引用本文: 鄧佳燕, 吳超, 申丹偉, 曾柏方, 譚倫. 3D打印導航模板輔助頸椎椎弓根螺釘置入導向管長短與置釘準確性分析. 華西醫學, 2021, 36(10): 1349-1354. doi: 10.7507/1002-0179.202108051 復制
目前,對于頸椎后路內固定常見的方式有椎弓根螺釘和側塊螺釘;椎弓根螺釘因為有較強的力學穩定性和較大的抗拔出力,成為優于側塊螺釘的選擇[1]。而椎弓根螺釘內固定術的難點在于如何安全地置入螺釘,避免并發癥。有學者通過重建椎體的3D模型,進行椎弓根螺釘進釘點位置、椎弓根螺釘通道分析,提供一些解剖學參考,減少術中神經并發癥[2-5]。導航設備也能有效解決這個問題[6],但導航設備價格昂貴,基層醫院不易普及。大量研究表明,3D打印制作的導板輔助椎弓根螺釘置入能有效減少并發癥、縮短手術時間、提高置釘的安全性和準確性[7-10]。但在實際使用過程中,我們發現個體化設計的導板輔助螺釘置入仍然存在一定的偏差。為了進一步提高3D打印個性化導板輔助置釘的準確性,本研究通過分析螺釘進釘點位置和進釘方向的偏差與導向管長度的關系,評估導板結構對置釘準確性的影響,進而改進和優化導板結構。
1 資料與方法
1.1 一般資料
前瞻性分析2018年2月-2020年8月在我院應用3D打印個體化導板輔助頸椎椎弓根螺釘置入的患者。納入標準:① 年齡≥18周歲;② 采用經后路椎弓根螺釘置入;③ 應用3D打印導板輔助置釘。排除標準:① 頸椎發育畸形無法置入椎弓根螺釘;② 嚴重骨質疏松;③ 存在其他嚴重內科疾病。
共有40例患者納入本研究,其中男22例,女18例;年齡18~68周歲,平均58.45歲;頸1骨折9例,頸2骨折5例,頸3~7骨折25例,頸2骨折伴頸3骨折1例;按美國脊髓損傷協會(American Spinal Injury Association,ASIA)脊髓損傷評分級[11],D級2例,E級38例。本研究通過自貢市第四人民醫院倫理委員會批準(批準號:2017-001),所有患者均簽署知情同意書。
1.2 CT掃描
所有患者術前和術后均行CT檢查,掃描參數:電壓120 kV,電流185.25 mAs,視野17.3 cm×17.3 cm,矩陣512×512像素,層厚0.625 mm,保存格式DICOM。
1.3 導板設計和結構評估
將上述方式獲取的術前CT數據導入Mimics 22.0(比利時Materialise公司),根據患者骨骼情況,選取特定CT閾值,重現患者頸椎蒙板;基于該蒙板進行三維建模,獲取椎弓根通道,沿椎弓根通道的中心點模擬置入螺釘,根據螺釘走行設計不同長度導向管的導板(圖1)。40例患者隨機分為3組,其中12例雙側導向管長度為5 mm(5 mm 組),13例雙側導向管長度為10 mm (10 mm 組),15例雙側導向管長度為15 mm(15 mm 組)。

a. 俯觀樞椎模擬置釘;b. 側面觀樞椎模擬置釘;c~e. 導向管長度分別為5、10、15 mm的導板
1.4 臨床手術
患者全身麻醉,仰臥位安置Mayfield頭架后俯臥位固定于手術床上。第1步,通過后正中入路,暴露頸椎棘突及椎板、關節突,將導板底座完全固定在頸椎后部結節(圖2a)。第2步,固定導板,用電鉆沿導向管將直徑為2.0 mm的限深克氏針插入骨質約1 cm,確定入釘點的位置(圖2b)。第3步,應用2.5 mm手錐鉆逐級擴大釘道,測量釘道無突破,將3.5 mm直徑的螺釘沿上述軌跡置入椎弓根;螺釘通過2根連接棒連接固定(圖2c)。復位滿意后,釘棒系統固定,傷口分層縫合。

