引用本文： 吳超, 鄧佳燕, 譚倫, 林旭, 袁德超. 逐級擴大型 3D 打印導板系統輔助寰樞椎椎弓根植釘準確性分析及臨床應用. 中國修復重建外科雜志, 2019, 33(2): 212-218. doi: 10.7507/1002-1892.201807129 復制
上頸椎包括寰椎和樞椎，是維系頭部和軀體的重要結構，嚴重創傷等因素可致寰樞椎骨折、脫位，最終導致患者癱瘓、危及生命等[1]。因此，必須及時進行診斷、處理并恢復其結構穩定[2]。目前，后路經椎弓根釘棒系統內固定是治療寰樞椎骨折、脫位的常規術式[3]，但由于寰樞椎解剖結構較為復雜，且緊鄰脊髓、椎動脈等重要結構，一旦植釘失誤，可能導致嚴重并發癥[4]。譚明生等[5]通過對 42 例寰樞椎脫位患者植入椎弓根螺釘共 84 枚，其中 4 枚出現椎動脈穿孔現象；張丙磊等[6]通過對樞椎椎板和椎弓根解剖學參數的測量，提出椎板螺釘相對于椎弓根螺釘，椎動脈損傷可能性更小，但其力學穩定性還有待探討；陳其昕等[7]通過影像學測量建立寰椎側塊螺釘進釘的安全區域，該方法適用于 93% 患者，但其安全區域非常狹小，需術前反復確認，對醫生技能和臨床經驗要求高。因此，如何提高寰樞椎椎弓根植釘的安全性和準確性尤為重要。
隨著 3D 打印技術在脊柱外科的廣泛應用，許多研究者設計了個性化 3D 打印導航模板，并在術中輔助寰樞椎螺釘的植入[8-10]。但在實際手術中，由于椎弓根螺釘的植入包括螺釘進釘點確定、進釘方向判斷和釘道擴大等多個步驟，故初期單一導航模板（以下簡稱初期導板）無法引導實施螺釘植入的每一個步驟，術中易出現導板導向管過長放置困難、變形、術中更改釘道困難等問題，造成植釘失敗[11]。因此本研究中，我們在初期導板的基礎上進行改進，設計了一套逐級擴大型 3D 打印導板系統（逐級導板）輔助寰樞椎椎弓根植釘，該系統包括定位導板、鉆孔導板和攻絲導板，按植釘順序輔助螺釘植入的每一步操作，逐級擴大，提高了準確性。現回顧分析 2015 年 5 月—2017 年 5 月，我院分別采用初期導板和逐級導板輔助寰樞椎椎弓根螺釘植入的寰樞椎骨折、脫位患者臨床資料，探討逐級導板輔助寰樞椎椎弓根植釘的可行性。報告如下。
1 臨床資料
1.1 患者選擇標準
納入標準：① 寰樞椎骨折、脫位，影像學提示不穩定者；② 術前 CT 示寰樞椎無明顯畸形，可行椎弓根螺釘內固定；③ 術前牽引證實脫位能復位者；④ 術中應用逐級導板或初期導板輔助寰樞椎椎弓根螺釘內固定。排除標準：① CT 示椎弓根細小，不能容納椎弓根螺釘固定；② 合并嚴重內科疾病，不能耐受手術者；③ 骨質嚴重疏松或存在感染者；④ 腫瘤患者。2015 年 5 月–2017 年 5 月共 33 例患者符合選擇標準納入研究，按術中輔助植釘方式不同分為試驗組（19 例，應用逐級導板輔助寰樞椎椎弓根螺釘內固定）和對照組（14 例，應用初期導板輔助寰樞椎椎弓根螺釘內固定）。
1.2 一般資料
試驗組：男 11 例，女 8 例；年齡 29～64 歲，平均 37.5 歲。致傷原因：高處墜落傷 9 例、交通事故傷 7 例、重物壓傷 3 例。樞椎齒狀突骨折 7 例，齒狀突骨折伴脫位 6 例，寰椎骨折脫位 6 例。Frankel 分級：D 級 3 例、E 級 16 例。對照組：男 8 例，女 6 例；年齡 23～54 歲，平均 39.2 歲。致傷原因：高處墜落傷 7 例、交通事故傷 5 例、重物壓傷 2 例。樞椎齒狀突骨折 6 例，齒狀突骨折伴脫位 5 例，寰椎骨折脫位 3 例。Frankel 分級：D 級 2 例、E 級 12 例。
兩組患者性別、年齡、致傷原因、損傷節段及類型、術前 Frankel 分級等一般資料比較差異均無統計學意義（P>0.05），具有可比性。本研究獲自貢市第四人民醫院醫學倫理委員會批準，患者均簽署知情同意書。
1.3 導板設計和3D打印
1.3.1 寰樞椎三維模型重建
