個(gè)體化導(dǎo)航模板輔助兒童下頸椎椎弓根螺釘置釘準(zhǔn)確性實(shí)驗(yàn)研究_

1、個(gè)體化導(dǎo)航模板輔助兒童下頸椎椎弓根螺釘置釘準(zhǔn)確性實(shí)驗(yàn)研究_      2012年02月第9卷第1期生物骨科材料與臨床研究ORTHOPAEDIC BIOMECHANICS MATERIALS AND CLINICAL STUDY.13.    論著·實(shí)驗(yàn)研究    個(gè)體化導(dǎo)航模板輔助兒童下頸椎椎弓根螺釘置釘準(zhǔn)確性實(shí)驗(yàn)研究劉瑞1張?jiān)?李志軍2楊勇1趙建民1張少杰2劉宏偉2馬世峰2摘要目的利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與快速成形技術(shù)為兒童下頸椎椎弓根螺釘置入提供一種個(gè)性化、精確定位的方法。方

2、法對(duì)6具頸椎尸體標(biāo)本進(jìn)行CT掃描，根據(jù)CT掃描資料，利用逆向工程原理及快速成型技術(shù)設(shè)計(jì)制造出個(gè)體化導(dǎo)航模板，利用個(gè)體化導(dǎo)航模板在尸體標(biāo)本上輔助置入胸椎椎弓根螺釘，所有螺釘?shù)闹萌胗赏晃痪哂醒底倒葆斨冕斀?jīng)驗(yàn)但無(wú)頸椎椎弓根螺釘置釘經(jīng)驗(yàn)的骨科醫(yī)師進(jìn)行操作，隨后根據(jù)CT掃描評(píng)價(jià)椎弓根螺釘位置。結(jié)果共設(shè)計(jì)制作30個(gè)導(dǎo)航模板，輔助置入60枚頸椎椎弓根螺釘，CT掃描發(fā)現(xiàn)所有螺釘均準(zhǔn)確置入相應(yīng)椎弓根內(nèi)。結(jié)論數(shù)字化導(dǎo)航模板輔助下頸椎椎弓根螺釘置釘準(zhǔn)確性高，操作簡(jiǎn)單，為兒童下頸椎椎弓根螺釘?shù)臏?zhǔn)確置入提供了一種新的、可行方法。    關(guān)鍵詞數(shù)字化；個(gè)體化導(dǎo)航模板；兒童；下頸椎；椎

3、弓根      中圖分類號(hào)R319 R814.42文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A    Experimental study on screw insertion in lower cervical pedicle assisted by digital navigation template to lower cer-vical pedicle stereotaxy in childLiu Rui1,Zhang Yuanzhi1,Li Zhijun2,et al.1Department of Orthopaedics,Affiliated

4、Hospital Inner Mongolia MedicalCollege,Hohhot InnerMongolia,010050,ChinaAbstractObjective To provide a new method in the accuracy of pedicle screw placement in lower cervical vertebraesof Child using computer-aided design.Methods A novel individual navigation template was developed by reverse engin-

5、eering and rapid prototyping according to pre-operative CT data of 6 child cervical vertebraes.The templates were usedfor lower cervical vertebraes screw placement in the cadavers.All screws were implanted by an experienced orthopaedicsurgeon in the lumbar spines but not in the cervical vertebraes.S

6、ubsequently,CT scan were performed to evaluate thescrew orientation associated with the pedicle axis.Results 60 cervical pedicle screws assisted by 30 digital navigation tem-plates were placed in lower cervical vertebras.CT scan findings showed all screws were accurately nailed into the corre-spondi

7、ng pedicles.Conclusion Pedicle screw placement assisted by digital navigation templates is highly accurate andsimple.It is a new alternative to lower cervical pedicle stereotaxy of child.    Key wordsDigital;Individual navigation template;Child;Lower cervical vertebrae;Cervical pedicl

