引用本文： 吳超, 譚倫, 林旭, 胡海剛. 3D打印個體化矢狀曲度模棒及光電導航技術在腰椎滑脫術中的應用. 中國修復重建外科雜志, 2015, 29(6): 734-740. doi: 10.7507/1002-1892.20150158 復制
腰椎滑脫是脊柱外科常見病及多發病，手術治療主要包括椎管減壓、脊柱融合。經后路椎間融合術（posterior lumbar interbody fusion，PLIF）在生物力學、解剖學和生理學等方面有顯著優勢[1-4]，目前臨床已廣泛用于治療腰椎滑脫[5-7]。PLIF旨在恢復腰椎正常序列及復位椎體滑脫，但腰椎的矢狀曲度變化較大[8]，如何在術中個體化恢復其正常矢狀曲度，目前缺少相關研究。為解決以上問題，恢復腰椎正常序列，我們提出通過計算機軟件術前模擬手術恢復腰椎脫位及矢狀曲度，設計并3D打印個體化矢狀曲度模棒，以及在術中應用光電導航技術引導椎弓根螺釘植入，并于2011年2月開始將該方法應用于臨床腰椎滑脫后路手術中，獲得了較滿意效果。報告如下。
1 臨床資料
1.1 患者選擇標準
納入標準：① Meyerding分度為Ⅰ度和Ⅱ度的單節段腰椎滑脫；② 長期腰痛或神經根性疼痛且與影像定位資料符合；③ 經保守治療至少3個月以上無效；④ 采用PLIF治療。排除標準：① 再次手術患者；② 伴有兩節段或兩節段以上滑脫或椎間盤退變需行多節段手術者；③ 嚴重骨質疏松患者；④ 精神性疾病患者或合并其他內科疾病不能耐受手術者。
2011年2月－2012年10月，共66例患者符合選擇標準納入研究。將患者隨機分為兩組，對照組36例采用傳統PLIF，研究組30例應用3D打印個體化矢狀曲度模棒及光電導航技術行PLIF。本研究獲自貢市第四人民醫院倫理委員會批準，患者均簽署知情同意書。
1.2 一般資料
對照組：男15例，女21例；年齡43～81歲，平均58.7歲。病程6個月～7年，平均3.6年。滑脫節段：L4、5 25例，L5、S1 11例。腰椎滑脫分型：峽部裂型20例，退變型16例。Meyerding分度：Ⅰ度24例，Ⅱ度12例。合并高血壓22例，糖尿病19例。
研究組：男13例，女17例；年齡41～83歲，平均57.5歲。病程6個月～7年，平均3.6年。滑脫節段：L4、5 19例，L5、S1 11例。腰椎滑脫分型：峽部裂型21例，退變型9例。Meyerding分度：Ⅰ度20例，Ⅱ度10例。合并高血壓19例，糖尿病16例。
兩組患者性別、年齡、病程、滑脫節段、分型、分度及術前腰腿痛視覺模擬評分（VAS）[9]等一般資料比較，差異均無統計學意義（P＞0.05），具有可比性。
1.3 術前計算機模擬手術及3D打印個體化矢狀曲度模棒
為在術中個體化恢復患者矢狀曲度，術前需獲取患者擬固定節段正常矢狀曲度相關數據。因該數據無法通過X線片及CT直接獲得，故使用Mimics軟件（Materialise公司，瑞士）的模擬手術功能，模擬恢復脫位并重建患者的正常矢狀曲度。
1.3.1 原始三維模型的建立及測量
患者術前行64排CT掃描檢查，掃描條件：電流220 mA，電壓120 kV，層厚0.625 mm，矩陣512×512；獲取原始Dicom格式數據并導入工作站Mimics 14.11軟件中。第1步，選閾值選取工具（Thresholding），獲得原始腰骶椎蒙罩（Mask）；第2步，選區域增長工具（Region growing），縮小并修改原始腰骶椎蒙罩，得到一新的蒙罩；第3步，選此新蒙罩行三維建模（Calculate 3D from mask），并對重建圖像進行平滑處理以提高圖像質量，得到所需固定節段的腰骶椎三維模型，在此模型上測量上、下鄰近椎間隙前、后緣高度（圖 1 a）。
圖1
研究組患者，女，61歲，L4、5峽部裂型腰椎滑脫 ? 術前原始三維模型的建立及測量 ? 術前分割原始三維模型 ? 術前模擬手術 ? 術前模擬椎弓根螺釘植入 ? 矢狀曲度模棒的設計 ? 模棒實物正位圖，有撐開距離標志點（箭頭） ? 模棒實物側位圖，有撐開距離標志點（箭頭） ? 術中光電導航 ? 術中預彎連接棒 ? 術中用矢狀曲度模棒驗證復位情況 ? 術前X線片 ? 術前CT ?～? 術后即刻X線片及CT，示脫位完全糾正，矢狀曲度恢復良好 ?術后25個月CT，示復位及矢狀曲度無丟失
Figure1.