所有患者行術前頸椎 CT 掃描，掃描參數：電壓 120 kV，電流 185.25 mAs，矩陣 512×512 像素，層厚 0.625 mm。將頸椎 CT 原始 DICOM 數據導入 Minics19.0 軟件（Materialise 公司，比利時）；選取骨骼 CT 閾值新建二維蒙板（可根據患者骨密度適當調整閾值），通過“segment”模塊對寰樞椎進行分割，提取寰樞椎二維蒙板，并進行三維重建，得到寰樞椎的三維模型。
1.3.2 模擬植釘
在“MedCAD”模塊中，選擇圓柱體代表螺釘，并在 Mimics21.0（Materialise 公司，比利時）軟件中模擬植釘。圓柱體直徑設置為 3.5 mm，沿寰樞椎椎弓根方向由后方植入，并在橫斷面、冠狀面、矢狀面調整螺釘位置，保證圓柱體在上述 3 個斷面均為突破骨皮質。見圖 1a、b。將上述三維模型及圓柱體存為 STL 格式文件。
圖1
逐級導板設計、3D打印及術前模擬手術
a、b. 術前模擬植釘；c. 設計定位導板；d. 設計鉆孔導板；e. 設計攻絲導板；f、g. 打印好的模型和導板實物；h、i. 術前基于打印模型模擬手術
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
1.3.3 導板系統設計
逐級導板系統：① 將上述 STL 文件導入 3-matic 13.0 軟件（Materialise 公司，比利時）。② 在寰樞椎表面，以螺釘進釘點為中心向周圍擴散進行“mark”標記，提取寰樞椎表面結構，并以 3 mm 厚度反向拉伸，得到導板與椎體后方的貼附底座。③ 根據椎體的整體形態和棘突結構，沿棘突方向勾畫草圖，并將草圖轉化為實體模型，即導板橫連和支撐結構。④ 復制上述圓柱體，并將其直徑改為 2.2 mm，貼附底座減去該圓柱體，便得到僅包含定位孔的底座；將導板橫連、支撐結構與貼附底座進行布爾合并，定位導板設計完成（無導向管）。⑤ 再次復制圓柱體，將其直徑設置為 6 mm，將 6 mm 圓柱體與“②”中底座合并為整體，該整體減去 2.2 mm 圓柱體，便得到包含導向管的貼附底座；同樣將其與導板橫連、支撐結構布爾合并，鉆孔導板（導向管內徑 2.2 mm，長 10 mm）設計完成。⑥ 重復上述步驟設計攻絲導板（導向管內徑 3.5 mm，長 15 mm）。見圖 1c～e。
初期導板系統：設計步驟與逐級導板類似，但每個椎體僅為 1 個，導向管內徑 2.2 mm，長 15 mm。
1.3.4 導板系統及頸椎模型的3D打印及后處理
將上述導板存為 STL 格式文件，傳入 3DS Projet3600 型光敏樹脂打印機（3D SYSTEMS 公司，美國），打印材料為 VisiJet? M Crystal Plastic Material-Natural 醫學模型材料；待打印完畢取出模型，置烤箱加熱至蠟支撐大量融化（烤箱溫度 55～65℃），然后置超聲波煮至蠟支撐全部融化，清水沖洗干凈。寰樞椎 STL 文件傳入 FAB460 型 3D 打印機（3DTALK，江蘇時間環三維科技有限公司），設置打印參數，打印材料為國產聚乳酸材料；打印完畢后，去除支撐，進行光滑處理，得到最終打印導板和寰樞椎打印實物。見圖 1f、g。
1.4 術前準備
術前兩組均在 3D 打印模型上進行模擬手術。試驗組：將上述導板逐一放置于椎板及棘突后部，觀察導板和模型是否緊密結合；通過定位導板確定進釘點，通過鉆孔導板鉆入直徑 2.0 mm 克氏針，通過攻絲導板進行釘道攻絲。肉眼觀察上述步驟中是否有骨皮質突破，術前驗證逐級導板系統的準確度。見圖 1h、i。對照組：術前僅將初期導板貼附于模型上模擬手術，觀察釘道情況。術前導航導板及模型均通過等離子低溫消毒，備用。
1.5 手術方法
所有手術均由同一主刀醫師完成，內固定為北京威高亞華開發有限公司產品。患者于全麻下取仰臥位，脫位患者顱骨牽引維持復位狀態。
