引用本文： 吴超, 邓佳燕, 谭伦, 林旭, 袁德超. 逐级扩大型 3D 打印导板系统辅助寰枢椎椎弓根植钉准确性分析及临床应用. 中国修复重建外科杂志, 2019, 33(2): 212-218. doi: 10.7507/1002-1892.201807129 复制
上颈椎包括寰椎和枢椎，是维系头部和躯体的重要结构，严重创伤等因素可致寰枢椎骨折、脱位，最终导致患者瘫痪、危及生命等[1]。因此，必须及时进行诊断、处理并恢复其结构稳定[2]。目前，后路经椎弓根钉棒系统内固定是治疗寰枢椎骨折、脱位的常规术式[3]，但由于寰枢椎解剖结构较为复杂，且紧邻脊髓、椎动脉等重要结构，一旦植钉失误，可能导致严重并发症[4]。谭明生等[5]通过对 42 例寰枢椎脱位患者植入椎弓根螺钉共 84 枚，其中 4 枚出现椎动脉穿孔现象；张丙磊等[6]通过对枢椎椎板和椎弓根解剖学参数的测量，提出椎板螺钉相对于椎弓根螺钉，椎动脉损伤可能性更小，但其力学稳定性还有待探讨；陈其昕等[7]通过影像学测量建立寰椎侧块螺钉进钉的安全区域，该方法适用于 93% 患者，但其安全区域非常狭小，需术前反复确认，对医生技能和临床经验要求高。因此，如何提高寰枢椎椎弓根植钉的安全性和准确性尤为重要。
随着 3D 打印技术在脊柱外科的广泛应用，许多研究者设计了个性化 3D 打印导航模板，并在术中辅助寰枢椎螺钉的植入[8-10]。但在实际手术中，由于椎弓根螺钉的植入包括螺钉进钉点确定、进钉方向判断和钉道扩大等多个步骤，故初期单一导航模板（以下简称初期导板）无法引导实施螺钉植入的每一个步骤，术中易出现导板导向管过长放置困难、变形、术中更改钉道困难等问题，造成植钉失败[11]。因此本研究中，我们在初期导板的基础上进行改进，设计了一套逐级扩大型 3D 打印导板系统（逐级导板）辅助寰枢椎椎弓根植钉，该系统包括定位导板、钻孔导板和攻丝导板，按植钉顺序辅助螺钉植入的每一步操作，逐级扩大，提高了准确性。现回顾分析 2015 年 5 月—2017 年 5 月，我院分别采用初期导板和逐级导板辅助寰枢椎椎弓根螺钉植入的寰枢椎骨折、脱位患者临床资料，探讨逐级导板辅助寰枢椎椎弓根植钉的可行性。报告如下。
1 临床资料
1.1 患者选择标准
纳入标准：① 寰枢椎骨折、脱位，影像学提示不稳定者；② 术前 CT 示寰枢椎无明显畸形，可行椎弓根螺钉内固定；③ 术前牵引证实脱位能复位者；④ 术中应用逐级导板或初期导板辅助寰枢椎椎弓根螺钉内固定。排除标准：① CT 示椎弓根细小，不能容纳椎弓根螺钉固定；② 合并严重内科疾病，不能耐受手术者；③ 骨质严重疏松或存在感染者；④ 肿瘤患者。2015 年 5 月–2017 年 5 月共 33 例患者符合选择标准纳入研究，按术中辅助植钉方式不同分为试验组（19 例，应用逐级导板辅助寰枢椎椎弓根螺钉内固定）和对照组（14 例，应用初期导板辅助寰枢椎椎弓根螺钉内固定）。
1.2 一般资料
试验组：男 11 例，女 8 例；年龄 29～64 岁，平均 37.5 岁。致伤原因：高处坠落伤 9 例、交通事故伤 7 例、重物压伤 3 例。枢椎齿状突骨折 7 例，齿状突骨折伴脱位 6 例，寰椎骨折脱位 6 例。Frankel 分级：D 级 3 例、E 级 16 例。对照组：男 8 例，女 6 例；年龄 23～54 岁，平均 39.2 岁。致伤原因：高处坠落伤 7 例、交通事故伤 5 例、重物压伤 2 例。枢椎齿状突骨折 6 例，齿状突骨折伴脱位 5 例，寰椎骨折脱位 3 例。Frankel 分级：D 级 2 例、E 级 12 例。
两组患者性别、年龄、致伤原因、损伤节段及类型、术前 Frankel 分级等一般资料比较差异均无统计学意义（P>0.05），具有可比性。本研究获自贡市第四人民医院医学伦理委员会批准，患者均签署知情同意书。
