于乃春,吉光荣

(哈尔滨医科大学附属第二医院骨科,黑龙江哈尔滨,150086)

脊柱畸形的形成是在脊柱胸、腰段矢状面和冠状面发生的复杂动态进展过程。近年来椎弓根螺钉内固定技术成为脊柱后路内固定手术的常规术式,但复杂脊柱畸形常常伴有脊柱侧凸、后凸和椎体旋转、楔变等畸形,对这类患者进行手术治疗时,胸椎椎弓根螺钉置钉的难度和风险都会增加[1-2]。因此,术前掌握畸形的具体病变情况,提前做好手术计划和准备非常重要。人体器官仿真成型技术也称为人体器官快速原型技术(RP),可在较短的时间内快速制造出和患者脊柱畸形尺寸完全一致的实物模型.并且通过三维辅助设计用(CAD)快速成型技术,在术前建立个体化导航模板,术中引导椎弓根置钉,从而实现手术置钉的安全性和准确性,缩短手术时间[3-4]。本研究探讨该技术进行脊柱畸形矫正椎弓根置钉的指导效果,现报告如下。

1 资料与方法

1.1 临床资料

选取本院2010—2011年应用快速成型技术来实施胸椎椎弓根螺钉内固定矫正脊柱侧凸的患者35例,其中男23例,女 12例,年龄 5～60岁,平均27.5岁;青少年特发性脊柱侧凸16例,先天性脊柱侧凸13例,神经肌肉型脊柱侧凸6例。

1.2 方法

1.2.1 实物模型及个体化导航模板的设计:所有患者脊柱畸形部位进行64排螺旋CT(美国GE公司)连续扫描,扫描部位包括颈椎、胸椎和腰椎。扫描条件:电压120KV,电流150mA,层厚0.625 mm,512×512矩阵。将CT连续断层图像数据以DICOM格式保存,然后导入MIMICS 10.01软件进行胸椎三维模型重建,以STL格式导出模型。在UG Imageware12.0平台打开三维重建模型,定位三维参考平面,设计胸椎椎弓根的最佳进钉钉道。提取需要行胸椎椎弓根螺钉置入节段的胸椎椎板、横突后部及棘突根部背侧的解剖形态,在软件中设计与上述解剖形状一致的反向模板,将螺钉的最佳进钉通道和模板拟合为一体,形成带有双侧定位导向孔的单椎体个体化导航模板,通过固体激光快速成型机(陕西恒通智能机器有限公司制造,成型精度为0.11 mm)和光固化成型技术制作出实物模型和个体化导航模板。本实验共成功制作了187个胸椎个体化导航模板。

1.2.2 术前方案的制定和规划:从不同角度和方向观察制成的实物模型以了解脊柱侧凸畸形情况,直观、准确地分析每1例患者脊柱侧凸和后凸的畸形程度、范围、区域以及具体病变情况,根据更加个体化的解剖学形态进行术前方案的制定与规划。同时在体外将椎体模型与导航模板贴合、匹配,进行模拟置钉操作,观察定位导向孔的准确性,用环氧乙烷灭菌消毒后用于手术中指导椎弓根螺钉的置入。在术前根据CT测量结果确定每枚置入螺钉的直径和长度,螺钉直径一般为椎弓根横径的70%～80%,螺钉长度为椎弓根螺钉通道长度的80%,椎弓根螺钉均为钛质螺钉(北京富乐公司提供)。

1.2.3 个体化导航模板在术中的应用:患者取俯卧位,脊柱后路内固定手术常规消毒、铺单。后正中切口暴露胸椎后方棘突和椎板等结构,尽可能清除固定胸椎椎板后方的软组织,并切除棘突上方的棘上和棘间韧带,充分暴露出椎板后部及棘突根部背侧的骨性结构,将消毒后的导航模板贴附于相应的胸椎椎板后部及棘突上,确认匹配准确性后采用高速磨钻(钻头直径为2 mm),通过定位导向孔钻出进钉点和进钉通道,进钉通道深度与所需置入的螺钉长度相同,用比所需螺钉直径小1 mm的丝锥攻丝后缓慢旋入相应长度和直径的螺钉,然后连接钛棒,完成固定。本实验置入的螺钉直径为315～610mm,长度为215～410 mm。置钉时均未采用透视及其他辅助设备。记录手术时间。

1.3 术后评价

每1例患者术后进行CT检查,评估螺钉置入的准确性。随访6个月,观察有无与置钉有关的神经、血管方面的并发症,脊柱畸形矫正的准确率。

2 结 果

35例患者均按照计划顺利完成手术,术后进行CT检查,共放置374枚螺钉 ,其中352枚(94.12%)螺钉完全在椎弓根内,22枚(5.88%)螺钉穿破椎弓根外侧壁,无椎弓根上方、下方及椎体前方穿破的螺钉;术后随访正位X线片显示脊柱畸形矫正满意,未出现与置钉有关的神经、血管损伤等并发症。同时与常规脊柱畸形后路内固定手术比较,快速成型技术的手术时间明显缩短(平均3 h),且术中未采用透视及其他辅助设备,避免了术者及患者的放射线损伤。

3 讨 论

快速成型技术又叫快速原型制造技术,是在现代CAD技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的。不同种类的快速成型系统因所用成形材料不同,成形原理和系统特点也各有不同。但是,其基本原理都是一样的,那就是“分层制造,逐层叠加”,也可以说快速成型系统就像是一台“立体打印机”。

