3D打印导板在脊柱置钉中的应用研究进展

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快速成型***模板技术最早由Ｒadermacher等于1998年应用于腰椎椎弓根置钉研究，后该技术得到推广改良，现已广泛应用于颈椎、胸椎、腰椎以及更加复杂的寰枢椎、脊柱侧凸等置钉研究。

3D打印导板的制作

首先对目标椎体进行三维CT薄层扫描，扫描层厚在1mm左右，以Dicom格式保存。将Dicom格式文件导入3D图像生成及编辑处理软件，如mimics(Materialise公司)，生成目标椎体的三维模型，以STL格式导出。导入逆向工程软件，如UG(Siemens公司)、Imageware(EDS公司)，GeomagicStudio(Geomagic公司)等，设计最佳置钉通道，提取椎板、棘突及关节突后面的表面解剖形态，建立与其解剖形态相一致的反向模板。将置钉通道与模板拟合成一体，即形成带有导向孔的***模板，以STL格式保存。最后导入3D打印机，打印出椎体模型及置钉导板。

3D打印导板在脊柱外科置钉内固定中的应用

颈椎置钉

早期的学者通常使用带单侧导向孔的导板辅助置钉。Ryken等在4具颈椎标本上使用带单侧导向孔的模板置入20枚椎弓根螺钉，术后行CT确认螺钉位置。结果发现19枚(95%)螺钉完全在椎弓根内。近年来，逆向工程软件得到熟练应用，开始出现设计更加精细，带双侧导向孔的导板。Lu等在4具颈椎标本上置入双侧椎弓根螺钉，术后拍摄CT，按照以下标准划分等级。0级:螺钉完全在椎弓根内；1级:螺钉偏出＜2mm，或直径的一半；2级:螺钉偏出＞2mm，＜4mm，或大于直径的一半；3级:螺钉偏出＞4mm，或完全偏出。结果84枚螺钉中有82个0级，2个1级，未出现2、3级。导板辅助颈椎置钉技术不仅仅停留在实验室阶段，目前已有学者将该技术应用于临床。Kawaguchi等应用导板辅助置入C2～7椎弓根螺钉和Magerl钉，共治疗11例颈椎疾患，取得了极高的置钉精确度。

由于颈椎椎弓根相对细小，目前颈椎内固定手术中，侧块螺钉技术应用较广泛。但椎弓根螺钉内固定具有更长的钉道，更好的生物力学稳定性。导板辅助置钉技术的出现使颈椎椎弓根置钉精确度提高，或许能够使椎弓根置钉在临床得到更多的应用。

胸椎置钉

与颈椎、腰椎相比，胸椎的相对容积更小，内固定螺钉一旦侵入椎管，更易引起脊髓、神经损伤，所以胸椎置钉要求极高的精确度。研究证实导板辅助置钉技术应用于胸椎椎弓根置钉同样可以提供置钉精确度。Ma等将20例胸椎标本随机分成传统方法置钉组和导板辅助置钉组，共置入240枚椎弓根螺钉，结果显示两组的置钉精确度有统计学差异，导板辅助组优于传统组。临床上，Sugawara等在导板辅助下对10例患者置入58枚椎弓根，该研究使用了3种不同的导板，包括定位导板、钻孔导板和置钉导板，确保每一步操作都有导板的引导，可以获得更高的精确度。结果显示所有螺钉均未突破椎弓根皮质。

腰椎置钉

早在2001年，Birnbaum等对13具腰椎标本行椎弓根置钉，左侧行导板辅助置钉，右侧行传统透视方法置钉，结果显示导板辅助置钉具有更高的置钉精确度和更短的置钉时间。Lu等应用导板辅助置钉技术，对6具腰椎标本置入36枚椎弓根螺钉，术后CT显示所有螺钉均未突破骨皮质。对6例患者置入22枚椎弓根螺钉，结果显示所有螺钉位置均准确，置钉后仅需透视一次，并且导板辅助置钉大大减少置钉时间。此外，尚有学者使用单个导板辅助多阶段椎体置钉。

Merc等将20例腰椎患者随机分成导板辅助组和传统组，各置入54枚螺钉，结果显示导板辅助置钉组精确度更高。此研究即使用了可辅助多阶段椎体置钉的导板，Mercy指出，导板辅助多阶段置钉可以简化手术步骤，最多可以辅助3个阶段椎体置钉，还可以克服空间限制，对骶骨置钉。不过，对于导板辅助多阶段椎体置钉，术中相邻椎体微小的相对活动即会造成置钉的错误，风险极大。笔者认为，腰椎椎体宽大，且成人脊髓终于第一腰椎下缘或第二腰椎上部，因此使用传统方法经椎弓根置钉即可获得较好的准确度，且风险较小。导板辅助置钉可用于复杂性腰椎手术，如滑脱等。

