计算机设计联合3D打印模板应用于脊柱矫形可提升手术精度与矫正效果

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.3785

中国组织工程研究 ›› 2021, Vol. 25 ›› Issue (12): 1826-1830.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.3785

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计算机设计联合3D打印模板应用于脊柱矫形可提升手术精度与矫正效果

刘正蓬，王雅辉，明颖，孙贺

承德医学院附属医院，河北省承德市 067000

收稿日期:2020-04-21 修回日期:2020-04-25 接受日期:2020-06-29 出版日期:2021-04-28 发布日期:2020-12-25
通讯作者: 孙贺，硕士，主任医师，承德医学院附属医院，河北省承德市 067000
作者简介:刘正蓬，男，1983年生，河北省人，满族，主治医师，主要从事脊柱外科基础与临床方面的研究。
基金资助:
2015年承德市科学技术研究与发展计划项目(20157060)，项目负责人：刘正蓬

Computer design combined with three-dimensional printing template for spinal orthopedics can improve surgical accuracy and correction effect

Liu Zhengpeng, Wang Yahui, Ming Ying, Sun He

Affiliated Hospital of Chengde Medical University, Chengde 067000, Hebei Province, China

Received:2020-04-21 Revised:2020-04-25 Accepted:2020-06-29 Online:2021-04-28 Published:2020-12-25
Contact: Sun He, Master, Chief physician, Affiliated Hospital of Chengde Medical University, Chengde 067000, Hebei Province, China
About author:Liu Zhengpeng, Attending physician, Affiliated Hospital of Chengde Medical University, Chengde 067000, Hebei Province, China
Supported by:
the Chengde Science and Technology Research and Development Plan Project in 2015, No. 20157060 (to LZP)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
3D打印模板：应用3D打印技术制成，相较于传统技术，3D打印模板更符合人体解剖结构，生物相容性更好，可提供个性化设计，更利于手术进行。随着人们对手术精度、微创性等要求的提高，3D打印模板在外科领域应用逐渐增加，应用前景广阔。
Oswestry功能障碍指数(ODI)：包含社交活动、睡眠质量、日常活动、疼痛程度4个维度，分值高低与功能障碍程度呈正相关，可用于评价脊柱畸形术后疼痛与功能障碍程度，其信度、效度均较高，对其进行评价可为患者预后情况提供一定参考。

背景：脊柱畸形矫形手术难点在于如何确定畸形椎体椎弓根位置，应用传统CT、X射线片检查等方法难以实现准确定位，影响手术效果。而近期研究显示，计算机技术、3D打印模板在提高定位及置钉效果方面存在优势。
目的：探讨计算机设计联合3D打印模板应用于脊柱矫形对手术精度与矫正效果的影响。
方法：选择2016年2月至2019年2月在承德医学院附属医院行矫形手术治疗的脊柱畸形患者73例进行前瞻性单盲随机对照试验，按随机数字表分为2组。试验组36例矫形术中应用计算机设计联合3D打印模板，对照组37例采取常规矫形手术。比较两组手术情况、Cobb角纠正率、置钉成功率、并发症发生率；术后随访12个月，对比两组术前、术后12个月Oswestry功能障碍指数。
结果与结论：①试验组手术时间较对照组短，术中X射线透视次数、术中出血量较对照组少(P < 0.05)；②试验组Cobb角纠正率89%显著高于对照组70%(P < 0.05)，试验组置钉成功率100%显著高于对照组81%(P < 0.05)；③两组术后并发症发生率相比，差异无显著性意义(P > 0.05)；④两组术后12个月Oswestry功能障碍指数量表中社交活动、睡眠质量、日常活动、疼痛程度各维度评分较术前降低，且试验组低于对照组(P < 0.05)；⑤提示计算机设计联合3D打印模板应用于脊柱矫形手术可缩短手术时间，减轻手术创伤，减少术中X射线透视次数，提升手术精度与矫正效果，减轻术后功能障碍程度。

https://orcid.org/0000-0003-1631-4058 (刘正蓬)