目前,快速成型的工艺方法已有几十种之多,其中主要有4种基本类型:光固化成型法、分层实体制造法、选择性激光烧结法和熔融沉积制造法。本实验将患者的CT扫描数据在计算机软件中重建三维模型,利用RP技术光固化成型法制造出脊柱个体化实物模型和导航模板,指导手术方案的规划,并在术中直接帮助术者进行椎弓根置钉,大大缩短了手术时间,避免了患者和术者放射线损伤,提高了置钉准确率,并且减少了神经、血管等并发症的发生。

脊柱畸形发生时,脊柱椎体间的解剖关系和椎骨的形态已经发生改变,主要表现为脊柱侧凸、后凸和椎体旋转、楔形变等畸形。另外,这些解剖结构异常在一些情况下还会引起神经及血管与椎管之间解剖关系的改变。这使得无论采用前路还是后路进行矫正手术都增加了难度,更为复杂的是,椎弓根形态会随着脊柱畸形发生改变,尤其是在特发性脊柱侧凸最为显著[2]。和腰椎相比,胸椎椎弓根更加细小、节段性差异大,胸椎椎管内为脊髓,周围毗邻肺、食管、主动脉等重要器官和血管,因此胸椎椎弓根置钉允许偏差范围小,风险大。术前能够准确掌握脊柱畸形的具体病变情况,提前做好手术规划和方案制定是十分重要的。

尽管现在有了外科手术的改进、影像学的发展以及术中成像的协助,但是前瞻性和回顾性的研究均指出脊柱畸形后路椎弓根螺钉置钉术仍存在挑战,包括血管及神经的损伤风险。脊柱畸形由于其冠状面、矢状面和水平面的复杂畸形,单纯的X线片、CT或MRI均无法清晰显示脊柱的三维畸形[5-8]。本研究将快速成型技术成功地应用于脊柱畸形矫正手术,不但能够提供脊柱畸形的精确解剖数据,快速制造出与患者脊柱畸形一致的实物模型,更直观、更细微地观察脊柱的病理性变化,还可用于辅助诊断、术前分析制定手术方案、模拟手术和与患者及其家属的交流沟通,同时将个体化导航模板消毒后还可以带到手术台上直接指导手术,大大提高了置钉准确率。本研究中应用计算机辅助设计快速成型技术治疗的35例脊柱畸形患者胸椎椎弓根螺钉置入均安全有效。

虽然许多研究[9-12]都证实了快速成型技术在脊柱畸形的矫正中起到了很重要的作用,包括术前的规划及术中的指导,但由于模型跟畸形不能达到完全的一致,而且在脊柱灵活度和平衡方面此技术也还没有明确的研究,所以仍有待进一步的深入研究。

[1]Upendra B N,Meena D,Chowdhury B,et al.Outcomebased classification for assessment of thoracic pedicle screw placement[J].Spine(Phila Pa 1976),2008,33(4):384.

[2]Sarlak A Y,Tosun B,Atmaca H,et al.Evaluation of thoracic pedicle screw placement in adolescent idiopathic scoliosis[J].Eur Spine J,2009,18:1892.

[3]Owen B D,Christensen G E,Reinhardt J M,et al.Rapid prototype patient-specific drill template for cervical pedicle screw placement[J].Comput Aided Surg,2007,12(5):303.

[4]Yang J C,Ma X Y,Lin J,et al.Personalised modified osteotomy using computer-aided design-rapid prototyping to correct thoracic deformities[J].Int Orthop,2011,35(12):1827.

[5]Frame M,Huntley JS.Rapid prototyping in orthopaedic surgery:a user's guide[J].Scientific World Journal,2012,2012:838575.

[6]Izatt M T,Thorpe P L,Thompson RG,et al.The use of physical biomodelling in complex spinal surgery[J].Eur Spine J,2007,16(9):1507.

[7]Ughwanogho E,Patel N M,Baldwin K D,et al.Computed tomography-guided navigation of thoracic pedicle screws for adolescent idiopathic scoliosis results in more accurate placement and less screw removal[J].Spine,2012,37(8):E473.

[8]Mao K,Wang Y,Xiao S,et al.Clinical application of computer-designed polystyrene models in complex severe spinaldeformities:a pilot study[J].Eur Spine J,2010,19(5):797.

[9]Lu S,Zhang YZ,Wang Z,et al.Accuracy and efficacy of thoracic pedicle screws in scoliosis with patient-specific drill template[J].Med Biol Eng Comput,2012,50(7):751.

[10]Esses S J,Berman P,Bloom A I,et al.Clinical applications of physical 3D models derived from MDCT data and created by rapid prototyping[J].AJRAm J Roentgenol,2011,196(6):W683.

[11]Kawaguchi Y,Nakano M,Yasuda T,et al.Development of a New Technique for Pedicle Screw and Magerl Screw Insertion Using a 3D Image Guide[J].Spine(Phila Pa 1976),2012,23:365.

[12]Wu Z X,Huang L Y,Sang H X,et al.Accuracy and safety assessment of pedicle screw placement using the rapid prototyping technique in severe congenital scoliosis[J].J Spinal Disord Tech,2011,24(7):444.