1.3 导板设计和3D打印
1.3.1 寰枢椎三维模型重建
所有患者行术前颈椎 CT 扫描，扫描参数：电压 120 kV，电流 185.25 mAs，矩阵 512×512 像素，层厚 0.625 mm。将颈椎 CT 原始 DICOM 数据导入 Minics19.0 软件（Materialise 公司，比利时）；选取骨骼 CT 阈值新建二维蒙板（可根据患者骨密度适当调整阈值），通过“segment”模块对寰枢椎进行分割，提取寰枢椎二维蒙板，并进行三维重建，得到寰枢椎的三维模型。
1.3.2 模拟植钉
在“MedCAD”模块中，选择圆柱体代表螺钉，并在 Mimics21.0（Materialise 公司，比利时）软件中模拟植钉。圆柱体直径设置为 3.5 mm，沿寰枢椎椎弓根方向由后方植入，并在横断面、冠状面、矢状面调整螺钉位置，保证圆柱体在上述 3 个断面均为突破骨皮质。见图 1a、b。将上述三维模型及圆柱体存为 STL 格式文件。
1.3.3 导板系统设计
逐级导板系统：① 将上述 STL 文件导入 3-matic 13.0 软件（Materialise 公司，比利时）。② 在寰枢椎表面，以螺钉进钉点为中心向周围扩散进行“mark”标记，提取寰枢椎表面结构，并以 3 mm 厚度反向拉伸，得到导板与椎体后方的贴附底座。③ 根据椎体的整体形态和棘突结构，沿棘突方向勾画草图，并将草图转化为实体模型，即导板横连和支撑结构。④ 复制上述圆柱体，并将其直径改为 2.2 mm，贴附底座减去该圆柱体，便得到仅包含定位孔的底座；将导板横连、支撑结构与贴附底座进行布尔合并，定位导板设计完成（无导向管）。⑤ 再次复制圆柱体，将其直径设置为 6 mm，将 6 mm 圆柱体与“②”中底座合并为整体，该整体减去 2.2 mm 圆柱体，便得到包含导向管的贴附底座；同样将其与导板横连、支撑结构布尔合并，钻孔导板（导向管内径 2.2 mm，长 10 mm）设计完成。⑥ 重复上述步骤设计攻丝导板（导向管内径 3.5 mm，长 15 mm）。见图 1c～e。
初期导板系统：设计步骤与逐级导板类似，但每个椎体仅为 1 个，导向管内径 2.2 mm，长 15 mm。
1.3.4 导板系统及颈椎模型的3D打印及后处理
将上述导板存为 STL 格式文件，传入 3DS Projet3600 型光敏树脂打印机（3D SYSTEMS 公司，美国），打印材料为 VisiJet® M Crystal Plastic Material-Natural 医学模型材料；待打印完毕取出模型，置烤箱加热至蜡支撑大量融化（烤箱温度 55～65℃），然后置超声波煮至蜡支撑全部融化，清水冲洗干净。寰枢椎 STL 文件传入 FAB460 型 3D 打印机（3DTALK，江苏时间环三维科技有限公司），设置打印参数，打印材料为国产聚乳酸材料；打印完毕后，去除支撑，进行光滑处理，得到最终打印导板和寰枢椎打印实物。见图 1f、g。
1.4 术前准备
术前两组均在 3D 打印模型上进行模拟手术。试验组：将上述导板逐一放置于椎板及棘突后部，观察导板和模型是否紧密结合；通过定位导板确定进钉点，通过钻孔导板钻入直径 2.0 mm 克氏针，通过攻丝导板进行钉道攻丝。肉眼观察上述步骤中是否有骨皮质突破，术前验证逐级导板系统的准确度。见图 1h、i。对照组：术前仅将初期导板贴附于模型上模拟手术，观察钉道情况。术前导航导板及模型均通过等离子低温消毒，备用。
图1
逐级导板设计、3D打印及术前模拟手术
a、b. 术前模拟植钉；c. 设计定位导板；d. 设计钻孔导板；e. 设计攻丝导板；f、g. 打印好的模型和导板实物；h、i. 术前基于打印模型模拟手术
