3D打印導(dǎo)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(yùn)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(shí)現(xiàn)腰椎的前、中、后三柱固定，加強(qiáng)脊柱的支撐及抗扭轉(zhuǎn)的剛度，且具有及佳的生物力學(xué)性能，故在臨床腰椎相關(guān)疾病中廣泛應(yīng)用，得到了醫(yī)生和患者的認(rèn)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(shù)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(jìn)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(guān)節(jié)突抵達(dá)椎弓根，King設(shè)想通過關(guān)節(jié)突間的固定來促進(jìn)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(dá)椎體，應(yīng)用于腰骶椎融合內(nèi)固定手術(shù)，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(fù)的臨床實(shí)驗(yàn)，不斷地改良椎弓根螺釘，最終在應(yīng)用椎弓根技術(shù)治療脊柱骨折疾病上取得了良好的臨床效果，并證實(shí)這種新技術(shù)相對于傳統(tǒng)手術(shù)方法而言，能夠提供更為安全、堅(jiān)強(qiáng)、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(zhǔn)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(shù)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(biāo)志點(diǎn)法、X線透視輔助法、計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航法、機(jī)器人法以及個(gè)體化腰椎椎弓根螺釘導(dǎo)航模板法。以上不同的椎弓根螺釘植入方法，在臨床實(shí)際應(yīng)用中各有利弊。解剖標(biāo)志點(diǎn)法:椎弓根螺釘?shù)倪M(jìn)釘點(diǎn)和進(jìn)釘方向主要依靠術(shù)者的經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行判斷，術(shù)者憑手感使用椎弓根探子對置釘通道進(jìn)行探測，以保證椎弓根螺釘?shù)臏?zhǔn)確植入。據(jù)報(bào)道，應(yīng)用各種解剖標(biāo)志點(diǎn)法的椎弓根皮

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

6、導(dǎo)航設(shè)備費(fèi)用昂貴，操作步驟較為復(fù)雜，熟練掌握需要較長時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)積累，學(xué)習(xí)曲線較長，不易推廣到基層醫(yī)院，另外術(shù)中體位變化等因素有可能影響導(dǎo)航的準(zhǔn)確性。機(jī)器人法:機(jī)器人輔助腰椎椎弓根螺釘?shù)闹踩?，?zhǔn)確率較高，但目前機(jī)器人設(shè)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(dǎo)航模板法:通過電腦軟件數(shù)字化設(shè)計(jì)并利用3D打印機(jī)制造出導(dǎo)航模塊和腰椎實(shí)體模型，醫(yī)生可以進(jìn)行術(shù)前模擬手術(shù)，熟練手術(shù)操作，開拓醫(yī)生的思路，有利于醫(yī)生設(shè)計(jì)出適合患者的最佳手術(shù)方案，

7、遵循了個(gè)體化腰椎椎弓根螺釘植入的原則，提高了螺釘植入的準(zhǔn)確性，并在很大程度上減少了術(shù)中脊髓、神經(jīng)和血管損傷的可能性。同時(shí)，數(shù)字化導(dǎo)航模板法具有縮短手術(shù)時(shí)間、避免過多的X線輻射、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，因此其具有較好的臨床應(yīng)用前景。但現(xiàn)有的導(dǎo)航模板的穩(wěn)定性還不夠好，數(shù)字化設(shè)計(jì)所需的時(shí)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(jìn)步，3D打印技術(shù)發(fā)展迅速。3D打印機(jī)可打印出器官或組織的三維實(shí)體模型，能將器官或組織內(nèi)部結(jié)