8、e；    近年來(lái)，隨著椎弓根螺釘內(nèi)固定技術(shù)的迅速發(fā)展和成熟，椎弓根內(nèi)固定技術(shù)已被廣泛用于治療成人脊柱創(chuàng)傷、退變、矯形、腫瘤等的治療    1。但由于兒童頸椎發(fā)育尚未成熟、椎弓根細(xì)小且具有其獨(dú)特的解剖學(xué)特點(diǎn)，椎弓根釘內(nèi)固定難度大，風(fēng)險(xiǎn)高    2。為了提高椎弓根螺釘置入的準(zhǔn)確度，我們利用逆向工程原理及快速成型技術(shù)設(shè)計(jì)了一種個(gè)體化導(dǎo)航模板，通過(guò)尸體標(biāo)本實(shí)驗(yàn)的方法，探討個(gè)體化導(dǎo)航模板輔助兒童下頸椎椎弓根螺釘置入的準(zhǔn)確性，旨在為兒童下頸椎椎弓根螺釘?shù)陌踩萌雽ふ乙环N新的可行方法。  

9、0; 1材料與方法    1.1標(biāo)本制備選取福爾馬林浸泡的兒童新鮮脊柱尸體標(biāo)本6具內(nèi)蒙古醫(yī)學(xué)院解剖教研室提供，男4具，女2具；年齡613歲，標(biāo)本范圍包括完整脊柱及側(cè)方和后方的軟組織結(jié)構(gòu)。所有標(biāo)本均通過(guò)拍片及CT軸位掃描檢查，排除了頸椎有骨折、結(jié)核、腫瘤、嚴(yán)重畸形等病變及椎弓根特別細(xì)小不能進(jìn)行椎弓根螺釘置釘?shù)臉?biāo)本。    1.2個(gè)體化導(dǎo)航模板的設(shè)計(jì)和制作置釘前對(duì)6具尸體標(biāo)本進(jìn)行連續(xù)螺旋CT掃描，掃描部位從C1T2，掃描條件：電壓120 KV，電流150mA，層厚0.625mm，矩陣512×512。將CT連續(xù)斷層圖像數(shù)據(jù)以DIC

10、OM*基金項(xiàng)目：內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2010MS1106）作者單位：1內(nèi)蒙古醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院骨科，內(nèi)蒙古呼和浩特010050；2內(nèi)蒙古醫(yī)學(xué)院解剖教研室，內(nèi)蒙古呼和浩特010050doi:10.3969/j.issn.1672-5972.2012.01.004文章編號(hào)：swgk2011-01-00012012年02月第9卷第1期生物骨科材料與臨床研究.14.ORTHOPAEDIC BIOMECHANICS MATERIALS AND CLINICAL STUDY格式保存后，導(dǎo)入三維重建軟件MIMICS13.1進(jìn)行頸椎三維模型重建，以STL格式導(dǎo)出模型。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Imageware 12.

11、0軟件，設(shè)計(jì)頸椎椎弓根的最佳進(jìn)釘釘?shù)?。提取需要進(jìn)行頸椎固定手術(shù)的頸椎椎板后部的解剖形態(tài)，在軟件中建立與椎板后部及棘突根部背側(cè)解剖形狀一致的反向模板，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)向孔的單椎體個(gè)體化導(dǎo)航模板，在三維重建椎體模型上將模板貼合于相應(yīng)椎體后部并在各個(gè)方向上轉(zhuǎn)動(dòng)模型，觀察定位導(dǎo)向孔與椎弓根對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)確性圖1，彩圖見(jiàn)插頁(yè)，采用快速成型技術(shù)stereolithography apparatus,SLA將數(shù)字化導(dǎo)航模板制作出來(lái)，將個(gè)體化實(shí)物模板制作出來(lái)，定位導(dǎo)向孔被制作成厚2mm，長(zhǎng)10mm，內(nèi)徑2mm，外徑4mm的空心圓柱體圖2，彩圖見(jiàn)插頁(yè)。本實(shí)驗(yàn)共成功制作了30個(gè)頸

12、椎個(gè)體化導(dǎo)航模板。    1.3個(gè)體化導(dǎo)航模板輔助頸椎椎弓根螺釘置入方法在置釘前根據(jù)CT測(cè)量結(jié)果確定每枚置入螺釘?shù)闹睆胶烷L(zhǎng)度，螺釘直徑一般為椎弓根橫徑的70%80%，螺釘長(zhǎng)度為椎弓根螺釘通道長(zhǎng)度的80%，椎弓根螺釘均為鈦質(zhì)螺釘。所有螺釘置入由同一位具有腰椎弓根螺釘置釘經(jīng)驗(yàn)但尚無(wú)頸椎椎弓根螺釘置釘經(jīng)驗(yàn)的骨科醫(yī)師進(jìn)行操作，清除所要固定的頸椎椎板后方的軟組織，并切除棘突上方的棘上和棘間韌帶，充分暴露出椎板后部及棘突根部背側(cè)的骨性結(jié)構(gòu)，將模板貼附于相應(yīng)的椎板后部及棘突上，術(shù)者左手把持模板并維持其在椎體上的穩(wěn)定性，右手采用磨鉆鉆頭直徑為2mm通過(guò)定位導(dǎo)向孔鉆出進(jìn)釘點(diǎn)和進(jìn)釘通

