基于3D打印技术辅助寰枢椎椎弓根螺钉治疗ⅡC型齿状突骨折

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2017.31.006

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

3D 打印：内固定前对患者进行CT扫描，获得相关数据，打印出模型。在传统的寰枢椎手术中，脊柱外科医师是通过内固定前X射线和CT进行模拟寰枢椎置钉。通过3D打印技术，脊柱外科医师可以通过3D打印模型进行模拟寰枢椎置钉，并测量置钉角度，从而降低手术风险及减少手术时间和手术并发症。

寰枢椎椎弓根置钉：螺钉由寰椎后弓和后弓峡部至寰椎侧块内的固定技术，寰枢椎椎弓根螺钉经过了椎体内最坚强的骨性结构，把持力强、稳定性好，有利于患者早期康复。

摘要

背景：目前3D 打印技术已经成功应用于骨盆骨折、关节外科手术，但关于3D打印技术在上颈椎手术治疗领域的前景有待进一步研究。

目的：探讨3D打印技术辅助寰枢椎椎弓根螺钉治疗ⅡC型齿状突骨折的可行性及准确性。

方法：将2014年6月至2015年12月南昌大学附属赣州医院收治的20例ⅡC型齿状突骨折的病例，随机分为2组。3D打印组行3D打印技术辅助经寰枢椎椎弓根置钉，对照组行徒手经寰枢椎椎弓根置钉。以X射线、CT 扫描评价置钉效果。随访12个月，采用颈肩部疼痛目测类比评分、日本骨科协会(JOA)颈椎神经功能评分评定疗效。

结果与结论：①3D打印组手术时间、出血量、放射显露时间显著低于对照组(P < 0.05)；②3D打印组置钉成功率高于对照组(P < 0.05)，2组均未发现脊髓、椎动脉、神经损伤；③2组患者目测类比评分和JOA评分与术前相比均有明显改善(P < 0.05)；④说明3D打印导板辅助寰枢椎椎弓根螺钉内固定治疗ⅡC型齿状突骨折能有效提高手术置钉的安全性和准确性，为治疗ⅡC型齿状突骨折提供了一种较好的置钉方法。

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: 0000-0002-2948-4489(张树芳)

关键词: 骨科植入物, 脊柱植入物, 齿状突骨折, 3D打印, 外科手术, 椎弓根螺钉, 准确性

Abstract:

BACKGROUND: Three-dimensional (3D) printing has been widely applied in pelvic fracture and joint surgeries, but its feasibility in atlantoaxial pedicle screw placement needs to be studied further.

OBJECTIVE: To explore the feasibility and accuracy of 3D printing-assisted atlantoaxial pedicle screw placement in the treatment of type II C odontoid fracture.

METHODS: Clinical data of 20 patients with type II C odontoid fracture admitted in the Ganzhou Hospital Affiliated to Nanchang University from June 2014 to December 2015 were analyzed retrospectively. The patients were randomized into two groups, and then received 3D printing-assisted atlantoaxial pedicle screw placement (experimental group), or conventional atlantoaxial pedicle screw placemen (control group). The placement was observed through X-ray and CT scanning. All patients were followed up for 12 months, and the clinical efficacy was assessed by Visual Analogue Scale and cervical Japanese Orthopaedic Association scores.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) The operation time, blood loss and radiation exposure time in the experimental group were significantly less than in the control group (P < 0.05). (2) The accuracy of placement in the experimental group was significantly higher than that in the control group (P < 0.05). No spinal cord, vertebral artery or nerve injuries occurred in the two groups. (3) The postoperative clinical efficacy was assessed by Visual Analogue Scale and cervical Japanese Orthopaedic Association scores in the two groups were significantly improved (P < 0.05). (4) These findings manifest that 3D printing-assisted trans-atlantoaxial pediele screw placement is a safe and effective method for type II C odontoid fracture.

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

Key words: Axis, Internal Fixators, Computer-Aided Design, Follow-up Studies, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

张树芳，陈荣春，郭朝阳，叶书熙. 基于3D打印技术辅助寰枢椎椎弓根螺钉治疗ⅡC型齿状突骨折[J]. 中国组织工程研究, 2017, 21(31): 4951-4956.