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: 脊柱矫形, 计算机, 3D打印模板, 功能障碍, Cobb角, 置钉

Abstract: BACKGROUND: The difficulty of orthopedic surgery for spinal deformity lies in how to determine the position of the vertebral pedicle of the deformed vertebral body. It is difficult to achieve accurate positioning using traditional CT, X-ray examination and other methods, which affects the surgical effect. Recent research shows that computer technology and three-dimensional (3D) printing templates have advantages in improving positioning and nail placement.
OBJECTIVE: To explore the effect of computer design combined with 3D printing template on spinal orthopedics on surgical accuracy and correction effect.
METHODS: A prospective single-blind randomized controlled study was performed in 73 patients with spinal deformities undergoing orthopedic surgery in the Affiliated Hospital of Chengde Medical College from February 2016 to February 2019. According to the random number table, they were divided into two groups. In the trial group (n=36), computer design combined with 3D printing template was used in orthopedic surgery. In the control group (n=37), conventional orthopedic surgery was applied. The operation situation, the correction rate of Cobb angle, the success rate of nail placement, and the incidence of complications were compared in the two groups. Follow-up was performed for 12 months after operation. Oswestry disability index was compared between the two groups before and 12 months after operation.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) The operation time of the trial group was shorter than that of the control group. The number of intraoperative X-ray fluoroscopy and intraoperative blood loss were less in the trial group than those in the control group (P < 0.05). (2) The correction rate of Cobb angle was significantly higher in the trial group (89%) than that in the control group (70%) (P < 0.05). The success rate of nail placement was significantly higher in the trial group (100%) than that in the control group (81%) (P < 0.05). (3) There was no statistically significant difference in the incidence of postoperative complications between the two groups (P > 0.05). (4) The scores of social activities, sleep quality, daily activities, and pain in each dimension of the Oswestry disability index of the two groups 12 months after operation were lower than those before surgery, and those scores in the trial group were lower than those in the control group (P < 0.05). (5) These results suggest that computer design combined with 3D printing templates for spinal orthopedic surgery can shorten the operation time, reduce surgical trauma, reduce the number of intraoperative X-ray fluoroscopy, improve surgical accuracy and correction effect, and reduce the degree of postoperative dysfunction.

Key words: spinal orthopedics, computer, 3D printing template, dysfunction, Cobb angle, nail placement

中图分类号:

刘正蓬, 王雅辉, 明颖, 孙贺. 计算机设计联合3D打印模板应用于脊柱矫形可提升手术精度与矫正效果[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(12): 1826-1830.

Liu Zhengpeng, Wang Yahui, Ming Ying, Sun He. Computer design combined with three-dimensional printing template for spinal orthopedics can improve surgical accuracy and correction effect[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2021, 25(12): 1826-1830.