A 61-year-old female patient with isthmic spondylolisthesis at L4,5 in trial group ? Original 3D model and measurement before operation ? Original 3D model segmentation before operation ? Simulation operation before operation ? Simulation operation for pedicle screw placement before operation ? Design of individualized reference model of sagittal curves ? Front view of individualized reference model of sagittal curves ? Arrow indicated the distance marker Lateral view of individualized reference model of sagittal curves Arrow indicated the distance marker ? Operation under the computer-aided navigation system ? Preparation of connecting rod ? Verification of spondylolisthesis correction by individualized reference model of sagittal curves during operation ? Preoperative X-ray film ? Preoperative CT ?-? Postoperative X-ray film and CT,showing complete correction of spondylolisthesis and good sagittal curvature recovery ? CT at 25 months after operation,showing no loss of reduction and sagittal curvature
1.3.2 以滑脫椎體為界進行分割建模
在上述蒙罩的矢狀位視窗中，使用修改蒙罩工具（Edit mask）中的擦除工具（Erase），以滑脫椎下關節突為界手工分離其上、下椎體，再次運用區域增長工具（Region growing）分別形成兩個新的蒙罩，以此蒙罩建立兩個不同顏色的三維模型（圖 1 b）。
1.3.3 模擬手術糾正脫位及恢復矢狀曲度
在建立的三維模型上，首先使用移動工具（Move）模擬糾正椎體脫位；使用旋轉工具（Rotate），以病椎關節突為中心，使脫位椎體在矢狀面旋轉，最終的旋轉角度應使得脫位椎體椎間隙前、后緣高度為上、下鄰近椎間隙前、后緣高度的平均值（圖 1 c）。測量模擬手術后脫位椎體及尾側鄰近椎體上終板垂線的夾角，此夾角即為擬固定節段腰椎矢狀曲度（患者的正常矢狀曲度）。
1.3.4 椎弓根螺釘術前規劃及3D打印個體化矢狀曲度模棒
以上述模擬手術復位后的模型為基礎，設計擬固定椎體椎弓根螺釘的最佳進釘點及釘道方向，并模擬植釘，要求矢狀位螺釘進釘方向與椎體上終板平行（圖 1 d）。測量進釘點中心連線的距離，此距離即為連接棒撐開的長度。使用Geomagic Studio 2013軟件（Geomagic公司，美國），以獲得的患者正常矢狀曲度為弧度，撐開距離+2 cm為長度，制作一直徑為6 mm的三維模型（圖 1 e），并在其表面制作指示撐開距離的標志點，保存為STL格式文件傳入FORMIGA P110激光快速成型機（EOS公司，德國），使用PA 2200型光敏樹脂材料（EOS公司，德國）進行3D實物打印（圖 1 f、g），將制備的矢狀曲度模棒經等離子消毒備用。
1.4 手術方法
兩組均采用GSS椎弓根螺釘系統、椎間融合系統（北京威高亞華開發有限公司）。患者于全麻下取俯臥位，懸空腹部，以滑脫椎為中心作后正中切口，顯露滑脫椎體正常棘突和椎板。
