引用本文： 聶虎, 牛國旗, 周功, 劉濤, 陳輝, 李超. 3D 打印技術結合新型胸椎椎弓根螺釘釘道探測器輔助胸椎椎弓根植釘的臨床應用. 中國修復重建外科雜志, 2021, 35(5): 586-592. doi: 10.7507/1002-1892.202012016 復制
隨著手術技術不斷創新，椎弓根螺釘固定技術在脊柱外科相關疾病治療中的應用越來越廣泛，由于其手術創傷小、固定節段短，且具有較高的把持力和固定強度，逐漸成為脊柱內固定治療的常用手段[1-2]。但由于胸椎解剖結構復雜，生理特點比較特殊，椎弓根螺釘植入不當損傷神經或血管后，可能導致嚴重并發癥，甚至需要翻修手術。相關研究表明，徒手植入胸、腰椎椎弓根螺釘的準確率分別為 60.1%～97.5% 和 72.6%～96.5%[3]。術中如何克服解剖難點達到快速、精準植入胸椎椎弓根螺釘，給脊柱外科醫生帶來一定挑戰。近年來，3D 打印技術不斷革新，在脊柱外科的應用日趨深入。本團隊根據胸椎椎弓根特點自主研制了一種新型胸椎椎弓根螺釘釘道探測器（專利號：ZL201220596113.9，圖 1），結合 3D 打印技術輔助術中植釘。現通過與傳統徒手植入胸椎椎弓根螺釘進行比較，評價 3D 打印技術結合新型胸椎椎弓根螺釘釘道探測器輔助植釘的準確性和安全性，從而為胸椎椎弓根螺釘準確植入提供一種新方法。
圖1
胸椎椎弓根螺釘釘道探測器
a. 開口端；b. 弧形端；c. 膨大端；d. 手柄
Figure1. Thoracic pedicle screw track detectora. Open end; b. Curved end; c. Expanded end; d. The handle
1 臨床資料
1.1 一般資料
納入標準：① 術前完善三維 CT 等影像學檢查，診斷為胸椎退行性變、腫瘤、感染、外傷等需行后路胸椎椎弓根螺釘內固定手術治療者；② 無明顯胸椎椎弓根變異；③ 患者及家屬知情同意。2017 年 3 月—2020 年 1 月共 30 例患者納入研究。
其中男 18 例，女 12 例；年齡 32～76 歲，平均 56.3 歲。胸椎間盤突出癥 1 例；胸椎管狹窄癥 4 例，其中輕度狹窄 1 例（椎管殘余率≥66.7%）、中度狹窄 3 例（椎管殘余率 33.3%～66.7%）；胸椎后縱韌帶骨化癥 2 例；胸椎外傷 16 例，其中新鮮椎體壓縮性骨折 12 例、陳舊性椎體壓縮性骨折伴后凸畸形 4 例；胸椎感染疾病 2 例，其中 T8、9 結核 1 例、T9、10 椎間隙金黃色葡萄球菌感染 1 例；胸椎管占位 5 例，其中脊膜瘤 1 例、神經鞘瘤 4 例。將患者椎體左右側隨機分組，分別采用傳統徒手植釘（對照組）與 3D 打印技術結合新型胸椎椎弓根螺釘釘道探測器輔助植釘（觀察組）。
1.2 術前 3D 打印規劃及模擬手術
所有患者術前三維 CT（128 層薄層 CT，層厚 0.5 mm）數據從 Philips EBW4.5.5 軟件（Philips 公司，荷蘭）以 DICOM 格式導出，確保導出數據完整；然后導入 Mimics17.0 軟件（Materialise 公司，比利時），重建患者胸椎模型，在軟件中對重建模型進行裁剪，獲得所需手術節段椎體后以 STL 格式保存。見圖 2。將保存的模型數據導入 iderMaker 軟件（江蘇派恩新型材料有限公司）中調整模型打印位置，確保模型矢狀面和冠狀面均符合打印標準，并以 gcode 格式導入至 3D 打印機，以聚乳酸為材料打印制作模型[4]。
圖2
將患者術前三維 CT 數據導入 Mimics17.0 軟件中，重建患者胸椎模型
a. 前面觀；b. 后面觀
Figure2. The patient’s preoperative 3D CT data was imported into Mimics17.0 software to reconstruct the thoracic vertebral modela. The front view; b. The back view
取出打印好的模型，去除底座和支撐材料，暴露出胸椎相應解剖標志，觀察解剖特點，并利用胸椎椎弓根釘道探測器模擬手術；尋找進釘點并確定最佳進釘角度、方向和深度后，擰入胸椎椎弓根螺釘，通過切割模型判斷螺釘植入位置，以檢測螺釘植入角度，提高成功率。可多次模擬手術增加釘道建立的手感，模擬手術后由手術組醫生共同確定手術策略，決定實際手術方案。見圖 3。
圖3
術前模擬手術
a. 將打印模型去糙處理，結合新型胸椎椎弓根釘道探測器模擬手術；b. 探測器建立釘道角度及方向均良好，擰入螺釘