图/表（结果） 7

参考文献

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引言

材料方法

1.1 设计前瞻性单盲随机对照试验。
1.2 时间及地点于2016年2月至2019年2月在承德医学院附属医院骨科完成。
1.3 材料植入物材料学特征见表1。

1.4 对象选择2016年2月至2019年2月承德医学院附属医院收治行矫形手术治疗的脊柱畸形患者73例进行前瞻性单盲随机对照试验，按随机数字表分为试验组(n=36)及对照组(n=37)。收集两组年龄、体质量、性别、病程、病变类型、术前额状面Cobb角、侧凸部位等一般资料，经比较差异无显著性意义(P > 0.05)。此次研究经医院伦理委员会批准。
纳入标准：①先天性椎体发育不良或半椎体畸形造成的脊柱侧凸与后凸畸形，致使置钉困难者；②青少年特发性脊柱侧凸；③脊柱结核等疾病造成的脊柱侧凸者；④强直性脊柱炎造成的脊柱侧凸与后凸畸形者；⑤自愿接受矫形手术治疗，知晓此次研究，自愿签订知情同意书。
排除标准：①严重骨质疏松者；②先天性椎弓根发育不良，不适合拧入椎弓根钉者；③椎弓根骨折者；④既往存在脊柱手术史者；⑤合并肝肾功能严重异常、凝血功能障碍、脊柱肿瘤者。
1.5 方法两组均采取脊柱矫形手术，手术操作均由同一组医师完成。
1.5.1 对照组方法采取常规矫形手术，手术操作与试验组一致，但不实施术前计算机设计与3D打印模板制作，依据CT、X射线扫描结果确定纠正度数、范围。
1.5.2 试验组方法在术中应用计算机设计联合3D打印模板：①采集病变脊柱数据：于术前采取CT扫描，明确病变脊柱，将扫描数据传输至Mimics 21.0软件，获取脊柱三维重建图像，并以STL格式输出实施计算机辅助设计。②计算机设计：以Mimics软件对二维平面图像实施处理，创建脊柱模型，并以STL格式输出后应用AutoCAD软件自动进行计算机辅助设计设计；分析脊柱解剖模型，同正常脊柱解剖模型实施对比与点云分析等，掌握脊柱结构，精准测量解剖模型，确定脊柱上下端椎、侧凸Cobb角、中立椎，明确矫形范围。测量每一椎体各椎弓根外倾与头倾角度、长度及截面积，对需采取截骨椎体节段再测定需截骨位置与范围；以计算机辅助设计对各个脊椎椎弓根螺钉准确的进钉角度、位置与安全范围实施辅助定位；按照测定结果于计算机上设计外科手术过程，并设计椎弓根定位辅助模板和矫形棒弧度；对脊柱后凸畸形患者设计时可同时辅助截骨矫形定位模板；于计算机上预先模拟手术流程，了解矫形效果，若观察效果满意，则使用3D打印技术创建出光敏树脂材料辅助模板，实施消毒备用。③手术操作：仰卧位，行后正中切口，充分显露脊柱；各椎体棘突后与双侧小关节显露后，施行椎弓根定位模板安装，注意使模板与双侧椎板、棘突相嵌合，依据模板明确椎弓根进钉方向与进钉点，由模板进钉孔内应用尖椎定位，以开路器开路，并钻出钉道，侧凸两侧放入椎弓根螺钉；而后对比双侧矫形棒模板，预弯金属棒，实施安装及旋转，将螺钉撑开，并拧紧固定(置钉图片见图1)。采取常规凸侧植骨，横突需去除皮质骨，而后破坏部分小关节，进行自体骨植入，摆放于关节突和横突间，实施选择性融合，其上融合椎一般为上端椎上一椎体，下融合椎是稳定椎抑或其上一椎体。脊柱后凸畸形患者以辅助截骨模板明确截骨角度、位置、范围等，采取截骨；若合并胸廓畸形可采取胸廓成形术，将高突肋骨切除。
术后两组均置管引流，闭合切口。
1.6 主要观察指标所有评估指标均采用单盲法评价(评价者盲)。具体指标如下：①手术情况，包括手术时间、术中X射线透视次数、术中出血量等；②Cobb角纠正率：Cobb角纠正率=(术后Cobb角-术前Cobb角)/术前Cobb角×100%；③置钉成功率：依据CT扫描情况判定置钉成功率，螺钉突出椎弓根皮质≤2 mm判定为置钉成功[16]；④术后12个月内并发症发生情况，包括螺钉松动、感染、深静脉血栓、脑脊液漏等；⑤术前、术后12个月功能障碍情况，以Oswestry功能障碍指数(Oswestry dability index，ODI)施行评价，包含社交活动、睡眠质量、日常活动、疼痛程度4个维度，各维度分值范围0-5分，分值越高功能障碍越严重[17]。
1.7 统计学分析研究数据采用SPSS 23.0统计学软件实施处理，计量资料以x±s表示，行t检验；计数资料用n/%表示，行χ2检验；P < 0.05为差异有显著性意义。