對照組：采用本課題組提出的椎板邊緣對腰椎椎弓根進釘點的個體化定位法[10]，確定椎弓根螺釘進釘點，植入Marker針，C臂X線機透視證實位置無誤后植入椎弓根螺釘，螺釘進釘方向盡量垂直于椎板（其中滑脫椎為2枚提拉螺釘）。行全椎板切除術，切除有神經癥狀側部分關節突關節，顯露神經根，并對側隱窩擴大成形，徹底松解神經根。切開后縱韌帶、纖維環后摘除髓核組織，利用配套的撐開器、絞刀及刮匙去除剩余的髓核組織、纖維環以及終板軟骨，直至終板表面滲血。根據臨床經驗選取長度合適的連接棒并預彎弧度，安置連接棒進行提拉固定，斜向插入與撐開器同號、填充自體碎骨屑的插入型椎間融合器。C臂X線機透視觀察滑脫椎體復位和固定滿意后，置負壓引流，關閉切口。
研究組：使用Brain LAB計算機導航設備（AG公司，德國），包括主機工作站、雙目紅外光位置偵測儀、專用手術器械、C臂X線機等。術中于需固定節段頭側棘突安置固定參考架，分別對所需固定節段行正側位透視，并在計算機工作站注冊椎弓根螺釘開口器、開路器以及所需植入的椎弓根螺釘等。在工作站正側位透視圖像上引導釘道建立和螺釘植入，螺釘植入方向嚴格與椎體上終板平行（圖 1 h）。減壓及椎間隙處理同對照組。按預先制作的個體化矢狀曲度模棒長度和弧度預彎連接棒（圖 1 i）。安置預彎后的連接棒并行提拉復位固定，撐開椎弓根螺釘的距離以矢狀曲度模棒上的撐開距離標志點為依據。最后以個體化矢狀曲度模棒驗證矢狀曲度恢復情況（圖 1 j），若矢狀曲度異常則及時調整。椎間融合器的植入及術后處理同對照組。
1.5 療效評價指標
記錄兩組手術時間、術中出血量、術中透視次數，以及術后腰腿痛VAS評分。手術前后行以患椎為中心的正側位X線片及CT檢查，檢測以下指標：① 矢狀面螺釘植入角（sagittal screw angle，SSA）：CT上測量椎弓根螺釘中心線和椎體上緣（椎體前上方頂點與后上方頂點之間的連線）的角度，兩線相交于椎體前方為正值，后方為負值。② 植釘準確率：CT上評估椎弓根皮質與螺釘的關系，并按以下標準分為3級[11-13]：椎弓根釘完整在椎弓根內為Ⅰ級，優；突破皮質 ≤2 mm為Ⅱ級，可；＞2 mm為Ⅲ級，差。準確率=（Ⅰ級植釘數+Ⅱ級植釘數）/總植釘數 ×100%。③ 滑脫率：X線片上測量上位椎體在下位椎體上的相對滑脫距離，按公式計算滑脫率：相對滑脫距離/上位椎體水平長度×100%。④ 椎間隙高度恢復率：采用Quint法于CT上測量椎間隙高度（椎間隙前、中、后緣高度的平均值），并計算椎間隙高度恢復率：椎間隙高度/術前模擬手術得到的椎間隙高度×100%。⑤ 固定節段矢狀曲度恢復率：CT上測量固定節段矢狀曲度（脫位椎體及尾側鄰近椎體上終板垂線的夾角），并計算固定節段矢狀曲度恢復率：固定節段矢狀曲度/術前模擬手術得到的固定節段正常矢狀曲度×100%。
1.6 統計學方法
采用SPSS13.0統計軟件進行分析。計量資料以均數±標準差表示，組間比較采用獨立樣本t 檢驗；計數資料以率表示，組間比較采用χ2 檢驗；檢驗水準α=0.05。
2 結果
所有患者順利完成手術。兩組手術時間和術中出血量比較，差異無統計學意義（P＞0.05）；但對照組透視次數顯著高于研究組，差異有統計學意義（P＜0.05）；見表 1。兩組患者均獲隨訪，隨訪時間24～36個月，平均26個月。對照組中1例一側S1椎弓根螺釘位置不佳，在實施提拉復位固定時螺釘滑入S1孔，術后患者出現神經癥狀，經再手術調整后好轉；兩組其余患者均未發生植釘并發癥。兩組術后即刻及末次隨訪時腰腿痛VAS評分均較術前明顯改善，差異有統計學意義（P＜0.05）；術后即刻與末次隨訪時兩組間腿痛VAS評分及術后即刻兩組間腰痛VAS評分比較，差異均無統計學意義（P＞0.05）；末次隨訪時兩組間腰痛VAS評分比較，差異有統計學意義（P＜0.05）。見表 2。對照組植釘準確率為81.9%（118/144），顯著低于研究組的91.7%（110/120），差異有統計學意義（χ2=5.25，P=0.03）。術后即刻，研究組SSA顯著小于對照組，比較差異有統計學意義（t= - 6.21，P=0.00）。研究組術后即刻、末次隨訪時的滑脫率、椎間隙高度恢復率和固定節段矢狀曲度恢復率均顯著優于對照組，比較差異均有統計學意義（P＜0.05）。見表 3及見圖 1 k～r、圖 2。
表1
兩組患者各臨床指標比較（
表2
兩組患者手術前后VAS評分比較（
表3
兩組患者術前后各影像學指標比較（
圖2
對照組患者，男，63歲，L4、5 峽部裂型腰椎滑脫 ? 術前X線片 ? 術前CT ? ～ ? 術后即刻X線片及CT，示脫位未完全糾正，矢狀曲度恢復不佳 ? 術后26個月CT，示矢狀曲度增加
Figure2.