試驗組：頸后上部正中入路，顯露寰樞椎后部骨性結構，根據逐級導板貼附底座在骨質上的位置和大小，仔細剝離附著的肌肉和韌帶。首先安置定位導板，將其底座貼附寰樞椎椎板、棘突后方，觀察其貼合度，助手按壓導板上方橫聯結構并維持導板與骨質的嚴密貼合，術者用高速磨鉆或克氏針（直徑均為 2.0 mm）通過底座上的導向孔確定進釘點位置；然后更換鉆孔導板，再次確認與骨質嚴密貼合，用手鉆通過其導向管確定進釘方向，并以每次增加 2 mm 逐一加深釘道，每次加深前均使用探子探查釘道有無突破骨皮質；最后更換攻絲導板，更換螺釘絲錐在其導向管引導下擴大釘道。探子確認無皮質突破后植入直徑 3.5 mm 萬向椎弓根螺釘，C 臂 X 線機透視螺釘位置滿意及脫位糾正。使用已預彎好的連接棒固定寰樞椎。本組共設計并打印導板 114 個，植入椎弓根螺釘 76 枚。沖洗傷口縫合，術畢。
對照組：手術入路同試驗組，植釘方式按王飛等[12]介紹的方法，在初期導板輔助下植釘。本組共設計并打印導板 84 個，植入椎弓根螺釘 56 枚。
1.6 術后處理
術后患者臥床，制動，軸向翻身。術后預防性應用抗生素 1～2 次，術后第 2 天引流量<50 mL/h 時拔除引流管。有神經損傷的患者術后常規應用激素和脫水劑 3～5 d。術后 3 d 支具保護下下床活動，頸托或支具固定 3 個月。術后患者常規行 X 線片及 CT 檢查。
1.7 療效評價指標
1.7.1 螺釘植釘安全性
在術后即刻 CT 片上采用 Kawaguchi 等[13]方法評價螺釘與椎弓根的相對位置：0 級，螺釘全部位于椎弓根內；Ⅰ級，螺釘穿出椎弓根壁≤2 mm，未出現并發癥；Ⅱ級，螺釘穿出椎弓根壁>2 mm，未出現并發癥；Ⅲ級，螺釘穿出椎弓根壁>2 mm 且伴椎動脈、神經根損傷等嚴重并發癥。
1.7.2 螺釘進釘點準確性
在 Mimics21.0 軟件中導入患者術后即刻 CT 原始 DICOM 格式數據，三維重建寰樞椎三維模型及椎弓根螺釘。通過“image registration”將術前模擬植入圓柱體的工程文件也一并導入，并與術后工程文件進行圖像配準。測量術后螺釘與圓柱體中心在進入皮質骨時的距離，即為術后螺釘進釘點偏移量。
1.7.3 螺釘角度準確性
按 1.7.2 方式將手術前后的寰樞椎三維模型配準。測量術后螺釘與模擬植入圓柱體中心在三維坐標系中 X、Y、Z 軸方向上的角度差值，即為術后螺釘方向偏差。計算方法如下：所有坐標值均基于以 CT 掃描定位為原點，患者平躺，矢狀面向左為 X 軸正向，冠狀面向后為 Y 軸正向，橫斷面向上為 Z 軸正向，X1、Y1、Z1 是釘道入針點的三維坐標，X2、Y2、Z2 是釘道出針點的三維坐標；按以下公式計算釘道在 XOZ、XOY、YOZ 平面的角度偏移量，以 YOZ 平面為例：cosβ=
。
1.8 統計學方法
采用 SPSS19.0 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
試驗組導板設計及打印時間共 7～9 h，對照組為 6～8 h。所有患者均順利完成手術，試驗組手術時間及術中出血量分別為（100.62±12.27）min、（183.76±53.90）mL，均顯著少于對照組的（112.76±19.93）min、（247.48±80.88）mL，差異均有統計學意義（t=–2.360，P=0.022；t=–3.006，P=0.004）。兩組患者均獲隨訪，隨訪時間 12～40 個月，平均 25.3 個月。無重要血管損傷及神經損傷加重發生。術后即刻 X 線片及 CT 示脫位均得到糾正。螺釘植釘安全性評價顯示，試驗組 76 枚螺釘均為 0 級，植釘安全性 100%；對照組 0 級 51 枚、Ⅰ級 3 枚、Ⅱ級 2 枚，植釘安全性 91.1%；兩組比較差異有統計學意義（χ2=7.050，P=0.030）。術后試驗組螺釘進釘點偏移量和 XOY、YOZ 平面角度偏移量均顯著小于對照組，差異有統計學意義（P>0.05）；兩組 XOZ 平面角度偏移量差異無統計學意義（t=1.060，P=0.290）。見表 1、圖 2。
表1
兩組患者術后寰樞椎螺釘進釘點偏移量和角度偏移量比較（
）
Table1.