8、構(gòu)的細(xì)節(jié)真實(shí)地突顯出來，使醫(yī)學(xué)知識變得更為直觀明了。與此同時(shí)，通過3D打印技術(shù)制造出三維實(shí)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(xì)地了解患者的病情，如復(fù)雜骨折、嚴(yán)重畸形等。其提供了比醫(yī)學(xué)影像資料更加具體的解剖學(xué)信息，實(shí)現(xiàn)了由虛擬到現(xiàn)實(shí)、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(shí)體模型上進(jìn)行手術(shù)設(shè)計(jì)及模擬試驗(yàn)，開拓思路，熟練手術(shù)操作，以確保實(shí)際手術(shù)的成功。因此，3D打印技術(shù)為臨床疾病的診斷和治療提供了個(gè)性化

9、、精確化的新思路和新方法。基于數(shù)字化設(shè)計(jì)和3D打印技術(shù)的個(gè)體化腰椎椎弓根螺釘導(dǎo)航模塊能夠和特定患者的實(shí)體骨骼完全匹配，具有準(zhǔn)確、安全、便于使用等優(yōu)點(diǎn)，并可有效減少醫(yī)生和患者在術(shù)中的放射性暴露。
　　綜上所述，3D打印技術(shù)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(gè)體化醫(yī)療的進(jìn)步。但是，為了促進(jìn)腰椎椎弓根螺釘植入手術(shù)的發(fā)展，尚需進(jìn)一步探討具有螺釘植入準(zhǔn)確率高、設(shè)計(jì)簡單、操作方便、對手術(shù)人員經(jīng)驗(yàn)技術(shù)要求低，并能縮短手術(shù)時(shí)間、

10、減少術(shù)中X線損傷等優(yōu)點(diǎn)的新型腰椎椎弓根螺釘植入方法，而3D打印技術(shù)的進(jìn)步為這一方法的可行性鋪開了道路。
　　第一部分 3D打印導(dǎo)航模塊輔助腰椎椎弓根螺釘精確植入的實(shí)驗(yàn)研究
　　目的：
　　通過在電腦軟件Mimics14.0中數(shù)字化設(shè)計(jì)個(gè)體化腰椎椎弓根螺釘導(dǎo)航模塊，利用3D打印技術(shù)制造出個(gè)體化腰椎椎弓根螺釘導(dǎo)航模塊實(shí)體和腰椎實(shí)體，接著使用導(dǎo)航模塊在3D打印的腰椎上進(jìn)行模擬螺釘植入試驗(yàn)，以驗(yàn)證導(dǎo)航模塊的可行性及精確性，為實(shí)

11、際手術(shù)中實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)下個(gè)體化的腰椎椎弓根螺釘精確植入打好堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
　　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(guān)的其他組織結(jié)構(gòu)，以免其影響設(shè)計(jì)人員的視野和操作，僅保留與個(gè)體化腰椎椎弓根螺釘導(dǎo)航模塊數(shù)字化設(shè)計(jì)相關(guān)的腰椎。首先，進(jìn)行導(dǎo)航桿的設(shè)計(jì)，一般選擇腰椎“人”字嵴的中心為腰椎椎弓根螺釘?shù)倪M(jìn)釘點(diǎn)，調(diào)整導(dǎo)航桿位置，使其恰好穿過椎弓根中心，此時(shí)導(dǎo)航桿的方向和位置即是

12、虛擬釘?shù)赖姆较蚝臀恢谩；趯?dǎo)航桿，數(shù)字化設(shè)計(jì)出個(gè)體化腰椎椎弓根螺釘導(dǎo)航模塊前體，使導(dǎo)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(yùn)算”，用導(dǎo)航模塊前體減去腰椎和導(dǎo)航桿便可獲得虛擬的個(gè)體化腰椎椎弓根螺釘導(dǎo)航模塊。接著，將虛擬的個(gè)體化腰椎椎弓根螺釘導(dǎo)航模塊和腰椎數(shù)據(jù)導(dǎo)入到3D打印機(jī)所配套的軟件MakerWare中，調(diào)整導(dǎo)航模塊和腰椎位置，設(shè)置好打印屬性，接著通過3D打印機(jī)制造出個(gè)體化腰椎椎弓根螺釘導(dǎo)航模塊和腰椎標(biāo)本實(shí)體

