个体化导航模板在颈椎椎弓根置钉中的应用进展(1)
【关键词】 3D打印；导航模板；颈椎；椎弓根置钉
中图分类号：R683.7 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-1383.2018.04.028
颈椎椎弓根螺钉置入是颈椎手术维持其生物力学稳定性的重要内固定方式之一，符合脊柱三柱固定生物力学理论，且对脊柱活动度影响较小[1]。但由于颈椎解剖结构复杂，椎弓根偏细且个体间变异大，特别是上颈椎，增加了椎弓根螺钉的置入难度，因此，如何安全、精准置入颈椎椎弓根螺钉是脊柱外科医师需要研究的重要课题之一。目前，颈椎椎弓根置钉技术主要有C臂透视下徒手置钉法、计算机导航实时引导下置钉法及3D打印个体化导向模板辅助下置钉法等。随着数字医学与3D打印技术的发展，个体化导航模板置钉在各类脊柱置钉手术中获得广泛的应用[2～4]。现就个体化导航模板在颈椎椎弓根置钉中的应用现状进行综述。
1 个体化导航模板的数字化设计与3D打印制作
1.1 数据采集与来源
目前，3D打印的骨科个体化骨骼模型、导航模板及金属内植入物，其数据来源主要为患者特异性的、真实的影像资料如CT、MRI等。其中，CT对骨组织显影优势明显，是骨科的骨骼模型、导航模板的数字化设计最为常用的医学数据来源。对于3D打印个体化的颈椎导航模板的设计、制作，需要制定最佳、合理的CT扫描条件，以便获得高精准度的数据。扫描设备推荐使用螺距小的多排螺旋扫描仪，如64或128排CT，常见的扫描条件如下：电压120 kV，电流150～310 mA，层厚0.5～1.0 mm，矩阵512×512，扫描后以“Dicom”格式保存输出。
1.2 数据处理
将扫描的数据资料以“Dicom”格式导出，并刻录光盘储存，然后导入 3D编辑软件处理图像数据，如医学三维重建软件Mimics(Materialise公司，比利时)、E3D、Arigin 3D等，以及后处理软件如3-matic、Geomagic Studio和UG等医学图像处理软件。数字化设计软件，以Mimics软件为例，导航模板的数字化设计常常分为两步：①在Mimics中，经“Edit Mask”“Region growing”及“Caculate in 3D”等工具运算出目标颈椎椎体的三维模型。②在三维透视模式360°观察及模拟螺钉的位置、方向、直径，调整其位于最佳进钉路径，不突破周围骨皮质，经“布尔运算”形成钉道；提取各椎板、侧块、棘突背侧的皮质骨的解剖形态数据，建立与之解剖形状一致的模板，并反向增厚至2.0～2.5 mm，经“布尔运算”将模拟钉道、导管及此反向模板联合，获得数字化导航模板。
1.3 快速成型
目前，用于颈椎导航模板的3D打印机型有熔融沉积类、光固化成型法类、选择性激烧结法类等。在选择导航模板打印的材料方面，主要有光敏树脂、尼龙、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(acrylonitrile butadiene styrene copolymers，ABS)、聚乳酸(polylactic acid，PLA)、石膏等，此类材料性能好，强度大，稳定性良好，部分材料可经等离子消毒直接用于术中，同时，成本较低，能为患者节约住院费用。
2 个体化导航模板在颈椎椎弓根置钉中的应用效果
2.1 个体化导航模板辅助上颈椎椎弓根置钉
上颈椎包括寰枢椎、颈3椎体。其中，寰枢椎手术因其自身发育及解剖结构特殊，且与周围椎动静脉、神经根、脊髓的复杂解剖关系，该区域常被称为脊柱手术的禁区，置钉失误带来的往往是灾难性后果，导致其骨折或脱位后进行椎体椎弓根置钉的难度大，风险高，该手术极具挑战性[5]。随着数字医学与3D打印在骨科的成功运用，目前有许多学者对于上颈椎的颈椎置钉进行了新的尝试、实践。Owen 等[6]及Ryken等[7]利用数字医学与3D打印技术治疗上颈椎手术，并取得了满意的效果。卢腾等人[8]对12例上颈椎畸形的患者进行椎弓根螺钉模板置钉手术，结果发现置钉优良率达97.1%，提示椎弓根置钉导航模板对于上颈椎手术是有效可靠的导航方法，同时显著降低术中电离辐射的暴露时间。姜良海等[9]将标杆型3D打印导板用于21例寰樞椎脱位患者的手术治疗，结果发现寰枢椎术后的实际钉道与术前预设最佳钉道的内倾角、头倾角、进钉点坐标比较差异均无统计学意义，说明该3D打印导板辅助寰枢椎椎弓根置钉方向可调整性好，置钉精准度高，为寰枢椎置钉提供了一种新的思路。