3D打印導航模塊輔助腰椎椎弓根螺釘精確植入的研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代工業(yè)和交通運輸業(yè)的發(fā)展，車禍和摔傷的病人越來越多，是創(chuàng)傷性腰椎骨折最常見的兩大致病因素。因腰椎椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)能有效實現(xiàn)腰椎的前、中、后三柱固定，加強脊柱的支撐及抗扭轉(zhuǎn)的剛度，且具有及佳的生物力學性能，故在臨床腰椎相關疾病中廣泛應用，得到了醫(yī)生和患者的認可，獲得了良好的臨床治療效果。
　　腰椎椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)經(jīng)歷了漫長的發(fā)展階段。早期脊柱后路手術多使用棘突鋼板作為內(nèi)固定方式，但棘突鋼板僅僅固定了脊柱的后柱，不能治療

2、中柱和前柱的脊柱骨折，且其對于骨折后的后突畸形無矯正作用，臨床治療效果較差，故現(xiàn)在醫(yī)生已經(jīng)很少使用棘突鋼板來進行內(nèi)固定治療。1948年，King發(fā)明出一種新型螺釘。此種新型螺釘可經(jīng)關節(jié)突抵達椎弓根，King設想通過關節(jié)突間的固定來促進脊柱的融合，但是未獲得成功。1959年，Boucher用長螺釘經(jīng)椎弓根抵達椎體，應用于腰骶椎融合內(nèi)固定手術，取得了良好的臨床治療效果。1963年，Roy-Camille首次研發(fā)出完整的椎弓根螺釘鋼板，用來治

3、療不穩(wěn)定性胸腰椎骨折。1986年，Roy-Camille等經(jīng)過反復的臨床實驗，不斷地改良椎弓根螺釘，最終在應用椎弓根技術治療脊柱骨折疾病上取得了良好的臨床效果，并證實這種新技術相對于傳統(tǒng)手術方法而言，能夠提供更為安全、堅強、牢固的短節(jié)段脊柱內(nèi)固定，臨床治療效果上佳。1997年，美國FDA正式批準此種方法為可行的脊柱后路固定方法。至此之后，經(jīng)椎弓根內(nèi)固定技術開始迅速發(fā)展，并逐漸形成了以Roy-Camille、Steflee為代表的鋼板內(nèi)固

4、定系統(tǒng)和以AO、RF為代表的螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)。
　　目前較為常用的腰椎椎弓根螺釘植入方法主要包括如下幾種:解剖標志點法、X線透視輔助法、計算機輔助導航法、機器人法以及個體化腰椎椎弓根螺釘導航模板法。以上不同的椎弓根螺釘植入方法，在臨床實際應用中各有利弊。解剖標志點法:椎弓根螺釘?shù)倪M釘點和進釘方向主要依靠術者的經(jīng)驗來進行判斷，術者憑手感使用椎弓根探子對置釘通道進行探測，以保證椎弓根螺釘?shù)臏蚀_植入。據(jù)報道，應用各種解剖標志點法的椎弓根皮

5、質(zhì)的穿破率為0～17％。X線透視輔助法:術中利用C型臂等影像學輔助設備幫助植入腰椎椎弓根螺釘。此種方法，術中多次使用X線設備，增加了患者及術者在術中所受的輻射量，加重了手術本身對患者和術者的損傷，并且延長了手術的操作時間。Sagi等研究表明X線透視輔助法植入椎弓根螺釘?shù)臏蚀_性為73％。由此可見，X線透視輔助法對椎弓根螺釘植入的準確性并無顯著提高。計算機輔助導航法:通過計算機導航設備的輔助，可明顯提高腰椎椎弓根螺釘植入的準確性，但是計算機

6、導航設備費用昂貴，操作步驟較為復雜，熟練掌握需要較長時間的經(jīng)驗積累，學習曲線較長，不易推廣到基層醫(yī)院，另外術中體位變化等因素有可能影響導航的準確性。機器人法:機器人輔助腰椎椎弓根螺釘?shù)闹踩?，準確率較高，但目前機器人設備昂貴，尚未形成產(chǎn)業(yè)化，短期內(nèi)還不能推廣。數(shù)字化導航模板法:通過電腦軟件數(shù)字化設計并利用3D打印機制造出導航模塊和腰椎實體模型，醫(yī)生可以進行術前模擬手術，熟練手術操作，開拓醫(yī)生的思路，有利于醫(yī)生設計出適合患者的最佳手術方案，