a. 暴露頸椎后側關節,按照術前設計,將導板與椎體后部結構緊密貼覆;b. 導板輔助下沿導向孔置入克氏針,確定進釘點位置;c. 通過釘棒系統連接固定。患者為中年男性,車禍傷,診斷為頸2齒狀突骨折伴頸3椎體骨折
1.5 評估指標
1.5.1 安全性評估
患者術后CT軸位上測量螺釘突破皮質情況,形成Grade分級評估,螺釘未突破骨皮質為Grade 0級,突破皮質≤2 mm為Grade 1級,突破皮質>2 mm為Grade 2級[12]。
1.5.2 進釘點偏差
將術后CT與術前CT三維重建后(圖3a),按解剖標志點配準,在椎體背面觀,能清晰看到術前置釘與術后置釘的螺釘走向(圖3b);螺釘與椎體后表面的交點即為進釘點,測量術前與術后螺釘進釘中心點之間的距離作為進釘點偏差(圖3c)。

a. 模擬置釘;b. 術后置釘與術前模擬置釘配準;c. 進釘點偏差示意圖
1.5.3 角度偏差
將術后CT與術前CT三維重建后,按解剖標志點配準,將頸椎的三維模型置于俯視位,測量實際釘道與模擬釘道的夾角即內傾角偏差(圖4a);將頸椎的三維模型置于側位,測量實際釘道與模擬釘道的夾角即頭傾角偏差(圖4b)。

a. 水平面觀,內傾角偏差;b. 側面觀,頭傾角偏差
1.6 統計學方法
所有統計分析均在SPSS 19.0軟件中進行。不同導向管長度下螺釘的Grade分級、性別、骨折部位、ASIA分級采用計數表示,組間比較采用χ2檢驗或Fisher確切概率法;年齡、進釘點偏差、內傾角偏差和頭傾角偏差均采用均數±標準差表示,年齡的組間比較采用Kruskal-Wallis H檢驗,不同導向管長度間螺釘偏差的比較采用單因素方差分析和事后多重比較(方差齊的數據采用LSD檢驗,方差不齊的數據采用Tamhane T2檢驗)。采用雙尾檢驗,檢驗水準α=0.05。
2 結果
2.1 患者基本資料
不同導向管長度的3組患者間性別、年齡、骨折部位和ASIA分級差異均無統計學意義(P>0.05),具有可比性。見表1。

2.2 螺釘安全性
所有患者均順利完成手術,共置入椎弓根螺釘 164 枚,其中 5 mm 組 48 枚,10 mm 組 52 枚,15 mm 組 64 枚。術后影像提示患者均未出現嚴重血管損傷和神經損傷加重等并發癥(圖5)。各組螺釘Grade分級分布見表2,10 mm 組所有螺釘均為 Grade 0 級,螺釘的安全性優于其他 2 組。

a. 頸1椎弓根螺釘術后軸位CT;b. 頸2椎弓根螺釘術后軸位CT;c. 頸3椎弓根螺釘術后軸位CT;d. 頸4椎弓根螺釘術后軸位CT

2.3 螺釘偏差
所有螺釘的進釘點偏差為0.84~2.99 mm,內傾角偏差為0.58~3.12°,頭傾角偏差為5.33~12.70°。5 mm組中,進釘點偏差為0.92~2.99 mm,內傾角偏差為0.62~3.12°,頭傾角偏差為5.99~12.70°;10 mm組中,進釘點偏差為0.84~2.81 mm,內傾角偏差為0.58~1.32°,頭傾角偏差為5.33~10.12°;15 mm組中,進釘點偏差為0.94~2.97 mm,內傾角偏差為0.87~2.74°,頭傾角偏差為5.38~11.54°。3組螺釘進釘點偏差、內傾角偏差、頭傾角偏差的組間差異均有統計學意義(P<0.05);且 10 mm 組的各偏差均小于其他2組,差異有統計學意義(P<0.05)。見表3。


