3D打印技術(shù)用于腰椎椎弓根螺釘植入術(shù)的可行性分析

王雅輝，劉正蓬

(承德醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院，河北承德067000)

3D打印技術(shù)用于腰椎椎弓根螺釘植入術(shù)的可行性分析

王雅輝，劉正蓬

(承德醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院，河北承德067000)

目的探討3D打印技術(shù)指導(dǎo)腰椎椎弓根螺釘植入術(shù)的可行性。方法提取40例健康人腰椎(L1～5)薄層CT掃描數(shù)據(jù)，在椎弓根中心設(shè)計(jì)導(dǎo)航，獲得導(dǎo)航模塊。通過3D打印技術(shù)打印出導(dǎo)航模塊和腰椎模型，在導(dǎo)航模塊輔助下植入腰椎椎弓根螺釘，觀察植入螺釘?shù)倪M(jìn)釘點(diǎn)、進(jìn)釘方向及螺釘在椎弓根內(nèi)的位置，明確椎弓根皮質(zhì)是否破壞。在導(dǎo)航模塊輔助下，于成人腰椎(尸體)標(biāo)本上實(shí)施腰椎椎弓根螺釘植入，評(píng)價(jià)置釘效果。結(jié)果3D打印腰椎模型及成人腰椎標(biāo)本應(yīng)用導(dǎo)航模塊均進(jìn)行98次(置釘98枚)置釘實(shí)驗(yàn)，其中L1均為18枚、L2均為22 枚、L3均為21 枚、L4均為19 枚、L5均為18枚，虛擬釘?shù)篱L度與實(shí)際釘?shù)篱L度比較差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)。全部螺釘?shù)倪M(jìn)釘點(diǎn)、進(jìn)釘方向及螺釘于椎弓根內(nèi)的位置均與方案中預(yù)見的釘?shù)老喾?，均未損傷椎弓根旁其余結(jié)構(gòu)。結(jié)論3D打印腰椎導(dǎo)航模塊可指導(dǎo)腰椎螺釘植入，植入的螺釘在進(jìn)釘點(diǎn)、進(jìn)釘方向及固定位置等方面均無偏差。

腰椎損傷；3D打印技術(shù)；導(dǎo)航模塊；椎弓根螺釘植入

植入腰椎椎弓根螺釘是最常用的脊柱內(nèi)固定方法之一，在臨床骨科手術(shù)中應(yīng)用廣泛。椎弓根毗鄰神經(jīng)及脊髓等重要結(jié)構(gòu)，生理功能重要且解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，普通醫(yī)學(xué)影像手段難以顯示脊柱椎體形態(tài)變化，難以為脊柱外科手術(shù)提供全面的解剖信息，是導(dǎo)致椎弓根螺釘植入失敗的原因之一[1～3]。3D打印技術(shù)通過對健康人椎體結(jié)構(gòu)進(jìn)行3D建模，在椎弓根中心設(shè)計(jì)導(dǎo)航，獲得導(dǎo)航模塊，在導(dǎo)航模塊的輔助下植入椎弓根螺釘，實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)準(zhǔn)確置釘[4～6]。本研究探討3D打印技術(shù)用于腰椎椎弓根螺釘植入術(shù)的可行性。

1 臨床資料

選取2013年11月～2014年12月在我院體檢中心體檢的健康人40例，男22例、女18例，年齡25～37(32.3±2.3)歲，BMI 19～24(21.7±2.3)。另選防腐健康成人腰椎骨骼標(biāo)本49個(gè)(南通醫(yī)學(xué)院解剖教研室)，L19個(gè)、L211個(gè)、L38個(gè)、L410個(gè)、L511個(gè)，來源尸體男28例、女21例，年齡25～37(32.5±2.3)歲。

