枪状植骨器的设计与模拟手术

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.09.014

中国组织工程研究 ›› 2016, Vol. 20 ›› Issue (9): 1309-1314.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2016.09.014

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枪状植骨器的设计与模拟手术

尹智宇¹，尹知训²，何二兴²，卢伟杰²

¹解放军广州军区广州总医院拓姆中心，广东省广州市 510195；²广州医科大学附属第一医院骨科，广东省广州市 510120

收稿日期:2015-12-16 出版日期:2016-02-19 发布日期:2016-02-19
通讯作者: 尹知训，博士，主任医师，广州医科大学附属第一医院，广东省广州市 510120
作者简介:尹智宇，男，1974年生，湖南省新田县人，汉族，1999年零陵卫校毕业，医师，主要从事肿瘤、器械研究。
基金资助:
广州市科技计划项目(2013J4100041)；广东省科技计划项目(2014A020212369)；广州医科大学附属第一医院项目

Design of gun-form bone grafting apparatus and surgical simulation

Yin Zhi-yu¹, Yin Zhi-xun², He Er-xing², Lu Wei-jie²

¹Department of Radiogherapy, Guangzhou General Hospital of Guangzhou Military Region, Guangzhou 510195, Guangdong Province, China; ²Department of Orthopedics, the First Affiliated Hospital of Guangzhou Medical University, Guangzhou 510120, Guangdong Province, China

Received:2015-12-16 Online:2016-02-19 Published:2016-02-19
Contact: Yin Zhi-xun, M.D., Chief physician, Department of Orthopedics, the First Affiliated Hospital of Guangzhou Medical University, Guangzhou 510120, Guangdong Province, China
About author:Yin Zhi-yu, Physician, Department of Radiogherapy, Guangzhou General Hospital of Guangzhou Military Region, Guangzhou 510195, Guangdong Province, China
Supported by:
Science and Technology Program of Guangzhou, China, No. 2013J4100041; Science and Technology Program of Guangdong Province, China, No. 2014A020212369; a grant supported by the First Affiliated Hospital of Guangzhou Medical University, China

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

植骨：是用手术将骨组织移植到患者体内骨缺损处及需要加强或融合的部位。由于骨来源不同，分为自体骨移植及同种异体骨移植，随着冷藏设备和无菌防腐技术的进步，现在用骨库储存同种骨。常用植骨区有骨质缺损、骨折不愈合、填充囊性病灶或良性肿瘤刮除后所遗留的空腔、脊椎及关节融合等。自体骨移植可取自胫骨前内侧面中部，腓骨上段、髂翼、肋骨以及离断肢体远端之健康骨。

植骨器：自1982年Daniaux提出经椎弓根植骨以来，针对椎体内植骨，不少学者进行了经椎弓根植骨器设计开发，设计了多种经椎弓根植骨器，用于胸腰椎椎体暴力性骨折、骨质疏松骨折椎体内植骨。

背景：现有植骨器均为长管状，顺行植骨，管内骨粒推移困难、骨耗损大。

目的：设计出新概念微创植骨器，实现椎体内、椎间隙微创植骨。

方法：在Solidworks2012软件平台上，利用三维实体建模技术，针对既往经皮或/和经椎弓根植骨器顺行植骨，路径过长、植骨困难问题，设计一套头端逆向置骨、顺行推出的全新概念枪状植骨器，并进行虚拟装配和模拟植骨手术，观察器械匹配情况和植骨手术步骤。

结果与结论：成功设计出一套微创枪状植骨器，植骨器总长20 cm，前端半封闭植骨管长2.5 cm，直径有2种规格：内径3.5 mm/外径4 mm、内径5 mm/外径6 mm。虚拟装配见器械匹配良好。模拟手术显示骨粒装载及推出简单。枪状植骨器设计合理，避免既往管状植骨器顺行植骨推移距离长、骨推行困难、骨量丢失等问题；可经皮、镜下椎体内或椎间隙微创植骨。

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

ORCID: 0000-0001-6332-9960 (尹智宇)

关键词: 骨科植入物, 骨植入物, 植骨器, 微创, 植骨, 椎体骨折, 组织工程

Abstract:

BACKGROUND: The existing bone grafting apparatus are all long tubular-shape, antegrade bone grafting; however, the bone grains within the tube were difficult to put through, along with large bone loss.
OBJECTIVE: To design a new concept of minimally invasive bone grafting apparatus, so as to achieve the minimally invasive bone grafting in vertebral body and intervertebral space.
METHODS: On Solidworks 2012 software platform, the 3D three-dimensional solid modeling technology was employed to design a new concept of gun-shape bone grafting device with the characteristics of headend reversely placing at the grafting position and antegrade pushout, against the problems such as antegrade bone grafting, long bone grafting path and difficulty in bone grafting existing in precious percutaneous or/and transpedicular bone graft apparatus. The virtual assembly and simulative bone grafting surgery were performed with the bone grafting apparatus for observation of the instrument matching degree and grafting surgical procedures.
RESULTS AND CONCLUSION: A set of minimally invasive gun-shape bone grafting apparatus was successfully designed; its length was 20 cm in total; the length of the front semi-closed bone tube was
2.5 cm. There are two kinds of diameter specifications: inner diameter of 3.5 mm/outer diameter of 4 mm, and inner diameter of 5 mm/outer diameter of 6 mm. Virtual assembly revealed that the grafting apparatus were well matched. Stimulative surgery displayed that the bone grain loading and launch were simple. The gun-shape bone grafting device is reasonable in design, avoiding pushing too long distance, bone pushing difficulties, bone loss and other problems in previous tubular bone grafting apparatus. Percutaneous, endoscopic vertebrae or intervertebral space minimally invasive bone grafting can be performed with this apparatus.

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

尹智宇，尹知训，何二兴，卢伟杰. 枪状植骨器的设计与模拟手术[J]. 中国组织工程研究, 2016, 20(9): 1309-1314.

Yin Zhi-yu, Yin Zhi-xun, He Er-xing, Lu Wei-jie. Design of gun-form bone grafting apparatus and surgical simulation[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2016, 20(9): 1309-1314.

图/表（结果） 1

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引言

自1982年Daniaux提出经椎弓根植骨以来，针对椎体内植骨，不少学者进行了经椎弓根植骨器的设计开发，设计了多种经椎弓根植骨器，用于胸腰椎椎体暴力性骨折、骨质疏松骨折椎体内植骨，取得了满意疗好。

国外2003年Lam等^[1]设计了经皮椎弓根植骨(Optimesh)系统，以便应用可注射颗粒状植骨材料行经皮椎弓根椎体内植骨，但椎弓根通道较大，直径8.5 mm，容易穿破椎弓根，不适合国人。

国内田晓华等^[2]2000年设计了经椎弓根植骨器械，包括直型和弧型植骨器，以适应不同区域的植骨。经临床应用，能完成椎体内自体松质骨植骨，联合椎弓根钉复位固定治疗胸腰椎骨折15例，未出现神经根损伤，植骨伤椎均骨性愈合，伤椎高度恢复满意。同年，魏东等^[3]应用自制植骨推注器经椎弓根椎体内植骨、联合椎弓根钉复位固定，治疗58例胸腰椎骨折，优良率达81%，研究发现，经椎弓根椎体内植骨能即时增加椎体的骨容量和脊柱前柱的抗压稳定性，使患者能早期活动，减少内固定物因应力过大造成的断钉、断杆，椎体再压缩等并发症。

2006年王华东等^[4]报道采用自行设计的植骨器械行经椎弓根椎体内植骨，联合短节段椎弓根螺钉固定治疗胸、腰椎爆裂骨折71例，认为经伤椎椎弓根进行椎体内植骨有利于恢复伤椎椎体高度，重建前、中柱的稳定性，预防椎体高度丢失。

2007年贺新宁等^[5]报道了自行设计的经椎弓根空心椎体植骨器行椎体内植骨。此植骨器末端为45°斜行开口，以增加植骨范围；设有限定卡，以防滑入椎体过深。同年，李洪伟等^[6]报道了外径6.0 mm，内径3.5 mm的经椎弓根植骨弹性环锯，其特点是能自攻椎弓根植骨通道。

