兒童胸椎椎弓根螺釘置入位置的計算機(jī)輔助設(shè)計與快速成型技術(shù)

兒童胸椎椎弓根螺釘置入位置的計算機(jī)輔助設(shè)計與快速成型技術(shù)

0腰椎弓根螺釘固定的現(xiàn)狀隨著脊柱內(nèi)固定技術(shù)的快速發(fā)展，脊柱內(nèi)固定技術(shù)在脊柱傷口、退行性疾病、畸形和腫瘤的治療中得到了廣泛應(yīng)用。國內(nèi)外學(xué)者已將此技術(shù)應(yīng)用于兒童脊柱損傷內(nèi)固定中,Ruf等報道28例1-6歲先天性脊椎側(cè)凸患者,行半椎體切除椎弓根釘內(nèi)固定,取得滿意療效;19例一至兩歲患者的胸、腰椎同樣實施了椎弓根螺釘內(nèi)固定。李晶等對10例1-3歲幼兒下胸椎及腰椎、陳立言等對19例10歲以下兒童(平均6.5歲)胸腰椎,林斌等對6-8歲上頸椎都成功地實施了椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù),均認(rèn)為在詳細(xì)的術(shù)前計劃、選擇恰當(dāng)直徑的椎弓根螺釘、精湛的外科技術(shù)下行小兒脊柱椎弓根螺釘固定是安全可行的。兒童脊柱椎弓根形態(tài)與成人亦有不同,不同年齡、不同節(jié)段椎弓根形態(tài)相差也較大,實施椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)風(fēng)險較高,提高置釘?shù)臏?zhǔn)確性和降低失誤率成為兒童胸椎椎弓根內(nèi)固定能否深入開展的關(guān)鍵所在。近年來國內(nèi)外學(xué)者將數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于成人椎弓根螺釘置入的基礎(chǔ)研究、術(shù)前病情評估、釘?shù)涝O(shè)計與置釘模擬、術(shù)后評估等方面,使椎弓根螺釘置入更準(zhǔn)確化、安全化、個體化。數(shù)字化技術(shù)尚可與逆向工程、快速成型技術(shù)結(jié)合對脊柱椎弓根螺釘置入進(jìn)行更精確化的設(shè)計,陸聲等提出了一種新型的數(shù)字化導(dǎo)航模板,具有較好的準(zhǔn)確性。相繼國內(nèi)學(xué)者對成人尸體胸腰椎、腰椎、寰樞椎進(jìn)行數(shù)字化導(dǎo)航模板指導(dǎo)下置釘實驗研究,均認(rèn)為該法置釘準(zhǔn)確率高。陳國平等則將該法運用于臨床,術(shù)后顯示置釘準(zhǔn)確,具有個體化、準(zhǔn)確化、安全化等特點。兒童胸椎椎弓根細(xì)小,解剖結(jié)構(gòu)變異大、毗鄰關(guān)系復(fù)雜,如以成人數(shù)據(jù)為依據(jù)的椎弓根螺釘技術(shù)簡單地應(yīng)用于處于不斷生長發(fā)育的兒童,手術(shù)風(fēng)險極大,為降低兒童脊柱椎弓根螺釘內(nèi)固定的手術(shù)風(fēng)險,更應(yīng)強(qiáng)調(diào)個體化和精確化,發(fā)揮數(shù)字骨科的技術(shù)優(yōu)勢,以提高置釘?shù)臏?zhǔn)確率。故應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)對未成年人脊柱椎弓根形態(tài)發(fā)育及椎弓根螺釘置入相關(guān)領(lǐng)域深入研究十分必要。實驗探討個體化導(dǎo)航模板輔助兒童脊柱椎弓根螺釘置入的準(zhǔn)確性并與傳統(tǒng)徒手置釘進(jìn)行比較,旨在為兒童脊柱椎弓根螺釘?shù)陌踩萌雽ふ乙环N新的可行方法。