2 方法與結(jié)果

2.2 導(dǎo)航模型制備及模擬置釘

2.2.1 導(dǎo)航模型制備 提取40例健康人腰椎(L1～5)薄層CT掃描數(shù)據(jù)，并進(jìn)行腰椎三維模型重建，得到椎體斷層圖；對圖像進(jìn)一步處理，調(diào)整灰度級(jí)對比度，去掉椎體周圍軟組織陰影，修補(bǔ)圖像缺損部位，得到對應(yīng)椎體節(jié)段的三維模型。建模后調(diào)整設(shè)計(jì)導(dǎo)航桿，使導(dǎo)航桿以最佳位置穿過椎弓根中心，測量虛擬釘?shù)篱L度。調(diào)整導(dǎo)航桿位置，使其與腰椎“人”字嵴部位骨面重合，通過布爾運(yùn)算減去導(dǎo)航桿和相應(yīng)腰椎，得到具有導(dǎo)航通道(直徑 2 mm)的導(dǎo)航模塊。

2.2.2 模擬置釘 導(dǎo)航模塊前端與腰椎“人”字嵴部位的骨面完全反向，以良好固定在“人”字嵴處。采用Renishaw 3D 打印機(jī)，以選擇性激光熔化技術(shù)打印最終模擬的導(dǎo)航模塊。打印精度為 0.3 mm。將打印好的導(dǎo)航模塊固定在腰椎“人”字嵴部位骨面上，用電鉆(直徑2 mm的克氏針作為鉆頭)沿導(dǎo)航通道鉆出釘?shù)溃瑴y量進(jìn)釘點(diǎn)到出釘點(diǎn)的長度(實(shí)際釘?shù)篱L度)。采用直徑5 mm的鉆頭對釘?shù)肋M(jìn)行擴(kuò)容，根據(jù)虛擬測量的椎弓根最狹窄處的寬度、高度和實(shí)際釘?shù)篱L度選擇合適規(guī)格的螺釘(螺釘直徑一般為椎弓根橫徑的70%左右，螺釘長度為進(jìn)釘通道長度的80%左右)。植入椎弓根螺釘后，觀察椎弓根螺釘?shù)倪M(jìn)釘點(diǎn)、進(jìn)釘方向和螺釘在椎弓根內(nèi)的位置。

2.2.3 螺釘植入效果評(píng)價(jià) 應(yīng)用導(dǎo)航模塊共進(jìn)行98次(置釘98枚)模擬置釘實(shí)驗(yàn)，其中L118枚、L222 枚、L321 枚、L419 枚、L518枚，各段腰椎的虛擬釘?shù)篱L度與實(shí)際釘?shù)篱L度比較差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)，見表1。全部螺釘?shù)倪M(jìn)釘點(diǎn)及方向均與方案中預(yù)見的釘?shù)老喾?，均未損傷椎弓根旁其余結(jié)構(gòu)。

2.3 導(dǎo)航模塊輔助下腰椎椎弓根螺釘植入 取防腐成人腰椎骨骼標(biāo)本49枚，在2.1中3D導(dǎo)航模塊輔助下于骨骼標(biāo)本置釘。具體方式：術(shù)前以甲醛熏蒸消毒導(dǎo)航模塊，傳統(tǒng)后路正中切口，清除腰椎“人”字嵴部位骨膜周圍軟組織，完全暴露“人”字嵴部位骨面，隨后將導(dǎo)航模塊緊密貼合于腰椎。待固定牢固后，一手握持導(dǎo)航模塊中后部，另一手持電鉆順著導(dǎo)航通道方向鉆一進(jìn)釘通道，深度約為15 mm。采用2.0 mm直徑的椎弓根探子通過椎弓根與椎體到達(dá)預(yù)定深度。采用5 mm絲錐攻絲，以球形探針對四壁進(jìn)行探測，明確骨質(zhì)是否光滑連續(xù)。如無異常，緩慢擰入合適的螺釘。待置釘完畢后，采用C型臂X光機(jī)進(jìn)行透視，明確螺釘植入情況。

