王庆德，梅伟，张振辉，姜文涛，陈旭义

(1郑州市骨科医院，郑州450052；2武警后勤学院附属脑科医院)

个体化导航模板辅助颈椎椎弓根螺钉置入与徒手螺钉置入的准确性比较

王庆德1，梅伟1，张振辉1，姜文涛1，陈旭义2

(1郑州市骨科医院，郑州450052；2武警后勤学院附属脑科医院)

目的 比较个体化导航模板辅助颈椎椎弓根螺钉置入与徒手螺钉置入的准确性。方法 选取颈椎完整的成人尸体8具，随机分为导航辅助组和徒手置钉组各4具。导航辅助组对尸体颈椎(C3～7)进行CT扫描，重建颈椎三维模型，设计与颈椎椎板吻合的反向模板，构建个体化导航模板的数据模型，采用快速成型技术打印个体化导航模板；将导航模板与颈椎椎体后部紧密贴合，辅助置入颈椎椎弓根螺钉。徒手置钉组采用Abumi椎弓根入口直接暴露法进行徒手螺钉置入。术后即刻行颈椎X线和CT断层扫描，观察螺钉置入情况，评价置钉效果，计算置钉准确率。结果 导航辅助组共置入螺钉32枚，置钉效果为Ⅰ级31枚、Ⅱ级1枚，置钉准确率为96.8%(31/32)；徒手置钉组共置入螺钉32枚，置钉效果为Ⅰ级29枚、Ⅱ级3枚，置钉准确率为90.6%(29/32)；导航辅助组置钉准确率高于徒手置钉组(P<0.05)。结论 个体化导航模板辅助颈椎椎弓根螺钉置入的准确性高于徒手螺钉置入。

颈椎；椎弓根螺钉置入术；计算机导航系统；个体化设计

颈椎椎弓根螺钉内固定术能够维持颈椎稳定，提供优良的生物力学稳定性[1]。但是颈椎椎弓根周围毗邻脊髓、椎动脉等重要组织结构，而且颈椎椎弓根直径狭小、个体变异性较大，故临床上颈椎椎弓根螺钉置入困难，限制了颈椎椎弓根螺钉内固定术的推广及应用[2]。传统的颈椎椎弓根螺钉置入常采用解剖学标志定位法，即徒手将螺钉置入(以下称徒手置钉)，失败率较高。利用逆向工程原理和快速成型技术设计及制作个体化导航模板，并将其辅助颈椎椎弓根螺钉置入是临床上新近发展起来的一种置钉方法，具有手术操作简单的特点，但是其置钉安全性及准确性鲜见报道。2014年1月～2015年12月，本研究将个体化导航模板辅助颈椎椎弓根螺钉置入与徒手置钉的效果进行对比分析，为其进一步临床应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 标本 选取10%甲醛浸泡的成年尸体8具，男、女各4具，将其随机分为导航辅助组和徒手置钉组各4具。尸体标本包括完整的C3～7骨性结构、颈旁肌肉、韧带等软组织结构。所有标本经过X线及CT检查，排除骨折、肿瘤、结核、严重畸形及椎弓根特别细小等可能影响实验结果的因素。本研究通过医院伦理委员会审核。

1.2 个体化导航模板设计与制作 对导航辅助组4具尸体的颈椎(C3～7)行64排螺旋CT扫描(层厚0.65 mm，电流220 mA，电压120 kV)，以DICOM格式保存数据，并导入三维重建软件Mimics10.01(比利时Materialise公司)进行颈椎三维模型重建，方法如下：打开Mimics软件，首先采用阈值选取技术，根据骨组织的密度选定颈椎骨性结构，得出该组织的阈值范围，接受这一范围并获得颈椎的原始蒙罩。运用三维区域增长技术，选取欲重建的颈椎区域，对原始蒙罩进行处理，得到新蒙罩。在三维实体栏导入新蒙罩并加以运算，获得所选取实体结构区域的三维重建模型。将三维重建模型透明化，参考Resnick颈椎椎弓根螺钉置入法[3,4]标记椎弓根轴线。轴线确定后，用直径3.5 mm的圆柱体代替椎弓根螺钉，通过软件设计椎弓根的最佳进钉通道，分别在矢状面、冠状面和轴面观察圆柱体通过椎弓根的位置。提取C3～7椎体后方对应骨性表面的解剖数据，建立与其解剖形态一致的反向模板。将设计好的椎弓根螺钉进钉通道和反向模板拟合在一起，形成带有双侧定位定向孔的单椎体个体化导航模板，以STL格式保存。采用快速成型技术，用丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物(ABS)树脂材料打印椎弓根螺钉个体化导航模板。