Figure3. Preoperative simulationa. The printed model was roughened and combined with a screw track detector to simulate surgery; b. The angle and direction of the detector stitching path were both good and the screw was screwed in
1.3 手術方法
手術均由同一組脊柱外科醫師完成。患者于全麻下俯臥于脊柱托架上，透視定位手術責任節段椎體。取后正中縱切口，依次切開皮膚、筋膜，沿棘突及兩側椎板骨面剝離椎旁肌至橫突及兩側突間關節外側；兩組均采用 Magerl 法確定進釘點，即上關節突外緣與橫突中軸或中上 1/3 的交點。觀察組根據術前模擬手術后制定的手術方案，尋找進釘點后開口器開口；使用新型胸椎椎弓根螺釘釘道探測器穿刺，探測器尖端自動滑入椎弓根松質骨內后，再使用克氏針鈍頭向前推進，至椎體前緣時有頂到骨皮質的堅實感；探子探查椎弓根骨道 5 個壁完整，絲錐攻絲，再次探子探查釘道璧完整后緩慢植入螺釘，C 臂 X 線機透視位置滿意后結束植釘。見圖 4。
圖4
觀察組術中操作
a～c. 應用新型胸椎椎弓根螺釘釘道探測器植入螺釘；d、e. 術中透視驗證探測器位置精準；f. 植釘完成
Figure4. Intraoperative operation in observation groupa-c. The thoracic pedicle screw track detector was used to place the screw; d, e. The accurate position of the detector was verified by intraoperative fluoroscopy; f. Screw implantation completed
對照組根據術中情況不同程度咬除橫突及下關節突骨質，以更清晰顯露解剖標志，根據解剖標志選擇進釘點開口，開路錐擴張釘道，椎弓根探子探查椎弓根骨道 5 個壁完整，置入定位導針，C 臂 X 線機透視位置良好后絲錐攻絲，探子再次探查椎弓根骨道 5 個壁完整后緩慢植入螺釘。
本研究共植入胸椎椎弓根螺釘 180 枚，兩組各 90 枚。植釘節段及植釘數量見表 1。
表1
植釘椎體節段及植釘數量分布
Table1.
Distribution of segments and number of nails in vertebral body
1.4 術后處理及療效評價指標
術后 2～3 d 內監測生命體征，霧化、吸氧；予以地塞米松、奧美拉唑靜脈滴注，預防脊髓水腫和保護胃黏膜，防止應激性潰瘍發生；常規使用抗生素、補液、鎮痛等支持治療；24 h 引流量低于 50 mL 可拔除引流管，切口處定期清潔換藥。
療效評價指標：① 比較兩組術中單枚螺釘植釘時間、單枚螺釘調整次數及植釘過程出血量。其中單枚螺釘植釘時間是指顯露單個相應胸椎椎弓根螺釘進釘點至螺釘擰入的時間；單枚螺釘調整次數是指單枚螺釘植釘過程中，根據手感、直視或 C 臂 X 線機透視下螺釘位置差，需要重新調整螺釘位置的次數[2, 4]。② 所有患者術后均再次行相同參數薄層 CT 掃描，根據植入螺釘與椎弓根的位置關系[5]評價螺釘植入準確性，分為 4 個等級。1 級螺釘，完全位于椎弓根內；2 級螺釘，刺破椎弓根皮質，刺破距離<2 mm；3 級螺釘，刺破椎弓根皮質，刺破距離 2～4 mm；4 級螺釘，刺破椎弓根皮質，刺破距離>4 mm。1、2 級螺釘為可接受植釘，3、4 級為不可接受植釘。
1.5 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
觀察組單枚螺釘植釘時間、單枚螺釘調整次數、植釘過程出血量均顯著優于對照組，差異有統計學意義（P<0.05）。見表 2。術后 CT 檢查示，觀察組 1 級螺釘 87 枚，2 級螺釘 3 枚（其中 2 枚刺破椎弓根內壁，1 枚刺破椎弓根外壁），可接受植釘率為 100%（90/90）；對照組 1 級螺釘 76 枚，14 枚螺釘稍刺破椎弓根壁（10 枚刺破椎弓根內壁，4 枚刺破椎弓根外壁），其中 2 級螺釘 2 枚，3 級螺釘 11 枚，4 級螺釘 1 枚，可接受植釘率為 86.7%（78/90）；兩組植釘情況比較差異有統計學意義（χ2=12.875，P=0.001）。所有患者均獲隨訪，隨訪時間 6～18 個月，平均 11.3 個月。兩組均無血管、神經、脊髓、內臟損傷及斷釘、斷棒等并發癥發生，無翻修患者。見圖 5。
表2
兩組患者各臨床指標比較（n=30，
）
Table2.
