3D打印导板技术联合多次去旋转治疗重度僵硬性脊柱侧凸

doi:10.12307/2023.763

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

3D打印导板技术：利用术前CT扫描建模，术前规划设计需要置钉的关键椎及螺钉的直径、方向和深度，预制导向模板，术中根据导向模板置钉，很好地控制螺钉的方向和深度，具有置钉准确性高等优势。导板采用聚乳酸材质，可满足医用无菌消毒。3D打印导板在追求个性化、精准化的现代医疗中发挥重要作用。
多次去旋转技术：针对重度脊柱侧弯，术后矫形难度较大，无法一次矫形到位。多次转棒去旋转可通过蠕变效应使得变形椎体周围的肌肉、韧带、椎间盘得到松解，对抗矫形的阻力减少，实现最大程度的矫形效果，不容易出现螺钉松动等并发症。

背景：近年来，随着3D打印技术的发展，使得外科手术走向个性化、精准化。3D打印导板技术可实现术前规划、术中导航，使得外科手术更加精准。临床中重度僵硬性脊柱侧弯矫形术中仍面临置钉准确性不高导致螺钉松动甚至引起神经并发症的问题，现有关于3D 打印导板技术指导重度僵硬性脊柱侧弯术中置钉的研究不多。

目的：评价3D打印导向模板技术联合后路多次去旋转治疗重度僵硬性脊柱侧凸的临床效果。
方法：回顾性分析3D打印导向模板椎弓根螺钉置入后联合施行后路多次转棒去旋转技术治疗重度脊柱侧凸6例患者的临床资料，男3例，女3例，手术时年龄15-23岁，平均(18.17±3.49)岁。分析术后2周和术后18个月时脊柱侧弯相关参数的变化，进行统计学分析。

结果与结论：①手术时间280-540 min，平均(340.83±102.20) min，术中出血量1 000-4 000 mL，平均(2 000.00±1 073.70) mL，固定节段9-14个椎体，平均(11.83±1.72)个椎体，矫形过程中未出现螺钉松动；②所有患者均获得随访，术后2周全脊柱正侧位片显示冠状位主弯的cobb角、冠状面C7铅垂线和S1正中线的距离、矢状面C7铅垂线和S1后缘的距离、顶椎偏移、胸椎后凸角、腰椎前凸角均获得明显矫正，主弯的cobb角平均矫正率62.22%，术后18个月随访各参数较术后2周无明显变化，矫形效果满意，无感染和内固定断裂；③围术期切口延迟愈合1例，经过换药处理瘢痕愈合，未出现神经并发症；④结果表明3D打印导向模板结合后路多次转棒去旋转技术治疗重度僵硬性脊柱侧凸畸形安全有效，矫形效果满意。

https://orcid.org/0000-0001-9799-1522 (张之栋)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 重度僵硬性脊柱侧凸, 去旋转, 3D打印导板技术, 肋骨切除术, CT三维重建

Abstract: BACKGROUND: In recent years, with the development of 3D printing, surgical surgery has become personalized and accurate. 3D printed guide template technique can realize preoperative planning and intraoperative navigation, making surgery more accurate. In clinical orthopedic surgery for moderate and severe stiff scoliosis, there is still a problem that the accuracy of screw placement is not high, resulting in screw loosening and even nerve complications. There are few studies on 3D printed guide template technique to guide screw placement in surgery for severe stiff scoliosis.
OBJECTIVE: To evaluate the clinical effect of the 3D printed guide template technique combined with multiple posterior derotation in the treatment of severe rigid scoliosis.
METHODS: The clinical data of six patients with severe scoliosis undergoing 3D printed guide template technique of pedicle screw combined with multiple posterior derotation were retrospectively analyzed. There were 3 males and 3 females, with a mean age of (18.17±3.49) years (range, 15-23 years). The changes of parameters related to lateral bending were analyzed at postoperative 2 weeks and 18 months, and the results were obtained by statistical analysis.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) The operation time was 280-540 minutes (mean 340.83±102.20 minutes). The intraoperative blood loss was 1 000-4 000 mL (mean 2 000.00±1 073.70 mL). The fixed segments were 9-14 vertebral bodies (mean 11.83±1.72), and no screw loosening occurred during the operation. (2) All patients were followed up. At postoperative 2 weeks, the anteroposterior and lateral radiography of the whole spine showed that the cobb angle, the distance between the vertical line of C7 on the coronal plane and the median line of S1, the distance between the vertical line of C7 in the sagittal plane and the posterior edge of S1, apical vertebral translation, thoracic kyphosis, and lumbar lordosis were significantly corrected. The average correction rate of the cobb angle in the main curve was 62.22%. After 18 months of follow-up, there was no significant change in all parameters compared with 2 weeks after operation; the orthopedic effect was satisfactory, and there was no infection or internal fixation fracture. (3) There was one case of delayed wound healing; scar healing appeared after dressing change treatment; no neurological complications occurred. (4) The results show that the 3D print-guide template combined with multiple posterior rod derotation technique is safe and effective in the treatment of severe rigid scoliosis, and the correction effect is satisfactory.