1邏輯模型重建方法設(shè)計:方法學(xué)驗證實驗。時間及地點:于2011年3月在內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院人體解剖學(xué)實驗室完成。材料:選取甲醛灌注兒童新鮮尸體4具,男2具分別為6,8歲,女2具均為7歲,由內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)解剖教研室提供,有詳細(xì)年齡記錄。標(biāo)本均通過X射線掃描檢查,排除胸椎骨折、結(jié)核、腫瘤及嚴(yán)重畸形等病變。實驗器材:電鉆,直徑2.0mm的鉆頭,咬骨鉗,尖錐,直徑2mm的椎弓根探子,球形探針,最小刻度為0.5mm的直尺,直血管鉗,直徑2.5-5.0mm的絲錐,各種型號的鈦質(zhì)螺釘,電動擺鋸等,上述實驗器材均由呼和浩特市邁得佳醫(yī)療器械有限公司提供。實驗方法:螺釘置入前準(zhǔn)備:將選取的4具尸體標(biāo)本行64排螺旋CT(LightSpeed64,美國GE公司)掃描,掃描部位為T1-12。掃描條件:層厚及間距均為0.625mm,Fov30×30cm,矩陣512×512dpi,球管電壓150kV,電流260mA。將CT連續(xù)斷層圖像數(shù)據(jù)以DICOM格式保存后,導(dǎo)入三維重建軟件Mimics15.0(Materialisecompany,Belgium,由內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)數(shù)字醫(yī)學(xué)中心提供)進(jìn)行胸椎三維模型重建,測量胸椎椎弓根置釘參數(shù)。傳統(tǒng)手術(shù)組根據(jù)術(shù)前CT測量結(jié)果確定置入螺釘?shù)闹睆胶烷L度,螺釘直徑為椎弓根橫徑的70%-80%,長度為椎弓根通道總長的80%;導(dǎo)航模板組根據(jù)Mimics15.0軟件設(shè)計每個腰椎椎弓根螺釘通道長度及椎弓根直徑并選擇置入螺釘?shù)闹睆胶烷L度。將4具標(biāo)本均沿T1-T12棘突后方皮膚切開,清除所要固定的胸椎椎板及棘突后方的軟組織,切除棘突上方的棘上和棘間韌帶,充分暴露椎板及橫突后部、棘突根部背側(cè)等骨性解剖結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)螺釘置入法:傳統(tǒng)螺釘置入組2具尸體標(biāo)本按照已測的兒童椎弓根參數(shù)準(zhǔn)備合適的螺釘,參照Kim法置入螺釘:T1-T3以橫突上緣與椎板外緣延長線的交點為進(jìn)釘點;T4-T9以橫突上嵴延長線與椎板的交點為進(jìn)釘點,該點位于上關(guān)節(jié)突的基底部;T10-T12以橫突的平分線與椎板外緣的交點為進(jìn)釘點。確定位置后,用胸椎開口器根據(jù)進(jìn)釘角度等參數(shù)置入椎弓根,探入20mm(各椎弓根中部)左右時,拔出開口器,利用球形探探測釘?shù)浪谋谑欠窆饣B續(xù)(如有落空感證明發(fā)生骨皮質(zhì)穿破,重新確定釘?shù)?,明確后緩慢置入螺釘。個體化模板導(dǎo)航技術(shù):將導(dǎo)航模板組2具尸體標(biāo)本的CT連續(xù)斷層圖像數(shù)據(jù)以DICOM格式導(dǎo)入三維重建Mimics15.0軟件進(jìn)行胸椎三維重建,以STL格式導(dǎo)出模型。