Comparison of clinical indexes between the two groups (n=30, 
)
圖5
患者，女，65 歲，T10 椎管脊膜瘤（左側為對照組，右側為觀察組）
a. 術前 MRI 示 T10 椎管內占位性病變；b. 術前 CT 示兩側椎弓根無變異；c. 術后 3 d 正側位 X 線片示 T9～12 兩側螺釘在位良好；d. 術后 1 周 CT 示螺釘在位良好；e. 術后 3 個月 CT 示螺釘在位良好，無松動斷裂
Figure5. A 65-year-old female patient with thoracic spinal meningioma at T10 level (The left side for control group and the right side for observation group)a. Preoperative MRI showed space-occupying lesions in the spinal canal at T10 level; b. Preoperative CT showed no variation in bilateral pedicles; c. Anteroposterior and lateral X-ray films at 3 days after operation showed the pedicle screws on both sides of T9-12 were in good position; d. CT scan at 1 week after operation showed that the screw was in good position; e. CT scan at 3 months after operation showed that the screw was in good position without loosening or fracture
3 討論
椎弓根螺釘是植入脊柱手術最常用固定方法，在脊柱退行性疾病、創傷、感染、腫瘤等疾病中廣泛應用，術中通過椎體后方狹長的椎弓根植入螺釘，螺釘位置的準確性對脊柱手術成功至關重要。胸椎椎弓根具有細、短、窄的結構特點，皮質薄且脆，因此很容易斷裂。此外，植入胸椎椎弓根螺釘的角度往往不一致，使得一次性放置胸椎椎弓根螺釘的錯誤率很高，從而損傷周圍組織，造成嚴重后果[6]。在復雜椎體骨折或椎體畸形中，胸椎椎弓根植釘難度和風險更高，容錯率大大降低，螺釘植入過程的任何錯誤都可能導致周圍神經、血管和脊髓損傷[2, 7]。因此，螺釘植入失敗引起的脊髓破壞、椎體周圍大血管損傷、椎弓根骨折、胸神經根損傷等并發癥時有發生，故胸椎椎弓根螺釘植入在技術操作上具有挑戰性。胸椎椎弓根螺釘植入方法最早為 Roy-Camille 等[8]報道的徒手植釘法。在傳統后路手術中，椎弓根螺釘植釘的準確性主要由徒手植釘技術和術中影像學透視結果決定，這往往依賴于術者對椎弓根解剖結構的判斷，有較高的植釘失敗率。隨著脊柱外科的發展以及植釘技術不斷創新，臨床中逐漸出現“funnel technique”植釘法、“3D 圖像引導”[9]、“超聲輔助”[10]等技術，一定程度上提升了植釘技術，提高了植釘準確性和安全性，降低了周圍神經、血管和脊髓損傷風險，臨床效果尚滿意。但新興技術的應用往往存在硬件設施配備受制或學習曲線長、對技術操作要求過高等問題，在臨床上難以普及。
數字化技術的發展和應用為骨科手術開辟了新的前景，3D 打印技術的廣泛應用為脊柱外科手術精準化提供了新平臺[11]。3D 打印技術又稱快速成型技術，是利用分層制造和疊加成型模式，通過層層遞增方式，將計算機處理的數據打印成 1∶1 三維實物，獨有的精準化、個性化特點使其在脊柱外科的應用逐漸深入。Xu 等[12]研究發現 3D 打印技術是胸椎椎弓根螺釘植入直觀有效的輔助技術，不僅提高了徒手植釘的準確性，還減少了經驗誤差。對于復雜的脊柱手術，合理、精確的手術方案制定尤為重要，3D 打印技術憑借其個性化特點實現了“量身定制”。Tan 等[13]發現在復雜脊柱畸形矯正中使用 3D 打印脊柱模型輔助徒手植釘，可提高植釘安全性和準確性，且無神經或血管并發癥發生。同樣，Tu 等[14]首先設計 3D 打印導向模板用于復雜強直性脊柱炎后凸畸形矯形手術中，結果顯示，3D 打印技術同時滿足了患者和術者對矯正嚴重胸腰椎后凸畸形的特殊要求，且有利于術后脊柱功能恢復。