13、道，進(jìn)釘通道深度與所需置入的螺釘長(zhǎng)度相同，用比所需螺釘直徑小1mm的絲錐攻絲后緩慢旋入相應(yīng)長(zhǎng)度和直徑的螺釘圖4，彩圖見(jiàn)插頁(yè)。    本實(shí)驗(yàn)置入的螺釘直徑為3.54.0mm，長(zhǎng)度為2.53.0mm。    置釘時(shí)均未采用透視及其它輔助設(shè)備。    2結(jié)果    共應(yīng)用30個(gè)個(gè)體化導(dǎo)航模板，輔助置入兒童頸椎椎弓根螺釘60枚，術(shù)中發(fā)現(xiàn)每個(gè)導(dǎo)航模板都和相應(yīng)的頸椎后部骨性解剖結(jié)構(gòu)十分貼合圖3，彩圖見(jiàn)插頁(yè)，模板在應(yīng)用時(shí)具有較高的穩(wěn)定性。術(shù)后CT及X線片發(fā)現(xiàn)所有螺釘進(jìn)釘點(diǎn)準(zhǔn)確，進(jìn)釘方向適當(dāng)

14、；全部螺釘都準(zhǔn)確置入相應(yīng)椎弓根及椎體內(nèi)，無(wú)穿破椎弓根皮質(zhì)及椎體前方的螺釘圖5。    1 2    圖1兒童下頸椎三維重建模型及采用逆向工程原理設(shè)計(jì)的個(gè)體化導(dǎo)航模板圖2采用快速成型技術(shù)制造出的下頸椎C3-7個(gè)體化導(dǎo)航模板3 4圖3個(gè)體化導(dǎo)航模板和相圖4個(gè)體化導(dǎo)航模板輔助置應(yīng)下頸椎后部骨性解剖結(jié)入的下頸椎椎弓根螺釘C3-7構(gòu)十分貼合5圖5術(shù)后X線片及CT掃描發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)所有螺釘進(jìn)釘點(diǎn)及方向準(zhǔn)確3討論3.1目前常用的頸椎椎弓根螺釘置釘方法及特點(diǎn)理論上講，對(duì)于各種需要進(jìn)行頸椎穩(wěn)定性重建的患者，只要椎弓根結(jié)構(gòu)完整，均可進(jìn)行頸椎椎弓根螺釘內(nèi)固定&#

15、160;   3。頸椎由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，經(jīng)椎弓根固定一直被視為高風(fēng)險(xiǎn)手術(shù)    4，解剖學(xué)研究和臨床應(yīng)用中均發(fā)現(xiàn)螺釘穿透椎弓根皮質(zhì)的發(fā)生率較高6.7%24%，并有神經(jīng)血管損傷的潛在風(fēng)險(xiǎn)，其中主要是椎動(dòng)脈和脊髓神經(jīng)的損傷5-8。自Abumi等    91994年首先開(kāi)展頸椎經(jīng)椎弓根固定，國(guó)內(nèi)于1995年始頸椎椎弓根螺釘內(nèi)固定技術(shù)用于臨床，效果滿意10。為降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種植釘方法，如局部解剖定位法、椎板開(kāi)窗法、X線透視輔助法、計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航法等11-13。    盡管各種解剖

