邵振轩，吕青波，车灿文，唐 笠，王鉴顺，池永龙，王向阳，吴爱悯

（温州医科大学附属第二医院，第二临床医学院：1脊柱外科，2影像科，浙江 温州325027）

0 引言

随着社会老龄化和上班族的增多，腰椎间盘退行性疾病的发病率呈逐年增长趋势［1］。保守治疗无效的腰椎退变性疾病需要进一步手术治疗，腰椎椎间融合内固定术疗效确切，临床应用广泛。通常情况下采用双侧椎弓根螺钉内固定技术，这种方法需要双侧入路置钉。近年来，随着器械的发展，微创腰椎技术得到快速发展［2］。为减少组织创伤和手术费用，有报道一侧剥离行两枚椎弓根螺钉置入联合对侧经椎板关节突关节螺钉内固定术，即置钉点在椎弓根固定侧，关节突关节螺钉穿过棘突经椎板穿过关节突关节到达下位椎体上关节突，从而避免了对侧椎弓根置钉［3-4］。

如何实现准确置入对侧经椎板关节突关节螺钉，目前包括特殊的置钉器械辅助和术中X透视等不同方法。本研究结合CATIA软件逆向设计3D打印导板和SLA激光打印技术快速设计和制作一种用于指导一侧椎弓根螺钉联合对侧关节突螺钉新型3D打印导板，试图为临床医师提供一个准确的置钉导板，提高螺钉置入的准确性，现将其设计和在体外3D打印脊柱模型上的研究结果报道如下。

1 材料和方法

1.1 三维重建测量最适钉道数据 在温州医科大学附属第二医院图像存档和传输系统（picture archiving and communication system， PACS）（1.0 版，INFINITT，Seoul，South Korea）中获取2015年6月～2015年12月做腰椎CT检查但无腰椎器质性病变患者的原始数据（Dicom格式的CT数据，平均层厚为0.5 mm，电压120 kV，电流 150 mA）。取L2-S1节段，以两个节段为一个功能单元（FSU，functional segmental unit），L2-3、L3-4、L4-5、L5-S1 各 15 例，共 60 个双节段功能单元，年龄为18～60岁，均为正常形态脊柱。排除：①脊柱畸形；②炎症、结核、肿瘤等；③脊柱骨折等情况。本研究通过温州医科大学附属第二医院医学伦理委员会审查（批号：2015-30）。

将PACS影像系统获取的CT原始数据导入Mimics仿真软件（Version 16.0， Materialise， Belgium）中，调整到骨骼的合适阈值（Thresholding为226-Max，Max系统会根据患者骨密度自动生成），去除明显的增生骨赘，从而获取最终的三维重建立体图像。

通过Mimics软件的MedCAD模块，以圆柱体模拟螺钉通道，先进行一侧经椎弓根置钉，设计半径为3 mm的圆柱体模拟钉，置钉点选择在上关节突中点的垂线和横突中线的交点处（Roy-Camille定位法）［5］，在Mimics软件中数字模型半透明功能下，调整选取合适的钉道角度进行模拟置钉。在俯视位，以椎体正中线为参考，测量椎弓根钉道和椎体正中线的角度，上下两个相邻椎体角度分别记为δ和ε，侧视位和上终板平行。然后再进行经椎板关节突关节螺钉轨迹模拟，从同侧置入穿过棘突底部，经椎板穿过关节突关节到达下位椎体上关节突，调整到合适角度。在正位视图下，测经椎板关节突关节螺钉轨迹和垂直线的夹角，记为α；在侧位视图下，测量下位椎体上终板平面和螺钉轨迹的夹角，记为β；俯视图下，测量中线和螺钉轨迹的夹角，记为γ（图1）。