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图/表（结果） 2

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引言

材料方法

1.1 设计 随机对照试验。

1.2 时间及地点 于2014年6月至2015年12月在南昌大学附属赣州医院脊柱外科完成。

1.3 材料 文中所使用的寰枢椎椎弓根螺钉内固定系统由北京富乐医疗器械有限公司提供，该系统内植物由螺钉、预弯钛棒和螺塞组成，其材质为钛合金，其具有较好的耐腐蚀性及较高的强度，该内固定系统具有较好的组织相容性，在人体不会被腐蚀且不会产生毒副反应，比如致癌性、致畸等，较高的强度使植入椎体内的螺钉不容易疲劳断裂。

1.4 对象 选择南昌大学附属赣州医院2014年6月至2015年12月收治的ⅡC型齿状突骨折患者20例。

1.4.1 纳入标准 ①符合手术指征者；②实验室检查、心电图、X射线等辅助检查结果正常，能耐受手术；③患者对治疗及试验方案知情同意，并且得到南昌大学附属赣州医院伦理委员会批准。

1.4.2 排除标准 ①保守治疗即可获得良好疗效者；②合并存在有严重的全身性疾病或其他的手术禁忌证者。

共纳入ⅡC型齿状突骨折患者20例，按随机数字表法分为2组，每组10例。3D打印组中男5例，女5例；年龄(46.4±10.3)岁。对照组中男6例，女4例；年龄(42.4±11.5)岁。所有患者手术均由同一手术团队完成。患者所行三维重建和通过3D打印技术完成模型制作均在患者及家属同意签字的情况下完成。

1.5 方法

1.5.1 颅骨牵引患者诊断明确后即行颅骨牵引术，先行屈曲位颅骨牵引，牵引质量3-5 kg，复查X射线片，根据复位情况逐渐加大牵引质量，直至X射线片显示骨折复位良好后，改为中立位颅骨牵引，牵引质量3-5 kg，并复查三维CT确定骨折复位良好。

1.5.2 3D打印辅助寰枢椎置钉

3D打印：所有患者术前均行颈椎CT平扫，扫描层厚1.0 mm。将CT扫描图像以Dicom 格式保存，导入3D图像生成及编辑软件Mimics 17.0(Materialise 公司，比利时)，重建寰枢椎三维模型。在Med CAD 模块中，以直径为 3.0 mm 的圆柱体模拟椎弓根螺钉，沿平行于椎弓根的方向模拟寰枢椎椎弓根置钉，并在3D界面(横断面、矢状面、冠状面)对钉道进行细致调整，确保钉道不突破椎弓根骨皮质而侵入椎孔和椎动脉孔。将寰枢椎模型及圆柱体数据导入3-matic 9.0(Materialise公司，比利时)软件，提取寰椎后弓及枢椎棘突、椎板、侧块的表面形态，使之向外增厚 3.0 mm，建立与其解剖形态相对应的反向模板。将标杆型导板文件输入3D打印机(Formlabs，美国)，打印出寰枢椎椎弓根置钉导板。

寰枢椎置钉手术：全身麻醉后俯卧位，调整头颈部位置，C形臂X射线机透视确定寰枢椎位置满意后，颅骨牵引维持颈部稳定性。颈后正中纵行切口，显露寰椎后弓和枢椎侧块。充分剥离椎板、棘突表面附着的肌肉、韧带后，将消毒的标杆型3D打印导板贴附于相应椎体的椎板和棘突，观察导板与其是否紧密贴合，助手帮助固定导板，通过定位以手钻平行于导板标杆的方向钻探椎弓根螺钉通道。如若透视证实钉道位置确实有误，则术者可再结合自己徒手置钉经验在导板标杆方向的基础上调整置钉方向。置钉完成后，常规行“C”型臂X射线机透视并证实椎弓根钉位置良好后，取自体髂骨植骨融合，最后留置引流管，逐层缝合伤口。

