改良3D打印导航模板辅助颈椎后路经椎弓根置钉的效果观察

厉彦成 李磊 饶建伟 叶舟

颈椎骨折脱位是临床常见外伤性疾病，多需进行手术治疗，手术方式主要有颈椎前路、后路手术方式，其中颈椎后路手术固定方式主要有经椎弓根置钉和经颈椎侧块置钉两种方式，其中经椎弓根置钉方式通过固定脊柱“三柱”，生物力学性能优于侧块螺钉，其抗拔出力度是侧块螺钉的2倍［1-3］。由于颈椎椎弓根解剖结构菲薄，对经验性选择置钉进入点、角度方向具有严格要求，尤其合并椎弓根细小、椎动脉高跨等解剖变异时，其中C1～2节段椎动脉高跨变异率达14%～16%［2，4］，使椎弓根置钉难度增加。数字骨科3D打印技术可术前虚拟设计导航模板，消毒后直接应用于临床，辅助椎弓根置钉，不置入体内，具有较高临床应用价值［5-8］。本研究应用改良3D打印导航模板辅助置钉，探讨其精准性与安全性，进一步为临床应用提供依据。

1 资料与方法

1.1 临床资料 选取2021年1月至2022年2月本院行颈椎后路经椎弓根置钉手术治疗患者12例，按手术置钉方式不同分为改良3D打印导航模板组（5例，20枚螺钉）和传统经验置钉组（7例，24枚螺钉），改良3D打印导航模板组男5例，年龄（58.80±11.88）岁，其中2例强直性脊柱炎伴颈椎骨折脱位（C2～3，C6～7），1例C6～7骨折脱位，2例寰枢椎骨折。传统经验置钉组男4例，女3例；年龄（57.71±14.68）岁，6例C2骨折，1例C1～2椎管狭窄；两组颈椎椎弓根螺钉为北京富乐医疗器械有限公司提供。本研究经医学伦理委员会批准，所有患者均签署知情同意书。

1.2 构建椎弓根导航模板、虚拟理想钉道轨迹 两组拟行颈椎后路椎弓根螺钉固定患者术前均行颈椎CT连续断层扫描，扫描部位C1～7；扫描层厚≤0.6 mm。提取DICOM格式图片，导入Mimics17.0软件。对CT原始数据优化处理，提取目标椎体，通过逆向工程技术，分离出可供临床实际操作的虚拟目标模板区域，虚拟设计出安全的进针点、进针角度及导向管直径、长度，经布尔逻辑运算后，生成导航模板，导出.stl格式文件；改良3D打印导航模板通过缩短两侧置钉导向管长度，可避免两侧椎旁肌遮挡钉道与术野，借助后方独特的十字交叉设计引导棒，不仅可为导板提供良好的稳定性，还可为进钉方向提供三维立体角度指引参照，更为精准（见图1）。

图1 A. 传统的3D打印导航模板（C2）；B. 改良3D打印导航模板；C. C2～3骨折脱位患者，术前予以虚拟设计改良导航模板；D. 聚乳酸材料打印出的等比例模型及导航模板

1.3 打印改良的3D导航模板 将改良导航模板组患者.stl格式模板数据导入Cura15.0软件下进一步优化成可供3D打印机打印的.gcode格式。设置相应参数：打印层厚0.1～0.2 mm，壁厚1.2 mm；打印速度50 mm/s，温度210℃；3D打印机：型号FDM，喷嘴直径0.6 mm，材料：聚乳酸（直径2.2 mm）。导入3D打印机后，30mm左右即可打印出可供环氧丙烷消毒的导航模板。传统经验置钉组患者术前模拟理想钉道数据予以记录，不导入3D打印机打印。