表1 腰椎導(dǎo)航模塊虛擬釘?shù)篱L度與實(shí)際釘?shù)篱L度比較

應(yīng)用導(dǎo)航模塊在成人腰椎骨骼標(biāo)本上進(jìn)行 98 次(置釘98枚)置釘實(shí)驗(yàn)，其中L118枚、L222 枚、L321 枚、L419 枚、L518枚，各段腰椎的虛擬釘?shù)篱L度與實(shí)際釘?shù)篱L度比較差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)，見表2。全部螺釘?shù)倪M(jìn)釘點(diǎn)及方向均與方案中預(yù)見的釘?shù)老喾?，均未損傷椎弓根旁其余結(jié)構(gòu)。

表2 腰椎標(biāo)本虛擬釘?shù)篱L度與實(shí)際釘?shù)篱L度比較

3 討論

脊柱生理功能重要且解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，脊柱外科手術(shù)需要更加精確的解剖定位，術(shù)者還需克服術(shù)中視野不開闊、清晰度不足等問題，提高手術(shù)精確度，從而達(dá)到更好的治療效果[7～9]。腰椎植入椎弓根螺釘是最常用的腰椎內(nèi)固定方法之一，在臨床脊柱外科手術(shù)中應(yīng)用廣泛。椎弓根毗鄰神經(jīng)及脊髓等重要結(jié)構(gòu)，且腰椎椎弓根椎管狹長，如何在保證精確度及減少損傷的情況下將螺釘植入椎弓根，是臨床亟待解決的問題[10～12]。

數(shù)字化設(shè)計(jì)的顯著特色是可以在虛擬環(huán)境中通過反復(fù)修改而獲得最優(yōu)化的虛擬手術(shù)方案，通過設(shè)計(jì)并3D打印導(dǎo)航模塊輔助實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)手術(shù)中的設(shè)計(jì)方案[13～15]。3D打印模塊是綜合了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、輔助制造、數(shù)控技術(shù)等方法制備的三維模型。3D打印技術(shù)不僅可以在術(shù)前制備導(dǎo)航模型，還可進(jìn)行術(shù)前手術(shù)模擬，進(jìn)行虛擬釘?shù)罍y試，以提高手術(shù)操作精確性，增加材料契合度，減少由于螺釘植入不精確導(dǎo)致的脫落[16～18]。目前，3D打印技術(shù)常采用粉末狀金屬殼黏合材料打印三維模型，但打印材料的生物相容性、生物力學(xué)性能等仍需不斷探索[19～21]。

實(shí)現(xiàn)高精度的腰椎椎弓根螺釘植入不僅與手術(shù)設(shè)計(jì)方案的質(zhì)量直接相關(guān)，亦與導(dǎo)航模塊的打印精度以及實(shí)施方法關(guān)系密切。本研究對3D打印過程中各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行有效的質(zhì)量控制，在打印時(shí)采用選擇性激光熔化技術(shù)，該技術(shù)可將全部融化材料及金屬形成高致密度的材料，解決了以往選擇性激光燒結(jié)技術(shù)中由于金屬粉末融化度不高導(dǎo)致的材料致密度過低、強(qiáng)度不足、成型尺寸不準(zhǔn)確等問題。本研究應(yīng)用導(dǎo)航模塊對3D打印腰椎模型各節(jié)段進(jìn)行了 98 次模擬置釘實(shí)驗(yàn)，其中L118枚、L222枚、L321枚、L419枚、L518枚，各節(jié)段全部螺釘?shù)倪M(jìn)釘點(diǎn)及方向均與方案中預(yù)見的釘?shù)老喾磽p傷椎弓根旁其余結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步應(yīng)用導(dǎo)航模塊在成人人體骨骼標(biāo)本上進(jìn)行置釘，同樣植入腰椎椎弓根螺釘98枚，置釘效果與3D打印椎體置釘效果一致，即虛擬釘?shù)篱L度與實(shí)際釘?shù)篱L度比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，全部螺釘?shù)倪M(jìn)釘點(diǎn)及方向均與方案中預(yù)見的釘?shù)老喾希磽p傷椎弓根旁其余結(jié)構(gòu)；提示導(dǎo)航模塊可用于指導(dǎo)腰椎置釘。3D打印技術(shù)指導(dǎo)腰椎椎弓根螺釘植入尚存在一些不足[22，23]，如對于椎體“人”字嵴部位骨面相對平坦的患者，導(dǎo)航模塊的固定穩(wěn)定性不佳；為有效固定導(dǎo)航模塊，需徹底剝離“人”字嵴部位骨面周圍軟組織，如處理不當(dāng)，易導(dǎo)致導(dǎo)航模塊無法精確導(dǎo)航。