A 63-year-old male patient with isthmic spondylolisthesis at L4,5 in control group ? Preoperative X-ray film ? Preoperative CT ? - ? X-ray film and CT at immediate after operation,showing incomplete correction of spondylolisthesis and poor sagittal curvature recovery ? CT at 26 months after operation，showing increased sagittal curvature
3 討論
3.1 個體化恢復腰椎正常序列的意義
腰椎滑脫手術治療目的是恢復腰椎正常序列、解除滑脫及椎間盤對神經的壓迫以及穩定脊柱，防止滑脫進展；在PLIF手術中，恢復腰椎正常序列包括糾正脫位及恢復腰椎正常矢狀曲度。雖然目前對腰椎滑脫手術治療是否需行復位仍存在爭議[14-15]，但更多學者認為，腰椎滑脫的病理基礎為椎體的滑移不穩，如果滑脫椎體不復位，椎管狹窄等癥狀則無法解除，并且椎間融合的接觸面也減小，不利于椎間植骨融合，因此椎體復位是治療腰椎滑脫的常規目標[16]。而對于矢狀曲度的恢復，眾多學者達成一致觀點[17]，即若固定節段矢狀角度不正常，其相鄰節段矢狀曲度會相應改變代償，結果會引起術后鄰近節段應力增加、椎間隙不穩、活動度加大，導致鄰近節段退變加快，遠期造成內固定物松動或斷裂，手術失敗。因此，糾正椎體脫位及恢復固定節段正常矢狀曲度是PLIF術中重要步驟。但由于腰椎矢狀曲度變化范圍較大，尚無統一標準，臨床醫師往往根據經驗進行矢狀曲度恢復，影響了術后患者癥狀緩解效果。我們通過患者術前CT重建脊柱三維模型，測量相關數據，并以此數據為基礎在計算機上模擬糾正脫位及恢復患者矢狀曲度，獲得了較準確的固定節段正常矢狀曲度相關數據，最后通過3D打印個體化矢狀曲度模棒及術中光電導航技術，用這些數據指導實際臨床手術。
3.2 3D打印個體化矢狀曲度模棒聯合光電導航技術的優點
目前PLIF術中常用的內固定器械為GSS椎弓根螺釘系統，螺釘鎖緊后其尾部與連接棒垂直，因此可通過連接棒的弧度調整固定節段的矢狀曲度。但在實際臨床操作中，連接棒的預彎大多憑借醫生經驗操作，缺乏客觀性，不能避免術中反復盲目彎棒，使手術時間延長，術后矢狀曲度恢復也不理想。我們在術前通過軟件模擬手術獲得個體化矢狀曲度數據（以相鄰椎體上終板垂線測量），并將這一數據通過3D打印機制作成個體化矢狀曲度模棒；術中在計算機光電導航引導下使椎弓根螺釘平行于椎體上終板植入，以上述模棒為依據選擇長度合適的連接棒并對其預彎。術后影像學測量示，研究組螺釘SSA為（2.2±2.1）°，明顯優于對照組，螺釘更準確地平行于上終板植入，不僅使螺釘具有更好的把持力，而且更有利于將上述通過相鄰椎體上終板垂線夾角獲得的矢狀曲度數據落實到術中。本研究中，研究組術后滑脫率、椎間隙高度恢復率、矢狀曲度恢復率及末次隨訪時腰痛VAS評分均明顯優于對照組，獲得了較滿意的治療效果。另一方面，雖然光電導航注冊需要時間，但研究組減少了透視次數，提高了椎弓根螺釘一次植釘準確率，節省了連接棒斷棒、預彎及反復調整的時間，總手術時間及術中出血量與對照組比較無明顯差異。因此我們認為，在腰椎滑脫術中使用個體化矢狀曲度模棒及光電導航技術在未延長手術時間及增加術中出血量基礎上，不僅減少了X線透射次數，也提高了手術質量。
3.3 存在問題及注意事項
① 本研究中，重建的正常矢狀曲度是以鄰近節段椎間隙前后高度計算得出，是否需考慮骨盆入射角、腰椎前凸角等區域性矢狀曲度參數還需要進一步隨訪明確。② 即使在光電導航技術引導下植釘，術中C臂X線機透視也會出現椎弓根螺釘與上終板不平行的情況，主要是因導航圖像的晃動以及椎弓根內調整螺釘方向存在誤差[18]，因此術者術中需通過實際螺釘SSA對連接棒的預彎進行適當調整，最后通過個體化矢狀曲度模棒進行驗證。③ 個體化矢狀曲度模棒的作用不僅在于術中輔助連接棒的預彎，還可以指導連接棒長度的選擇，避免連接棒過長而產生相應的腰痛癥狀。另一方面，在個體化矢狀曲度模棒上標示了相鄰螺釘的距離，減少了術中螺釘撐開不足或過度撐開的發生。④ 考慮鈦連接棒具有一定彈性，預先確定矢狀角度可能會在復位過程中由于組織結構的牽拉力量減小連接棒的弧度，因此我們在復位內固定后使用個體化矢狀曲度模棒進行驗證，結果表明連接棒的弧度無明顯變化。分析原因可能是本研究中患者局限于I、Ⅱ度單節段滑脫，對連接棒的牽拉作用有限。對于Ⅲ、Ⅳ度滑脫患者使用個體化矢狀曲度模棒預彎時是否需要加大角度，有待研究證實。⑤ 本組無嚴重骨質疏松患者，對于這類患者我們建議使用骨水泥或膨脹性椎弓根螺釘，在保證椎弓根螺釘平行于上終板基礎上可使用本研究方法。