隨著醫療技術的發展，計算機導航、術中 CT 導航以及機器人技術逐漸成為脊柱植釘技術的新生力量，這些新興技術的臨床應用大大提高了植釘準確性，但由于其設備特殊、操作復雜、成本高昂，較難在短期內推廣使用。本研究團隊通過觀察、理解胸椎椎弓根解剖空間特點，以臨床手術經驗為基礎，自主研制出一種新型胸椎椎弓根螺釘釘道探測器，并獲得國家使用新型專利。此探測器簡單分為 4 個功能部位：開口端、弧形端、膨大端和手柄。尖端部位主要為開口、突進功能；15° 的弧形過渡區域順應了椎弓根的角度，可以減少尖端進入椎弓根后的突進力量，方便進一步深入探測；漸膨大的柄部起限深作用，防止操作者因力量控制不佳導致的探測器刺破椎弓根；球形手柄易于把握、操作，方便操作者對力量把控。利用新型釘道探測器結合 3D 打印技術科輔助術前規劃、制定個體化手術方案。部分學者發現胸椎椎弓根解剖具有很強特異性，快速、精準尋找椎弓根螺釘最佳植入軌跡尚具有一定難度[11, 15]。本研究發現，通過術前預先應用新型釘道探測器在 3D 打印胸椎模型上進行模擬手術，與傳統徒手植釘相比，具有以下特點：① 能夠很大程度上減少椎弓根螺釘植釘時間，增加了一次性植釘成功率，提高了整體手術滿意度。② 植釘時間縮短相應減少了整體手術時間，術中出血量大幅度減少，大大提升了患者術后生活質量。③ 快速、精準化植釘，避免了傳統手術因植釘效果不理想而對螺釘位置反復調整[16]，從而避免了周圍神經、血管損傷以及釘道強度丟失，減少術中透視次數，降低醫療輻射對患者和醫務人員的損傷。④ 解決了傳統胸椎椎弓根螺釘植入過程中因過多去除椎弓根骨質，造成椎弓根螺釘固定力減弱的問題，應用該新型探測器術中幾乎不咬除骨皮質，開口器僅刺破進釘點骨質，減少了胸椎椎弓根螺釘植入時骨量丟失，以提高螺釘強度及釘道把持力。
通過臨床實踐，我們對 3D 打印技術結合新型胸椎椎弓根螺釘釘道探測器輔助植釘有以下體會：① 脊柱外科醫生通常通過讀取二維圖像在大腦中構建三維圖像，以“想象”手術難度。而 1∶1 的三維實體脊柱模型提供了與手術對象非常相似的視覺輔助，能夠消除對二維圖像理解時的個體差異。② 對于胸椎椎弓根螺釘植入困難，尤其是需要長節段螺釘植入的患者，可術前使用釘道探測器在 1∶1 胸椎模型上模擬植釘，避免因螺釘直徑和長度選擇錯誤或者植釘角度方向不佳引起的并發癥，并縮短了手術時間；③ 該釘道探測器以及 3D 打印技術成本低、制作便捷，易于在基層醫院推廣。④ 降低學習曲線，使青年脊柱外科醫生對胸椎椎弓根螺釘植入建立信心。
但本研究還存在一定局限性，由于病例數較少，納入椎體節段不一致，缺乏節段不同造成植釘難度不同的獨立分析對照；且實際手術中椎體解剖顯露與模型有一定差距，對進釘點的判斷可能產生一定誤差。
作者貢獻：聶虎、劉濤、陳輝、李超參與研究設計、實施、數據采集及分析，起草文章；牛國旗參與數據分析；周功參與研究實施；牛國旗、周功對文章的知識性內容作批評性審閱。
利益沖突：所有作者聲明，在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突。項目經費支持沒有影響文章觀點和對研究數據客觀結果的統計分析及其報道。
機構倫理問題：研究方案經蚌埠醫學院第二附屬醫院醫學倫理委員會批準（2020-13）。
隨著手術技術不斷創新，椎弓根螺釘固定技術在脊柱外科相關疾病治療中的應用越來越廣泛，由于其手術創傷小、固定節段短，且具有較高的把持力和固定強度，逐漸成為脊柱內固定治療的常用手段[1-2]。但由于胸椎解剖結構復雜，生理特點比較特殊，椎弓根螺釘植入不當損傷神經或血管后，可能導致嚴重并發癥，甚至需要翻修手術。相關研究表明，徒手植入胸、腰椎椎弓根螺釘的準確率分別為 60.1%～97.5% 和 72.6%～96.5%[3]。術中如何克服解剖難點達到快速、精準植入胸椎椎弓根螺釘，給脊柱外科醫生帶來一定挑戰。近年來，3D 打印技術不斷革新，在脊柱外科的應用日趨深入。本團隊根據胸椎椎弓根特點自主研制了一種新型胸椎椎弓根螺釘釘道探測器（專利號：ZL201220596113.9，圖 1），結合 3D 打印技術輔助術中植釘。現通過與傳統徒手植入胸椎椎弓根螺釘進行比較，評價 3D 打印技術結合新型胸椎椎弓根螺釘釘道探測器輔助植釘的準確性和安全性，從而為胸椎椎弓根螺釘準確植入提供一種新方法。