而蒲兴魏等[10]通过探讨改良 3D 打印导航模板辅助治疗了17 例寰枢椎手术的患者，结果发现该改良的3D打印导板可提高与术前预设最佳钉道的吻合度、精确匹配术前计划，也得到了类似的研究结果。周全等人[11]对3例枢椎齿状突Ⅱ型骨折行后路椎弓根螺钉内固定术的病人进行研究，根据寰枢椎后方骨性结构数据设计个体化导板，结果发现，术后CT检查显示共置入寰椎椎弓根螺钉6枚，枢椎椎弓根螺钉6枚，12枚螺钉均为0级螺钉，提示个体化3D打印导板能提高临床手术置钉的准确率和安全性，减少神经血管损伤。谢兆林等[12]对94例颈椎骨折脱位患者行3D打印个体化椎弓根螺钉导航模板辅助颈椎椎弓根螺钉内固定术，试验组置钉精确度明显优于对照组，提示个体化导航模板辅助下颈椎椎弓根螺钉内固定术较传统方法的置钉准确率高、手术效果好。由此可见，3D打印技术可在术前对患者的寰枢椎体进行个性化、精准化把控，设计、打印相应的椎弓根置钉导板，从而提高寰枢椎置钉的精准性，降低了手术并发症的发生。
2.2 个体化导航模板辅助下颈椎椎弓根置钉
对于下颈椎的椎弓根置钉，在临床上仍面临不少挑战，但同样可以运用3D打印个体化的导板来使得下颈椎椎弓根置钉更加精准化、安全化。Kaneyamade 等[13]对20例患者共80枚螺钉应用3D导航模块辅助下颈椎置钉，术后CT示80枚螺钉均在椎弓根内，无相关并发症。目前，颈前路椎弓根置钉作为前路手术的坚强内固定方式之一，但如何进行安全、有效及精准的置钉仍是术者十分关注的问题。王力冉等[14]使用10具尸体的C3～T1以探讨颈椎前路椎弓根螺钉置钉导航模板辅助下置钉的准确性，结果发现其总体准确性高达 95.8%，为临床应用提供一定的依据。由于椎体前表面无明显的骨骼标志，无法类似于后路的椎弓根置钉导板，除了剥离清净软组织、按压导板使其紧贴骨面之外，有学者提出了使用3D打印组合式导板辅助下颈椎前路椎弓根螺钉置入[15]，并经与徒手置钉的准确性对比，结果发现该导板安全、准确，且操作简单，易于掌握，体现了置钉的个体化。, 百拇医药(谢兆林 谭海涛 张其标)
中图分类号：R683.7 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-1383.2018.04.028
颈椎椎弓根螺钉置入是颈椎手术维持其生物力学稳定性的重要内固定方式之一，符合脊柱三柱固定生物力学理论，且对脊柱活动度影响较小[1]。但由于颈椎解剖结构复杂，椎弓根偏细且个体间变异大，特别是上颈椎，增加了椎弓根螺钉的置入难度，因此，如何安全、精准置入颈椎椎弓根螺钉是脊柱外科医师需要研究的重要课题之一。目前，颈椎椎弓根置钉技术主要有C臂透视下徒手置钉法、计算机导航实时引导下置钉法及3D打印个体化导向模板辅助下置钉法等。随着数字医学与3D打印技术的发展，个体化导航模板置钉在各类脊柱置钉手术中获得广泛的应用[2～4]。现就个体化导航模板在颈椎椎弓根置钉中的应用现状进行综述。
1 个体化导航模板的数字化设计与3D打印制作
1.1 数据采集与来源
目前，3D打印的骨科个体化骨骼模型、导航模板及金属内植入物，其数据来源主要为患者特异性的、真实的影像资料如CT、MRI等。其中，CT对骨组织显影优势明显，是骨科的骨骼模型、导航模板的数字化设计最为常用的医学数据来源。对于3D打印个体化的颈椎导航模板的设计、制作，需要制定最佳、合理的CT扫描条件，以便获得高精准度的数据。扫描设备推荐使用螺距小的多排螺旋扫描仪，如64或128排CT，常见的扫描条件如下：电压120 kV，电流150～310 mA，层厚0.5～1.0 mm，矩阵512×512，扫描后以“Dicom”格式保存输出。
1.2 数据处理
将扫描的数据资料以“Dicom”格式导出，并刻录光盘储存，然后导入 3D编辑软件处理图像数据，如医学三维重建软件Mimics(Materialise公司，比利时)、E3D、Arigin 3D等，以及后处理软件如3-matic、Geomagic Studio和UG等医学图像处理软件。数字化设计软件，以Mimics软件为例，导航模板的数字化设计常常分为两步：①在Mimics中，经“Edit Mask”“Region growing”及“Caculate in 3D”等工具运算出目标颈椎椎体的三维模型。②在三维透视模式360°观察及模拟螺钉的位置、方向、直径，调整其位于最佳进钉路径，不突破周围骨皮质，经“布尔运算”形成钉道；提取各椎板、侧块、棘突背侧的皮质骨的解剖形态数据，建立与之解剖形状一致的模板，并反向增厚至2.0～2.5 mm，经“布尔运算”将模拟钉道、导管及此反向模板联合，获得数字化导航模板。