1.5.3 常规寰枢椎椎弓根置钉全身麻醉后俯卧位，调整头颈部位置，C形臂X射线机透视确定寰枢椎位置满意后，颅骨牵引维持颈部稳定性。颈后正中纵行切口，显露寰椎后弓和枢椎侧块。充分剥离椎板、棘突表面附着的肌肉、韧带后，置钉完成后，常规行“C”型臂X射线机透视并证实椎弓根钉位置良好后，取自体髂骨植骨融合，最后留置引流管，逐层缝合伤口。

1.5.4 术后处理术后患者严格卧床，轴向翻身；观察伤口引流量，如24 h低于80 mL且无脑脊液漏，则拔除伤口引流管；术后使用抗生素24-48 h、激素3-5 d、脱水药3-5 d，长期使用营养神经药物。术后第3天，患者戴颈托下地活动。

1.6 主要观察指标

1.6.1 置钉准确率椎弓根螺钉置入后采用CT扫描评价螺钉置入情况。采用Siemens64排螺旋CT 1 mm间隔薄层扫描和三维重建图像来判断，2名医师独立评价。采用Richter^[38]分类标准评价椎弓根螺钉位置：Ⅰ级：螺钉位置满意，螺钉未穿透椎弓根皮质或仅轻微穿透(<1 mm)；Ⅱ级：螺钉穿透椎弓根皮质≤2 mm，但不需要翻修，患者无周围组织损伤症状，内固定稳定性良好；Ⅲ级：螺钉穿透椎弓根皮质>2 mm，患者出现周围组织损伤表现或内固定稳定性差，需要进行翻修或取出。观察植骨融合情况和有无内固定物松动、断裂等并发症发生。

1.6.2 颈肩痛程度及患者功能评价术前、术后1周和术后1年随访时应用目测类比评分评估颈部疼痛程度，0分表示无疼痛，10分表示非常剧烈的疼痛。并采用日本骨科协会(Japanese Orthopaedic Association，JOA)判断患者颈髓神经功能。该评分满分为17分，分值越高表示神经功能越好，治疗前JOA评分入院时立即评估，治疗后1周及1年的JOA评分则于术后通过电话进行随访获得。

1.7 统计学分析 采用SPSS 17.0统计软件包，计量资料用x(_)±s表示，均数比较采用t 检验，计数资料采用χ²检验，P < 0.05为差异有显著性意义。

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

讨论

Ⅱ型齿状突骨折是发生率最高的枢椎齿状突骨折类型，如不及时诊治，将会导致寰枢椎不稳及进一步的颈髓损伤。Grauer等^[39]改良了Anderson-D’Alonzo分型，仍根据骨折发生部位分为3型，但是其基础上明确了几个概念：①区分了Ⅱ型和浅Ⅲ型的定义，如果骨折线向下深及椎体，呈前下后上方向，没有累及侧块关节面，应归为Ⅱ型。如果骨折线累及一侧或两侧侧块关节面，则归为Ⅲ型；②将Ⅱ型再细分为3个亚型，ⅡA型：横行骨折无移位；ⅡB型：移位的横行骨折，或者骨折线是前上至后下方向；ⅡC型：粉碎性骨折，或者骨折线为前下至后上方向，ⅡC型齿状突骨折治为不稳定骨折，保守治疗骨折不愈合率高，因此往往建议手术治疗ⅡC型齿状突骨折。前路齿状突螺钉固定技术是治疗齿状突骨折的有效方法，不但可保留寰枢椎正常的生理活动，而且还不需植骨和坚强外固定，但是只适用于能复位良好的ⅡC型齿状突骨折，有时应用前路齿状突螺钉固定治疗ⅡC型齿突骨折反而会加重骨折端的移位程度；枕颈融合术治疗虽然获得了良好的稳定性，但同时导致明显的枕颈功能障碍。研究表明，枕颈融合术后枕颈部屈伸和侧屈运动范围比单纯寰、枢椎融合术减少，且长节段固定加速了融合相邻节段的早期退变，出现颈椎后凸和鹅颈畸形。

