3D打印导板引导骶髂螺钉置钉实验与临床准确性评价

游木荣，董书辉，樊志强，叶海民，董谢平，邹华春

(1.江西省人民医院，南昌医学院第一附属医院骨科，江西 南昌 330006；2.江西省赣州市大余县人民医院骨科，江西 赣州 341500；3.江西省人民医院，南昌医学院第一附属医院影像科，江西 南昌 330006)

骨盆后环骨折脱位包括骶髂关节损伤及骶骨垂直骨折，使用骶髂关节螺钉固定生物力学良好。由于骶髂螺钉进钉点缺乏可靠的骶髂解剖及放射学标志，徒手经皮C型臂透析下置钉容易导致螺钉错位、症状性的髂血管损伤、L5及骶神经的损伤[1-5]。临床上多种新型的导航装置被应用[6-8]，如O-ARM导航系统、双平面机器人导航等，这些先进的辅助置钉技术提高了置钉的安全性和精确性，但仪器设备费用昂贵、操作复杂、成本高，因此难以在国内普及使用，亟待一种简便、经济、有效的置钉方法。

目前，采用数字化相关技术设计的3D打印手术导航模板被广泛运用到骨科手术中，国内许多医院临床上已将其应用于辅助骶髂螺钉置钉，能有效防止置钉产生的医源性问题[9-10]。作者在此基础上设计了一种专门用于引导骶髂螺钉置钉的个体化3D打印导板，并进行体外骨盆标本实验，评价其准确性与安全性，同期将该方法用于临床，获得较好的临床效果，现报道如下。

1 实验研究

1.1 实验标本 选取正常成人骨盆骨骼标本8具(南昌大学医学院解剖教研室提供)，其中男5具，女3具。肉眼观及CT检查无畸形及病理性变异，彻底剔除骨盆前后方软组织，保留骶髂关节周围韧带及耻骨联合韧带，暴露完整的骨盆，将制备好的标本干燥后备用。

1.2 骶髂关节螺钉导板的研制 所有骨盆标本均采用CT薄层扫描，数据以DICOM格式导入Mimics 19.0软件，创建骨盆三维数字模型；在Mimics中的medcad模块中建立圆柱体模拟骶髂关节螺钉进行置钉，S1椎体内设计2个钉道，S2椎体内设计单个钉道，钉道不超过骶骨中线。把骨盆的三维模型导入Geomagic Studio中，延长模拟的骶髂螺钉通道，让其穿出后方髂骨外板，选取髂后上棘合适的范围，设计进针导板底座，建立虚拟的骶髂螺钉导板，利用光敏树脂材料，通过3D打印技术将导板实体制作出来，每具骨盆标本设计左右2个骶髂螺钉导板，共打印出16个导板。体外将导板和标本骨盆髂后上棘贴合，进行骶髂关节螺钉进针模拟，观察模板的准确性(见图1)。

a 3D打印骶髂螺钉置钉导板设计 b 骨盆三维重建与计算机模拟骶髂螺钉导板辅助置钉 c 骶髂螺钉置钉导板实物图 d 骨盆标本骶髂螺钉导板引导下置钉

1.3 骨盆标本实验方法 将8具骨盆标本分别俯卧位固定于实验台，选取与之相对应的2套导板，将导板和髂后上棘表面及髂骨后外板紧贴牢固，导板无晃动，将直径2.5 mm的克氏针导针经导板空心导向孔钻入，经髂骨外板、骶髂关节进入骶椎体内；测深、攻丝后沿导针拧入直径7.3 mm合适长度的空心螺钉。每具骨盆标本均行双侧骶髂关节螺钉置入，共置入48枚螺钉。