綜上述，對于擬行PLIF的腰椎滑脫患者，術前個體化測量規劃、3D打印制作個體化矢狀曲度模棒，術中按此準備連接棒并通過光電導航技術引導椎弓根螺釘平行于上終板，可以更好地復位椎體和恢復腰椎矢狀曲度，達滿意手術療效。
腰椎滑脫是脊柱外科常見病及多發病，手術治療主要包括椎管減壓、脊柱融合。經后路椎間融合術（posterior lumbar interbody fusion，PLIF）在生物力學、解剖學和生理學等方面有顯著優勢[1-4]，目前臨床已廣泛用于治療腰椎滑脫[5-7]。PLIF旨在恢復腰椎正常序列及復位椎體滑脫，但腰椎的矢狀曲度變化較大[8]，如何在術中個體化恢復其正常矢狀曲度，目前缺少相關研究。為解決以上問題，恢復腰椎正常序列，我們提出通過計算機軟件術前模擬手術恢復腰椎脫位及矢狀曲度，設計并3D打印個體化矢狀曲度模棒，以及在術中應用光電導航技術引導椎弓根螺釘植入，并于2011年2月開始將該方法應用于臨床腰椎滑脫后路手術中，獲得了較滿意效果。報告如下。
1 臨床資料
1.1 患者選擇標準
納入標準：① Meyerding分度為Ⅰ度和Ⅱ度的單節段腰椎滑脫；② 長期腰痛或神經根性疼痛且與影像定位資料符合；③ 經保守治療至少3個月以上無效；④ 采用PLIF治療。排除標準：① 再次手術患者；② 伴有兩節段或兩節段以上滑脫或椎間盤退變需行多節段手術者；③ 嚴重骨質疏松患者；④ 精神性疾病患者或合并其他內科疾病不能耐受手術者。
2011年2月－2012年10月，共66例患者符合選擇標準納入研究。將患者隨機分為兩組，對照組36例采用傳統PLIF，研究組30例應用3D打印個體化矢狀曲度模棒及光電導航技術行PLIF。本研究獲自貢市第四人民醫院倫理委員會批準，患者均簽署知情同意書。
1.2 一般資料
對照組：男15例，女21例；年齡43～81歲，平均58.7歲。病程6個月～7年，平均3.6年。滑脫節段：L4、5 25例，L5、S1 11例。腰椎滑脫分型：峽部裂型20例，退變型16例。Meyerding分度：Ⅰ度24例，Ⅱ度12例。合并高血壓22例，糖尿病19例。
研究組：男13例，女17例；年齡41～83歲，平均57.5歲。病程6個月～7年，平均3.6年。滑脫節段：L4、5 19例，L5、S1 11例。腰椎滑脫分型：峽部裂型21例，退變型9例。Meyerding分度：Ⅰ度20例，Ⅱ度10例。合并高血壓19例，糖尿病16例。
兩組患者性別、年齡、病程、滑脫節段、分型、分度及術前腰腿痛視覺模擬評分（VAS）[9]等一般資料比較，差異均無統計學意義（P＞0.05），具有可比性。
1.3 術前計算機模擬手術及3D打印個體化矢狀曲度模棒
為在術中個體化恢復患者矢狀曲度，術前需獲取患者擬固定節段正常矢狀曲度相關數據。因該數據無法通過X線片及CT直接獲得，故使用Mimics軟件（Materialise公司，瑞士）的模擬手術功能，模擬恢復脫位并重建患者的正常矢狀曲度。
1.3.1 原始三維模型的建立及測量
患者術前行64排CT掃描檢查，掃描條件：電流220 mA，電壓120 kV，層厚0.625 mm，矩陣512×512；獲取原始Dicom格式數據并導入工作站Mimics 14.11軟件中。第1步，選閾值選取工具（Thresholding），獲得原始腰骶椎蒙罩（Mask）；第2步，選區域增長工具（Region growing），縮小并修改原始腰骶椎蒙罩，得到一新的蒙罩；第3步，選此新蒙罩行三維建模（Calculate 3D from mask），并對重建圖像進行平滑處理以提高圖像質量，得到所需固定節段的腰骶椎三維模型，在此模型上測量上、下鄰近椎間隙前、后緣高度（圖 1 a）。
圖1
研究組患者，女，61歲，L4、5峽部裂型腰椎滑脫 ? 術前原始三維模型的建立及測量 ? 術前分割原始三維模型 ? 術前模擬手術 ? 術前模擬椎弓根螺釘植入 ? 矢狀曲度模棒的設計 ? 模棒實物正位圖，有撐開距離標志點（箭頭） ? 模棒實物側位圖，有撐開距離標志點（箭頭） ? 術中光電導航 ? 術中預彎連接棒 ? 術中用矢狀曲度模棒驗證復位情況 ? 術前X線片 ? 術前CT ?～? 術后即刻X線片及CT，示脫位完全糾正，矢狀曲度恢復良好 ?術后25個月CT，示復位及矢狀曲度無丟失
Figure1.