Comparison of screw insertion point deviation and angle deviation between the two groups (
)
圖2
試驗組患者，女，55歲，跌傷致樞椎齒狀突骨折
a. 術前 CT 示樞椎齒狀突骨折；b～d. 術中在逐級導板引導下確定進釘點、釘道及攻絲；e. 術后即刻冠狀位 CT 示螺釘位置良好；f、g. 術后即刻椎弓根軸位 CT 示螺釘位置良好
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 討論
3.1 寰樞椎植釘治療進展
目前，固定寰樞椎的植釘方式有椎弓根螺釘、椎板螺釘和側塊螺釘。張美超等[14]通過建立寰樞椎側塊釘板模型，通過有限元分析評價寰樞椎側塊釘板裝置的力學性能，發現鋼板中部兩側以及螺釘植入椎體根部容易產生應力疲勞，臨床應用中需要做好預防和補救措施；Sugimoto 等[15]認為椎板螺釘適用于椎弓根狹小、椎動脈畸形以及短頸后凸畸形等患者，但其力學穩定性還有待驗證；Li 等[16]認為椎弓根螺釘因其較好的力學穩定性，是目前治療寰樞椎骨折脫位的首選植釘方式，但如何安全、準確地植入寰樞椎椎弓根螺釘是臨床需要解決的問題。傳統徒手植釘對主刀醫生的臨床經驗和技術要求高，且極易出現釘道突破椎弓根皮質的現象；計算機導航在椎弓根螺釘植入中的應用，在一定程度上提高了植釘的安全性和準確性，但也有穿破椎弓根皮質的現象[17]，且不容易在基層醫院普及。隨著數字醫學在臨床逐步應用，大量研究表明，3D 打印導航模板輔助椎弓根螺釘植入能顯著提高植釘的安全性和準確率[18-19]。
3.2 逐級導板系統的優點
本研究中，我們設計并打印了逐級導板系統，其包括定位導板、鉆孔導板和攻絲導板，在手術中逐一應用，獲得了較好的臨床效果。該方法的主要優勢是：① 植釘準確性較高：所有導板獨立貼附于骨質上，不會隨術中體位改變而出現不能嚴密貼附的情況，試驗組植釘準確率達 100%，驗證了其有較好的準確性。② 能精確匹配術前設計：在本研究中定位導板因為沒有導管結構，不受周圍軟組織的影響，因此在術中容易放置，在確定進釘點時也可直接觀察導向孔位置，避免確定進釘點時因剪力而出現偏移；本研究中試驗組進釘點偏移量僅為（0.78±0.70）mm，優于對照組。鉆孔導板導管內徑為 2.2 mm，術中剛好能容納直徑 2.0 mm 手鉆，且導管長度較短，也較容易放置，因此能較為緊密地貼附于骨質上，提高植釘方向的準確性；本研究中試驗組 YOZ、XOY 平面角度偏移量均小于對照組，提示其角度偏差較小。攻絲導板具有更大內徑的導管，能使攻絲過程在導管引導下進行，確保在攻絲過程中不改變方向，提高精準度。③ 可減少術中出血量和手術時間：本研究中逐級導板系統手術時間為（100.62±12.27）min，術中出血量為（183.76±53.90）mL，均優于文獻報道的徒手植釘相關數據[20-22]。考慮其原因可能是：僅需依據導板基座的大小進行剝離，減少了出血；植釘準確度較高，避免了反復植釘；術中僅需幾次透視，減少了手術時間。④ 時效性能滿足手術要求：逐級導板系統雖然增加了導板數量，看似增加了導板設計和打印時間，但由于各組件是布爾組合，并未增加打印高度，因此最終增加的打印時間并不明顯。本研究中對照組導板打印和設計時間僅比試驗組多 1 h 左右，完全能滿足臨床要求。⑤ 費用較低：本研究中逐級導板雖然增加了導板數量，但因為導板重量較輕，并不會明顯增加打印耗材，據測算每個導板即使使用進口打印材料，成本也不足 100 元，若使用國產材料，價格會更低。
3.3 逐級導板術前設計和術中應用注意事項
逐級導板術前設計需注意以下幾點：① CT 數據來源：層厚應盡量小，不能超過 1 mm，這樣可以提高建模和導板的精度[23]。② 底座貼附面的設計：貼附面最好包含寰樞椎重要解剖標志，樞椎應包含棘突根部，且容易放置；寰椎因沒有棘突，且頭側有椎動脈跨過，因此最好包含后弓尾側部分結構，以提高術中放置的穩定性和準確度。③ 逐級導板系統導向孔、導向管的內徑是根據使用的內固定器械配套設計，為使操作器械能順利通過且無明顯晃動，導向孔、導向管內徑應比操作器械大 0.2 mm。④ 最好在導板頂部設計橫連結構，并于術中按壓固定。⑤ 對于可否將 3 種逐級導板組合成 1 種，我們認為并不可取，原因是：增加卡扣等結構加大了設計難度；頸部傷口較深，術中在體內組裝困難；增加的卡扣結構容易術中斷裂殘留體內。因此，建議導板設計盡量簡化單一。