寰枢椎置钉

寰枢椎置钉难度大，风险高，曾被称做手术“禁区”。寰椎后弓细小，上方有椎动脉沟，下方有神经根、静脉丛，内侧有脊髓，外侧有椎动脉孔。此外，寰枢椎常发生解剖变异，如椎动脉沟环、齿状突游离，更加加大了手术难度。然而，3D打印导板一定程度上降低了寰枢椎置钉的难度。术前打印出患者寰枢椎3D模型，可清楚的观察到解剖变异，再打印出相应的导板，术中在导板辅助下置钉，置钉的准确度得以提高。

Goffin等使用导板辅助对3具颈椎标本置入C1～C2Magerl钉，结果显示实际钉道和理想钉道相比，效果满意。Hu等对32具颈椎标本导板辅助下置入C1～C2Magerl钉，术后CT发现实际进钉点与理想进钉点无统计学差异。导板同样能辅助经寰枢椎椎弓根、侧块及C2椎板置钉。Lu等先制作出9例患者的椎体模型及导板，在椎体模型上行导板辅助椎板置钉，观察到准确度良好，再对患者行导板辅助下椎板置钉手术，取得较好的置钉准确度。Hu等对32具颈椎标本行导板辅助下椎弓根置钉，术后CT发现实际进钉点与理想进钉点无统计学差异。Kaneyama等对32例患者行导板辅助下置钉，共置入26枚椎弓根钉、12枚侧块钉、6枚C2椎板钉及4枚Margel钉，结果仅1枚螺钉位置欠佳，原因为软组织剥离不充分，导板放置不准确。

脊柱侧凸置钉

脊柱侧凸患者椎体旋转明显，同时侧凸常伴有椎体发育畸形。同寰枢椎类似，术前打印出患者椎体3D模型，可清楚的观察到椎体形态，再打印出相应的导板辅助置钉，可明显提高置钉准确度。

Lu等对16例脊柱侧弯患者行导板辅助椎弓根置钉，结果有157枚螺钉位于椎弓根内，11枚螺钉穿破皮质0～2mm(其中8枚属于in－out－in螺钉)，无穿破皮质＞2mm螺钉，置钉准确率(螺钉穿破皮质不超过2mm)100%。Putzier等对4例脊柱侧凸患者行导板辅助下置钉，共置入76枚螺钉，其中84%螺钉在椎弓根内，96.1%穿破皮质＜2mm。

导板辅助置钉与计算机***置钉

目前，椎体置钉的方法主要包括徒手置钉、透视辅助下置钉、CT***置钉及透视***置钉。Gelalis等进行了一项关于多种方法置钉准确率的荟萃分析，共纳入26项前瞻性实验，6617枚螺钉，结果发现螺钉完全在椎弓根内的比例为:徒手置钉69%～94%，透视辅助置钉28%～85%，CT***置钉89%～100%，透视***置钉81%～92%。计算机***置钉与传统透视辅助下置钉相比，能大大提高置钉准确率。然而，计算机***置钉有一些明显的缺点。(1)计算机***操作复杂，学习曲线长，从开始接触到熟练操作需要较长的时间；(2)术中相邻阶段的椎体一旦出现相对移位，就需要重新定位，且每个椎体置钉前都需要重新精确定位；(3)需要很大的经济投入，高昂的设备及软件系统只有为数不多的医疗机构能够负担；(4)使用计算机***会延长手术时间，进而增加感染的风险；(5)计算机***设备笨重，占地面积大，不易移动，且对手术室空间有一定要求。

3D打印导板辅助置钉极大程度上克服了计算机***置钉的缺点，同时也能够取得较高的置钉准确率。3D打印导板辅助置钉的优点在于:(1)个体化设计，大大提高了置钉准确率，减少血管、神经损伤；(2)操作简单，即使经验较少的医生也能准确置钉；(3)减少术中透视，降低辐射剂量；(4)成本较低，不需要其他辅助设备。

导板辅助置钉问题及展望

(1)导板辅助置钉需要对椎体后方软组织的充分剥离，只有将软组织充分剥离才能把导板准确放置，使之与棘突、椎板及关节突完好贴附，从而精确置钉。这种充分的剥离会增加出血量，延长手术时间；(2)导板应当稳稳地贴附于椎板、棘突及关节突的后表面，任何轻微的相对活动都会引起置钉的偏差；(3)3D打印导板制作时的误差可由多种因素造成:导板设计阶段，不同软件之间数据的转换；3D打印机的打印精度；以及导板消毒处理后可能的形变。因此，手术过程中术者不能完全依赖导板，而要结合临床经验，在导板辅助置钉出现误差时加以改正，保证置钉准确率。最后，3D打印导板是在手术之前制作，需要一定的设计及打印时间，并不适用于急诊手术。针对以上问题，未来的研究需要设计更加合理，制作更加精密的3D打印导板。此外，目前3D打印导板主要应用于实验室标本研究，以及少量的临床研究，未来需要有大量的临床随机对照研究来证实3D打印导板辅助置钉的准确性。

来源：中国矫形外科杂志2015年5月第23卷第10期