A 61-year-old female patient with isthmic spondylolisthesis at L4,5 in trial group ? Original 3D model and measurement before operation ? Original 3D model segmentation before operation ? Simulation operation before operation ? Simulation operation for pedicle screw placement before operation ? Design of individualized reference model of sagittal curves ? Front view of individualized reference model of sagittal curves ? Arrow indicated the distance marker Lateral view of individualized reference model of sagittal curves Arrow indicated the distance marker ? Operation under the computer-aided navigation system ? Preparation of connecting rod ? Verification of spondylolisthesis correction by individualized reference model of sagittal curves during operation ? Preoperative X-ray film ? Preoperative CT ?-? Postoperative X-ray film and CT,showing complete correction of spondylolisthesis and good sagittal curvature recovery ? CT at 25 months after operation,showing no loss of reduction and sagittal curvature
1.3.2 以滑脫椎體為界進行分割建模
在上述蒙罩的矢狀位視窗中，使用修改蒙罩工具（Edit mask）中的擦除工具（Erase），以滑脫椎下關節突為界手工分離其上、下椎體，再次運用區域增長工具（Region growing）分別形成兩個新的蒙罩，以此蒙罩建立兩個不同顏色的三維模型（圖 1 b）。
1.3.3 模擬手術糾正脫位及恢復矢狀曲度
在建立的三維模型上，首先使用移動工具（Move）模擬糾正椎體脫位；使用旋轉工具（Rotate），以病椎關節突為中心，使脫位椎體在矢狀面旋轉，最終的旋轉角度應使得脫位椎體椎間隙前、后緣高度為上、下鄰近椎間隙前、后緣高度的平均值（圖 1 c）。測量模擬手術后脫位椎體及尾側鄰近椎體上終板垂線的夾角，此夾角即為擬固定節段腰椎矢狀曲度（患者的正常矢狀曲度）。
1.3.4 椎弓根螺釘術前規劃及3D打印個體化矢狀曲度模棒
以上述模擬手術復位后的模型為基礎，設計擬固定椎體椎弓根螺釘的最佳進釘點及釘道方向，并模擬植釘，要求矢狀位螺釘進釘方向與椎體上終板平行（圖 1 d）。測量進釘點中心連線的距離，此距離即為連接棒撐開的長度。使用Geomagic Studio 2013軟件（Geomagic公司，美國），以獲得的患者正常矢狀曲度為弧度，撐開距離+2 cm為長度，制作一直徑為6 mm的三維模型（圖 1 e），并在其表面制作指示撐開距離的標志點，保存為STL格式文件傳入FORMIGA P110激光快速成型機（EOS公司，德國），使用PA 2200型光敏樹脂材料（EOS公司，德國）進行3D實物打印（圖 1 f、g），將制備的矢狀曲度模棒經等離子消毒備用。
1.4 手術方法
兩組均采用GSS椎弓根螺釘系統、椎間融合系統（北京威高亞華開發有限公司）。患者于全麻下取俯臥位，懸空腹部，以滑脫椎為中心作后正中切口，顯露滑脫椎體正常棘突和椎板。