圖1
胸椎椎弓根螺釘釘道探測器
a. 開口端；b. 弧形端；c. 膨大端；d. 手柄
Figure1. Thoracic pedicle screw track detectora. Open end; b. Curved end; c. Expanded end; d. The handle
1 臨床資料
1.1 一般資料
納入標準：① 術前完善三維 CT 等影像學檢查，診斷為胸椎退行性變、腫瘤、感染、外傷等需行后路胸椎椎弓根螺釘內固定手術治療者；② 無明顯胸椎椎弓根變異；③ 患者及家屬知情同意。2017 年 3 月—2020 年 1 月共 30 例患者納入研究。
其中男 18 例，女 12 例；年齡 32～76 歲，平均 56.3 歲。胸椎間盤突出癥 1 例；胸椎管狹窄癥 4 例，其中輕度狹窄 1 例（椎管殘余率≥66.7%）、中度狹窄 3 例（椎管殘余率 33.3%～66.7%）；胸椎后縱韌帶骨化癥 2 例；胸椎外傷 16 例，其中新鮮椎體壓縮性骨折 12 例、陳舊性椎體壓縮性骨折伴后凸畸形 4 例；胸椎感染疾病 2 例，其中 T8、9 結核 1 例、T9、10 椎間隙金黃色葡萄球菌感染 1 例；胸椎管占位 5 例，其中脊膜瘤 1 例、神經鞘瘤 4 例。將患者椎體左右側隨機分組，分別采用傳統徒手植釘（對照組）與 3D 打印技術結合新型胸椎椎弓根螺釘釘道探測器輔助植釘（觀察組）。
1.2 術前 3D 打印規劃及模擬手術
所有患者術前三維 CT（128 層薄層 CT，層厚 0.5 mm）數據從 Philips EBW4.5.5 軟件（Philips 公司，荷蘭）以 DICOM 格式導出，確保導出數據完整；然后導入 Mimics17.0 軟件（Materialise 公司，比利時），重建患者胸椎模型，在軟件中對重建模型進行裁剪，獲得所需手術節段椎體后以 STL 格式保存。見圖 2。將保存的模型數據導入 iderMaker 軟件（江蘇派恩新型材料有限公司）中調整模型打印位置，確保模型矢狀面和冠狀面均符合打印標準，并以 gcode 格式導入至 3D 打印機，以聚乳酸為材料打印制作模型[4]。
圖2
將患者術前三維 CT 數據導入 Mimics17.0 軟件中，重建患者胸椎模型
a. 前面觀；b. 后面觀
Figure2. The patient’s preoperative 3D CT data was imported into Mimics17.0 software to reconstruct the thoracic vertebral modela. The front view; b. The back view
取出打印好的模型，去除底座和支撐材料，暴露出胸椎相應解剖標志，觀察解剖特點，并利用胸椎椎弓根釘道探測器模擬手術；尋找進釘點并確定最佳進釘角度、方向和深度后，擰入胸椎椎弓根螺釘，通過切割模型判斷螺釘植入位置，以檢測螺釘植入角度，提高成功率。可多次模擬手術增加釘道建立的手感，模擬手術后由手術組醫生共同確定手術策略，決定實際手術方案。見圖 3。
圖3
術前模擬手術
a. 將打印模型去糙處理，結合新型胸椎椎弓根釘道探測器模擬手術；b. 探測器建立釘道角度及方向均良好，擰入螺釘
Figure3. Preoperative simulationa. The printed model was roughened and combined with a screw track detector to simulate surgery; b. The angle and direction of the detector stitching path were both good and the screw was screwed in
1.3 手術方法