1.4 改良3D导航模板的术中应用 导航模板组患者常规取颈椎后路正中切开，分离显露两侧椎旁肌软组织，充分暴露需手术置钉的椎板、棘突；将消毒好的改良改良3D导航模板附贴于相应置钉节段棘突，除寰椎需助手辅助导板稳定，余椎体棘突整体贴附紧密，稳定性良好，直径3.0 mm丝攻置入导向管，旋转定位进钉点，取出导航模板，磨钻磨除定位点少许骨皮质开口，再次置入改良的导航模板，贴附良好后，直径3.0 mm丝攻再次置入导向管，平行参照对侧的十字交叉立体引导棒，逐步攻入丝攻，探子探查椎弓根四壁厚，置入相应长度粗细的椎弓根螺钉，安装连接棒。传统经验置钉组患者常规取颈椎后路正中切开，分离椎旁软组织，显露椎弓根相应节段进钉点，根据术者经验置入椎弓根螺钉。

1.5 评价方法 术后两组患者常规复查颈椎三维CT扫描，再次导入Mimics 17.0软件研究分析置钉安全性与准确度。（1）通过Grade分级标准评估每个椎弓根置钉情况：1级：螺钉位于椎弓根中央；2级：贯穿皮质螺钉横截面≤1/3（偏差值≤1.2 mm）；3级：贯穿皮质螺钉横截面＞1/3，＜1/2（偏差值＜2 mm）；4级：贯穿皮质横截面＞1/2（偏差值≥2 mm）；5级：偏差值≥3.5 mm。1～2级为非临界螺钉位置，3～5级为临界螺钉位置，可能损伤椎动脉、神经根以及硬膜囊。统计分析两组置钉安全精准等级，明确两组置钉准确度的统计学差异。（2）在同一Mimics17.0软件下，导入CT数据，分别测量术前两组患者虚拟理想钉道头倾角、内倾角，术后两组实际钉道轨迹的头倾角、内倾角，头倾角为钉道轨迹与横断面的夹角，内倾角为钉道与矢状面间的夹角。考虑上颈椎与下颈椎进针角度值变化较大，单纯比较内倾角度或头倾角度所产生的误差大，统计分析术后术前角度误差值更为合适，头倾角误差值=|术后头倾角-术前理想头倾角|，内倾角误差值=|术后内倾角-术前理想内倾角|（见图2、图3）。

图2 A.术前mimics软件虚拟设计的理想钉道内倾角度；B. 术后测量的钉道实际内倾角度

图3 A.术前mimics软件虚拟设计的理想钉道头倾角度；B.术后测量的钉道实际头倾角度

1.6 统计学方法 采用SPSS 24.0统计软件。计量资料以（±s）表示，两组比较用独立样本t检验，计数资料比较采用检验，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 置钉准确性与安全性 两组患者手术均未发生与置钉相关的并发症，如椎动脉损伤性脑梗、颈髓损伤、神经根损伤等；术后复查颈椎三维CT判断置钉等级，改良3D打印组1～2级为非临界螺钉位置19例，1例临界螺钉，置钉准确率达95%，传统经验组1～2级为非临界螺钉位置17例，7例临界螺钉，置钉准确率仅70.80%；两组比较差异有统计学意义（P=0.038），见表1。

表1 两组置钉安全等级比较

2.2 两组内倾角误差值、头倾角误差值比较 两组内倾角误差值、头倾角误差值比较差异无统计学意义（P＜0.05），见表2。

表2 两组置钉内倾角差值与头倾角度差值比较（±s）

表2 两组置钉内倾角差值与头倾角度差值比较（±s）

组别 内倾角误差值（°） 头倾角误差值（°）改良3D打印组（n=20） 4.47±3.86 4.41±5.90传统经验置钉组（n=24） 9.98±7.91 8.65±7.33 P值 0.001 0.039