1.3 置钉方法 导航辅助组：采取颈椎后正中入路，充分显露后方结构至双侧小关节突外侧缘。将导航模板与颈椎椎体后部紧密贴合，并将其固定，用电钻沿着导向孔钻出进钉通道，应用探针对置钉通道四壁及底部进行探查，确定钉道没有偏离椎弓根后，置入颈椎椎弓根螺钉。攻丝后缓慢拧入相应长度和直径的螺钉。徒手置钉组：采用Abumi椎弓根入口直接暴露法[3,4]，一般将进钉点选择在侧块中点的外侧，离上关节面下缘1～2 mm。将进钉点后方侧块的皮质骨及松质骨完全磨除，显露椎弓根入口处，置入颈椎椎弓根螺钉。钉道内倾角为25°～45°，C3、4进钉角度稍微向头侧倾斜，C5进行角度平行于上终板，C6、7进钉角度稍微向尾侧倾斜。两组均由同一经验丰富的医师操作。

1.4 置钉效果观察 术后即刻行颈椎X线和CT断层扫描，观察螺钉置入的情况。按照椎弓根螺钉与椎弓根侧壁及周围结构的关系，将置钉效果分为4级：Ⅰ 级为螺钉完全位于椎弓根内，未突破椎弓根皮质；Ⅱ 级为螺钉突破椎弓根皮质<1 mm；Ⅲ 级为螺钉突破椎弓根皮质1～2 mm：Ⅳ 级为螺钉突破椎弓根皮质>2 mm。Ⅰ 级为准确置入，计算两组置钉准确率。

1.5 统计学方法 采用SPSS13.0统计软件。计数资料以率表示，组间比较采用χ2检验。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

综合利用逆向工程原理和快速成型技术成功打印个体化导航模板，充分暴露颈椎后部骨性结构后，模板能够与颈椎椎体后部紧密贴合(插页Ⅱ图1A)。两组均顺利完成置钉手术。导航模板在置钉过程中具有较高的稳定性，置钉顺利，肉眼观察螺钉置入角度准确，排列规则(插页Ⅱ图1B)。导航辅助组共置入螺钉32枚，置钉效果为Ⅰ级31枚、Ⅱ级1枚，置钉准确率为96.8%(31/32)；徒手置钉组共置入螺钉32枚，置钉效果为Ⅰ级29枚、Ⅱ级3枚，置钉准确率为90.6%(29/32)；导航辅助组置钉准确率高于徒手置钉组(P<0.05)。

3 讨论

Abumi等[5]在1994年首次开展颈椎椎弓根螺钉内固定技术，取得了满意疗效；但手术并发症较多，限制了其推广应用[6]。为降低手术风险，提高置钉准确率，国内外学者提出多种不同置钉方法，计算机导航系统辅助置钉和徒手置钉均为常用的置钉技术[7]。Ludwig等[8]采用解剖标志法、椎板开窗法、计算机辅助导航系统进行椎弓根螺钉置入，结果显示计算机辅助导航系统辅助置钉的准确率最高；解剖标志法置钉穿破椎弓根皮质的发生率为66%，椎板开窗法为40%，而计算机导航系统为11%。计算机辅助导航置钉技术的应用大大提高了椎弓根螺钉置入的准确率和安全性，减少了神经、血管损伤等并发症的发生[9]。但计算机辅助导航置钉技术使用的仪器价格昂贵、操作复杂、学习时间较长，且存在注册误差、体位变化等影响因素[10]。采用传统徒手置钉法时，其进钉点及进钉方向主要依赖于术者的经验，具有一定的盲目性，很容易导致椎弓根螺钉被穿透[11]。有研究显示，下颈椎的椎弓根外侧壁是最薄的，椎弓根螺钉置入时穿透外侧壁的风险是内侧壁的2倍，而外侧壁穿孔很可能会损伤椎动脉[4,12]。本研究中徒手置钉组3枚Ⅱ级螺钉，其中有2枚穿透外侧壁，1枚穿透内侧壁。