随着上颈椎手术技术的成熟和完善，手术固定且牺牲尽可能短节段的功能，换取脊柱的稳定性，以利于神经功能恢复、确保患者生命安全成为脊柱外科医生努力的方向。手术治疗寰枢椎疾病风险巨大，寰枢椎为颅颈相移行部位，寰枢椎不稳定将使颈脊髓处于高危状态，并有可能累及延髓生命中枢，故多数患者需外科治疗，通过固定、植骨、融合使寰枢椎保持稳定。其中，坚强内固定为植骨及融合的前提。传统的寰枢椎后路融合术有多重内固定方法和技术，包括钢丝捆扎术、椎板钩技术、椎弓根螺钉固定技术等。其中钢丝及椎板钩等方法抗侧区及旋转能力较差，在无外固定辅助的情况下容易出现内固定断裂或松动，导致植骨不融合。而寰枢椎椎弓根螺钉固定技术，由于其三维立体稳定的优势，在临床上的应用越来越广泛。寰枢椎椎弓根螺钉固定与其他内固定方法相比，有其一定的优越性，寰椎椎弓根螺钉固定的进钉点位置较侧块螺钉固定高，不必显露寰椎后弓下方等深部解剖结构，可以有效避免在置钉过程中对寰枢椎间静脉丛的骚扰，出血少。同时，寰椎椎弓根螺钉固定还具有直视下置钉、短节段固定、术中复位及融合率高等特点，以及优异的生物力学表现。寰枢椎椎弓根螺钉固定已经成为寰枢椎后路固定手术的“金标准”。但是，寰枢椎椎弓根固定术操作的关键是准确的置钉技术，进钉点的正确选择是首要因素，寰枢椎周围组织解剖复杂，拥有丰富的血管、神经、脊髓等软组织，对螺钉置钉准确性要求高。传统方法采用单纯C型臂X射线机引导下实施手术，对术者解剖和熟练程度要求高。以往基于单纯C型臂X射线机引导的手术没有准确的术前模拟置钉可行性评估，仅凭正、侧位的视觉感受进行手术可行性预计，因此准确性欠佳。

文章将3D打印的模型使用在寰枢椎椎弓根螺钉治疗ⅡC型齿突骨折，可以通过3D打印技术根据各体差异选择有效的、风险小的手术方式。本研究通过应用Mimics三维重建软件术前在计算机上重建病变节段的模型图像，并模拟椎弓根螺钉的置入，在影像上观察椎弓根螺钉进钉点与周围骨性标志的关系并测量进钉的角度和深度，3D打印模型有利于寰枢椎解剖结构，在3D模型打印前，重建三维模型数据对进钉点及螺钉角度进行测量，进一步选择对患者安全有效的手术方式。结合试验结果可以得出与传统置钉组相比，3D打印组通过术前的模拟操作，对置钉区的解剖结构有着直观的认识，能够指导术中顺利找到准确的进钉点，并根据术前测量的螺钉长度、直径及置钉角度完成置钉，避免了过多的术野显露、过多的透视、反复的定位，同时降低了手术难度从而明显的减少了手术时间、术中出血及放射线暴露时间。在寰枢椎置钉成功率方面，明显优于采用传统方法的对照组。姜良海等^[40]报道共置入寰椎椎弓根螺钉30枚，枢椎椎弓根螺钉42枚。除2枚寰椎椎弓根螺钉侵入椎管≤ 2 mm外，其他螺钉均位于椎弓根骨皮质内。本研究使用3D打印技术辅助置钉的准确率与文献报道的研究相似，说明该技术具有较高的置钉准确率，3D打印技术使临床医生在术前充分认识手术区域内的详细情况，并进行合理的术前手术设计，术中严格遵循既定的术前设计，能提高置钉的精确性，并可缩短真正手术所需要的时间，提高了手术的安全性及手术质量。

通过研究显示，术前3D打印模型可以清晰地了解齿状突骨折分型，做到术前充分了解，充分准备，不盲目的手术治疗。术中可提高螺钉的准确率，有效避免椎动脉、脊髓损伤，降低手术风险，并获得良好的近期临床疗效，是一种安全并且有效的辅助方法，其远期效果有待于进一步观察总结。

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