手術均由同一組脊柱外科醫師完成。患者于全麻下俯臥于脊柱托架上，透視定位手術責任節段椎體。取后正中縱切口，依次切開皮膚、筋膜，沿棘突及兩側椎板骨面剝離椎旁肌至橫突及兩側突間關節外側；兩組均采用 Magerl 法確定進釘點，即上關節突外緣與橫突中軸或中上 1/3 的交點。觀察組根據術前模擬手術后制定的手術方案，尋找進釘點后開口器開口；使用新型胸椎椎弓根螺釘釘道探測器穿刺，探測器尖端自動滑入椎弓根松質骨內后，再使用克氏針鈍頭向前推進，至椎體前緣時有頂到骨皮質的堅實感；探子探查椎弓根骨道 5 個壁完整，絲錐攻絲，再次探子探查釘道璧完整后緩慢植入螺釘，C 臂 X 線機透視位置滿意后結束植釘。見圖 4。
圖4
觀察組術中操作
a～c. 應用新型胸椎椎弓根螺釘釘道探測器植入螺釘；d、e. 術中透視驗證探測器位置精準；f. 植釘完成
Figure4. Intraoperative operation in observation groupa-c. The thoracic pedicle screw track detector was used to place the screw; d, e. The accurate position of the detector was verified by intraoperative fluoroscopy; f. Screw implantation completed
對照組根據術中情況不同程度咬除橫突及下關節突骨質，以更清晰顯露解剖標志，根據解剖標志選擇進釘點開口，開路錐擴張釘道，椎弓根探子探查椎弓根骨道 5 個壁完整，置入定位導針，C 臂 X 線機透視位置良好后絲錐攻絲，探子再次探查椎弓根骨道 5 個壁完整后緩慢植入螺釘。
本研究共植入胸椎椎弓根螺釘 180 枚，兩組各 90 枚。植釘節段及植釘數量見表 1。
表1
植釘椎體節段及植釘數量分布
Table1.
Distribution of segments and number of nails in vertebral body
1.4 術后處理及療效評價指標
術后 2～3 d 內監測生命體征，霧化、吸氧；予以地塞米松、奧美拉唑靜脈滴注，預防脊髓水腫和保護胃黏膜，防止應激性潰瘍發生；常規使用抗生素、補液、鎮痛等支持治療；24 h 引流量低于 50 mL 可拔除引流管，切口處定期清潔換藥。
療效評價指標：① 比較兩組術中單枚螺釘植釘時間、單枚螺釘調整次數及植釘過程出血量。其中單枚螺釘植釘時間是指顯露單個相應胸椎椎弓根螺釘進釘點至螺釘擰入的時間；單枚螺釘調整次數是指單枚螺釘植釘過程中，根據手感、直視或 C 臂 X 線機透視下螺釘位置差，需要重新調整螺釘位置的次數[2, 4]。② 所有患者術后均再次行相同參數薄層 CT 掃描，根據植入螺釘與椎弓根的位置關系[5]評價螺釘植入準確性，分為 4 個等級。1 級螺釘，完全位于椎弓根內；2 級螺釘，刺破椎弓根皮質，刺破距離<2 mm；3 級螺釘，刺破椎弓根皮質，刺破距離 2～4 mm；4 級螺釘，刺破椎弓根皮質，刺破距離>4 mm。1、2 級螺釘為可接受植釘，3、4 級為不可接受植釘。
1.5 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
觀察組單枚螺釘植釘時間、單枚螺釘調整次數、植釘過程出血量均顯著優于對照組，差異有統計學意義（P<0.05）。見表 2。術后 CT 檢查示，觀察組 1 級螺釘 87 枚，2 級螺釘 3 枚（其中 2 枚刺破椎弓根內壁，1 枚刺破椎弓根外壁），可接受植釘率為 100%（90/90）；對照組 1 級螺釘 76 枚，14 枚螺釘稍刺破椎弓根壁（10 枚刺破椎弓根內壁，4 枚刺破椎弓根外壁），其中 2 級螺釘 2 枚，3 級螺釘 11 枚，4 級螺釘 1 枚，可接受植釘率為 86.7%（78/90）；兩組植釘情況比較差異有統計學意義（χ2=12.875，P=0.001）。所有患者均獲隨訪，隨訪時間 6～18 個月，平均 11.3 個月。兩組均無血管、神經、脊髓、內臟損傷及斷釘、斷棒等并發癥發生，無翻修患者。見圖 5。
表2
兩組患者各臨床指標比較（n=30，）
Table2.