Figure1. Progressive navigation template design, 3D printing, and preoperative simulationa, b. Simulation of screw placement; c. Design of screw positioning guide plate; d. Design of drilling guide plate; e. Design of tapping guide plate; f, g. Printed model and guide plate; h, i. Preoperative simulation based on printed model
1.5 手术方法
所有手术均由同一主刀医师完成，内固定为北京威高亚华开发有限公司产品。患者于全麻下取仰卧位，脱位患者颅骨牵引维持复位状态。
试验组：颈后上部正中入路，显露寰枢椎后部骨性结构，根据逐级导板贴附底座在骨质上的位置和大小，仔细剥离附着的肌肉和韧带。首先安置定位导板，将其底座贴附寰枢椎椎板、棘突后方，观察其贴合度，助手按压导板上方横联结构并维持导板与骨质的严密贴合，术者用高速磨钻或克氏针（直径均为 2.0 mm）通过底座上的导向孔确定进钉点位置；然后更换钻孔导板，再次确认与骨质严密贴合，用手钻通过其导向管确定进钉方向，并以每次增加 2 mm 逐一加深钉道，每次加深前均使用探子探查钉道有无突破骨皮质；最后更换攻丝导板，更换螺钉丝锥在其导向管引导下扩大钉道。探子确认无皮质突破后植入直径 3.5 mm 万向椎弓根螺钉，C 臂 X 线机透视螺钉位置满意及脱位纠正。使用已预弯好的连接棒固定寰枢椎。本组共设计并打印导板 114 个，植入椎弓根螺钉 76 枚。冲洗伤口缝合，术毕。
对照组：手术入路同试验组，植钉方式按王飞等[12]介绍的方法，在初期导板辅助下植钉。本组共设计并打印导板 84 个，植入椎弓根螺钉 56 枚。
1.6 术后处理
术后患者卧床，制动，轴向翻身。术后预防性应用抗生素 1～2 次，术后第 2 天引流量<50 mL/h 时拔除引流管。有神经损伤的患者术后常规应用激素和脱水剂 3～5 d。术后 3 d 支具保护下下床活动，颈托或支具固定 3 个月。术后患者常规行 X 线片及 CT 检查。
1.7 疗效评价指标
1.7.1 螺钉植钉安全性
在术后即刻 CT 片上采用 Kawaguchi 等[13]方法评价螺钉与椎弓根的相对位置：0 级，螺钉全部位于椎弓根内；Ⅰ级，螺钉穿出椎弓根壁≤2 mm，未出现并发症；Ⅱ级，螺钉穿出椎弓根壁>2 mm，未出现并发症；Ⅲ级，螺钉穿出椎弓根壁>2 mm 且伴椎动脉、神经根损伤等严重并发症。
1.7.2 螺钉进钉点准确性
在 Mimics21.0 软件中导入患者术后即刻 CT 原始 DICOM 格式数据，三维重建寰枢椎三维模型及椎弓根螺钉。通过“image registration”将术前模拟植入圆柱体的工程文件也一并导入，并与术后工程文件进行图像配准。测量术后螺钉与圆柱体中心在进入皮质骨时的距离，即为术后螺钉进钉点偏移量。
1.7.3 螺钉角度准确性
按 1.7.2 方式将手术前后的寰枢椎三维模型配准。测量术后螺钉与模拟植入圆柱体中心在三维坐标系中 X、Y、Z 轴方向上的角度差值，即为术后螺钉方向偏差。计算方法如下：所有坐标值均基于以 CT 扫描定位为原点，患者平躺，矢状面向左为 X 轴正向，冠状面向后为 Y 轴正向，横断面向上为 Z 轴正向，X1、Y1、Z1 是钉道入针点的三维坐标，X2、Y2、Z2 是钉道出针点的三维坐标；按以下公式计算钉道在 XOZ、XOY、YOZ 平面的角度偏移量，以 YOZ 平面为例：cosβ=
。
1.8 统计学方法