對照組：采用本課題組提出的椎板邊緣對腰椎椎弓根進釘點的個體化定位法[10]，確定椎弓根螺釘進釘點，植入Marker針，C臂X線機透視證實位置無誤后植入椎弓根螺釘，螺釘進釘方向盡量垂直于椎板（其中滑脫椎為2枚提拉螺釘）。行全椎板切除術，切除有神經癥狀側部分關節突關節，顯露神經根，并對側隱窩擴大成形，徹底松解神經根。切開后縱韌帶、纖維環后摘除髓核組織，利用配套的撐開器、絞刀及刮匙去除剩余的髓核組織、纖維環以及終板軟骨，直至終板表面滲血。根據臨床經驗選取長度合適的連接棒并預彎弧度，安置連接棒進行提拉固定，斜向插入與撐開器同號、填充自體碎骨屑的插入型椎間融合器。C臂X線機透視觀察滑脫椎體復位和固定滿意后，置負壓引流，關閉切口。
研究組：使用Brain LAB計算機導航設備（AG公司，德國），包括主機工作站、雙目紅外光位置偵測儀、專用手術器械、C臂X線機等。術中于需固定節段頭側棘突安置固定參考架，分別對所需固定節段行正側位透視，并在計算機工作站注冊椎弓根螺釘開口器、開路器以及所需植入的椎弓根螺釘等。在工作站正側位透視圖像上引導釘道建立和螺釘植入，螺釘植入方向嚴格與椎體上終板平行（圖 1 h）。減壓及椎間隙處理同對照組。按預先制作的個體化矢狀曲度模棒長度和弧度預彎連接棒（圖 1 i）。安置預彎后的連接棒并行提拉復位固定，撐開椎弓根螺釘的距離以矢狀曲度模棒上的撐開距離標志點為依據。最后以個體化矢狀曲度模棒驗證矢狀曲度恢復情況（圖 1 j），若矢狀曲度異常則及時調整。椎間融合器的植入及術后處理同對照組。
1.5 療效評價指標
記錄兩組手術時間、術中出血量、術中透視次數，以及術后腰腿痛VAS評分。手術前后行以患椎為中心的正側位X線片及CT檢查，檢測以下指標：① 矢狀面螺釘植入角（sagittal screw angle，SSA）：CT上測量椎弓根螺釘中心線和椎體上緣（椎體前上方頂點與后上方頂點之間的連線）的角度，兩線相交于椎體前方為正值，后方為負值。② 植釘準確率：CT上評估椎弓根皮質與螺釘的關系，并按以下標準分為3級[11-13]：椎弓根釘完整在椎弓根內為Ⅰ級，優；突破皮質 ≤2 mm為Ⅱ級，可；＞2 mm為Ⅲ級，差。準確率=（Ⅰ級植釘數+Ⅱ級植釘數）/總植釘數 ×100%。③ 滑脫率：X線片上測量上位椎體在下位椎體上的相對滑脫距離，按公式計算滑脫率：相對滑脫距離/上位椎體水平長度×100%。④ 椎間隙高度恢復率：采用Quint法于CT上測量椎間隙高度（椎間隙前、中、后緣高度的平均值），并計算椎間隙高度恢復率：椎間隙高度/術前模擬手術得到的椎間隙高度×100%。⑤ 固定節段矢狀曲度恢復率：CT上測量固定節段矢狀曲度（脫位椎體及尾側鄰近椎體上終板垂線的夾角），并計算固定節段矢狀曲度恢復率：固定節段矢狀曲度/術前模擬手術得到的固定節段正常矢狀曲度×100%。
1.6 統計學方法
采用SPSS13.0統計軟件進行分析。計量資料以均數±標準差表示，組間比較采用獨立樣本t 檢驗；計數資料以率表示，組間比較采用χ2 檢驗；檢驗水準α=0.05。
2 結果
所有患者順利完成手術。兩組手術時間和術中出血量比較，差異無統計學意義（P＞0.05）；但對照組透視次數顯著高于研究組，差異有統計學意義（P＜0.05）；見表 1。兩組患者均獲隨訪，隨訪時間24～36個月，平均26個月。對照組中1例一側S1椎弓根螺釘位置不佳，在實施提拉復位固定時螺釘滑入S1孔，術后患者出現神經癥狀，經再手術調整后好轉；兩組其余患者均未發生植釘并發癥。兩組術后即刻及末次隨訪時腰腿痛VAS評分均較術前明顯改善，差異有統計學意義（P＜0.05）；術后即刻與末次隨訪時兩組間腿痛VAS評分及術后即刻兩組間腰痛VAS評分比較，差異均無統計學意義（P＞0.05）；末次隨訪時兩組間腰痛VAS評分比較，差異有統計學意義（P＜0.05）。見表 2。對照組植釘準確率為81.9%（118/144），顯著低于研究組的91.7%（110/120），差異有統計學意義（χ2=5.25，P=0.03）。術后即刻，研究組SSA顯著小于對照組，比較差異有統計學意義（t= - 6.21，P=0.00）。研究組術后即刻、末次隨訪時的滑脫率、椎間隙高度恢復率和固定節段矢狀曲度恢復率均顯著優于對照組，比較差異均有統計學意義（P＜0.05）。見表 3及見圖 1 k～r、圖 2。
表1
兩組患者各臨床指標比較（
表2
兩組患者手術前后VAS評分比較（
表3
兩組患者術前后各影像學指標比較（
圖2
對照組患者，男，63歲，L4、5 峽部裂型腰椎滑脫 ? 術前X線片 ? 術前CT ? ～ ? 術后即刻X線片及CT，示脫位未完全糾正，矢狀曲度恢復不佳 ? 術后26個月CT，示矢狀曲度增加
Figure2.