術中應用逐級導板注意事項：① 術中剝離：術中需依據導板底座貼附面完全剝離軟組織[24]；② 術中需助手持續加壓固定導板橫連結構，保證其貼附面和骨質的嚴密貼合；③ 定位導板確定進釘點時僅磨去表面骨皮質，避免形成假道；④ 鉆孔導板最好用手椎逐一加深釘道，有誤時及時調整；⑤ 攻絲導板其導管稍長，要注意軟組織張力的影響。
綜上述，逐級導板系統輔助寰樞椎椎弓根螺釘內固定治療寰樞椎骨折脫位，相對于初期導板能減少手術時間和術中出血量，提高植釘安全性，更能精確匹配術前設計。但由于本研究病例數較少，需擴大樣本量、延長隨訪時間，進一步證實療效。
上頸椎包括寰椎和樞椎，是維系頭部和軀體的重要結構，嚴重創傷等因素可致寰樞椎骨折、脫位，最終導致患者癱瘓、危及生命等[1]。因此，必須及時進行診斷、處理并恢復其結構穩定[2]。目前，后路經椎弓根釘棒系統內固定是治療寰樞椎骨折、脫位的常規術式[3]，但由于寰樞椎解剖結構較為復雜，且緊鄰脊髓、椎動脈等重要結構，一旦植釘失誤，可能導致嚴重并發癥[4]。譚明生等[5]通過對 42 例寰樞椎脫位患者植入椎弓根螺釘共 84 枚，其中 4 枚出現椎動脈穿孔現象；張丙磊等[6]通過對樞椎椎板和椎弓根解剖學參數的測量，提出椎板螺釘相對于椎弓根螺釘，椎動脈損傷可能性更小，但其力學穩定性還有待探討；陳其昕等[7]通過影像學測量建立寰椎側塊螺釘進釘的安全區域，該方法適用于 93% 患者，但其安全區域非常狹小，需術前反復確認，對醫生技能和臨床經驗要求高。因此，如何提高寰樞椎椎弓根植釘的安全性和準確性尤為重要。
隨著 3D 打印技術在脊柱外科的廣泛應用，許多研究者設計了個性化 3D 打印導航模板，并在術中輔助寰樞椎螺釘的植入[8-10]。但在實際手術中，由于椎弓根螺釘的植入包括螺釘進釘點確定、進釘方向判斷和釘道擴大等多個步驟，故初期單一導航模板（以下簡稱初期導板）無法引導實施螺釘植入的每一個步驟，術中易出現導板導向管過長放置困難、變形、術中更改釘道困難等問題，造成植釘失敗[11]。因此本研究中，我們在初期導板的基礎上進行改進，設計了一套逐級擴大型 3D 打印導板系統（逐級導板）輔助寰樞椎椎弓根植釘，該系統包括定位導板、鉆孔導板和攻絲導板，按植釘順序輔助螺釘植入的每一步操作，逐級擴大，提高了準確性。現回顧分析 2015 年 5 月—2017 年 5 月，我院分別采用初期導板和逐級導板輔助寰樞椎椎弓根螺釘植入的寰樞椎骨折、脫位患者臨床資料，探討逐級導板輔助寰樞椎椎弓根植釘的可行性。報告如下。
1 臨床資料
1.1 患者選擇標準
納入標準：① 寰樞椎骨折、脫位，影像學提示不穩定者；② 術前 CT 示寰樞椎無明顯畸形，可行椎弓根螺釘內固定；③ 術前牽引證實脫位能復位者；④ 術中應用逐級導板或初期導板輔助寰樞椎椎弓根螺釘內固定。排除標準：① CT 示椎弓根細小，不能容納椎弓根螺釘固定；② 合并嚴重內科疾病，不能耐受手術者；③ 骨質嚴重疏松或存在感染者；④ 腫瘤患者。2015 年 5 月–2017 年 5 月共 33 例患者符合選擇標準納入研究，按術中輔助植釘方式不同分為試驗組（19 例，應用逐級導板輔助寰樞椎椎弓根螺釘內固定）和對照組（14 例，應用初期導板輔助寰樞椎椎弓根螺釘內固定）。
1.2 一般資料
試驗組：男 11 例，女 8 例；年齡 29～64 歲，平均 37.5 歲。致傷原因：高處墜落傷 9 例、交通事故傷 7 例、重物壓傷 3 例。樞椎齒狀突骨折 7 例，齒狀突骨折伴脫位 6 例，寰椎骨折脫位 6 例。Frankel 分級：D 級 3 例、E 級 16 例。對照組：男 8 例，女 6 例；年齡 23～54 歲，平均 39.2 歲。致傷原因：高處墜落傷 7 例、交通事故傷 5 例、重物壓傷 2 例。樞椎齒狀突骨折 6 例，齒狀突骨折伴脫位 5 例，寰椎骨折脫位 3 例。Frankel 分級：D 級 2 例、E 級 12 例。