1.3 快速成型
目前，用于颈椎导航模板的3D打印机型有熔融沉积类、光固化成型法类、选择性激烧结法类等。在选择导航模板打印的材料方面，主要有光敏树脂、尼龙、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(acrylonitrile butadiene styrene copolymers，ABS)、聚乳酸(polylactic acid，PLA)、石膏等，此类材料性能好，强度大，稳定性良好，部分材料可经等离子消毒直接用于术中，同时，成本较低，能为患者节约住院费用。
2 个体化导航模板在颈椎椎弓根置钉中的应用效果
2.1 个体化导航模板辅助上颈椎椎弓根置钉
上颈椎包括寰枢椎、颈3椎体。其中，寰枢椎手术因其自身发育及解剖结构特殊，且与周围椎动静脉、神经根、脊髓的复杂解剖关系，该区域常被称为脊柱手术的禁区，置钉失误带来的往往是灾难性后果，导致其骨折或脱位后进行椎体椎弓根置钉的难度大，风险高，该手术极具挑战性[5]。随着数字医学与3D打印在骨科的成功运用，目前有许多学者对于上颈椎的颈椎置钉进行了新的尝试、实践。Owen 等[6]及Ryken等[7]利用数字医学与3D打印技术治疗上颈椎手术，并取得了满意的效果。卢腾等人[8]对12例上颈椎畸形的患者进行椎弓根螺钉模板置钉手术，结果发现置钉优良率达97.1%，提示椎弓根置钉导航模板对于上颈椎手术是有效可靠的导航方法，同时显著降低术中电离辐射的暴露时间。姜良海等[9]将标杆型3D打印导板用于21例寰樞椎脱位患者的手术治疗，结果发现寰枢椎术后的实际钉道与术前预设最佳钉道的内倾角、头倾角、进钉点坐标比较差异均无统计学意义，说明该3D打印导板辅助寰枢椎椎弓根置钉方向可调整性好，置钉精准度高，为寰枢椎置钉提供了一种新的思路。而蒲兴魏等[10]通过探讨改良 3D 打印导航模板辅助治疗了17 例寰枢椎手术的患者，结果发现该改良的3D打印导板可提高与术前预设最佳钉道的吻合度、精确匹配术前计划，也得到了类似的研究结果。周全等人[11]对3例枢椎齿状突Ⅱ型骨折行后路椎弓根螺钉内固定术的病人进行研究，根据寰枢椎后方骨性结构数据设计个体化导板，结果发现，术后CT检查显示共置入寰椎椎弓根螺钉6枚，枢椎椎弓根螺钉6枚，12枚螺钉均为0级螺钉，提示个体化3D打印导板能提高临床手术置钉的准确率和安全性，减少神经血管损伤。谢兆林等[12]对94例颈椎骨折脱位患者行3D打印个体化椎弓根螺钉导航模板辅助颈椎椎弓根螺钉内固定术，试验组置钉精确度明显优于对照组，提示个体化导航模板辅助下颈椎椎弓根螺钉内固定术较传统方法的置钉准确率高、手术效果好。由此可见，3D打印技术可在术前对患者的寰枢椎体进行个性化、精准化把控，设计、打印相应的椎弓根置钉导板，从而提高寰枢椎置钉的精准性，降低了手术并发症的发生。
2.2 个体化导航模板辅助下颈椎椎弓根置钉
对于下颈椎的椎弓根置钉，在临床上仍面临不少挑战，但同样可以运用3D打印个体化的导板来使得下颈椎椎弓根置钉更加精准化、安全化。Kaneyamade 等[13]对20例患者共80枚螺钉应用3D导航模块辅助下颈椎置钉，术后CT示80枚螺钉均在椎弓根内，无相关并发症。目前，颈前路椎弓根置钉作为前路手术的坚强内固定方式之一，但如何进行安全、有效及精准的置钉仍是术者十分关注的问题。王力冉等[14]使用10具尸体的C3～T1以探讨颈椎前路椎弓根螺钉置钉导航模板辅助下置钉的准确性，结果发现其总体准确性高达 95.8%，为临床应用提供一定的依据。由于椎体前表面无明显的骨骼标志，无法类似于后路的椎弓根置钉导板，除了剥离清净软组织、按压导板使其紧贴骨面之外，有学者提出了使用3D打印组合式导板辅助下颈椎前路椎弓根螺钉置入[15]，并经与徒手置钉的准确性对比，结果发现该导板安全、准确，且操作简单，易于掌握，体现了置钉的个体化。, 百拇医药(谢兆林 谭海涛 张其标)