Comparison of clinical indexes between the two groups (n=30, )
圖5
患者，女，65 歲，T10 椎管脊膜瘤（左側為對照組，右側為觀察組）
a. 術前 MRI 示 T10 椎管內占位性病變；b. 術前 CT 示兩側椎弓根無變異；c. 術后 3 d 正側位 X 線片示 T9～12 兩側螺釘在位良好；d. 術后 1 周 CT 示螺釘在位良好；e. 術后 3 個月 CT 示螺釘在位良好，無松動斷裂
Figure5. A 65-year-old female patient with thoracic spinal meningioma at T10 level (The left side for control group and the right side for observation group)a. Preoperative MRI showed space-occupying lesions in the spinal canal at T10 level; b. Preoperative CT showed no variation in bilateral pedicles; c. Anteroposterior and lateral X-ray films at 3 days after operation showed the pedicle screws on both sides of T9-12 were in good position; d. CT scan at 1 week after operation showed that the screw was in good position; e. CT scan at 3 months after operation showed that the screw was in good position without loosening or fracture
3 討論
椎弓根螺釘是植入脊柱手術最常用固定方法，在脊柱退行性疾病、創傷、感染、腫瘤等疾病中廣泛應用，術中通過椎體后方狹長的椎弓根植入螺釘，螺釘位置的準確性對脊柱手術成功至關重要。胸椎椎弓根具有細、短、窄的結構特點，皮質薄且脆，因此很容易斷裂。此外，植入胸椎椎弓根螺釘的角度往往不一致，使得一次性放置胸椎椎弓根螺釘的錯誤率很高，從而損傷周圍組織，造成嚴重后果[6]。在復雜椎體骨折或椎體畸形中，胸椎椎弓根植釘難度和風險更高，容錯率大大降低，螺釘植入過程的任何錯誤都可能導致周圍神經、血管和脊髓損傷[2, 7]。因此，螺釘植入失敗引起的脊髓破壞、椎體周圍大血管損傷、椎弓根骨折、胸神經根損傷等并發癥時有發生，故胸椎椎弓根螺釘植入在技術操作上具有挑戰性。胸椎椎弓根螺釘植入方法最早為 Roy-Camille 等[8]報道的徒手植釘法。在傳統后路手術中，椎弓根螺釘植釘的準確性主要由徒手植釘技術和術中影像學透視結果決定，這往往依賴于術者對椎弓根解剖結構的判斷，有較高的植釘失敗率。隨著脊柱外科的發展以及植釘技術不斷創新，臨床中逐漸出現“funnel technique”植釘法、“3D 圖像引導”[9]、“超聲輔助”[10]等技術，一定程度上提升了植釘技術，提高了植釘準確性和安全性，降低了周圍神經、血管和脊髓損傷風險，臨床效果尚滿意。但新興技術的應用往往存在硬件設施配備受制或學習曲線長、對技術操作要求過高等問題，在臨床上難以普及。