兩組患者性別、年齡、致傷原因、損傷節段及類型、術前 Frankel 分級等一般資料比較差異均無統計學意義（P>0.05），具有可比性。本研究獲自貢市第四人民醫院醫學倫理委員會批準，患者均簽署知情同意書。
1.3 導板設計和3D打印
1.3.1 寰樞椎三維模型重建
所有患者行術前頸椎 CT 掃描，掃描參數：電壓 120 kV，電流 185.25 mAs，矩陣 512×512 像素，層厚 0.625 mm。將頸椎 CT 原始 DICOM 數據導入 Minics19.0 軟件（Materialise 公司，比利時）；選取骨骼 CT 閾值新建二維蒙板（可根據患者骨密度適當調整閾值），通過“segment”模塊對寰樞椎進行分割，提取寰樞椎二維蒙板，并進行三維重建，得到寰樞椎的三維模型。
1.3.2 模擬植釘
在“MedCAD”模塊中，選擇圓柱體代表螺釘，并在 Mimics21.0（Materialise 公司，比利時）軟件中模擬植釘。圓柱體直徑設置為 3.5 mm，沿寰樞椎椎弓根方向由后方植入，并在橫斷面、冠狀面、矢狀面調整螺釘位置，保證圓柱體在上述 3 個斷面均為突破骨皮質。見圖 1a、b。將上述三維模型及圓柱體存為 STL 格式文件。
圖1
逐級導板設計、3D打印及術前模擬手術
a、b. 術前模擬植釘；c. 設計定位導板；d. 設計鉆孔導板；e. 設計攻絲導板；f、g. 打印好的模型和導板實物；h、i. 術前基于打印模型模擬手術
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
1.3.3 導板系統設計
逐級導板系統：① 將上述 STL 文件導入 3-matic 13.0 軟件（Materialise 公司，比利時）。② 在寰樞椎表面，以螺釘進釘點為中心向周圍擴散進行“mark”標記，提取寰樞椎表面結構，并以 3 mm 厚度反向拉伸，得到導板與椎體后方的貼附底座。③ 根據椎體的整體形態和棘突結構，沿棘突方向勾畫草圖，并將草圖轉化為實體模型，即導板橫連和支撐結構。④ 復制上述圓柱體，并將其直徑改為 2.2 mm，貼附底座減去該圓柱體，便得到僅包含定位孔的底座；將導板橫連、支撐結構與貼附底座進行布爾合并，定位導板設計完成（無導向管）。⑤ 再次復制圓柱體，將其直徑設置為 6 mm，將 6 mm 圓柱體與“②”中底座合并為整體，該整體減去 2.2 mm 圓柱體，便得到包含導向管的貼附底座；同樣將其與導板橫連、支撐結構布爾合并，鉆孔導板（導向管內徑 2.2 mm，長 10 mm）設計完成。⑥ 重復上述步驟設計攻絲導板（導向管內徑 3.5 mm，長 15 mm）。見圖 1c～e。
初期導板系統：設計步驟與逐級導板類似，但每個椎體僅為 1 個，導向管內徑 2.2 mm，長 15 mm。
1.3.4 導板系統及頸椎模型的3D打印及后處理
將上述導板存為 STL 格式文件，傳入 3DS Projet3600 型光敏樹脂打印機（3D SYSTEMS 公司，美國），打印材料為 VisiJet? M Crystal Plastic Material-Natural 醫學模型材料；待打印完畢取出模型，置烤箱加熱至蠟支撐大量融化（烤箱溫度 55～65℃），然后置超聲波煮至蠟支撐全部融化，清水沖洗干凈。寰樞椎 STL 文件傳入 FAB460 型 3D 打印機（3DTALK，江蘇時間環三維科技有限公司），設置打印參數，打印材料為國產聚乳酸材料；打印完畢后，去除支撐，進行光滑處理，得到最終打印導板和寰樞椎打印實物。見圖 1f、g。
1.4 術前準備
術前兩組均在 3D 打印模型上進行模擬手術。試驗組：將上述導板逐一放置于椎板及棘突后部，觀察導板和模型是否緊密結合；通過定位導板確定進釘點，通過鉆孔導板鉆入直徑 2.0 mm 克氏針，通過攻絲導板進行釘道攻絲。肉眼觀察上述步驟中是否有骨皮質突破，術前驗證逐級導板系統的準確度。見圖 1h、i。對照組：術前僅將初期導板貼附于模型上模擬手術，觀察釘道情況。術前導航導板及模型均通過等離子低溫消毒，備用。
1.5 手術方法
所有手術均由同一主刀醫師完成，內固定為北京威高亞華開發有限公司產品。患者于全麻下取仰臥位，脫位患者顱骨牽引維持復位狀態。