13、。最后，在個(gè)體化腰椎椎弓根螺釘導(dǎo)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(yàn)植入腰椎椎弓根螺釘?shù)倪M(jìn)釘點(diǎn)、進(jìn)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(jìn)行比較，用以檢驗(yàn)實(shí)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(jià)螺釘?shù)闹踩胄Ч?br>　　結(jié)果：
　　(1)總共通過數(shù)字化設(shè)計(jì)和3D打印技術(shù)研制了228個(gè)個(gè)體化腰椎椎弓根螺釘導(dǎo)航模塊，應(yīng)用228個(gè)個(gè)體化腰

14、椎椎弓根螺釘導(dǎo)航模塊輔助植入腰椎椎弓根螺釘228枚。全部螺釘?shù)倪M(jìn)釘點(diǎn)，進(jìn)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(jìn)釘點(diǎn)大多位于“人”字嵴的中央部位，腰椎椎弓根螺釘準(zhǔn)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(shè)計(jì)的個(gè)體化腰椎椎弓根螺釘導(dǎo)航模塊的直徑范圍為7～9mm，長度為25～35mm，在此范圍內(nèi)，個(gè)體化腰椎椎弓根螺釘導(dǎo)航模塊與腰椎“人”字嵴部位骨面貼合緊密，固

15、定牢固，應(yīng)用方便。根據(jù)不同患者的實(shí)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(shè)計(jì)的3D打印個(gè)體化腰椎椎弓根螺釘導(dǎo)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(xué)習(xí)曲線短、減少了患者的術(shù)者的放射性暴露、對術(shù)者的手術(shù)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)要求低、便于推廣普及。
　　第二部分 3D打印導(dǎo)航模塊輔助腰椎椎

16、弓根螺釘精確植入的臨床應(yīng)用研究
　　目的：
　　將基于數(shù)字化設(shè)計(jì)的3D打印個(gè)體化腰椎椎弓根螺釘導(dǎo)航模塊應(yīng)用于臨床腰椎骨折患者，檢驗(yàn)個(gè)體化腰椎椎弓根螺釘導(dǎo)航模塊輔助植入腰椎椎弓根螺釘?shù)目尚行约熬_性，實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)下個(gè)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(dǎo)入軟件Mimics14.0中，三維重建患者的虛擬腰椎三維模型。設(shè)計(jì)個(gè)體化腰椎椎弓根螺釘導(dǎo)航模塊，并

17、利用3D打印機(jī)制造出個(gè)體化腰椎椎弓根螺釘導(dǎo)航模塊和腰椎實(shí)體。術(shù)前，先利用腰椎椎弓根螺釘個(gè)體化導(dǎo)航模塊在3D打印的腰椎標(biāo)本上進(jìn)行模擬腰椎椎弓根螺釘植入試驗(yàn)，成功后將導(dǎo)航模塊消毒后帶入手術(shù)室，術(shù)中應(yīng)用個(gè)體化腰椎椎弓根螺釘導(dǎo)航模塊輔助植入腰椎椎弓根螺釘，通過術(shù)后X線和CT檢查，評價(jià)腰椎椎弓根螺釘植入的效果。
　　結(jié)果：
　　總共通過數(shù)字化設(shè)計(jì)和3D打印技術(shù)制作了12個(gè)個(gè)體化腰椎椎弓根螺釘導(dǎo)航模塊，并應(yīng)用導(dǎo)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(jìn)釘點(diǎn)，進(jìn)釘方向都與術(shù)前模擬方案相一致。
　　結(jié)論：
　　基于數(shù)字化設(shè)計(jì)的3D打印腰椎椎弓根螺釘導(dǎo)航模塊輔助腰椎椎弓根螺釘植入的精確性高，可以實(shí)現(xiàn)個(gè)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(shù)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)的年輕醫(yī)生良好地完