A 63-year-old male patient with isthmic spondylolisthesis at L4,5 in control group ? Preoperative X-ray film ? Preoperative CT ? - ? X-ray film and CT at immediate after operation,showing incomplete correction of spondylolisthesis and poor sagittal curvature recovery ? CT at 26 months after operation，showing increased sagittal curvature
3 討論
3.1 個體化恢復腰椎正常序列的意義
腰椎滑脫手術治療目的是恢復腰椎正常序列、解除滑脫及椎間盤對神經的壓迫以及穩定脊柱，防止滑脫進展；在PLIF手術中，恢復腰椎正常序列包括糾正脫位及恢復腰椎正常矢狀曲度。雖然目前對腰椎滑脫手術治療是否需行復位仍存在爭議[14-15]，但更多學者認為，腰椎滑脫的病理基礎為椎體的滑移不穩，如果滑脫椎體不復位，椎管狹窄等癥狀則無法解除，并且椎間融合的接觸面也減小，不利于椎間植骨融合，因此椎體復位是治療腰椎滑脫的常規目標[16]。而對于矢狀曲度的恢復，眾多學者達成一致觀點[17]，即若固定節段矢狀角度不正常，其相鄰節段矢狀曲度會相應改變代償，結果會引起術后鄰近節段應力增加、椎間隙不穩、活動度加大，導致鄰近節段退變加快，遠期造成內固定物松動或斷裂，手術失敗。因此，糾正椎體脫位及恢復固定節段正常矢狀曲度是PLIF術中重要步驟。但由于腰椎矢狀曲度變化范圍較大，尚無統一標準，臨床醫師往往根據經驗進行矢狀曲度恢復，影響了術后患者癥狀緩解效果。我們通過患者術前CT重建脊柱三維模型，測量相關數據，并以此數據為基礎在計算機上模擬糾正脫位及恢復患者矢狀曲度，獲得了較準確的固定節段正常矢狀曲度相關數據，最后通過3D打印個體化矢狀曲度模棒及術中光電導航技術，用這些數據指導實際臨床手術。
3.2 3D打印個體化矢狀曲度模棒聯合光電導航技術的優點
目前PLIF術中常用的內固定器械為GSS椎弓根螺釘系統，螺釘鎖緊后其尾部與連接棒垂直，因此可通過連接棒的弧度調整固定節段的矢狀曲度。但在實際臨床操作中，連接棒的預彎大多憑借醫生經驗操作，缺乏客觀性，不能避免術中反復盲目彎棒，使手術時間延長，術后矢狀曲度恢復也不理想。我們在術前通過軟件模擬手術獲得個體化矢狀曲度數據（以相鄰椎體上終板垂線測量），并將這一數據通過3D打印機制作成個體化矢狀曲度模棒；術中在計算機光電導航引導下使椎弓根螺釘平行于椎體上終板植入，以上述模棒為依據選擇長度合適的連接棒并對其預彎。術后影像學測量示，研究組螺釘SSA為（2.2±2.1）°，明顯優于對照組，螺釘更準確地平行于上終板植入，不僅使螺釘具有更好的把持力，而且更有利于將上述通過相鄰椎體上終板垂線夾角獲得的矢狀曲度數據落實到術中。本研究中，研究組術后滑脫率、椎間隙高度恢復率、矢狀曲度恢復率及末次隨訪時腰痛VAS評分均明顯優于對照組，獲得了較滿意的治療效果。另一方面，雖然光電導航注冊需要時間，但研究組減少了透視次數，提高了椎弓根螺釘一次植釘準確率，節省了連接棒斷棒、預彎及反復調整的時間，總手術時間及術中出血量與對照組比較無明顯差異。因此我們認為，在腰椎滑脫術中使用個體化矢狀曲度模棒及光電導航技術在未延長手術時間及增加術中出血量基礎上，不僅減少了X線透射次數，也提高了手術質量。
3.3 存在問題及注意事項
① 本研究中，重建的正常矢狀曲度是以鄰近節段椎間隙前后高度計算得出，是否需考慮骨盆入射角、腰椎前凸角等區域性矢狀曲度參數還需要進一步隨訪明確。② 即使在光電導航技術引導下植釘，術中C臂X線機透視也會出現椎弓根螺釘與上終板不平行的情況，主要是因導航圖像的晃動以及椎弓根內調整螺釘方向存在誤差[18]，因此術者術中需通過實際螺釘SSA對連接棒的預彎進行適當調整，最后通過個體化矢狀曲度模棒進行驗證。③ 個體化矢狀曲度模棒的作用不僅在于術中輔助連接棒的預彎，還可以指導連接棒長度的選擇，避免連接棒過長而產生相應的腰痛癥狀。另一方面，在個體化矢狀曲度模棒上標示了相鄰螺釘的距離，減少了術中螺釘撐開不足或過度撐開的發生。④ 考慮鈦連接棒具有一定彈性，預先確定矢狀角度可能會在復位過程中由于組織結構的牽拉力量減小連接棒的弧度，因此我們在復位內固定后使用個體化矢狀曲度模棒進行驗證，結果表明連接棒的弧度無明顯變化。分析原因可能是本研究中患者局限于I、Ⅱ度單節段滑脫，對連接棒的牽拉作用有限。對于Ⅲ、Ⅳ度滑脫患者使用個體化矢狀曲度模棒預彎時是否需要加大角度，有待研究證實。⑤ 本組無嚴重骨質疏松患者，對于這類患者我們建議使用骨水泥或膨脹性椎弓根螺釘，在保證椎弓根螺釘平行于上終板基礎上可使用本研究方法。
綜上述，對于擬行PLIF的腰椎滑脫患者，術前個體化測量規劃、3D打印制作個體化矢狀曲度模棒，術中按此準備連接棒并通過光電導航技術引導椎弓根螺釘平行于上終板，可以更好地復位椎體和恢復腰椎矢狀曲度，達滿意手術療效。