試驗組：頸后上部正中入路，顯露寰樞椎后部骨性結構，根據逐級導板貼附底座在骨質上的位置和大小，仔細剝離附著的肌肉和韌帶。首先安置定位導板，將其底座貼附寰樞椎椎板、棘突后方，觀察其貼合度，助手按壓導板上方橫聯結構并維持導板與骨質的嚴密貼合，術者用高速磨鉆或克氏針（直徑均為 2.0 mm）通過底座上的導向孔確定進釘點位置；然后更換鉆孔導板，再次確認與骨質嚴密貼合，用手鉆通過其導向管確定進釘方向，并以每次增加 2 mm 逐一加深釘道，每次加深前均使用探子探查釘道有無突破骨皮質；最后更換攻絲導板，更換螺釘絲錐在其導向管引導下擴大釘道。探子確認無皮質突破后植入直徑 3.5 mm 萬向椎弓根螺釘，C 臂 X 線機透視螺釘位置滿意及脫位糾正。使用已預彎好的連接棒固定寰樞椎。本組共設計并打印導板 114 個，植入椎弓根螺釘 76 枚。沖洗傷口縫合，術畢。
對照組：手術入路同試驗組，植釘方式按王飛等[12]介紹的方法，在初期導板輔助下植釘。本組共設計并打印導板 84 個，植入椎弓根螺釘 56 枚。
1.6 術后處理
術后患者臥床，制動，軸向翻身。術后預防性應用抗生素 1～2 次，術后第 2 天引流量<50 mL/h 時拔除引流管。有神經損傷的患者術后常規應用激素和脫水劑 3～5 d。術后 3 d 支具保護下下床活動，頸托或支具固定 3 個月。術后患者常規行 X 線片及 CT 檢查。
1.7 療效評價指標
1.7.1 螺釘植釘安全性
在術后即刻 CT 片上采用 Kawaguchi 等[13]方法評價螺釘與椎弓根的相對位置：0 級，螺釘全部位于椎弓根內；Ⅰ級，螺釘穿出椎弓根壁≤2 mm，未出現并發癥；Ⅱ級，螺釘穿出椎弓根壁>2 mm，未出現并發癥；Ⅲ級，螺釘穿出椎弓根壁>2 mm 且伴椎動脈、神經根損傷等嚴重并發癥。
1.7.2 螺釘進釘點準確性
在 Mimics21.0 軟件中導入患者術后即刻 CT 原始 DICOM 格式數據，三維重建寰樞椎三維模型及椎弓根螺釘。通過“image registration”將術前模擬植入圓柱體的工程文件也一并導入，并與術后工程文件進行圖像配準。測量術后螺釘與圓柱體中心在進入皮質骨時的距離，即為術后螺釘進釘點偏移量。
1.7.3 螺釘角度準確性
按 1.7.2 方式將手術前后的寰樞椎三維模型配準。測量術后螺釘與模擬植入圓柱體中心在三維坐標系中 X、Y、Z 軸方向上的角度差值，即為術后螺釘方向偏差。計算方法如下：所有坐標值均基于以 CT 掃描定位為原點，患者平躺，矢狀面向左為 X 軸正向，冠狀面向后為 Y 軸正向，橫斷面向上為 Z 軸正向，X1、Y1、Z1 是釘道入針點的三維坐標，X2、Y2、Z2 是釘道出針點的三維坐標；按以下公式計算釘道在 XOZ、XOY、YOZ 平面的角度偏移量，以 YOZ 平面為例：cosβ=。
1.8 統計學方法
采用 SPSS19.0 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
試驗組導板設計及打印時間共 7～9 h，對照組為 6～8 h。所有患者均順利完成手術，試驗組手術時間及術中出血量分別為（100.62±12.27）min、（183.76±53.90）mL，均顯著少于對照組的（112.76±19.93）min、（247.48±80.88）mL，差異均有統計學意義（t=–2.360，P=0.022；t=–3.006，P=0.004）。兩組患者均獲隨訪，隨訪時間 12～40 個月，平均 25.3 個月。無重要血管損傷及神經損傷加重發生。術后即刻 X 線片及 CT 示脫位均得到糾正。螺釘植釘安全性評價顯示，試驗組 76 枚螺釘均為 0 級，植釘安全性 100%；對照組 0 級 51 枚、Ⅰ級 3 枚、Ⅱ級 2 枚，植釘安全性 91.1%；兩組比較差異有統計學意義（χ2=7.050，P=0.030）。術后試驗組螺釘進釘點偏移量和 XOY、YOZ 平面角度偏移量均顯著小于對照組，差異有統計學意義（P>0.05）；兩組 XOZ 平面角度偏移量差異無統計學意義（t=1.060，P=0.290）。見表 1、圖 2。
表1
兩組患者術后寰樞椎螺釘進釘點偏移量和角度偏移量比較（）
Table1.