Key words: severe rigid scoliosis, derotation, 3D printed guide template technique, rib resection, CT three-dimensional reconstruction

中图分类号:

张之栋, 祁家龙, 裴少保, 马力, 王善松, 刘艺明. 3D打印导板技术联合多次去旋转治疗重度僵硬性脊柱侧凸[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(6): 922-926.

Zhang Zhidong, Qi Jialong, Pei Shaobao, Ma Li, Wang Shansong, Liu Yiming. 3D printed guide template technique combined with multiple derotation for severe rigid scoliosis[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2024, 28(6): 922-926.

图/表（结果） 3

2.1 参与者数量分析所有6例患者均获得随访，参数测量无偏差。
2.2 试验流程图所有患者均获得随访和数据分析，流程图见图2。

2.3 手术时间、出血量和固定节段手术时间280-540 min，平均(340.83±102.20) min，术中出血量1 000-4 000 mL，平均(2 000.00±1 073.70) mL，固定节段9-14个椎体，平均(11.83±1.72)个椎体。
2.4 术前、术后2周、术后18个月相关参数的对比术前冠状位主弯的cobb角为71°-100°，平均为(89.00±11.92)°，术后2周cobb角为15°-48°，平均为(34.50±10.78)°，术后18个月cobb角为15°-48°，平均(36.00±11.08)°。术前冠状面C7铅垂线和S1正中线的距离(CBD)平均为(3.17±1.00) cm，术后2周为(0.70±0.75) cm，术后18个月为(0.97±0.78) cm。
术前矢状面C7铅垂线到S1后缘的距离(SVA)平均为(2.47±1.93) cm，术后2周为(0.32±0.58) cm，术后18个月为(0.83±1.56) cm。顶椎偏距由术前(6.28±0.91) cm矫正至术后2个月(2.23±0.71) cm，术后18个月时(2.45±0.58) cm。胸椎后凸角由术前(52.17±19.85)°矫正至术后2周(40.33±6.65)°，术后18个月时(41.17±4.26)°；腰椎前凸角由术前(61.33±6.65)°矫正至术后2周(49.17±5.85)°，术后18个月时(49.50±5.61)°。统计学分析见表2。

2.5 并发症围术期并发症1例，切口皮缘愈合不良，经过换药处理瘢痕愈合，无神经并发症。
2.6 生物相容性所有患者均骨性融合，无感染和内固定断裂。
2.7 典型病例患者男，17岁，神经纤维瘤病性重度僵硬性右胸弯的脊柱侧凸畸形，柔韧度差，术前大体像可见剃刀背畸形，采用3D打印导板辅助置钉，术后切断部分肋骨松解多次转棒去旋转，术后矫形满意，术中截骨矫形闭合时神经电生理监测未出现异常，术后未出现神经并发症，见图3。

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引言

材料方法

1.1 设计描述性研究，回顾性分析入组病例的相关参数，数据比较采用t检验，得出相关结论。
1.2 时间及地点资料收集于2016年8月至2022年1月合肥市第一人民医院脊柱外科。
1.3 对象纳入6例患者，均为首诊入住合肥市第一人民医院脊柱外科的重度僵硬性脊柱侧凸患者(站立前后位X射线片示cobb角> 70°，侧屈位X射线片显示柔韧性< 30%)，无其他基础疾病，未进行过脊柱畸形的手术治疗。手术时年龄15-23岁，平均(18.17±3.49)岁；男3例，女3例；其中先天性脊柱侧凸2例，特发性脊柱侧凸1例，神经源性脊柱侧凸2例，骨营养不良性脊柱侧凸1例；Risser征Ⅳ级2例，Ⅴ级4例。所有患者得到影像学检查诊断并且由同一组脊柱外科医师证实，手术前后均行全脊柱正侧位X射线片、左右Bending位X射线片、全胸片、三维CT、MRI、肺功能等检查。所有病例均行后路软组织松解、顶椎区双侧肋骨截骨术联合多次转棒去旋转进行矫形，内固定器械为GSS系统(山东威高)。详细如实告知患者及监护人术前导板设计，术中使用导板指导置钉，并签署知情同意书，试验方案经过合肥市第一人民医院伦理委员会批准，编号：HFYY2016-23。