1.4 置钉准确性评价 将8具实验后的骨盆标本分别行CT扫描及三维重建，通过冠状面、矢状面、横断面来判断螺钉的位置，并摄骨盆正位、入口位、出口位X线片，最后对标本进行剖开，观察螺钉的位置。通过X线、CT、标本剖开的方法检验螺钉置入的准确性(见图2)。置钉准确性参照Smith等[11]介绍的方法，(1)0级：螺钉完全位于骶椎椎体内；(2)Ⅰ级：螺钉穿破椎骶椎前皮质或椎管皮质或骶孔，穿出部分2 mm；(3)Ⅱ级：螺钉穿破椎骶椎前皮质或椎管皮质或骶孔，穿出部分4 mm；(4)Ⅲ级：螺钉穿破椎骶椎前皮质或椎管皮质或骶孔，穿出部分4 mm。0级定义为置钉准确。

2 临床应用

2.1 一般资料 回顾性分析2017年6月到2020年12月江西省人民医院共有12例骨盆后环损伤患者采用3D打印导板辅助骶髂关节螺钉固定。其中男10例，女2例；年龄19～62岁，平均(35.75±11.58)岁。所有患者均签署知情同意书，且通过医院伦理专家委员会审核通过。受伤机制：交通事故伤7例，高处坠落伤3例，施工挤压伤2例。按Tile分型：B2型2例，B3型3例，C1型1例，C2型5例，C3型1例。其中骶髂关节脱位2例，Denis Ⅰ区骨折4例，Denis Ⅱ区骨折6例；2例合并双侧耻骨支骨折，3例合并髋臼骨折，4例合并四肢骨折，4例合并颅脑及腹腔脏器破裂。

a X线片 b CT冠状面 c CT横断面 d 标本剖开

2.2 治疗方法 入院后对骶髂关节脱位或骶骨骨折移位的患者进行骨牵引复位，待垂直移位纠正后再进行骨盆CT薄层扫描，数据以Dicom格式导入计算机。按照上述实验研究中的方法进行3D建模及骶髂螺钉置钉导板设计，3D打印得到1∶1的骨盆骨折模型及配套的骶髂螺钉置钉导板，将导板与打印的骨盆骨折复位模型贴附，术前演练观察导板引导置钉准确。

患者全麻，取俯卧位，沿髂后上棘表面皮肤做6 cm切口，剥离周围的软组织，显露髂后上棘及周围部分髂嵴。按术前演练的方法将导板基座紧密贴附于髂嵴及髂骨外板表面，确认贴附紧密无松动后沿导板导向孔用电钻钻入1枚直径2.5 mm、长25 cm的克氏针，根据术前设计模拟螺钉长度控制克氏针进入深度，C型臂X线机透视骨盆正侧位、出入口位，仔细确认克氏针位置及进入深度。取下导板，再次准确测量螺钉置入长度后，拧入直径7.3 mm空心拉力螺钉，C型臂再次透视确认骨盆骨折复位情况及螺钉位于骶椎椎体内，拔除克氏针，冲洗后缝合伤口。

2.3 置钉准确性评估 术后均复查骨盆正位、出口位及入口位X线片、CT平扫及三维重建。按Matta评价标准[12]进行影像学评估骨盆骨折复位质量：骨盆后环分离移位4 mm为优；4～10 mm为良；11～20 mm为可；20 mm为差。置钉准确性参照Smith等[11]介绍的方法，(1)0级：螺钉完全位于骶椎椎体内；(2)I级：螺钉穿破椎骶椎前皮质或椎管皮质或骶孔，穿出部分2 mm；(3)Ⅱ级：螺钉穿破椎骶椎前皮质或椎管皮质或骶孔，穿出部分4 mm；(4)Ⅲ级：螺钉穿破椎骶椎前皮质或椎管皮质或骶孔，穿出部分4 mm。0级定义为置钉准确。末次随访采用Majeed功能评分系统[13]，评价内容包括疼痛、工作、坐、性生活、站5个指标，总分为100分。85～100分为优，70～84分为良，55～69分为中，<55分为差。

3 结 果

3.1 实验研究结果 本实验8具标本共使用骶髂关节螺钉导板16个，双侧骶髂关节共置入螺钉48枚，模拟置钉实验过程顺利，操作简便，导航模板贴合锚定性良好，所有螺钉均顺利置入。通过对置钉后骨盆标本三维CT横断面、矢状面、冠状面进行观察，结合骨盆X线片及标本剖开螺钉的位置，结果显示：置入的48枚螺钉中，0级45枚，Ⅰ级2枚，Ⅱ级1枚，螺钉置入准确率93.75%(45/48)。