讨论

脊柱畸形患者常伴随脊柱后凸、侧凸、椎体旋转、椎体形成不全等畸形，后路手术过程中解剖标志定位难度大[18-20]。采取常规手术虽手术操作相对简单，适应证较广，但其主要依靠CT、X射线片明确病变情况与解剖位置，重建图片难以提取单个椎骨形态，且导出平面图像无法转动观察，直观性较差，难以全方位了解脊柱畸形情况，以及于术中实时监测、量化定位、精准判断脊柱畸形病情程度与脊椎骨质结构、解剖结构等情况[21-22]；同时，由于解剖标志缺乏，亦无法精准判定椎弓根螺钉置入情况与具体位置，置钉失败率较高，并易造成血管、脊髓、神经根损伤，影响矫形效果；此外，术中应用X射线反复照射，也存在辐射风险高的缺陷[23-25]。如何有效提升手术精度、降低置钉失败率一直是脊柱外科医生关注的重点。
随着医学技术不断发展，计算机技术、3D打印模板等新兴技术在脊柱外科手术中应用逐渐增多。有关研究报道，计算机辅助导航系统应用于脊柱手术中可实现立体定位，规避重要解剖结构，保障手术安全[26-28]。亦有研究指出，3D打印技术应用于脊柱手术中可实现更为精确的置钉，提升手术安全性，减轻手术创伤，且矫形效果较好[29-31]。但关于二者联合应用于脊柱手术的研究报道尚较少，仍需大量研究论证支持。此次研究显示，试验组手术时间短于对照组，术中X射线透视次数、术中出血量低于对照组，Cobb角纠正率、置钉成功率高于对照组，表明应用计算机设计联合3D打印模板可缩短手术时间，减轻手术创伤，减少术中X射线透视次数，提升手术精度与矫正效果。分析其原因为：①计算机技术辅助下可精确测定侧凸角度，对矫形进行模拟，依照脊柱生理曲度合理设计需矫形节段与范围，确定有无必要截骨，尽可能降低术中判断误差发生风险，缩短手术时间，且3D打印模板的使用可减少不必要的术中进钉前与进钉时影像学观察过程，有助于进一步缩短手术时间；②计算机技术辅助下可导出三维图像，于电脑上显示出模型三维形态，实施多角度观察，并对图像采取分割处理，清晰重建各个椎体立体三维形态，测定椎弓根进钉点深度、角度、具体位置等精确参数，为术中操作提供精确数据，且通过计算机技术设计术中置钉模板，可为医师术中确定进钉点提供依据，同时，3D打印模板的应用可通过个性化设计，进一步提升置钉成功率，提升矫形效果，降低术中神经、血管损伤；③两者的应用可为术中操作提供有力依据，减少术中透视，减轻对患者的辐射损害[32-34]。
近年来，人们对医疗服务的要求逐渐提高，要求手术在具有确切疗效同时还可减少并发症，改善术后生活质量，如何实现这一目标已成为现代医学的重要课题[35-37]。ODI量表可评价脊柱畸形术后疼痛与功能障碍程度，信度、效度均较高[38-40]。此次研究发现，试验组术后12个月ODI量表中社交活动、睡眠质量、日常活动、疼痛程度各维度评分低于对照组，表明应用计算机设计联合3D打印模板可降低术后功能障碍程度，有助于患者生活质量改善。推测其原因为计算机技术辅助下置钉成功率更高，矫形效果更好，进而有助于减轻术后功能障碍程度。此次研究中试验组术后并发症发生率略低于对照组，但差异无显著性意义，分析其原因可能与研究样本量较少有关。
综上，脊柱矫形手术中应用计算机设计联合3D打印模板可缩短手术时间，降低手术创伤，减少术中X射线透视次数，提高手术精度与矫正效果，减轻术后功能障碍程度。但计算机设计联合3D打印模板在外科手术中应用时间较短，关于术中如何更高效地将CT数据转换成计算机辅助设计实体模型，设计更为安全、高质量、价格低廉的导航模板仍是临床研究需进一步解决的问题。
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

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