图1 在三维重建数字模型中以圆柱体模拟螺钉通道进行角度测量

1.2 三维打印模型实验置钉

1.2.1 3D打印导航模板的设计 对上述60个双节段三维重建数据从Mimics软件中以 ∗.STL格式导出，依次导入CATIA软件（V5R18版，达索公司，巴黎，法国，由西安交通大学计算机实验中心合作提供正版软件）中进行导板设计。在CATIA软件中，建立和Mimics软件中相同角度的模拟螺钉通道，然后提取骨表面特征，切割建立较为规则的骨表面特征，再以螺钉通道中轴线为法线，建立基准平面，以基准平面为参考进行螺钉通道壁的加厚和提取表面的加厚操作，并且延伸中空钉道，封闭表面，边界倒圆角，加厚表面，延伸中空钉道，设计形成3D导航模板（图2），再导入到SLA激光打印机打印3D导航模板。

1.2.2 经导航模板的置钉和测量 将上述60个功能节段单位三维数据，以∗.STL格式保存，导入3D打印机打印椎体模型备用，同时将上述一一对应设计的3D导航模板打印备用。取一个3D打印功能节段单位和其对应设计的3D导航模板，将导航模板的曲面和模型骨表面贴合，将中空导管置入导航模板内，用钻头钻入克氏针，沿克氏针钻入丝攻，最后撤掉导板，置入螺钉（图2）。

图2 在CATIA软件中设计好3D导板到指导置钉实验过程

观察置钉后的腰椎打印模型是否存在螺钉穿破3D打印腰椎皮质，按情况分为 A、B、C三种情况。A：螺钉未穿破皮质，B：穿破皮质但＜2 mm，C：穿破皮质且＞2 mm。同时对置钉后的腰椎打印模型拍摄正侧位X片，并对其进行和三维重建数字模型一样的角度测量，分别记为 α1，β1，γ1，δ1 和 ε1（图 3），同时与三维重建数字模型数据α，β，γ，δ和ε进行对比。

图3 3D导板指导下完成置钉后并行X光拍摄，再进行参数测量

1.3 统计学分析 数据用 SPSS（Version 17.0， SPSS Inc.，Chicago，IL）软件统计处理，结果采用“±s”的方式表示。三维重建数字模型的模拟置钉角度和经3D导航模板在3D打印腰椎模型的置钉角度通过配对样本T检验（t-test）对比分析，设P＜0.05为差异有统计学意义。通过组内相关系数（intraclass correlation coefficient，ICC）评价两组数据的一致性。

2 结果

2.1 螺钉是否穿破3D打印腰椎模型皮质情况 通过本研究设计的新型3D导板指导经椎板关节突关节螺钉发现，57枚在皮质骨内，3枚穿破皮质但＜2 mm，椎弓根螺钉118枚在皮质内，2枚穿破皮质但＜2 mm，无螺钉穿破皮质且＞2 mm（表1）。

表1 螺钉是否穿破3D打印腰椎模型皮质情况 （枚）

2.2 经椎板关节突关节螺钉的三维重建模拟螺钉轨迹和三维打印腰椎模型实验置钉角度比较 经椎板关节突关节螺钉的三维重建模拟钉道轨迹角度α，β，γ 分别为（48.08°±6.15°），（29.19°±3.68°），（48.32°±5.91°），相应的三维打印腰椎模型实验置钉角度α1，β1，γ1 分别为（48.72°± 6.20°），（28.97°±4.73°），（48.07°±5.75°）。 两者对比，差异无统计学意义，组内相关系数 ICC均＞0.8，一致性良好（表2）。

表2 经椎板关节突关节螺钉的三维重建模拟螺钉轨迹和三维打印腰椎模型实验置钉角度比较

2.3 椎弓根螺钉的三维重建模拟螺钉轨迹和三维打印腰椎模型实验置钉角度比较 椎弓根螺钉的三维重建模拟螺钉轨迹δ（上位椎体）和ε（下位椎体）分别为（14.88°±5.11°），（16.48°±4.74°），相应的三维打印腰椎模型椎弓根置钉角度分别为（15.16°±5.05°），（16.16°±5.14°），三维重建模拟椎弓根螺钉轨迹和三维打印腰椎模型实验置钉角度对比无明显统计学差异，组内相关系数 ICC均大于 0.8，一致性良好（表 3）。