3.2 临床应用结果 本研究12例均获随访，随访时间12～23个月，平均(17.08±5.07)个月。无螺钉松动、断裂、移位现象，无一例发生医源性血管、神经损伤并发症。总共置入骶髂螺钉26枚，按照Smith法判定准确性：25枚完全位于骶椎椎体内，判定为0级，准确率96.15%；仅1枚穿出骶椎进入骶管评为Ⅰ级(3.85%)。术后根据Matta影像学评估复位情况：优10例，良2例。末次随访依据Majeed功能评分标准[13]：优8例，良4例。

3.3 典型病例 41岁男性患者，因“骨盆机器挤压伤后2 h”入院，入院诊断：骨盆骨折C3型、尿道断裂。急诊在泌尿外科行腔镜下尿道会师耻骨上膀胱造瘘术后10 d转入骨科，病情平稳后(外伤后17 d)在全麻下行3D打印导板引导下的C3型骨盆骨折全螺钉内固定术。术后复查X线片及三维CT，结果显示骶髂关节螺钉位置良好(见图3～8)。

4 讨 论

4.1 骶髂关节螺钉置入技术现状 骶髂关节螺钉固定是治疗复杂不稳定骨盆后环损伤的金标准[14-16]。目前常用的骶髂螺钉固定方式有：1枚S1螺钉、1枚S2螺钉、2枚S1螺钉、1枚S1+1枚S2、2枚S1+1枚S2、S1贯穿螺钉等，可以经皮或切开置入。经皮骶髂螺钉创伤小，固定牢靠，患者功能恢复快，但是由于骶髂关节及骶骨复杂的解剖结构，骶髂螺钉准确放置要求医生经验丰富，术前规划细致，才能防止医源性骶骨周围神经血管等结构损伤风险[17-19]。最佳的骶髂螺钉置钉关键在于进钉点及螺钉通道的设计，理想的骶髂螺钉路径是经髂骨穿过骶髂关节进入骶椎椎体内，不穿透骶椎皮质，不损伤马尾神经、髂血管、L5S1神经根及椎间隙。为避免这种潜在的并发症，临床上已有多种先进的技术被应用于辅助置钉[20-23]，包括O-ARM导航系统、骨科手术机器人、3D打印钉道导板、体外导向装置等。O-ARM导航由手术透视系统、图像显示系统和手术导航系统组成，可提供实时的三维图像，直观显示螺钉和重要解剖结构的相对位置。在虚拟导针的引导下置入螺钉，明确提高置钉准确性，较传统的C型臂透视能明显节约手术时间，透视次数少，但采集图像需要大量时间，设备操作复杂。骨科手术机器人根据术前成像、术中实时跟踪和机械手臂辅助进行位置规划，能显著提高螺钉置入的精准度，X线辐射量低，减少放射暴露的风险，可用于经皮骶髂螺钉内固定手术，但是仪器设备费用昂贵、成本高、难以在国内普及使用。目前哪种技术辅助骶髂关节螺钉置入为最佳尚无定论。