綜上所述，3D打印腰椎導(dǎo)航模塊可指導(dǎo)腰椎螺釘植入，植入的螺釘在進(jìn)釘點(diǎn)、進(jìn)釘方向及固定位置等方面均無偏差；3D導(dǎo)航模塊可輔助脊柱外科醫(yī)生實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)條件下椎弓根內(nèi)精準(zhǔn)螺釘置入。

[1] Devito DP, Kaplan L, Dietl R, et al. Clinical acceptance and accuracy assessment of spinal implants guided with Spine Assist surgical robot: retrospective study[J]. Spine, 2012,35(24):2109-2115.

[2] Modi H, Suh SW, Song HR, et al. Accuracy of thoracic pedicle screw placement in scoliosis using the ideal pedicle entry point during the freehand technique[J]. Int Orthop, 2012,33(2):469-475.

[3] Thomas CH, Athanasiov A, Wullschleger M, et al. Current concepts in tibial plateau fractures[J]. Acta Chir Orthop Traumatol Cech, 2012,76(5):363-373.

[4] 張春才.脛骨平臺(tái)骨折與Pilon骨折的診斷與治療[J].中國骨傷,2012,23(2):81-83.

[5] Gardner MJ, Schmidt AH. Tibial plateau fractures[J]. Knee Surg, 2014,27(1):3-4.

[6] Arand M, Kinzl L, Gebhard F. Sources of error and risks in CT based navigation[J]. Orthopade, 2012,31(4):378-384.

[7] Lu S, Xu YQ, Zhang YZ, et al. Rapid prototyping drill guide template for lumbar pedicle screws placement[J]. Chin J Traumatol, 2012,12(3):177-180.

[8] Lu S, Xu YQ, Zhang YZ, et al. A novel computer- assisted drill guide template for lumbar pedicle screws placement: a cadaveric and clinicalstudy[J]. Int J Med Robot, 2012,5(2):184-191.

[9] 陳玉兵,陸聲,徐永清,等.個(gè)體化導(dǎo)航模板輔助腰椎椎弓根螺釘置釘準(zhǔn)確性實(shí)驗(yàn)研究[J].中國脊柱脊髓雜志,2012,19(8):623-626.

[10] Reinhold M, Bach C, Audigé L, et al. Comparison of two novelfluoroscopy-based stereotactic methods for cervical pediclescrew placement and review of the literature[J]. Eur Spine, 2012,17(4):564-575.

[11] 卜祥朋,劉新宇.經(jīng)皮與開放胸腰椎椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)螺釘置入準(zhǔn)確性及安全性比較[J].山東醫(yī)藥,2015(6):63-64.

[12] 靳安民,姚偉濤,張輝,等.腰椎內(nèi)固定翻修術(shù)的初步研究[J].中華骨科雜志,2012,24(9):525-529.

[13] Sagi HC, Manos R, Benz R, et al. Electromagnetic field-based image-guided spine surgery part one:rsults of a cadaveric study evaluatinglumbar pedicle screws placement[J]. Spine, 2013,28(17):2013-2018.

[14] Karim A, Mukherjee D, Gonzalez-Cruz J, et al. Accuracy of pediclescrews placement for lumbar fusion using anatomic land marks versusopen laminectomy: a comparison of two surgical techniques in cadaveric specimens[J]. Neurosurgery, 2012,59(1):13-19.

[15] 陳曉雪,薛鋒.短節(jié)段椎弓根釘內(nèi)固定術(shù)聯(lián)合經(jīng)椎弓根植骨治療胸腰椎骨折療效觀察[J].山東醫(yī)藥,2015，55(39):39-41.