2013年许胤等^[7]应用自制植骨器经伤椎椎弓根椎体内植骨，联合椎管减压、椎弓根钉棒复位内固定治疗多节段胸腰椎骨折30例，疗效满意。

2014年俞宇等^[8]随访了后路椎弓根钉内固定联合自制植骨器经伤椎椎弓根植骨治疗的胸腰椎骨折病例16例，伤椎高度无明显丢失。

以上报道的植骨器都是基于脊柱后路开放性手术设计的，需直视下先行伤椎椎弓根扩孔，再置入植骨器植骨。2007作者设计了一套适合国人的经皮椎弓根植骨器械^[9]，像其他经皮椎弓根植骨器械一样，需先逐级扩孔，建立皮肤软组织及椎弓根通道，再放入植骨漏斗植骨。2009年作者进一步设计了自攻式经皮椎弓根定向植骨器^[10-12]，实现了经皮穿剌、自攻通道、定向植骨功能。然而，现有用于开放或经皮、经椎弓根植骨器械都为细长管状植骨器，植骨材料需经管内长距离推移才能达到椎体内植骨部位，因而有植骨操作艰难、植骨器滑移、植骨材料耗损等缺点，推广受限。

为此，作者又提出了逆行喂骨、顺行植骨的新理念，以避免植骨材料长距离推移，设计了可用于微创经皮、镜下椎体内植骨或椎间植骨融合的枪状植骨器，并获得了国家实用新型专利(专利号：ZL201420600771.X)，现报道如下。

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材料方法

1.1 设计微创植骨器的设计与模拟手术。

1.1.1 设计理念反向喂骨、顺行植骨，避免植骨材料在植骨管内长距离艰难推移。

1.1.2 设计依据 ①以作者设计的自攻式经皮椎弓根定向植骨器为工作通道，该植骨器外径5.5 mm内径 4.5 mm，长160 mm。因此用于经皮椎弓根植骨的枪状植骨器规格依据是：枪管部分长175 mm，最大外径4.0 mm，最大内径3.5 mm。②腰椎间孔镜工作导管内径7.3 mm，以此导管为工作通道，用于微创椎间植骨的枪状植骨器规格依据是：枪管部分长175 mm，最大外径6.0 mm，最大内径5 mm。

1.2 时间及地点实验于2013年6月至2014年10月在广东省植入材料与矫形技术重点实验室数字骨科研究室完成。

1.3 材料器械特征：枪状植骨器由枪杆部分和手柄部分组成，手柄部分与脊柱外科常用器械如枪状咬骨钳等手柄相似，便于习贯应用；枪杆部分为套装的推杆及植骨管。

1.4 设计方法

1.4.1 枪状植骨器设计在Solidworks2012软件平台上，利用三维实体建模和参数化建模技术，设计头端逆行喂骨、顺行推出的全新概念枪状植骨器(图1)，并进行虚拟装配，观察器械匹配情况。

1.4.2 模拟手术选择1例成人L₁椎体骨折患者(患者签测试知情同意)，进行螺旋CT(菲利浦，128排)连续扫描，扫描参数：层厚0.625 mm，电压140 kV，电流100 mA，窗宽512×512像素，获得螺旋CT序列dicom数据，拷贝另存备用。将患者螺旋CT序列dicom数据导入广东省植入材料与矫形技术重点实验室数字骨科研究室计算机工作站(戴尔PrecisionT1700工作站，第4代智能英特尔^®酷睿™ i5-4590处理器，8 G内存，500 G硬盘2G独立显卡)，在Mimics软件(Materialise’s Interactive Medical Image Control System即Materialise的交互式医学影像控制系统，版本号：13.0，系统ID：D41E3AE35E69437， Materialise公司，Leuven市，比利时)平台上，经图像分割出皮肤、骨骼感性趣区域后表面三维重建；并利用MimicsCAD模块构建骨粒；再导入枪状植骨器和经皮椎弓根植骨器械三维数字模型stl格式文件，利用Mimics模拟手术模块，模拟植骨手术过程：①建立工作通道：利用经皮椎弓根植骨器械进行经皮椎弓根穿刺，以植骨管作为工作通道(图2，3)。②枪状植骨器植骨：将骨粒从植骨器前端填入枪状植骨器半封闭植骨管中，植骨器经工作通道达植骨部位，扣紧枪状植骨器手柄，促使推杆将骨粒自植骨器前端顺行推出，实现植骨(图4)。