7、遵循了個體化腰椎椎弓根螺釘植入的原則，提高了螺釘植入的準確性，并在很大程度上減少了術中脊髓、神經(jīng)和血管損傷的可能性。同時，數(shù)字化導航模板法具有縮短手術時間、避免過多的X線輻射、操作簡便等優(yōu)點，因此其具有較好的臨床應用前景。但現(xiàn)有的導航模板的穩(wěn)定性還不夠好，數(shù)字化設計所需的時間較長，制作成本偏高，不利于推廣到基層醫(yī)院。
　　近年來，隨著科技的進步，3D打印技術發(fā)展迅速。3D打印機可打印出器官或組織的三維實體模型，能將器官或組織內(nèi)部結(jié)

8、構(gòu)的細節(jié)真實地突顯出來，使醫(yī)學知識變得更為直觀明了。與此同時，通過3D打印技術制造出三維實體模型可以清晰直觀地顯示患者的疾病狀況，以便醫(yī)生更為詳細地了解患者的病情，如復雜骨折、嚴重畸形等。其提供了比醫(yī)學影像資料更加具體的解剖學信息，實現(xiàn)了由虛擬到現(xiàn)實、由二維到三維、由平面到立體的轉(zhuǎn)變。醫(yī)生可直接在打印的三維實體模型上進行手術設計及模擬試驗，開拓思路，熟練手術操作，以確保實際手術的成功。因此，3D打印技術為臨床疾病的診斷和治療提供了個性化

9、、精確化的新思路和新方法?；跀?shù)字化設計和3D打印技術的個體化腰椎椎弓根螺釘導航模塊能夠和特定患者的實體骨骼完全匹配，具有準確、安全、便于使用等優(yōu)點，并可有效減少醫(yī)生和患者在術中的放射性暴露。
　　綜上所述，3D打印技術為臨床醫(yī)生診斷和治療疾病的提供了新思路和方法，有助于個體化醫(yī)療的進步。但是，為了促進腰椎椎弓根螺釘植入手術的發(fā)展，尚需進一步探討具有螺釘植入準確率高、設計簡單、操作方便、對手術人員經(jīng)驗技術要求低，并能縮短手術時間、

10、減少術中X線損傷等優(yōu)點的新型腰椎椎弓根螺釘植入方法，而3D打印技術的進步為這一方法的可行性鋪開了道路。
　　第一部分 3D打印導航模塊輔助腰椎椎弓根螺釘精確植入的實驗研究
　　目的：
　　通過在電腦軟件Mimics14.0中數(shù)字化設計個體化腰椎椎弓根螺釘導航模塊，利用3D打印技術制造出個體化腰椎椎弓根螺釘導航模塊實體和腰椎實體，接著使用導航模塊在3D打印的腰椎上進行模擬螺釘植入試驗，以驗證導航模塊的可行性及精確性，為實

11、際手術中實現(xiàn)微創(chuàng)下個體化的腰椎椎弓根螺釘精確植入打好堅實的基礎。
　　方法：
　　利用軟件Mimics14.0三維重建成人虛擬腰椎（L1-L5）三維模型，去除與椎弓根螺釘植入無關的其他組織結(jié)構(gòu)，以免其影響設計人員的視野和操作，僅保留與個體化腰椎椎弓根螺釘導航模塊數(shù)字化設計相關的腰椎。首先，進行導航桿的設計，一般選擇腰椎“人”字嵴的中心為腰椎椎弓根螺釘?shù)倪M釘點，調(diào)整導航桿位置，使其恰好穿過椎弓根中心，此時導航桿的方向和位置即是

12、虛擬釘?shù)赖姆较蚝臀恢??；趯Ш綏U，數(shù)字化設計出個體化腰椎椎弓根螺釘導航模塊前體，使導航模塊前體的前端與腰椎“人”字嵴部位的骨面緊密貼合，然后通過“布爾運算”，用導航模塊前體減去腰椎和導航桿便可獲得虛擬的個體化腰椎椎弓根螺釘導航模塊。接著，將虛擬的個體化腰椎椎弓根螺釘導航模塊和腰椎數(shù)據(jù)導入到3D打印機所配套的軟件MakerWare中，調(diào)整導航模塊和腰椎位置，設置好打印屬性，接著通過3D打印機制造出個體化腰椎椎弓根螺釘導航模塊和腰椎標本實體