1.4 材料 SINO万向复位螺钉介绍见表1。3D打印导板采用聚乳酸材料，制造工艺为增材制造，具有国家二类医疗器械许可证，许可证号：20202041430。

1.5 方法

1.5.1 术前设计患者入院后，常规进行生化指标和影像学检查，包括脊柱全长正侧位片和应力侧曲位片、脊柱全长的CT薄层扫描和三维重建、脊柱全长的MRI检查，发现有脊髓空洞1例，其余5例无脊髓畸形。根据CT扫描畸形椎体的椎弓根角度和直径在计算机上设计螺钉的方向和直径，3D打印出畸形的椎体，在3D打印后椎体上设计导向模板，术中根据导向模板来确定螺钉的方向和角度。根据术前CT测量的数据挑选每个畸形椎体左右侧螺钉的直径和深度，见图1。

1.5.2 手术方法患者全麻，安装神经电生理监测仪后，取俯卧位，下垫软枕，根据手术前制定的融合节段决定手术切口的长度，充分显露手术区域的椎板、椎间关节、横突、肋横关节、肋骨头和部分肋骨近段5-10 cm。
根据术者设计多次转棒去旋转的方案进行顶椎附近椎体软组织松解和截骨，进行充分松解后装棒去旋转。①全脊椎椎弓根螺钉的置入：在导板的引导下置钉，螺钉置入后可进行后路软组织的松解和肋骨截骨术。②顶椎段脊椎游离松解和肋骨截骨术：切除双侧的关节突关节下半部分后，在凹侧应用电刀仔细松解肋横关节、部分横突和部分凹侧的肋骨头，切断僵硬节段的横突间韧带，在凸侧应用电刀松解关节突关节囊，沿着横突的上下缘松解游离但不切除横突间韧带、肋横韧带、肋椎关节韧带，用小号骨膜剥离子插入肋椎关节进行撬拨使之松动轻度分离；保留凸侧的椎间小关节突的表面和横突作为植骨床，凸侧不作过多的切除可作为矫形的铰链侧防止在矫形过程中出现椎体侧方滑移损伤脊髓；使顶椎上下四五个椎体进行充分游离松解，术中手法3点加压试矫形了解脊柱松解的效果。如不满意可以皮下游离向外侧牵开皮瓣，先切除凸侧顶椎区上下3-6个肋骨近段5-8 cm，完成凸侧胸廓成形术的同时增加脊柱的柔韧性和活动度。③多次装棒转棒去旋转矫形：在凹侧和凸侧所有的关键椎椎弓根螺钉置入后，将棒根据脊柱畸形的曲度减少30°左右塑形并安装钛棒，若矢状面正常或胸椎后凸者先安装凹侧棒，若胸椎前凸和(或)腰椎后凸者先安装凸侧棒，利用两把持棒钳转棒，部分减少冠状面的曲度，锁定一侧螺母后，取下凹侧棒或凸侧棒重新根据冠状面畸形曲度再次塑形，在棒的撑开力作用下，顶椎区的椎间盘和关节突周围的韧带发生蠕变效用，对抗矫形的阻力逐步减小，畸形的曲度逐渐减少，再次装凹侧棒或凸侧棒和转棒，再根据残留的畸形曲度塑形凸侧棒或凹侧棒，有时需要反复2-4次，此时可见凸侧或凹侧的残留弧度已可满足矢状面的生理弧度，再次塑形钛棒和安装棒变得容易，然后再次转动凹侧棒或凸侧棒，进一步恢复冠状面的平衡和减少冠状面的畸形，根据螺钉的拔钉情况决定是否需要继续矫正到畸形基本消失，恢复矢状面平衡。术中不断观察患者的骨盆和双肩的平衡防止一侧矫形过度，残留的畸形可以通过行凹侧撑开和凸侧压缩的操作来矫正，若强求转棒可以导致椎弓根破裂或螺钉拔出。观察皮质体感诱发电位峰值与潜伏期的改变，降低麻醉深度进行唤醒实验来判断神经损伤的可能。确定无明显神经损伤后，椎板和关节突表面去皮质化植骨。
1.5.3 术后处理术后予以抗感染、补液等对症治疗，根据是否合并低血红蛋白和低蛋白血症决定是否输血和输白蛋白，维持电解质平衡。术后引流量低于50 mL时拔除引流管，拔除引流管后在支具保护下正常下地活动。
1.6 主要观察指标 ①术中失血量和手术时间；②术前、术后2周、术后18个月的侧凸主弯角、胸椎后凸角、腰椎前凸角、顶椎偏移距离、冠状面C7铅垂线和S1正中线的距离(CBD)、矢状面C7铅垂线到S1后缘的距离(SVA)；③术后是否出现脊髓损伤、神经功能障碍，有无切口感染、迟发性感染和螺钉断裂。
1.7 统计学分析对临床采集的影像学指标进行统计学数据分析，所得数据用SPSS 20.0统计学软件中t检验方法进行分析。P < 0.05为差异有显著性意义。