图3 术前X线片示C3型骨盆骨折 图4 术前三维CT示C3型骨盆骨折 图5 骨盆3D打印骶髂螺钉导板、螺钉通道虚拟路径设计

图6 术中骶髂螺钉导板引导下置入骶髂关节螺钉 图7 术后X线片示骶髂螺钉位置满意 图8 术后三维CT示骶髂螺钉位置满意

4.2 3D打印导板辅助骶髂螺钉置钉的优势 3D打印导板是基于骨盆CT扫描数据通过数字化软件三维重建后，计算机辅助设计的钉道导向模板，实现了个体化、精准化的手术治疗，为置入骶髂螺钉提供了一种简便的导航装置[24-26]。与传统的C型臂透视置钉法比较，该技术可在计算机上进行细致的术前规划，模拟设计骶髂关节螺钉进钉点、导针角度及螺钉置入长度，运用3D打印技术得到1∶1骨盆骨折模型，术前在模型上模拟手术，术中通过导板完成螺钉的置入，降低了手术难度，临床实用价值较高。陈宣煌等[27]选用30例3D打印的骨盆模型，在置钉开始前先通过Mimics软件预测出骶髂螺钉进钉点和螺钉通道，再使用3D打印导航模板辅助置钉操作。结果表明：在骶髂螺钉置钉过程中，采用Mimics软件术前设计的螺钉与3D打印导航模板辅助置钉操作的实际效果高度一致，临床应用价值高。刘毅等[28]采用该方法治疗5例患者，先获取患者术前骨盆CT扫描数据，计算机建模并设计骶髂关节螺钉进钉点和骨性通道及配套的钉道导板，3D打印出骨盆骨折模型和导板实体，在术前进行预手术，术中共置入5枚骶髂关节螺钉。结果表明：运用3D打印导板引导骶髂螺钉置钉，手术时间短，透视少，置钉准确，术后优良率高。Wu等[29]回顾性分析37例骶骨骨折患者，共置入73枚骶髂螺钉，其中19例患者采用3D打印导板辅助共置入42枚螺钉(30枚S1，12枚S2)。首先利用CT数据计算机上构建骨盆三维模型，计算机模拟S1和S2骶髂螺钉置入，并设计了一款由底板和导管组成组配式3D打印导航模板，可以置入多枚螺钉，通过大约5 cm的切口和剥离骨面软组织，贴合导板，顺利置入螺钉，准确性高，透视少，手术时间短，避免了骨盆医源性结构损伤。Yang等[30]回顾性研究了40例骶髂螺钉固定患者，分为体外模板组(22例37枚)和常规C型臂X线机透视组(18例22枚)，比较两组间每枚螺钉的手术时间、透视照射时间、螺钉穿准确性率。结果两组差异均有统计学意义，体外导板为经皮髂骶螺钉置入提供了一个准确和安全的导航工具，可减少置钉手术时间和透视辐射的风险。

本实验中采用8具骨盆标本模型薄层CT扫描，在实验前先通过计算机模拟出骶髂螺钉虚拟钉道进钉点及方向，设计出导板模型并3D打印，将导板帖服于髂后上棘，通过导板辅助置钉，结果显示所有螺钉均顺利置入，CT三维重建评估置钉准确率为93.75%。同期采用该方法治疗12例骨盆骨折患者，共置入骶髂螺钉26枚，25枚完全位于骶椎椎体内，准确率为96.15%；另外1枚穿出骶椎进入骶管评为2级(3.85%)，但没有骶神经症状。术后根据Matta影像学评定复位情况：优10例，良2例；末次随访依据Majeed功能评分标准：优8例，良4例。因此，临床手术中应用3D打印骶髂螺钉导板结合实时C型臂X线机，透视克氏针导针在骨盆骶髂关节内的位置及进入深度，可提高置入骶髂关节螺钉的准确性。进一步证明3D打印导板辅助置入骶髂螺钉准确性及安全性较高，疗效确切。

4.3 3D打印导板辅助骶髂螺钉置钉的局限性 3D打印导板辅助骶髂螺钉置钉有一定的缺陷，仅适用于骶髂关节脱位或骶骨骨折通过牵引能基本复位者，如果无法闭合复位，需要切开行骶髂关节复位后才能行骶髂螺钉固定；如果骶骨骨折同时合并骶神经症状，需先行骶管切开减压骶神经探查。导板的正确放置至关重要，如导板与骨面帖服有误差，也可能会导致螺钉位置偏移引起医源性损害，且放置导板时需切开剥离导板底座骨面的软组织，显露髂后上棘骨性标志，较传统经皮置钉创伤更大。同时也需要结合术中C型臂透视确认导针位置，才能实现一次性置钉。

综上所述，3D打印个体化导板辅助骶髂螺钉置钉准确、安全、有效，降低了手术难度，操作简便，设备要求低，适合基层医院推广。