13、。最后，在個體化腰椎椎弓根螺釘導航模塊的輔助下植入合適尺寸的腰椎椎弓根螺釘。觀察試驗植入腰椎椎弓根螺釘?shù)倪M釘點、進釘方向和螺釘在椎弓根內(nèi)的位置，并與在Mimics14.0中虛擬的腰椎椎弓根螺釘植入方案進行比較，用以檢驗實際置釘和虛擬置釘?shù)囊恢滦?。觀察有無腰椎椎弓根螺釘穿破腰椎椎弓根皮質(zhì)，評價螺釘?shù)闹踩胄Ч?br>　　結(jié)果：
　　(1)總共通過數(shù)字化設計和3D打印技術研制了228個個體化腰椎椎弓根螺釘導航模塊，應用228個個體化腰

14、椎椎弓根螺釘導航模塊輔助植入腰椎椎弓根螺釘228枚。全部螺釘?shù)倪M釘點，進釘方向均與虛擬置釘方案相一致，螺釘在椎弓根內(nèi)位置良好，無一例螺釘穿破椎弓根皮質(zhì)。進釘點大多位于“人”字嵴的中央部位，腰椎椎弓根螺釘準確地位于椎弓根的中心，距離上、下、內(nèi)、外側(cè)壁的距離適中。
　　(2)數(shù)字化設計的個體化腰椎椎弓根螺釘導航模塊的直徑范圍為7～9mm，長度為25～35mm，在此范圍內(nèi)，個體化腰椎椎弓根螺釘導航模塊與腰椎“人”字嵴部位骨面貼合緊密，固

15、定牢固，應用方便。根據(jù)不同患者的實際需要，植入的腰椎椎弓根螺釘?shù)闹睆揭话銥檠底倒鶛M徑的70％左右，椎弓根螺釘?shù)拈L度為釘?shù)篱L度的80％左右。
　　結(jié)論：
　　基于數(shù)字化設計的3D打印個體化腰椎椎弓根螺釘導航模塊能夠有效地輔助植入腰椎椎弓根螺釘，螺釘植入的精確性高。此種方法操作方便、過程簡單、學習曲線短、減少了患者的術者的放射性暴露、對術者的手術經(jīng)驗和技術要求低、便于推廣普及。
　　第二部分 3D打印導航模塊輔助腰椎椎

16、弓根螺釘精確植入的臨床應用研究
　　目的：
　　將基于數(shù)字化設計的3D打印個體化腰椎椎弓根螺釘導航模塊應用于臨床腰椎骨折患者，檢驗個體化腰椎椎弓根螺釘導航模塊輔助植入腰椎椎弓根螺釘?shù)目尚行约熬_性，實現(xiàn)微創(chuàng)下個體化的腰椎椎弓根螺釘精確植入。
　　方法：
　　采集2例成年腰椎前柱壓縮性骨折患者CT數(shù)據(jù)資料，將CT資料導入軟件Mimics14.0中，三維重建患者的虛擬腰椎三維模型。設計個體化腰椎椎弓根螺釘導航模塊，并

17、利用3D打印機制造出個體化腰椎椎弓根螺釘導航模塊和腰椎實體。術前，先利用腰椎椎弓根螺釘個體化導航模塊在3D打印的腰椎標本上進行模擬腰椎椎弓根螺釘植入試驗，成功后將導航模塊消毒后帶入手術室，術中應用個體化腰椎椎弓根螺釘導航模塊輔助植入腰椎椎弓根螺釘，通過術后X線和CT檢查，評價腰椎椎弓根螺釘植入的效果。
　　結(jié)果：
　　總共通過數(shù)字化設計和3D打印技術制作了12個個體化腰椎椎弓根螺釘導航模塊，并應用導航模塊輔助植入12枚腰椎椎

18、弓根螺釘。全部12枚螺釘均位于腰椎椎弓根內(nèi)，位置良好，無一例螺釘穿破腰椎椎弓根皮質(zhì)，無并發(fā)癥的產(chǎn)生，椎弓根螺釘植入的精確性高。全部椎弓根螺釘?shù)倪M釘點，進釘方向都與術前模擬方案相一致。
　　結(jié)論：
　　基于數(shù)字化設計的3D打印腰椎椎弓根螺釘導航模塊輔助腰椎椎弓根螺釘植入的精確性高，可以實現(xiàn)個體化的微創(chuàng)下腰椎椎弓根螺釘精確植入。此種方法操作簡單、易于上手、便于推廣到基層醫(yī)院，幫助缺乏椎弓根螺釘植入手術經(jīng)驗和技術的年輕醫(yī)生良好地完