利用GeomagicStudio9軟件打開三維重建模型,在每一個胸椎椎板后部及棘突根部背側(cè)建立與其解剖形狀一致的反向模板,設(shè)計模擬螺釘置入重建模型上,確定螺釘進(jìn)釘方向及長度、直徑。將螺釘?shù)淖罴堰M(jìn)釘通道和模板擬合為一體,形成帶有雙側(cè)定位導(dǎo)向孔的單椎骨個體化導(dǎo)航模板,在三維重建胸椎模型上將各椎模板貼合于相應(yīng)椎骨后部并在各個方向上轉(zhuǎn)動模型,觀察定位導(dǎo)向孔與椎弓根對應(yīng)的準(zhǔn)確性(圖1A,B),通過SPS350B固體激光快速成型機(jī)(陜西恒通智能機(jī)器有限公司制造,成型精度為0.1mm采用光同化成型技術(shù)(SLA)將個體化實物模板制作出來,將制作的導(dǎo)航模板貼附于相應(yīng)椎骨的椎板后部及棘突上(圖1C),并保持其在椎骨上的穩(wěn)定性,通過定位導(dǎo)向孔用胸椎開口器在進(jìn)釘點鉆出進(jìn)釘通道,距離與螺釘長度一致,用球形探子探測四壁,確定為光滑連續(xù)的骨質(zhì)后緩慢置入螺釘(圖1D)。手術(shù)評價方法:術(shù)后對4具兒童尸體胸段再次行MSCT掃描(層厚0.625mm),將CT連續(xù)斷層圖像數(shù)據(jù)以DICOM格式保存后,導(dǎo)入Mimics15.0軟件進(jìn)行三維重建,由一位骨科主任醫(yī)師分別在冠狀位、水平位和矢狀位3個平面上觀察螺釘在椎弓根及椎體的位置,觀測螺釘穿破椎弓根皮質(zhì)并計算穿破發(fā)生率,評價兩種手術(shù)可行性與準(zhǔn)確性(圖2)。主要觀察指標(biāo):置入螺釘在不同胸椎節(jié)段的置釘準(zhǔn)確性。統(tǒng)計學(xué)分析:由本文作者使用SPSS13.0軟件包,采用χ2檢驗分別對螺釘穿破椎弓根的發(fā)生率及T1-T4,T5-T8和T9-T123個胸椎節(jié)段的置釘準(zhǔn)確性進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析。檢驗水準(zhǔn)α=0.05,P<0.05為差異有顯著性意義。2椎弓根穿破部位通過對傳統(tǒng)螺釘置入組與導(dǎo)航模板組比較發(fā)現(xiàn):2組標(biāo)本分別置入螺釘48枚,經(jīng)CT掃描后發(fā)現(xiàn),在傳統(tǒng)螺釘置入組中T1-T4節(jié)段螺釘7枚(44%)穿破椎弓根,T5-T8節(jié)段穿破10枚(63%),T9-T12節(jié)段穿破3枚(19%),其余28枚(58%)則完全置入椎弓根內(nèi);在導(dǎo)航模板組中在T1-T4節(jié)段螺釘僅3枚(19%)穿破椎弓根,T5-T8節(jié)段穿破6枚(38%),而T9-T12節(jié)段未見穿破,完全置入椎弓根內(nèi)達(dá)39枚(81%)。傳統(tǒng)螺釘置入組和導(dǎo)航模板組置釘在胸椎3個節(jié)段間比較差異均無顯著性意義,但在總的成功率上差異有顯著性意義(P<0.05),導(dǎo)航模板組要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)螺釘置入組(表1)。3討論子系列3.1微創(chuàng)螺釘?shù)氖褂迷瓌t胸椎椎弓根螺釘內(nèi)固定技術(shù)已成為胸椎疾患不可或缺的手術(shù)方法,是脊柱外科矯形手術(shù)中較為成熟的內(nèi)固定技術(shù)之一,但兒童中上胸椎椎弓根較成人小,極易穿破椎弓根發(fā)生危險,且專用于兒童的螺釘較缺乏,因此選擇合適的螺釘在椎弓根手術(shù)中極為重要。