表3 椎弓根螺钉的三维重建模拟螺钉轨迹和三维打印腰椎模型实验置钉角度比较

3 讨论

3.1 一侧椎弓根螺钉技术结合对侧关节突关节螺钉的优缺点 一侧椎弓根螺钉技术结合对侧关节突关节螺钉无需对侧椎弓根置钉，相比两侧椎弓根置钉，可以节省螺钉减少软组织损伤和术中出血［3-4］。Liu等［6］报道采用一侧椎弓根螺钉内固定+对侧关节突关节螺钉内固定治疗50例腰椎退变患者，随访12月，椎间融合率为88.6%。

然而，腰椎关节突关节螺钉内固定术存在不足之处，关节突关节螺钉钉道外侧倾斜角太大或进针点不正确，螺钉可能进入椎管，引起脊髓损伤。若螺钉尖端进入横突基底前方可导致损失神经根。因此，该技术对手术角度定位和技术要求相对高。

3.2 三维重建和打印技术的引入医学和应用 近年来，三维重建和打印技术被众多领域所应用［7-8］。随着3D打印技术的不断普及，其被很多学者用于医学研究［9-11］，3D打印技术具有三维可视化、直观等优点。在中国，由于尸体匮乏［12］，三维打印模型也可以在一定程度上作为代替品行骨科置钉研究，具有可重复、生产周期短和制作成本低的优点。Wu等［13］报道了三维打印脊柱模型具有足够的精确性来代替脊柱进行实验，可以用于骨性结构内部置钉（非穿破皮质螺钉）的研究。

为提高螺钉置入的准确性，减少螺钉置入的危险性，Amoretti等［14］通过联合使用体表定位后和反复C臂X光机定位，于体表标记椎体位置后进行手术，尽管操作相对简单，但存在射线量较大等缺点。也有学者设计了关节突关节螺钉瞄准器，Jang等［15］报道采用导向器械完成经皮椎板关节突螺钉内固定手术，国内曾忠友等［16］也报道了其自行设计的导向器械指导椎板关节突螺钉置入。因为操作要求高，步骤相对繁琐，目前尚未推广普及。

3D打印技术引入医学领域后，相关研究［17-18］报道了一系列脊柱3D打印手术导航模板的设计和研究成果，发现模板具有指导准确置钉的优点。3D打印技术也在创伤骨科等其他领域应用［19］，其具有价格便宜、推广性强的优点［20］。

3.3 本研究3D导航模板的设计和结果 本研究采用CATIA软件，设计了一侧椎弓根螺钉内固定+对侧关节突关节螺钉内固定3D导航模板，通过60例3D打印腰椎模型的模拟置钉实验发现，该导板可以准确指导置钉，置钉后的影像学参数和三维重建模拟钉道轨迹参数无统计学差异，两组数据组内相关性分析进一步证明了数据一致性良好。共置入120枚椎弓根螺钉，仅2枚螺钉穿破皮质，60枚椎板关节突关节螺钉仅3枚穿破皮质，而且穿破皮质螺钉均少于2 mm，在安全范围内。

通过对比三维重建数字模型模拟螺钉通道和3D打印腰椎标本的的角度参数，无论是经椎板关节突关节螺钉还是椎弓根螺钉，差异均无统计学意义。为了进一步验证两组数据是否具有一致性，采用组内相关系数检验发现，5 组数据 ICC 值均＞0.8（表2、3），说明数据之间的一致性良好，进一步验证了本导板指导置钉的准确性。

3.4 本研究的不足之处 本研究设计的3D打印导板目前仅处于试验研究阶段，打印的腰椎模型不存在软组织的剥离不彻底等干扰，但本导板设计时已尽力考虑软组织的剥离范围，避开潜在无需剥离的软组织，因此，未来尚需进一步临床应用验证本导板的实用性。

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动脉期、静脉期及平衡期虚拟平扫-碘图图像病灶检出率分别为80.0%(12/15)、53.3%(8/15)、13.3%(2/15)。观察组患者复杂肾囊肿诊断准确率为97.0%，常规组患者复杂肾囊肿诊断准确率为90.0% 。典型病例见图1。

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