采用 SPSS19.0 统计软件进行分析。计量资料以均数±标准差表示，组间比较采用独立样本 t 检验；计数资料以率表示，组间比较采用 χ2 检验；检验水准 α=0.05。
2 结果
试验组导板设计及打印时间共 7～9 h，对照组为 6～8 h。所有患者均顺利完成手术，试验组手术时间及术中出血量分别为（100.62±12.27）min、（183.76±53.90）mL，均显著少于对照组的（112.76±19.93）min、（247.48±80.88）mL，差异均有统计学意义（t=–2.360，P=0.022；t=–3.006，P=0.004）。两组患者均获随访，随访时间 12～40 个月，平均 25.3 个月。无重要血管损伤及神经损伤加重发生。术后即刻 X 线片及 CT 示脱位均得到纠正。螺钉植钉安全性评价显示，试验组 76 枚螺钉均为 0 级，植钉安全性 100%；对照组 0 级 51 枚、Ⅰ级 3 枚、Ⅱ级 2 枚，植钉安全性 91.1%；两组比较差异有统计学意义（χ2=7.050，P=0.030）。术后试验组螺钉进钉点偏移量和 XOY、YOZ 平面角度偏移量均显著小于对照组，差异有统计学意义（P>0.05）；两组 XOZ 平面角度偏移量差异无统计学意义（t=1.060，P=0.290）。见表 1、图 2。
表1
两组患者术后寰枢椎螺钉进钉点偏移量和角度偏移量比较（
）
Table1.
Comparison of screw insertion point deviation and angle deviation between the two groups (
)
图2
试验组患者，女，55岁，跌伤致枢椎齿状突骨折
a. 术前 CT 示枢椎齿状突骨折；b～d. 术中在逐级导板引导下确定进钉点、钉道及攻丝；e. 术后即刻冠状位 CT 示螺钉位置良好；f、g. 术后即刻椎弓根轴位 CT 示螺钉位置良好
Figure2. A 55-year-old female patient with axial dentate fracture caused by falling in trial groupa. Preoperative CT showed axial dentate fracture; b-d. The screw insertion point, nailing direction, and tapping were determined by progressive navigation template during operation; e. The postoperative immediate CT showed screws were in good position; f, g. The postoperative immediate axial CT of the pedicle showed screws were in good position
3 讨论
3.1 寰枢椎植钉治疗进展
目前，固定寰枢椎的植钉方式有椎弓根螺钉、椎板螺钉和侧块螺钉。张美超等[14]通过建立寰枢椎侧块钉板模型，通过有限元分析评价寰枢椎侧块钉板装置的力学性能，发现钢板中部两侧以及螺钉植入椎体根部容易产生应力疲劳，临床应用中需要做好预防和补救措施；Sugimoto 等[15]认为椎板螺钉适用于椎弓根狭小、椎动脉畸形以及短颈后凸畸形等患者，但其力学稳定性还有待验证；Li 等[16]认为椎弓根螺钉因其较好的力学稳定性，是目前治疗寰枢椎骨折脱位的首选植钉方式，但如何安全、准确地植入寰枢椎椎弓根螺钉是临床需要解决的问题。传统徒手植钉对主刀医生的临床经验和技术要求高，且极易出现钉道突破椎弓根皮质的现象；计算机导航在椎弓根螺钉植入中的应用，在一定程度上提高了植钉的安全性和准确性，但也有穿破椎弓根皮质的现象[17]，且不容易在基层医院普及。随着数字医学在临床逐步应用，大量研究表明，3D 打印导航模板辅助椎弓根螺钉植入能显著提高植钉的安全性和准确率[18-19]。