1.5 主要观察指标 ①微创枪状植骨器设计结果。②虚拟手术结果。

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讨论

3.1 设计背景针对椎体内植骨，国内外不少学者设计了多种经椎弓根植骨器。国外Lam等^[1]设计的经皮椎弓根植骨(Optimesh)系统，直径过大，其专用的可注射颗粒状植骨材料价格昂贵，不适合国人。国内田晓华、俞宇等^[2-13]设计了多种经椎弓根植骨器，均为细长管状植骨器，应用颗粒骨顺行植骨，植骨困难。小切口、通道下、镜下椎管减压、椎间融合、经皮椎弓根钉内固定术是近年来微创治疗腰椎不稳或滑脱、腰椎间盘突出症、腰椎管狭窄、腰椎退行性侧弯的新技术^[14-23]，然而椎间植骨时缺少专用器械，只能用髓核钳、长镊子植骨，植骨效率低、较多骨粒漏入椎管、植骨及清理椎管内骨粒耗时多，急需相应的植骨器。

3.2 本器械设计的全新理念与思路为避免颗粒骨在细长管状植骨器中推移困难问题，简化植骨过程、提高植骨效率和安全性，实现镜下椎间植骨融合。作者提出了逆行喂骨、顺行植骨新理念。

为便于逆行喂骨和盲视下探入椎间隙，将植骨管前端底侧设计成犁形；植骨管背侧深V形开槽，使植骨管直径有一定的伸缩度，既便于骨粒的装入和推出，又便于椎骨器在小工作通道及较窄的椎间隙中进出。

3.3 本植骨器优点 ①逆行喂骨、顺行植骨，避免骨粒在植骨管中长距离推移，降低植骨难度，减少骨量丢失。②植骨管壁开槽设计，便于装骨/御骨时扩大，在工作导管中出入时直径稍缩小，避免卡壳。③可用于椎体骨折的经皮椎弓根植骨，和腰椎退行性疾病的椎间融合时经工作通道植骨。

3.4 植骨参数骨粒大小以直径2.0-3.0 mm为宜，直径2 mm骨粒成骨性能最好，而作者设计的枪状植骨器内径为3.5 mm，所以骨粒大小以直径2.0-3.0 mm为宜。植骨量因人、因病、因部位而异，椎体骨折椎弓根钉间接复位后，蛋壳椎植骨量为2-4 mL，而椎间融合时Cage外植骨量为3-5 mL。植骨手术时间在小切口椎间融合应用长无齿镊或髓核钳植骨时，需5-10 min，清理遗漏在椎管内骨粒需0.5-1 min。应用枪状植骨器估计椎间隙植骨时间3-6 min，一般无骨粒外漏，无需清理。一般应用管状植骨器经椎弓根椎体内植骨时，由于骨粒在长管中推行困难，植骨时间需10-20 min，而应用枪状植骨器经工作导管经皮椎弓根椎体内植骨时，枪状植骨器可顺利通过长管达目标植骨区，植骨时间为5-10 min。

3.5 学习曲线应用枪状植骨器经长细的工作导管植骨时，要求两者同轴同园心才能顺利推进拔除，如遇有阻力时要及时调整方向，眼力手感很重要，需要学习训练；应用枪状植骨器镜下椎间植骨时，要有镜下操作经验、手眼协调能力，因而有一定的难度和学习曲线。

3.6 应用前景本植骨器实现了逆向装骨顺行推出植骨的新理念，在装骨后经植骨通道送达植骨区，顺行推出植骨，用于经皮椎弓根伤椎内植骨，避免了既往长管状植骨器植骨时，颗粒骨在植骨长管中推移困难的缺点。

随着脊柱微创外科的发展，小切口、通道下、镜下微创椎间融合术越来越普及^[24-34]，但目前小通道下椎间隙利用髓核钳植骨，效率低、风险大、骨粒漏在椎管概率大，急需解决。本植骨器不但实现了逆向装骨顺行植骨新理念，而且植骨管前部小深V开槽获得管径弹性调节能力以便骨装载和推出、前端犁形设计便装骨和盲视下导入椎间隙，实现小通道下椎间隙安全高效植骨，适于椎间盘镜下、椎间孔镜通道下椎间隙植骨融合。

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