解剖学研究显示，人颈椎椎弓根参数变异性较大，不同个体及节段水平都存在显著差别。为进一步提高颈椎置钉的准确性，近年来有学者提出椎弓根螺钉置入的“个体化原则”，即根据每个不同的椎弓根钉道参数设计与其匹配的置钉入点及方向[13,14]。本研究中，导航辅助组利用逆向工程原理和快速成型技术制备个体化的导航模板，可以实现不同节段水平的个体化设计，易于操作。胡勇等[15]通过结合快速成型技术和逆向工程软件设计出不同患者的颈椎导航模板，结果显示术后实际螺钉轨道与术前设计一致，能显著提高螺钉置入的准确率，且均无神经、血管损伤等并发症发生。本研究导航辅助组置钉准确率明显高于徒手置钉组，与以往研究结论一致[16]。

个体化导航模板具有操作简单、对术者无特别经验要求、术中无需注册和透视，且模板不会由于术中患者体位变动而导致定位失败等特点[16]。但导航模板在设计、制作及应用过程中也存在一些不足：术前设计较复杂，需要术者熟练掌握相关计算机软件；颈椎三维模型的建立、STL格式的转化、打印材料性质的不稳定等都会影响模板制作的精确度；导航模板体积过大或过小会导致术中模板固定不牢靠，进而影响进钉方向。导航模板和颈椎相应骨性结构是否能紧密贴合，是手术准确定位定向、置钉成败的关键所在[17]。为提高个体化导航模板辅助置钉的准确性，术中应注意：①术中一定要将颈椎椎板表面软组织剥离干净，并避免破坏椎板后方骨性结构，以利于导航模板尽量紧密贴合于骨性结构；②最好使用电钻进行钉道钻孔，以避免因钻头晃动而导致钉道偏离方向；③螺钉置入前应常规使用椎弓根探子对置钉通道进行探查，以保证置钉通道完全在椎弓根内。

综上所述，个体化导航模板辅助颈椎椎弓根螺钉置入的准确性高于徒手置钉。个体化导航模板辅助颈椎椎弓根螺钉置入符合椎弓根个体化、节段性差异的解剖学特点，实现了椎弓根螺钉置入的准确定位和定向。参考文献：

[1] 刘景堂,唐天驷,王东来,等.颈椎椎弓根螺钉内固定系统的临床应用[J].中华骨科杂志,2003,23(10):590-594.

[2] 田纪伟,袁文,张清港.颈椎椎弓根钉内固定系统研究进展[J].中国矫形外科杂志,2006,14(4):308-310.

[3] Abumi K, Kaneda K. Pedicle screw fixation for nontraumatic lesions of the cervical spine[J]. Spine (Phila Pa 1976), 1997,22(16):1853-1863.

[4] Abumi K, Ito M, Sudo H. Reconstruction of the subaxial cervical spine using pedicle screw instrumentation[J]. Spine (Phila Pa 1976), 2012,37(5):349-356.

[5] Abumi K, Itoh H, Taneichi H, et al. Transpedicular screw fixation for traumatic lesions of the middle and lower cervical spine: description of the techniques and preliminary report[J]. J Spinal Disord, 1994,7(1):19-28.

[6] 吴战勇,孙先泽,孔建军,等.颈椎椎弓根螺钉内固定系统在颈椎的应用[J].中国矫形外科杂志,2000,7(10):960-961.

[7] 刘亚军,田伟,刘波,等.CT三维导航系统辅助颈椎椎弓根螺钉内固定技术的临床应用[J].中华创伤骨科杂志,2005,7(7):630-633.

[8] Ludwig SC, Kramer DL, Balderston RA, et al. Placement of pedicle screws in the human cadaveric cervical spine: comparative accuracy of three techniques[J]. Spine (Phila Pa 1976), 2000,25(13):1655-1667.