數字化技術的發展和應用為骨科手術開辟了新的前景，3D 打印技術的廣泛應用為脊柱外科手術精準化提供了新平臺[11]。3D 打印技術又稱快速成型技術，是利用分層制造和疊加成型模式，通過層層遞增方式，將計算機處理的數據打印成 1∶1 三維實物，獨有的精準化、個性化特點使其在脊柱外科的應用逐漸深入。Xu 等[12]研究發現 3D 打印技術是胸椎椎弓根螺釘植入直觀有效的輔助技術，不僅提高了徒手植釘的準確性，還減少了經驗誤差。對于復雜的脊柱手術，合理、精確的手術方案制定尤為重要，3D 打印技術憑借其個性化特點實現了“量身定制”。Tan 等[13]發現在復雜脊柱畸形矯正中使用 3D 打印脊柱模型輔助徒手植釘，可提高植釘安全性和準確性，且無神經或血管并發癥發生。同樣，Tu 等[14]首先設計 3D 打印導向模板用于復雜強直性脊柱炎后凸畸形矯形手術中，結果顯示，3D 打印技術同時滿足了患者和術者對矯正嚴重胸腰椎后凸畸形的特殊要求，且有利于術后脊柱功能恢復。
隨著醫療技術的發展，計算機導航、術中 CT 導航以及機器人技術逐漸成為脊柱植釘技術的新生力量，這些新興技術的臨床應用大大提高了植釘準確性，但由于其設備特殊、操作復雜、成本高昂，較難在短期內推廣使用。本研究團隊通過觀察、理解胸椎椎弓根解剖空間特點，以臨床手術經驗為基礎，自主研制出一種新型胸椎椎弓根螺釘釘道探測器，并獲得國家使用新型專利。此探測器簡單分為 4 個功能部位：開口端、弧形端、膨大端和手柄。尖端部位主要為開口、突進功能；15° 的弧形過渡區域順應了椎弓根的角度，可以減少尖端進入椎弓根后的突進力量，方便進一步深入探測；漸膨大的柄部起限深作用，防止操作者因力量控制不佳導致的探測器刺破椎弓根；球形手柄易于把握、操作，方便操作者對力量把控。利用新型釘道探測器結合 3D 打印技術科輔助術前規劃、制定個體化手術方案。部分學者發現胸椎椎弓根解剖具有很強特異性，快速、精準尋找椎弓根螺釘最佳植入軌跡尚具有一定難度[11, 15]。本研究發現，通過術前預先應用新型釘道探測器在 3D 打印胸椎模型上進行模擬手術，與傳統徒手植釘相比，具有以下特點：① 能夠很大程度上減少椎弓根螺釘植釘時間，增加了一次性植釘成功率，提高了整體手術滿意度。② 植釘時間縮短相應減少了整體手術時間，術中出血量大幅度減少，大大提升了患者術后生活質量。③ 快速、精準化植釘，避免了傳統手術因植釘效果不理想而對螺釘位置反復調整[16]，從而避免了周圍神經、血管損傷以及釘道強度丟失，減少術中透視次數，降低醫療輻射對患者和醫務人員的損傷。④ 解決了傳統胸椎椎弓根螺釘植入過程中因過多去除椎弓根骨質，造成椎弓根螺釘固定力減弱的問題，應用該新型探測器術中幾乎不咬除骨皮質，開口器僅刺破進釘點骨質，減少了胸椎椎弓根螺釘植入時骨量丟失，以提高螺釘強度及釘道把持力。
通過臨床實踐，我們對 3D 打印技術結合新型胸椎椎弓根螺釘釘道探測器輔助植釘有以下體會：① 脊柱外科醫生通常通過讀取二維圖像在大腦中構建三維圖像，以“想象”手術難度。而 1∶1 的三維實體脊柱模型提供了與手術對象非常相似的視覺輔助，能夠消除對二維圖像理解時的個體差異。② 對于胸椎椎弓根螺釘植入困難，尤其是需要長節段螺釘植入的患者，可術前使用釘道探測器在 1∶1 胸椎模型上模擬植釘，避免因螺釘直徑和長度選擇錯誤或者植釘角度方向不佳引起的并發癥，并縮短了手術時間；③ 該釘道探測器以及 3D 打印技術成本低、制作便捷，易于在基層醫院推廣。④ 降低學習曲線，使青年脊柱外科醫生對胸椎椎弓根螺釘植入建立信心。
但本研究還存在一定局限性，由于病例數較少，納入椎體節段不一致，缺乏節段不同造成植釘難度不同的獨立分析對照；且實際手術中椎體解剖顯露與模型有一定差距，對進釘點的判斷可能產生一定誤差。
作者貢獻：聶虎、劉濤、陳輝、李超參與研究設計、實施、數據采集及分析，起草文章；牛國旗參與數據分析；周功參與研究實施；牛國旗、周功對文章的知識性內容作批評性審閱。
利益沖突：所有作者聲明，在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突。項目經費支持沒有影響文章觀點和對研究數據客觀結果的統計分析及其報道。
機構倫理問題：研究方案經蚌埠醫學院第二附屬醫院醫學倫理委員會批準（2020-13）。