3 討論
3.1 3D打印導板輔助頸椎置釘的研究現狀
隨著3D打印技術在臨床骨科手術的廣泛應用,3D打印個性化導航模板將頸椎手術的風險和難度大大降低。越來越多的學者將這種技術應用于頸椎手術中,并驗證了其輔助置釘的安全性和準確性,如Guo等[13]設計個體化導板輔助19例頸椎手術,有效避免了血管和神經損傷;Deng等[14]通過設計導板輔助10例患者置入頸椎后路椎弓根螺釘,并驗證了其安全性和準確性。這些研究均與我們前期的研究結果[15]一致;但是,我們通過將術后置釘與術前設計配準發現,置釘仍然在進釘點上存在平均2 mm以內的偏差,螺釘方向平均有2° 的偏差;出現偏差的原因可能與導板有滑動、軟組織張力影響置釘等有關。為了解決這個問題,我們設計3種導向管長度,分析出導致置釘偏差的原因。本研究中,我們所有的手術均由同一名經驗豐富的臨床醫生操作,以排除個人技術差異導致的偏差;我們先從導向管長度進行改進,以找到能使置釘偏差最小化的導板結構。
3.2 導向管長度對置釘準確度的影響
對螺釘的安全性通常從臨床癥狀和影像學兩方面評估,臨床上無神經癥狀、無血管損傷,影像學中,常通過 Grade 分級來評估螺釘的安全性[12, 16]。而椎弓根通道的大小決定了螺釘的偏差范圍;Hu 等[17]通過 70 個寰椎的解剖學分析發現,隨著內傾角度的變換,椎弓根寬度范圍為 7.5~10 mm,且內傾角在 15~20° 時,椎弓根通道達到最寬 10 mm,此時,置釘安全性對偏差的容忍度達到峰值。Oh 等[18]對 2586 例患者頸 3~6 的影像分析發現,椎弓根寬度為 5.79~6.19 mm,長度為 16.24~17.56 mm,內傾角為 47.49~48.86°,頭傾角為 –15.43~19.98°。大量頸椎的解剖學研究均可為椎弓根螺釘的安全性提供偏差參考[19-20]。根據骨皮質厚度,椎弓根寬度至少 5.5 mm 才能安全置入直徑 3.5 mm 的螺釘[21]。本研究中進釘點偏差為 0.84~2.99 mm,內傾角偏差為 0.58~3.12°,頭傾角偏差為 5.33~12.70°,經術后 CT 驗證均位于椎弓根內;當導向管長度為 10 mm 時,螺釘 Grade 分級、進釘點偏差、內傾角和頭傾角偏差均顯著優于導向管長度為 5 mm 和 15 mm 時。原因可能在于當導向管長度過短時,置釘方向的準確性不夠;當導向管長度過長時,由于頸椎椎弓根螺釘本身有較大的內傾角,較長的導向管會明顯增加切口長度,且更難放置導板使其與椎體表面緊密貼附,此外,受軟組織張力影響,進釘方向很難把控。鑒于此,我們認為,導板的導向管長度設計為 10 mm 時,能保證直徑 3.5 mm 的頸椎椎弓根螺釘安全、準確地置入患者體內。
3.3 設計與手術技巧
本研究首先驗證了導板輔助頸椎椎弓根置釘的安全性,然后重點分析了不同導向管長度對進釘點偏差、內傾角偏差和頭傾角偏差的影響。我們發現,不同導向管長度對進釘點偏差、內傾角偏差和頭傾角偏差有顯著影響,且導向管長度為10 mm時,進釘點偏差、內傾角偏差和頭傾角偏差顯著小于導向管長度為5 mm和15 mm;因此,在設計導板時,我們提出以下3點建議:首先,導板底座應盡量覆蓋棘突根部及有明顯標志的關節突結構,保證導板與椎體準確、穩定地貼附,可在導板上設計2.7 mm螺釘固定孔,以加固導板的穩定;其次,內傾角應寧小勿大,以減少雙側軟組織張力對置釘方向的干擾[22-23];最后,我們對比3種導向管長度的導板對置釘準確性的影響,發現長度為10 mm的導向管為最佳,建議在導板設計時,導向管長度以10 mm作為參考值。