16、標(biāo)志點(diǎn)法進(jìn)釘點(diǎn)、進(jìn)釘角度有所不同，但共同特點(diǎn)是椎弓根螺釘?shù)倪M(jìn)釘點(diǎn)、進(jìn)釘方向主要通過(guò)術(shù)者的經(jīng)驗(yàn)和影像設(shè)備來(lái)判斷，主要依靠術(shù)者的手感和椎弓根探子對(duì)置釘通道的探摸來(lái)保證椎弓根螺釘?shù)臏?zhǔn)確置入，而局部解剖定位法植釘成功率低；椎板開(kāi)窗法植釘成功率有所提高，但關(guān)節(jié)突受力點(diǎn)破壞，降低了內(nèi)固定效果；X線透視輔助法存在手術(shù)操作時(shí)間長(zhǎng)，患者及手術(shù)者術(shù)中受X線輻射量較大等不足。    導(dǎo)航技術(shù)增加了手術(shù)的精確性，但目前導(dǎo)航設(shè)備價(jià)格昂貴，操作復(fù)雜，精度不高等缺點(diǎn)，尚難以在基層醫(yī)院推廣。頸椎經(jīng)椎2012年02月第9卷第1期生物骨科材料與臨床研究ORTHOPAEDIC BIOMECHANICS

17、 MATERIALS AND CLINICAL STUDY.15.    弓根固定的難點(diǎn)在于頸椎椎弓根變異較大，通用的形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)在臨床植釘時(shí)僅可作為大體參考    14，為提高置釘準(zhǔn)確性，近年來(lái)有學(xué)者提出了椎弓根螺釘置入的個(gè)體化原則，即對(duì)每一個(gè)不同的椎弓根施以相應(yīng)的特殊的置釘入點(diǎn)、方向或螺釘    15。    雖然許多作者對(duì)于如何獲取個(gè)體化的數(shù)據(jù)進(jìn)行了探討，使用多層螺旋CT三維重建技術(shù)可對(duì)脊柱進(jìn)行精確顯示    16。  &

18、#160; 結(jié)合下頸椎標(biāo)本，進(jìn)行椎弓根植釘?shù)男g(shù)前評(píng)估、植釘參數(shù)的個(gè)體化測(cè)量及術(shù)后穿破率測(cè)評(píng)，以期利用現(xiàn)有醫(yī)療設(shè)備提高下頸椎椎弓根植釘?shù)陌踩?。目前臨床上還沒(méi)有既簡(jiǎn)單、方便又能準(zhǔn)確判斷螺釘位置的方法，安全問(wèn)題靠臨床經(jīng)驗(yàn)是不夠的，不久的將來(lái)精確性高、價(jià)格便宜的導(dǎo)航儀器會(huì)誕生。目前我們可以將應(yīng)用導(dǎo)航模板作為過(guò)渡。為此，本研究應(yīng)用現(xiàn)代數(shù)字化技術(shù)探討了一種兒童下頸椎椎弓根個(gè)體化置釘?shù)姆椒?，旨在為兒童下頸椎椎弓根螺釘?shù)陌踩萌雽ふ乙环N新的可行方法。    3.2數(shù)字化導(dǎo)航模板輔助兒童下頸椎椎弓根螺釘置入的可行性個(gè)體化椎弓根螺釘導(dǎo)航模板的臨床應(yīng)用為成人椎弓根螺釘?shù)臏?zhǔn)確置入提供了

19、一種新方法，該方法準(zhǔn)確性高，具有較大的應(yīng)用前景。師繼紅等    17證明通過(guò)建立導(dǎo)航模板指導(dǎo)胸腰椎椎弓根螺釘置入可以取得較好效果。陳玉兵等    18根據(jù)10具尸體腰椎L1-4標(biāo)本術(shù)前CT資料設(shè)計(jì)制造出個(gè)體化導(dǎo)航模板，在尸體標(biāo)本上進(jìn)行手術(shù)，術(shù)后行CT斷層掃描發(fā)現(xiàn)全部螺釘均準(zhǔn)確置入。由于人的脊柱在不同的年齡階段解剖學(xué)上有所不同，年齡愈小脊柱軟骨成分較成年人愈多。兒童頸椎發(fā)育尚未成熟、椎弓根細(xì)小，且具有其獨(dú)特的解剖學(xué)特點(diǎn)，椎弓根釘內(nèi)固定的難度更大，風(fēng)險(xiǎn)更高。但個(gè)體化椎弓根螺釘導(dǎo)航模板在兒童椎弓根置釘應(yīng)用很少。  