臨床報道10歲以下兒童置入螺釘?shù)闹睆綉?yīng)為胸椎椎弓根寬的70%-80%;Suk等認(rèn)為兒童椎弓根具有一定的彈性和延展性,椎弓根螺釘直徑可達(dá)擬固定椎弓根橫徑的115%,即使有部分螺紋突破椎弓根皮質(zhì),也不會造成不良后果。國內(nèi)也有報道幼兒椎弓根所用螺釘直徑可大于椎弓根寬,因此兒童椎弓根可參照成人法選用較理論值稍粗的螺釘。本實驗選用目前臨床最小直徑為3.5mm的螺釘置入兒童標(biāo)本,CT掃描未見置入的螺釘造成椎弓根脹裂,結(jié)果證實選擇成人螺釘(3.5mm以上)在兒童椎弓根內(nèi)固定術(shù)中是可行的,但對操作的準(zhǔn)確度要求較高。3.2傳統(tǒng)手術(shù)方法的局限性和危險性本實驗利用傳統(tǒng)手術(shù)方法行兒童標(biāo)本椎弓根螺釘內(nèi)固定,實驗總體58.3%的準(zhǔn)確率證明兒童行椎弓根螺釘內(nèi)固定是可行的,但兒童中上胸椎椎弓根更為纖細(xì),T5-T8段置入率僅為37.5%,準(zhǔn)確性明顯低于T1-T4的56.3%和T9-T12的81.3%,故傳統(tǒng)手術(shù)方法的局限性與危險性不容忽視。如在手術(shù)操作過程中,進(jìn)釘點定位很難掌握,易致較高的螺釘誤置率;由于兒童胸椎椎弓根橫徑較細(xì)且毗鄰組織及解剖結(jié)構(gòu)極為特殊,螺釘置入時極易損傷神經(jīng)根、血管、脊膜甚至脊髓;手術(shù)過程操作步驟復(fù)雜,需要通過系統(tǒng)的學(xué)習(xí)不斷積累經(jīng)驗;同時對局部解剖標(biāo)志的識別及認(rèn)知要求較高,術(shù)中應(yīng)根據(jù)胸椎椎弓根節(jié)段性變化調(diào)整進(jìn)釘點和入釘角度。文獻(xiàn)報道成人肋橫突結(jié)合區(qū)螺釘?shù)恼`置率明顯低于椎弓根螺釘誤置率;韋興等發(fā)現(xiàn),成人尸體經(jīng)“椎弓根-肋骨”置釘抗拔出力明顯小于經(jīng)椎弓根置釘?shù)目拱纬隽?認(rèn)為經(jīng)“椎弓根-肋骨間”置釘只能作為經(jīng)椎弓根置釘?shù)囊环N補(bǔ)充,而兒童的類似研究尚未見報道,有待進(jìn)一步深入研究。3.3胸徑微創(chuàng)模板復(fù)雜,容易導(dǎo)致定位誤差,不利于手術(shù)手術(shù)逆向工程和快速成型制造技術(shù)是個體化模板導(dǎo)航技術(shù)的關(guān)鍵,利用模板的導(dǎo)向性置入螺釘,較傳統(tǒng)手術(shù)法而言顯著降低了螺釘?shù)恼`置率。但兒童是否可行未見相關(guān)報道,本實驗以兒童標(biāo)本驗證其有效性,得出個體化模板導(dǎo)航技術(shù)用于兒童準(zhǔn)確置入螺釘為81.3%,T5-T8段置入率為62.5%,也優(yōu)于傳統(tǒng)組的37.5%,證實導(dǎo)航模板組置入成功率明顯高于前者,實驗結(jié)果顯示快速成型個體化導(dǎo)航模板輔助兒童胸椎椎弓根螺釘置入也是可行的,王星等利用個體化導(dǎo)航模板對2例兒童腰椎行20枚椎弓根螺釘置入,置釘成功率達(dá)100%。兒童個體化模板導(dǎo)航技術(shù)作為一種準(zhǔn)確性較高的手術(shù)方法,18.7%的穿破率仍顯不足:一是在導(dǎo)航模板制作過程中,某些環(huán)節(jié)會直接影響到其精確性,如CT掃描儀的精度(包括層厚、層間距、螺距),建立胸椎三維模型時出現(xiàn)的誤差、快速成型過程中轉(zhuǎn)化STL格式時的精度、快速成型材料硬度及材料質(zhì)量等,控制好以上各個環(huán)節(jié)非常必要;目前所知的快速成型技術(shù)的變形誤差基本控制在0.1mm左右,可以滿足成人胸椎椎弓根定位及定向的精度要求。