為了更好地使用導板,提高其安全性和準確性,對于導板輔助頸椎置釘的手術,我們提供以下3點手術技巧:首先,助手協助主刀醫生,保證導板底座與椎體表面穩定貼附;其次,先采用克氏針插入椎弓根,防止克氏針在骨質上滑移;最后,進釘點仍需要用神經探子確認,再次判斷進釘點的安全性。
綜上所述,3D打印導板輔助頸椎椎弓根螺釘置入,置釘安全;相對于5 mm和15 mm導向管的導板,長度為10 mm時,置釘的安全性和準確性最高。
目前,對于頸椎后路內固定常見的方式有椎弓根螺釘和側塊螺釘;椎弓根螺釘因為有較強的力學穩定性和較大的抗拔出力,成為優于側塊螺釘的選擇[1]。而椎弓根螺釘內固定術的難點在于如何安全地置入螺釘,避免并發癥。有學者通過重建椎體的3D模型,進行椎弓根螺釘進釘點位置、椎弓根螺釘通道分析,提供一些解剖學參考,減少術中神經并發癥[2-5]。導航設備也能有效解決這個問題[6],但導航設備價格昂貴,基層醫院不易普及。大量研究表明,3D打印制作的導板輔助椎弓根螺釘置入能有效減少并發癥、縮短手術時間、提高置釘的安全性和準確性[7-10]。但在實際使用過程中,我們發現個體化設計的導板輔助螺釘置入仍然存在一定的偏差。為了進一步提高3D打印個性化導板輔助置釘的準確性,本研究通過分析螺釘進釘點位置和進釘方向的偏差與導向管長度的關系,評估導板結構對置釘準確性的影響,進而改進和優化導板結構。
1 資料與方法
1.1 一般資料
前瞻性分析2018年2月-2020年8月在我院應用3D打印個體化導板輔助頸椎椎弓根螺釘置入的患者。納入標準:① 年齡≥18周歲;② 采用經后路椎弓根螺釘置入;③ 應用3D打印導板輔助置釘。排除標準:① 頸椎發育畸形無法置入椎弓根螺釘;② 嚴重骨質疏松;③ 存在其他嚴重內科疾病。
共有40例患者納入本研究,其中男22例,女18例;年齡18~68周歲,平均58.45歲;頸1骨折9例,頸2骨折5例,頸3~7骨折25例,頸2骨折伴頸3骨折1例;按美國脊髓損傷協會(American Spinal Injury Association,ASIA)脊髓損傷評分級[11],D級2例,E級38例。本研究通過自貢市第四人民醫院倫理委員會批準(批準號:2017-001),所有患者均簽署知情同意書。
1.2 CT掃描
所有患者術前和術后均行CT檢查,掃描參數:電壓120 kV,電流185.25 mAs,視野17.3 cm×17.3 cm,矩陣512×512像素,層厚0.625 mm,保存格式DICOM。
1.3 導板設計和結構評估
將上述方式獲取的術前CT數據導入Mimics 22.0(比利時Materialise公司),根據患者骨骼情況,選取特定CT閾值,重現患者頸椎蒙板;基于該蒙板進行三維建模,獲取椎弓根通道,沿椎弓根通道的中心點模擬置入螺釘,根據螺釘走行設計不同長度導向管的導板(圖1)。40例患者隨機分為3組,其中12例雙側導向管長度為5 mm(5 mm 組),13例雙側導向管長度為10 mm (10 mm 組),15例雙側導向管長度為15 mm(15 mm 組)。