Comparison of screw insertion point deviation and angle deviation between the two groups ()
圖2
試驗組患者，女，55歲，跌傷致樞椎齒狀突骨折
a. 術前 CT 示樞椎齒狀突骨折；b～d. 術中在逐級導板引導下確定進釘點、釘道及攻絲；e. 術后即刻冠狀位 CT 示螺釘位置良好；f、g. 術后即刻椎弓根軸位 CT 示螺釘位置良好
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 討論
3.1 寰樞椎植釘治療進展
目前，固定寰樞椎的植釘方式有椎弓根螺釘、椎板螺釘和側塊螺釘。張美超等[14]通過建立寰樞椎側塊釘板模型，通過有限元分析評價寰樞椎側塊釘板裝置的力學性能，發現鋼板中部兩側以及螺釘植入椎體根部容易產生應力疲勞，臨床應用中需要做好預防和補救措施；Sugimoto 等[15]認為椎板螺釘適用于椎弓根狹小、椎動脈畸形以及短頸后凸畸形等患者，但其力學穩定性還有待驗證；Li 等[16]認為椎弓根螺釘因其較好的力學穩定性，是目前治療寰樞椎骨折脫位的首選植釘方式，但如何安全、準確地植入寰樞椎椎弓根螺釘是臨床需要解決的問題。傳統徒手植釘對主刀醫生的臨床經驗和技術要求高，且極易出現釘道突破椎弓根皮質的現象；計算機導航在椎弓根螺釘植入中的應用，在一定程度上提高了植釘的安全性和準確性，但也有穿破椎弓根皮質的現象[17]，且不容易在基層醫院普及。隨著數字醫學在臨床逐步應用，大量研究表明，3D 打印導航模板輔助椎弓根螺釘植入能顯著提高植釘的安全性和準確率[18-19]。
3.2 逐級導板系統的優點
本研究中，我們設計并打印了逐級導板系統，其包括定位導板、鉆孔導板和攻絲導板，在手術中逐一應用，獲得了較好的臨床效果。該方法的主要優勢是：① 植釘準確性較高：所有導板獨立貼附于骨質上，不會隨術中體位改變而出現不能嚴密貼附的情況，試驗組植釘準確率達 100%，驗證了其有較好的準確性。② 能精確匹配術前設計：在本研究中定位導板因為沒有導管結構，不受周圍軟組織的影響，因此在術中容易放置，在確定進釘點時也可直接觀察導向孔位置，避免確定進釘點時因剪力而出現偏移；本研究中試驗組進釘點偏移量僅為（0.78±0.70）mm，優于對照組。鉆孔導板導管內徑為 2.2 mm，術中剛好能容納直徑 2.0 mm 手鉆，且導管長度較短，也較容易放置，因此能較為緊密地貼附于骨質上，提高植釘方向的準確性；本研究中試驗組 YOZ、XOY 平面角度偏移量均小于對照組，提示其角度偏差較小。攻絲導板具有更大內徑的導管，能使攻絲過程在導管引導下進行，確保在攻絲過程中不改變方向，提高精準度。③ 可減少術中出血量和手術時間：本研究中逐級導板系統手術時間為（100.62±12.27）min，術中出血量為（183.76±53.90）mL，均優于文獻報道的徒手植釘相關數據[20-22]。考慮其原因可能是：僅需依據導板基座的大小進行剝離，減少了出血；植釘準確度較高，避免了反復植釘；術中僅需幾次透視，減少了手術時間。④ 時效性能滿足手術要求：逐級導板系統雖然增加了導板數量，看似增加了導板設計和打印時間，但由于各組件是布爾組合，并未增加打印高度，因此最終增加的打印時間并不明顯。本研究中對照組導板打印和設計時間僅比試驗組多 1 h 左右，完全能滿足臨床要求。⑤ 費用較低：本研究中逐級導板雖然增加了導板數量，但因為導板重量較輕，并不會明顯增加打印耗材，據測算每個導板即使使用進口打印材料，成本也不足 100 元，若使用國產材料，價格會更低。
3.3 逐級導板術前設計和術中應用注意事項
逐級導板術前設計需注意以下幾點：① CT 數據來源：層厚應盡量小，不能超過 1 mm，這樣可以提高建模和導板的精度[23]。② 底座貼附面的設計：貼附面最好包含寰樞椎重要解剖標志，樞椎應包含棘突根部，且容易放置；寰椎因沒有棘突，且頭側有椎動脈跨過，因此最好包含后弓尾側部分結構，以提高術中放置的穩定性和準確度。③ 逐級導板系統導向孔、導向管的內徑是根據使用的內固定器械配套設計，為使操作器械能順利通過且無明顯晃動，導向孔、導向管內徑應比操作器械大 0.2 mm。④ 最好在導板頂部設計橫連結構，并于術中按壓固定。⑤ 對于可否將 3 種逐級導板組合成 1 種，我們認為并不可取，原因是：增加卡扣等結構加大了設計難度；頸部傷口較深，術中在體內組裝困難；增加的卡扣結構容易術中斷裂殘留體內。因此，建議導板設計盡量簡化單一。
術中應用逐級導板注意事項：① 術中剝離：術中需依據導板底座貼附面完全剝離軟組織[24]；② 術中需助手持續加壓固定導板橫連結構，保證其貼附面和骨質的嚴密貼合；③ 定位導板確定進釘點時僅磨去表面骨皮質，避免形成假道；④ 鉆孔導板最好用手椎逐一加深釘道，有誤時及時調整；⑤ 攻絲導板其導管稍長，要注意軟組織張力的影響。
綜上述，逐級導板系統輔助寰樞椎椎弓根螺釘內固定治療寰樞椎骨折脫位，相對于初期導板能減少手術時間和術中出血量，提高植釘安全性，更能精確匹配術前設計。但由于本研究病例數較少，需擴大樣本量、延長隨訪時間，進一步證實療效。