二是模板與標(biāo)本的貼合度會影響手術(shù)效果,因此術(shù)中應(yīng)用模板時,應(yīng)將模板對應(yīng)的胸椎椎板后部及棘突根部背側(cè)的軟組織剝離干凈,使模板緊貼于相對應(yīng)的胸椎椎板后部及棘突,不可破壞胸椎后部的骨性結(jié)構(gòu),否則直接影響置釘?shù)臏?zhǔn)確度。三是手術(shù)操作的穩(wěn)定性,當(dāng)模板緊貼于椎板后,因沒有固定裝置,須一只手穩(wěn)定模板,否則會發(fā)生定位、定向的偏差從而影響準(zhǔn)確率。本實驗雖未達(dá)到完美置釘率,究其原因一是將所有穿破椎弓根的均統(tǒng)計為失敗螺釘,其中部分僅為穿破并未影響周圍重要結(jié)構(gòu),二是本實驗操作者初次使用導(dǎo)航模板法,操作難免有誤,所以應(yīng)用該技術(shù)成功率較低,如果進(jìn)一步提高導(dǎo)板精度及操作經(jīng)驗,則置釘成功率將會明顯提高。3.4兒童胸腰椎椎弓根螺釘置釘技術(shù)的優(yōu)勢螺釘直徑、長度、進(jìn)釘及入釘方向等均是胸椎椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)成功與否的關(guān)鍵指標(biāo)。兒童椎弓根的解剖參數(shù)具有較大的變異性,不同年齡、不同節(jié)段均存在顯著差異。為提高置釘準(zhǔn)確性,近年較多的學(xué)者提出了個體化原則,即對每個不同個體、不同節(jié)段的椎弓根置入的螺釘都有不同的進(jìn)釘點和進(jìn)釘方向,螺釘直徑和長度也各不相同。雖然在臨床應(yīng)用中降低了誤置率,但仍曝露出各自的不足。近年來,術(shù)中使用“C”形臂X射線機(jī)指導(dǎo)入釘,顯示89.3%的置入率,但成像質(zhì)量仍會影響置入螺釘?shù)臏?zhǔn)確率,且有較大輻射對醫(yī)患雙方造成傷害。利用CT導(dǎo)航行胸椎椎弓根置釘也取得良好的治療效果,但其不足之處是影像學(xué)資料是術(shù)前采集,術(shù)中存有誤差會影響置入率;醫(yī)生學(xué)習(xí)使用時間較長;且不是實時監(jiān)控,增加了手術(shù)時間。術(shù)中實時三維導(dǎo)航具有良好的應(yīng)用前景并有可能逐漸替代其他導(dǎo)航技術(shù),但受限于設(shè)備價格昂貴,一般醫(yī)院難以普及;術(shù)中一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障,對初學(xué)和初用者存有巨大隱患。以上都是針對成人的研究,缺乏關(guān)于兒童的報道,因此,探討一種操作簡單、置釘準(zhǔn)確率高、臨床易推廣且適用于兒童的椎弓根螺釘置釘方法更顯重要。本文應(yīng)用現(xiàn)代數(shù)字化技術(shù)探討了兒童胸椎椎弓根個體化置釘?shù)膶嶒灧椒?根據(jù)兒童胸椎不同節(jié)段的實際數(shù)值,利用逆向工程原理設(shè)計出個體化的導(dǎo)航模板,通過快速成型技術(shù)將模板實物生產(chǎn)出來,體現(xiàn)了個體化置釘?shù)脑瓌t。該方法手術(shù)操作相對簡單,初學(xué)者學(xué)習(xí)后也可操作;模板使用比較便利,只需術(shù)前帶入手術(shù)室消毒即可;術(shù)中不需注冊和X射線透視,避免了術(shù)中醫(yī)患雙方X射線的暴露時間,為兒童胸椎椎弓根螺釘?shù)闹萌胩峁┝艘环N新的實驗方法,但仍需擴(kuò)大樣本量,進(jìn)一步探索應(yīng)用于臨床的可行性。