[9] 李乐翔,周东生,王鲁博.计算机导航系统置钉结合术中三维CT修复重建骨盆骨折:与传统C臂透视辅助的对比[J].中国组织工程研究与临床康复,2010,14(43):8012-8015.

[10] 田伟,刘亚军,刘波,等.计算机导航系统和C臂机透视引导颈椎椎弓根螺钉内固定技术的临床对比研究[J].中华外科杂志,2006,44(20):1399-1402.

[11] 张立.下颈椎椎弓根螺钉徒手置钉技术及临床应用[J].中华临床医师杂志(电子版),2013,19(7):8545-8550.

[12] Nakashima H, Yukawa Y, Imagama S, et al. Complications of cervical pedicle screw fixation for nontraumatic lesions: a multicenter study of 84 patients[J]. J Neurosurg Spine, 2012,16(3):238-247.[13] 熊传芝,郝敬明,唐天驷.椎弓根钉道参数的变异性及其相关因素的研究[J].中华骨科杂志,2002,22(1):31-35.

[14] 毛克政,王庆德,梅伟,等.3D打印个体化导板辅助颈椎椎弓根螺钉置钉的可行性研究[J].中华创伤杂志,2016,32(1):47-50.

[15] 胡勇,袁振山,谢辉,等.快速成型导向模板辅助下寰枢椎椎弓根螺钉置钉的偏差因素分析[J].中华医学杂志,2013,93(33):2659-2663.

[16] Lu S, Xu YQ, Chen GP, et al. Efficacy and accuracy of a novel rapid prototyping drill template for cervical pedicle screw placement[J]. Computer Aided Surgery, 2011,16(5):240-248.

[17] 刘瑞,张元智,李志军,等.个体化导航模板辅助儿童下颈椎椎弓根螺钉置钉准确性实验研究[J].生物骨科材料与临床研究,2012,34(2):13-16.

Comparison of the accuracy of cervical pedicle screw placement between individual navigational template and free hand placement

WANGQingde1,MEIWei,ZHANGZhenhui,JIANGWentao,CHENXuyi

(1OrthopaedicHospitalofZhengzhouCity,Zhengzhou450052,China)

Objective To compare the accuracy between cervical pedicle screw placement assisted by the individual navigation template and free hand pedicle screw placement. Methods Eight adult cadavers (4 male and 4 famale) were randomly divided into two groups: individual navigation template group and free hand pedicle screw placement group. The cadaver cervical specimens (C3-7) of the individual navigation template group were scanned by CT and the 3D model was reestablished. According to the morphological feature of the posterior cervical spine elements, the reverse template was designed. Then, the best pedicle screw channels were fused into bilateral navigation template. The navigation template was manufactured by rapid prototyping technology. Cervical pedicle screws were inserted with the assistance of navigation templates. Patients in the free hand pedicle screw placement group were treated with Abumi pedicle entrance method. Postoperative X-ray and CT scanning were used to evaluate the accuracy of screw placement. Results A total of 32 pedicle screws were implanted in the individual navigation template group, 31 screws were placed entirely within the pedicle (grade Ⅰ), 1 screw perforated the medial cortex of pedicle (grade Ⅱ), and the accuracy of screw placement was 96.8%. A total of 32 pedicle screws were implanted in the free hand pedicle screw placement group, 29 screws were placed entirely within the pedicle (grade Ⅰ), 3 screws perforated the medial cortex of pedicle (grade Ⅱ) and the accuracy of screw placement was 90.6%. The accuracy of screw placement of the individual navigation template group was higher than that of the free hand pedicle screw placement group (P<0.05). Conclusion The individual navigation template-assist pedicle screw placement has a higher accuracy than the free hand pedicle screw placement.

cervical vertebra; pedicle screw placement; computer navigation system; individual design

国家自然科学基金青年科学基金资助项目(11102235)；郑州市普通科技攻关项目(141PPTGG327)。

王庆德(1974-)，男，副主任医师，研究方向为脊柱外科疾病的诊断与治疗。E-mail：15093483697@163.com

10.3969/j.issn.1002-266X.2017.16.002

R687.1

A

1002-266X(2017)16-0005-03

2016-11-09)