期间极易损伤脊髓，故本研究采用肌电图检测仪测定两组脊髓功能，结果发现术后7d 两组腓总神经NCL低于术前，DL高于术前，说明两种手术均会给脊髓功能带来负面影响。术后3个月两组腓总神经NCL、DL趋于术前水平，可见两组手术所致脊髓功能损伤并未带来远期影响。

笔者还总结以下经验：模拟手术期间，导板与相匹配椎体模型吻合良好后不可随意移动，以免降低置钉准确率；置钉过程中应当感觉到均匀阻力，若阻力过大或阻力突然消失，提示钉道可能穿出椎弓根；三维重建如导板设计、导板打印均需一定时间完成，在急诊手术中具有一定局限性，建议根据患者实际情况选取适宜手术方案。

综上所知，3D打印个体化导航模板应用于腰椎螺钉植入中，可缩短置钉时间，降低并发症，提高手术优良率，改善腰椎功能，且对氧化应激影响较小。但本研究仅纳入腰椎间盘突出症、腰椎狭窄症为研究样本，且样本量少，并未展开长期随访，建议后续研究扩大疾病范围，增加样本量，延长随访时间。