a. 俯觀樞椎模擬置釘;b. 側面觀樞椎模擬置釘;c~e. 導向管長度分別為5、10、15 mm的導板
1.4 臨床手術
患者全身麻醉,仰臥位安置Mayfield頭架后俯臥位固定于手術床上。第1步,通過后正中入路,暴露頸椎棘突及椎板、關節突,將導板底座完全固定在頸椎后部結節(圖2a)。第2步,固定導板,用電鉆沿導向管將直徑為2.0 mm的限深克氏針插入骨質約1 cm,確定入釘點的位置(圖2b)。第3步,應用2.5 mm手錐鉆逐級擴大釘道,測量釘道無突破,將3.5 mm直徑的螺釘沿上述軌跡置入椎弓根;螺釘通過2根連接棒連接固定(圖2c)。復位滿意后,釘棒系統固定,傷口分層縫合。

a. 暴露頸椎后側關節,按照術前設計,將導板與椎體后部結構緊密貼覆;b. 導板輔助下沿導向孔置入克氏針,確定進釘點位置;c. 通過釘棒系統連接固定。患者為中年男性,車禍傷,診斷為頸2齒狀突骨折伴頸3椎體骨折
1.5 評估指標
1.5.1 安全性評估
患者術后CT軸位上測量螺釘突破皮質情況,形成Grade分級評估,螺釘未突破骨皮質為Grade 0級,突破皮質≤2 mm為Grade 1級,突破皮質>2 mm為Grade 2級[12]。
1.5.2 進釘點偏差
將術后CT與術前CT三維重建后(圖3a),按解剖標志點配準,在椎體背面觀,能清晰看到術前置釘與術后置釘的螺釘走向(圖3b);螺釘與椎體后表面的交點即為進釘點,測量術前與術后螺釘進釘中心點之間的距離作為進釘點偏差(圖3c)。

a. 模擬置釘;b. 術后置釘與術前模擬置釘配準;c. 進釘點偏差示意圖
1.5.3 角度偏差
將術后CT與術前CT三維重建后,按解剖標志點配準,將頸椎的三維模型置于俯視位,測量實際釘道與模擬釘道的夾角即內傾角偏差(圖4a);將頸椎的三維模型置于側位,測量實際釘道與模擬釘道的夾角即頭傾角偏差(圖4b)。

a. 水平面觀,內傾角偏差;b. 側面觀,頭傾角偏差
1.6 統計學方法
所有統計分析均在SPSS 19.0軟件中進行。不同導向管長度下螺釘的Grade分級、性別、骨折部位、ASIA分級采用計數表示,組間比較采用χ2檢驗或Fisher確切概率法;年齡、進釘點偏差、內傾角偏差和頭傾角偏差均采用均數±標準差表示,年齡的組間比較采用Kruskal-Wallis H檢驗,不同導向管長度間螺釘偏差的比較采用單因素方差分析和事后多重比較(方差齊的數據采用LSD檢驗,方差不齊的數據采用Tamhane T2檢驗)。采用雙尾檢驗,檢驗水準α=0.05。
2 結果
2.1 患者基本資料
不同導向管長度的3組患者間性別、年齡、骨折部位和ASIA分級差異均無統計學意義(P>0.05),具有可比性。見表1。

2.2 螺釘安全性
所有患者均順利完成手術,共置入椎弓根螺釘 164 枚,其中 5 mm 組 48 枚,10 mm 組 52 枚,15 mm 組 64 枚。術后影像提示患者均未出現嚴重血管損傷和神經損傷加重等并發癥(圖5)。各組螺釘Grade分級分布見表2,10 mm 組所有螺釘均為 Grade 0 級,螺釘的安全性優于其他 2 組。

a. 頸1椎弓根螺釘術后軸位CT;b. 頸2椎弓根螺釘術后軸位CT;c. 頸3椎弓根螺釘術后軸位CT;d. 頸4椎弓根螺釘術后軸位CT

2.3 螺釘偏差
所有螺釘的進釘點偏差為0.84~2.99 mm,內傾角偏差為0.58~3.12°,頭傾角偏差為5.33~12.70°。5 mm組中,進釘點偏差為0.92~2.99 mm,內傾角偏差為0.62~3.12°,頭傾角偏差為5.99~12.70°;10 mm組中,進釘點偏差為0.84~2.81 mm,內傾角偏差為0.58~1.32°,頭傾角偏差為5.33~10.12°;15 mm組中,進釘點偏差為0.94~2.97 mm,內傾角偏差為0.87~2.74°,頭傾角偏差為5.38~11.54°。3組螺釘進釘點偏差、內傾角偏差、頭傾角偏差的組間差異均有統計學意義(P<0.05);且 10 mm 組的各偏差均小于其他2組,差異有統計學意義(P<0.05)。見表3。