3 讨论

传统经验性经椎弓根置钉主要依靠术中C臂透视辅助，当下已发展成为一种成熟的颈椎后路固定技术，尤其适用于上颈椎（C1～2）、下颈椎（C6～7）需行颈后路固定者，而对于C3～5椎体，椎弓根直径约3～4 mm，椎弓根四壁皮质菲薄，毗邻颈髓及椎动脉，置入3.5 mm的椎弓根螺钉易突破皮质，损伤颈髓及血管，出现肢体神经症状，甚至危及生命［9-10］；传统经验性置钉应用于罹患特殊疾病患者仍存有一定难度，如强直性脊柱炎伴颈椎骨折脱位或类风湿关节脱位椎管狭窄患者，此类患者后柱结构多呈现融合性改变，小关节突退变、增生融合，无明显正常解剖结构，术者选择合适的进钉点具有一定的困难［11］；再比如罹患C2椎体椎动脉高跨患者，在临床上较为常见，置入C2椎弓根螺钉极易损伤椎动脉，导致难以预料的后果。大量研究［11-14］表明，经验性置钉准确率仅达到71%～84%，这与临床理想的置钉准确率要求相差甚远。

为更好的提高置钉准确性，一些学者通过借助数字骨科学3D打印技术，制作出与人体椎体等比例模型及相应导航模板，对模型或尸体行椎弓根置钉，结果表明，3D打印导航模板技术可提高置钉的准确率，置钉准确率约在92%～95%［9-11、15-17］；YANG等［18］将3D打印导航模板技术应用临床，对60例II型齿状突骨折进行分析，表明3D打印导航模板辅助C1椎弓根置钉准确率为88.4%～99.6%，C2准确率达94%～100%。当下临床应用导航模板辅助置钉较为多见，传统导航模板仍存在诸多问题，如贴附骨面困难、导向管过长肌肉遮挡，遮挡术野，导板稳定性差，尤其C1后方导板轻微外力，导板贴附易出现偏差，以致于术中可操作性差；为解决诸如此类难题。本研究通过改良3D打印导航模板设计，独特的十字交叉引导棒，明显提高模板附贴骨面的稳定性，尤其贴附C1后弓稳定性较传统设计模板明显提高，方便助手把持稳定，且引导棒可为置钉提供三维立体角度参考，具有良好的可操作性。本研究显示，改良导航模板置钉成功率达95%，高于传统经验组70.80%，与国内外大部分研究相符。无论内倾角误差还是头倾角误差，改良3D打印导航组角度误差在5°左右，而传统经验组角度误差可达到10°左右，两者差异有统计学意义，表明借助该导航模板技术，颈椎后路置钉更可靠、精准。

改良3D打印导航模板技术具有以下优点：（1）术前可通过Mimics软件完美虚拟设计出进钉点、置钉角度；（2）3D打印材料为聚乳酸，成本廉价，可熔融沉积式打印，具有精度高、成型快的特点；（3）将虚拟设计的模板、模型转化为等比例的实体模型，消毒前即可模拟临床操作；（4）改良导航模板具有个性化设计特点，不植入体内，单一椎体设计，不因体位改变影响置钉效果；（5）术中模板附贴骨面完美，操作简单，特别适用于强直性脊柱炎伴颈椎后方骨性融合，无正常解剖结构或经验不足的脊柱外科医师，置钉技术具有“降维打击”特点。越来越多研究［19-20］表明，相对于传统经验性置钉，3D打印导航模板技术在置钉精确度上具有明显优势。在应用导航模板时也存在一些问题：（1）术前时间成本较高，从提取CT数据，导入Mimics软件设计，到打印模板，再到环氧乙烷或低温等离子消毒，准备时间约1～2 d，3D打印导板技术不适用于需急诊手术患者；且对术前CT扫描层厚要求较高，需高分辨率CT，扫描层数越薄，成像模板精度越高。（2）导板消毒前需将导向孔内聚乳酸丝样残留物进行疏通清理，更有利于术中丝攻契合；（3）导航模板不耐高温消毒。作者应用5%的聚维酮碘浸泡30 min，最大限度预防手术异物感染；（4）操作过程中需仔细剥离椎板骨面软组织，软组织破坏较大，更有利于模板贴附骨面，减少置钉角度误差。

综上所述，改良3D打印导航模板可提高颈椎椎弓根置钉准确率，减少置钉角度误差，降低手术置钉带来的椎动脉、颈髓神经损伤的风险，是一种不错的选择，值得临床应用与推广。