20、60; 筆者利用逆向工程原理及快速成型技術(shù)，提高了兒童下頸椎置釘準(zhǔn)確性。首先利用患者CT連續(xù)掃描數(shù)據(jù)集重建下頸椎三維骨數(shù)字解剖表面模型。以此模型為基礎(chǔ)，尋找椎弓根的最佳進(jìn)釘釘?shù)?。然后?yīng)用逆向工程軟件，提取椎板的表面解剖學(xué)形態(tài)，建立與椎體后部解剖學(xué)形態(tài)一致的模板。擬合模板和椎弓根孔道成定位模板，將椎體和定位模板通過(guò)激光快速成型技術(shù)生產(chǎn)出帶有雙側(cè)定位導(dǎo)向孔的個(gè)體化導(dǎo)航模板。實(shí)驗(yàn)時(shí)將模板和相應(yīng)頸椎后部骨性結(jié)構(gòu)貼合，沿著模板的定位導(dǎo)航孔道便可對(duì)每一個(gè)椎弓根進(jìn)行準(zhǔn)確的定位和定向，確保每一枚螺釘正確的置入位置和方向，符合椎弓根個(gè)體化和節(jié)段性差異的解剖學(xué)特點(diǎn)，真正體現(xiàn)了頸椎椎弓根螺釘置入的個(gè)體化原則。

21、60;   3.3數(shù)字化導(dǎo)航模板輔助兒童下頸椎椎弓根置釘?shù)奶攸c(diǎn)我們應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及快速成型技術(shù)設(shè)計(jì)制造出的數(shù)字化導(dǎo)航模板均為單椎體雙側(cè)定位導(dǎo)向孔設(shè)計(jì)，模板完全依相應(yīng)下頸椎椎板后部和棘突根部背側(cè)的解剖形態(tài)進(jìn)行制作，大大增加了模板和椎體間的接觸面積，從而提高了模板應(yīng)用時(shí)的穩(wěn)定性，且單椎體設(shè)計(jì)的模板允許術(shù)中任意改變術(shù)者體位，不會(huì)因術(shù)中體位的變化、相鄰椎體間的相對(duì)移動(dòng)而導(dǎo)致定位失敗。我們的初步研究表明，導(dǎo)航模板置釘法具有較高的置釘準(zhǔn)確性和安全性，手術(shù)操作方法簡(jiǎn)單，無(wú)明顯的學(xué)習(xí)曲線，對(duì)手術(shù)者無(wú)特別的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)要求，不需要特別的設(shè)備，為兒童下頸椎椎弓根螺釘?shù)闹萌胩峁┝艘环N新的方法。

22、值得注意的是，導(dǎo)航模板在術(shù)中應(yīng)用時(shí)需將相應(yīng)兒童下頸椎椎板后部及棘突根部的軟組織剝離干凈，同時(shí)避免破壞下頸椎椎后部的骨性解剖結(jié)構(gòu)，這樣才能使模板緊密貼合于相應(yīng)下頸椎椎板后部及棘突上；通過(guò)導(dǎo)航模板進(jìn)行釘?shù)罍?zhǔn)備時(shí)，最好采用磨鉆或電鉆，盡量不使用手搖鉆，這樣可減少鉆孔時(shí)的晃動(dòng)，使進(jìn)釘通道的準(zhǔn)備盡可能地完全順著定位導(dǎo)向孔方向，力求達(dá)到模板設(shè)計(jì)的定位導(dǎo)航效果。    計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)設(shè)計(jì)的出現(xiàn)為現(xiàn)代骨科手術(shù)提供了新的輔助手段，通過(guò)CT數(shù)據(jù)重建的三維模型，可以對(duì)手術(shù)區(qū)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)字化分析19-24。本研究應(yīng)用現(xiàn)代數(shù)字化技術(shù)，根據(jù)頸椎不同節(jié)段的實(shí)際情況，利用逆向工程原理設(shè)計(jì)個(gè)體化的

23、導(dǎo)航模板，通過(guò)快速成型技術(shù)將模板實(shí)物生產(chǎn)出來(lái)，體現(xiàn)了個(gè)體化置釘?shù)脑瓌t，為兒童下頸椎椎弓根的定位提供了一種全新的方法。    參考文獻(xiàn)    1Gaines RW Jr.The use of pedicle-screw internal fixation for theoperative treatment of spinal disordersJ.Bone Joint Surg Am,2000,82-A10:1458-1476.    2徐榮明，校佰平，馮建翔，等.頸椎椎弓根螺釘內(nèi)固定技術(shù)有關(guān)問(wèn)題探討J.

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