3 討論
3.1 3D打印導板輔助頸椎置釘的研究現狀
隨著3D打印技術在臨床骨科手術的廣泛應用,3D打印個性化導航模板將頸椎手術的風險和難度大大降低。越來越多的學者將這種技術應用于頸椎手術中,并驗證了其輔助置釘的安全性和準確性,如Guo等[13]設計個體化導板輔助19例頸椎手術,有效避免了血管和神經損傷;Deng等[14]通過設計導板輔助10例患者置入頸椎后路椎弓根螺釘,并驗證了其安全性和準確性。這些研究均與我們前期的研究結果[15]一致;但是,我們通過將術后置釘與術前設計配準發現,置釘仍然在進釘點上存在平均2 mm以內的偏差,螺釘方向平均有2° 的偏差;出現偏差的原因可能與導板有滑動、軟組織張力影響置釘等有關。為了解決這個問題,我們設計3種導向管長度,分析出導致置釘偏差的原因。本研究中,我們所有的手術均由同一名經驗豐富的臨床醫生操作,以排除個人技術差異導致的偏差;我們先從導向管長度進行改進,以找到能使置釘偏差最小化的導板結構。
3.2 導向管長度對置釘準確度的影響
對螺釘的安全性通常從臨床癥狀和影像學兩方面評估,臨床上無神經癥狀、無血管損傷,影像學中,常通過 Grade 分級來評估螺釘的安全性[12, 16]。而椎弓根通道的大小決定了螺釘的偏差范圍;Hu 等[17]通過 70 個寰椎的解剖學分析發現,隨著內傾角度的變換,椎弓根寬度范圍為 7.5~10 mm,且內傾角在 15~20° 時,椎弓根通道達到最寬 10 mm,此時,置釘安全性對偏差的容忍度達到峰值。Oh 等[18]對 2586 例患者頸 3~6 的影像分析發現,椎弓根寬度為 5.79~6.19 mm,長度為 16.24~17.56 mm,內傾角為 47.49~48.86°,頭傾角為 –15.43~19.98°。大量頸椎的解剖學研究均可為椎弓根螺釘的安全性提供偏差參考[19-20]。根據骨皮質厚度,椎弓根寬度至少 5.5 mm 才能安全置入直徑 3.5 mm 的螺釘[21]。本研究中進釘點偏差為 0.84~2.99 mm,內傾角偏差為 0.58~3.12°,頭傾角偏差為 5.33~12.70°,經術后 CT 驗證均位于椎弓根內;當導向管長度為 10 mm 時,螺釘 Grade 分級、進釘點偏差、內傾角和頭傾角偏差均顯著優于導向管長度為 5 mm 和 15 mm 時。原因可能在于當導向管長度過短時,置釘方向的準確性不夠;當導向管長度過長時,由于頸椎椎弓根螺釘本身有較大的內傾角,較長的導向管會明顯增加切口長度,且更難放置導板使其與椎體表面緊密貼附,此外,受軟組織張力影響,進釘方向很難把控。鑒于此,我們認為,導板的導向管長度設計為 10 mm 時,能保證直徑 3.5 mm 的頸椎椎弓根螺釘安全、準確地置入患者體內。
3.3 設計與手術技巧
本研究首先驗證了導板輔助頸椎椎弓根置釘的安全性,然后重點分析了不同導向管長度對進釘點偏差、內傾角偏差和頭傾角偏差的影響。我們發現,不同導向管長度對進釘點偏差、內傾角偏差和頭傾角偏差有顯著影響,且導向管長度為10 mm時,進釘點偏差、內傾角偏差和頭傾角偏差顯著小于導向管長度為5 mm和15 mm;因此,在設計導板時,我們提出以下3點建議:首先,導板底座應盡量覆蓋棘突根部及有明顯標志的關節突結構,保證導板與椎體準確、穩定地貼附,可在導板上設計2.7 mm螺釘固定孔,以加固導板的穩定;其次,內傾角應寧小勿大,以減少雙側軟組織張力對置釘方向的干擾[22-23];最后,我們對比3種導向管長度的導板對置釘準確性的影響,發現長度為10 mm的導向管為最佳,建議在導板設計時,導向管長度以10 mm作為參考值。
為了更好地使用導板,提高其安全性和準確性,對于導板輔助頸椎置釘的手術,我們提供以下3點手術技巧:首先,助手協助主刀醫生,保證導板底座與椎體表面穩定貼附;其次,先采用克氏針插入椎弓根,防止克氏針在骨質上滑移;最后,進釘點仍需要用神經探子確認,再次判斷進釘點的安全性。
綜上所述,3D打印導板輔助頸椎椎弓根螺釘置入,置釘安全;相對于5 mm和15 mm導向管的導板,長度為10 mm時,置釘的安全性和準確性最高。