實驗證實兒童個體化導(dǎo)航模板技術(shù)有著比傳統(tǒng)徒手置入法更好的手術(shù)效果和準(zhǔn)確率。但從目前國內(nèi)醫(yī)療水平的發(fā)展分析,個體化模板導(dǎo)航技術(shù)并不能很快地全面開展。原因分析如下:首先,個體化模板導(dǎo)航技術(shù)術(shù)前采集的CT影像資料要求較高,對大多數(shù)醫(yī)院有一定難度;其次,快速成型技術(shù)發(fā)展的不平衡,造成模板制作過程相對較長會影響到急癥手術(shù)的診治,也無形中增加了患者的醫(yī)療費用。3.5判據(jù)規(guī)則適用原則個體化導(dǎo)航模板輔助兒童胸椎椎弓根螺釘置入術(shù)具有較高的準(zhǔn)確率,充分體現(xiàn)了置釘?shù)膫€體化原則,為兒童胸椎椎弓根螺釘?shù)臏?zhǔn)確置入提供了一種新的可行方法。該技術(shù)雖額外增加了個性化導(dǎo)航模板的設(shè)計及制作費用,但盡量避免了其他導(dǎo)航技術(shù)在術(shù)中對兒童的反復(fù)透視的損傷,并且手術(shù)操作簡單、易于掌握,節(jié)約術(shù)中時間,可有效地降低手術(shù)風(fēng)險,提高手術(shù)成功率。3.6輔助置釘準(zhǔn)確性本次實驗應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)探討了兒童胸椎椎弓根個體化置釘?shù)姆椒?根據(jù)兒童胸椎不同節(jié)段的實際情況,利用逆向工程原理設(shè)計個體化導(dǎo)航模板,通過快速成型技術(shù)將模板實物生產(chǎn)出來,充分體現(xiàn)了個體化置釘原則,提高了置釘準(zhǔn)確率,隨著數(shù)字醫(yī)學(xué)的不斷發(fā)展與深入,該技術(shù)必將對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、畸形、兒童及以下年齡段的脊柱椎弓根置釘有著廣闊的應(yīng)用前景。作者貢獻(xiàn):張少杰、王星、馬世峰、王建、劉紅偉實施實驗,張元智、李志軍觀察置釘成功率,陳杰、史君統(tǒng)計資料。王星在實驗和成文中起重要作用,與張少杰為并列第一作者。利益沖突:文章及內(nèi)容不涉及相關(guān)利益沖突。倫理要求:實驗標(biāo)本由內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)人體解剖學(xué)教研室提供,實驗方案得到醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)。。學(xué)術(shù)術(shù)語:數(shù)字化導(dǎo)航模板輔助置釘-利用患者CT連續(xù)掃描數(shù)據(jù)集重建三維椎骨數(shù)字解剖表面模型,以此模型為基礎(chǔ)尋找椎弓根最佳置釘釘?shù)?然后利用逆向工程軟件提取椎板后部表面解剖形態(tài)一致的模板并與椎弓根置釘孔道擬合成定位模板,通過3D打印制作出該導(dǎo)板,術(shù)中將導(dǎo)板與相應(yīng)的椎骨椎板貼合,沿導(dǎo)向孔道對椎弓根進(jìn)行置釘。作者聲明:文章為原創(chuàng)作品,無抄襲剽竊,無泄密及署名和專利爭議,內(nèi)容及數(shù)據(jù)真實,文責(zé)自負(fù)