讨论

重度僵硬性脊柱侧凸站立位片上冠状面Cobb角大于80°，Bending位片提示柔韧性小于30%，椎体成角较锐，旋转变形较重，柔韧性差。患者椎体畸形严重，甚至合并椎管内骨性畸形，因此在置钉和截骨矫形手术过程中出现损伤脊髓、神经根导致瘫痪以及其他并发症的风险极高。如何在获得很好矫形的同时，减少手术相关并发症是治疗重度僵硬性脊柱侧后凸畸形的一大挑战[1]。在畸形严重的椎体上准确置钉，对于脊柱侧凸矫形手术来说至关重要。3D打印导向模板椎弓根螺钉置入技术根据术前患者脊柱薄层CT扫描结果行三维重建和造模[2]，可以在术前提供更加直观的解剖学信息，方便临床医生对畸形的直观认识，制定很好的术前规划，同时辅助导板技术，可以术前在模型上模拟置钉，在计算机上设计椎弓根螺钉钉道方向与长度，可在体外制造导向模板，在术中将导向模板安装在旋转变形的椎板上，导向模板上预留的钻孔可指导椎弓根螺钉置入，准确将螺钉置入椎弓根内，发挥螺钉的最大抗旋转扭矩[3-6]。良好的螺钉置入是矫形的关键，因钉道松动直接影响矫形力量和手术安
全[7-9]，国内董骐源等[10]研究表明，3D导板技术辅助置钉准确率高达93.8%，PUTZIER等[11]研究表明导板技术辅助准确率高达96.7%，且不增加手术时间，但需要注意的是，导板置钉技术需要软组织剥离干净，且术中需要辅助控制导板，否则可能会因导板松动导致置钉偏差[12]。作者认为在严重畸形的椎体中其优势明显，对于畸形不明显的椎体其相比徒手置钉，优势并不明显。在重度畸形椎体中，往往跨过变形严重的椎体，在上下端椎附近置钉，然后通过双棒或单棒凹侧撑开和凸侧加压来矫正侧凸畸形，螺钉置入的越多，可更好地分散去旋转时螺钉的拔除力。术中发现尽管导向模板可保证在电钻下安全钻孔，显著缩短螺钉置入时间，但钉尾的方向也相应固定，钛棒放置困难时，术中螺钉改用万向钉和间隔植入可解决放棒问题。
针对重度僵硬性侧凸，尤其先天性脊柱侧凸患者，矫形术中神经损伤发生率高达7.23%[13]，通过顶椎的楔形截骨短缩脊柱，增加脊柱的柔韧性，后路椎体脊柱截骨可以得到良好的矫形效果，但神经损伤发生率较高[14-17]，且与脊髓的形态分型等因素相关[18]。如果能充分的松解合并多次去旋转矫形可以降低截骨级别，减少截骨相关并发症[19]。置钉完成后可先进行凸侧胸廓成形术，截除顶椎区附近2-5 cm长的肋骨，可进一步扩大脊柱的柔韧性[20]，减少去旋转时的阻力，此组病例表明去旋转之前行胸廓成形术不会增加胸膜损伤等肺部并发症。因椎间盘具有黏弹性，施加负荷后保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加，这就是蠕变[21]，多次转棒可通过蠕变效应使得变形椎体周围的肌肉、韧带、椎间盘得到松解，对抗矫形的阻力减少，3D导向模板椎弓根螺钉植入技术保证每个椎弓根螺钉能够发挥最大的把持力，同时多个关键椎螺钉置入能有效地分散应力，让术者在转棒去旋转时更加方便，并且可维持胸椎后凸，避免后凸过小出现直背畸形。重度僵硬性脊柱侧凸患者术中脊髓损伤的风险较大，神经电生理监测可以提供额外的保障，但需结合降低麻醉深度行唤醒实验来判断神经损伤[22]，确定无明显神经损伤后，椎板和关节突表面去皮质化植骨完成手术。
此组病例3D打印导向模板技术在脊柱侧凸矫形手术中应用可发挥很好的优势，术前脊柱畸形的三维建模可了解畸形的特点和脊椎术中松解重点，导向模板保证螺钉准确置入畸形的椎体，缩短手术时间，为矫形去旋转提供把持力强的保障，多次去旋转需要螺钉的抗拔出力得到保证，降低截骨级别的同时可以实现很好的去旋转矫形效果。此组病例显示3D打印数字技术结合多次去旋转技术治疗重度僵硬性脊柱侧凸安全有效，但由于样本量有限，该技术的临床应用仍需大样本数据支持。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程