[16] 宋奇志,李濤.復(fù)雜型脛骨平臺(tái)骨折的手術(shù)治療[J].中國骨傷,2012,25(3):202-204.

[17] Kandemir U, Maclean J. Surgical approaches for tibialplateau fractures[J]. Knee Surg, 2014,27(1):21-30.

[18] Zielinski SM, Bouwmans CA, Heetveld MJ, et al. FAITH trial investigators. The societal costs of femoralneck fracture patients treated with internal fixation[J]. Osteoporos Int, 2014,25(3):875-885.

[19] 羅永祥,Akkineni AR, Anja Lode W, et al. 3-D打印:一種個(gè)性化制備復(fù)雜支架和組織工程植入物的多功能快速成型技術(shù)(英文)[J].中國修復(fù)重建外科雜志,2014,28(3):279-285.

[20] Yamazaki M, Okawa A, Akazawa T, et al. Usefulness of 3-dimen-sional full-scale modeing for preoperative simulation of surgery ina patient with old unilateral cervical fracture-dislocation [J]. Spine (Phila Pa 1976), 2012,32(18):532-536.

[21] Mizutani J, Matsubara T, Fukuoka M, et al. Application of full-scale three-dimensional models in patients with theumatoid cervi-cal spine[J]. Eur Spine J, 2012,17(5):644-649.

[22] D′Urso PS, Williamson OD, Thompson RG, et al. Biomodeling as an aidto spinal instrumentation [J]. Spine (Phila Pa 1976), 2012,30(24):2841-2845.

[23] Goffin J, Van Brussel K, Vander Sloten J, et al. 3D-CT based, per-sonalized drill guide for posterior transarticular screw fixation atC1-C2: technical note[J]. Neuro Orthopedics, 2012,1(25):47-56.

Feasibilityanalysisofapplying3Dprintingtechniquetolumbarvertebralpediclescrewimplantation

WANGYahui,LIUZhengpeng

(TheAffiliatedHospitalofChengdeMedicalCollege,Chengde067000,China)

ObjectiveTo explore the feasibility of 3D printing technique for lumbar vertebral pedicle screw implantation.MethodWe selected the thin CT scan data of 40 healthy human lumbar vertebrae (L1-5), and designed the navigation in the pedicle center to obtain the navigation module. Through 3D printing technology, we printed out the navigation module and lumbar model, and implanted the lumbar vertebral pedicle screw with the assistant of navigation module. Meanwhile, we observed the entry point, screw direction and screw position clearly to determine whether the pedicle cortex was damaged or not. With the assistance of the navigation module, we performed lumbar pedicle screw implantation on adult lumbar (body) specimens and evaluated the placement effect.ResultsWe applied the navigation module to perform 98 times of placement experiments (98 pedicle screws) in both the 3D printed lumbar models and adult lumbar specimens, including 18 times on L1, L222, L321, L419, and L518; no statistically significant difference was found between the virtual screw length and the actual screw length (allP>0.05). The entry point of all the screws, the direction of the screws and the position of the screw in the pedicle conformed to the predicted nail path, and all the other structures beside the pedicle were not damaged.ConclusionThe 3D printing lumbar navigation module can guide the lumbar screw implantation, and the implanted screws have no deviation in the entry point, the direction of the nail entry and the fixed position.

lumbar injury; 3D printing technique; navigation module; pedicle screw implantation

承德市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20157060)。

王雅輝(1985-)，男，主治醫(yī)師，研究方向?yàn)榧怪饪苹A(chǔ)與臨床。E-mail： wangyahui3310@163.com

劉正蓬(1983-)，男，主治醫(yī)師，研究方向?yàn)榧怪饪苹A(chǔ)與臨床。E-mail： 33104206@qq.com

10.3969/j.issn.1002-266X.2017.48.003

R683.2

A

1002-266X(2017)48-0009-03

2017-07-20)