3.2 逐级导板系统的优点
本研究中，我们设计并打印了逐级导板系统，其包括定位导板、钻孔导板和攻丝导板，在手术中逐一应用，获得了较好的临床效果。该方法的主要优势是：① 植钉准确性较高：所有导板独立贴附于骨质上，不会随术中体位改变而出现不能严密贴附的情况，试验组植钉准确率达 100%，验证了其有较好的准确性。② 能精确匹配术前设计：在本研究中定位导板因为没有导管结构，不受周围软组织的影响，因此在术中容易放置，在确定进钉点时也可直接观察导向孔位置，避免确定进钉点时因剪力而出现偏移；本研究中试验组进钉点偏移量仅为（0.78±0.70）mm，优于对照组。钻孔导板导管内径为 2.2 mm，术中刚好能容纳直径 2.0 mm 手钻，且导管长度较短，也较容易放置，因此能较为紧密地贴附于骨质上，提高植钉方向的准确性；本研究中试验组 YOZ、XOY 平面角度偏移量均小于对照组，提示其角度偏差较小。攻丝导板具有更大内径的导管，能使攻丝过程在导管引导下进行，确保在攻丝过程中不改变方向，提高精准度。③ 可减少术中出血量和手术时间：本研究中逐级导板系统手术时间为（100.62±12.27）min，术中出血量为（183.76±53.90）mL，均优于文献报道的徒手植钉相关数据[20-22]。考虑其原因可能是：仅需依据导板基座的大小进行剥离，减少了出血；植钉准确度较高，避免了反复植钉；术中仅需几次透视，减少了手术时间。④ 时效性能满足手术要求：逐级导板系统虽然增加了导板数量，看似增加了导板设计和打印时间，但由于各组件是布尔组合，并未增加打印高度，因此最终增加的打印时间并不明显。本研究中对照组导板打印和设计时间仅比试验组多 1 h 左右，完全能满足临床要求。⑤ 费用较低：本研究中逐级导板虽然增加了导板数量，但因为导板重量较轻，并不会明显增加打印耗材，据测算每个导板即使使用进口打印材料，成本也不足 100 元，若使用国产材料，价格会更低。
3.3 逐级导板术前设计和术中应用注意事项
逐级导板术前设计需注意以下几点：① CT 数据来源：层厚应尽量小，不能超过 1 mm，这样可以提高建模和导板的精度[23]。② 底座贴附面的设计：贴附面最好包含寰枢椎重要解剖标志，枢椎应包含棘突根部，且容易放置；寰椎因没有棘突，且头侧有椎动脉跨过，因此最好包含后弓尾侧部分结构，以提高术中放置的稳定性和准确度。③ 逐级导板系统导向孔、导向管的内径是根据使用的内固定器械配套设计，为使操作器械能顺利通过且无明显晃动，导向孔、导向管内径应比操作器械大 0.2 mm。④ 最好在导板顶部设计横连结构，并于术中按压固定。⑤ 对于可否将 3 种逐级导板组合成 1 种，我们认为并不可取，原因是：增加卡扣等结构加大了设计难度；颈部伤口较深，术中在体内组装困难；增加的卡扣结构容易术中断裂残留体内。因此，建议导板设计尽量简化单一。
术中应用逐级导板注意事项：① 术中剥离：术中需依据导板底座贴附面完全剥离软组织[24]；② 术中需助手持续加压固定导板横连结构，保证其贴附面和骨质的严密贴合；③ 定位导板确定进钉点时仅磨去表面骨皮质，避免形成假道；④ 钻孔导板最好用手椎逐一加深钉道，有误时及时调整；⑤ 攻丝导板其导管稍长，要注意软组织张力的影响。
综上述，逐级导板系统辅助寰枢椎椎弓根螺钉内固定治疗寰枢椎骨折脱位，相对于初期导板能减少手术时间和术中出血量，提高植钉安全性，更能精确匹配术前设计。但由于本研究病例数较少，需扩大样本量、延长随访时间，进一步证实疗效。
