數(shù)字化導(dǎo)航模板輔助胸椎椎弓根螺釘置入的臨床研究

數(shù)字化導(dǎo)航模板輔助胸椎椎弓根螺釘置入的臨床研究

胸椎弓根螺釘具有強(qiáng)度高、固定和融合節(jié)段少、脊柱畸形修復(fù)效果好等優(yōu)點(diǎn)。近年來，它在脊柱外科中的應(yīng)用越來越廣泛。與腰椎椎弓根相比,胸椎椎弓根解剖變異大、直徑較小且周圍解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜,故對(duì)脊柱外科醫(yī)師而言,胸椎椎弓根螺釘?shù)闹萌胧中g(shù)具有一定的挑戰(zhàn)性,危險(xiǎn)性較大。如何提高胸椎椎弓根螺釘入的準(zhǔn)確度,降低并發(fā)癥的發(fā)生率,是目前臨床上關(guān)注的熱點(diǎn)問題。我們?cè)O(shè)計(jì)一種新型的數(shù)字化導(dǎo)航模板,并通過對(duì)尸體胸椎標(biāo)本的實(shí)驗(yàn)研究比較導(dǎo)航模板法和徒手法置入胸椎椎弓根螺釘?shù)臏?zhǔn)確性和風(fēng)險(xiǎn)螺釘發(fā)生率,旨在為胸椎椎弓根螺釘置入提供一種新的可行方法。1數(shù)據(jù)和方法1.1具關(guān)節(jié)鏡選取福爾馬林浸泡的新鮮成年脊柱尸體標(biāo)本20具,男性12具,女性8具。所有標(biāo)本均在術(shù)前通過拍片排除胸椎存在骨折、結(jié)核、腫瘤、嚴(yán)重側(cè)凸畸形等病變的病例。標(biāo)本范圍包括完整的T1~L1、兩側(cè)的1~12肋骨及側(cè)方和后方軟組織結(jié)構(gòu)。將20具尸體胸椎標(biāo)本隨機(jī)分為兩組:導(dǎo)航模板組和徒手組,每組10具標(biāo)本。術(shù)前對(duì)20具尸體脊柱標(biāo)本進(jìn)行64排螺旋CT(美國GE公司)連續(xù)掃描,掃描部位從T1至T12,掃描條件:電壓120kV,電流150mA,層厚0.625mm,512×512矩陣。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Mimics13.1軟件對(duì)兩組標(biāo)本的所有T1~T12椎弓根寬度、椎弓根通道長度及椎弓根水平面角進(jìn)行測(cè)量(圖1),使用SPSS11.5軟件包分別進(jìn)行兩樣本均數(shù)間的t檢驗(yàn),差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),認(rèn)為兩組標(biāo)本的實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有可比性。1.2腰椎板底部和網(wǎng)內(nèi)外側(cè)解剖形狀的互補(bǔ)模板對(duì)導(dǎo)航模板組10具尸體胸椎標(biāo)本的CT圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行胸椎三維模型重建(圖2),以STL格式導(dǎo)出模型。通過GeomagicStudio9軟件打開三維重建模型,提取每個(gè)胸椎椎板后部及棘突根部背側(cè)的解剖形態(tài),在軟件中設(shè)計(jì)與椎板后部及棘突根部背側(cè)解剖形狀互補(bǔ)的反向模板;在Magics9.55軟件打開三維重建模型,定位三維參考平面,采用直徑為4mm的虛擬椎弓根螺釘圓柱形通道在三維重建模型上模擬置釘手術(shù),尋找胸椎椎弓根的最佳進(jìn)釘通道(圖3),同時(shí)根據(jù)最佳進(jìn)釘通道所在位置再次測(cè)量椎弓根螺釘通道長度及椎弓根直徑,為下一步選擇植入椎弓根螺釘?shù)闹睆胶烷L度提供依據(jù)(圖4);將螺釘?shù)淖罴堰M(jìn)釘通道與先前設(shè)計(jì)的模板擬合為一體,形成帶有雙側(cè)定位導(dǎo)向孔的單椎體數(shù)字化導(dǎo)航模板(圖5),采用光固化成型技術(shù),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)制作實(shí)物模板,模板厚2mm,定位導(dǎo)向孔為長2cm、內(nèi)徑2.5mm的空心圓柱體(圖6)。1.3腰椎弓根螺釘植入手術(shù)由同一位具有一定腰椎椎弓根螺釘置釘經(jīng)驗(yàn)但無胸椎椎弓根螺釘置釘經(jīng)驗(yàn)的骨外科醫(yī)師分別采用導(dǎo)航模板法和徒手法對(duì)兩組尸體脊柱標(biāo)本進(jìn)行胸椎椎弓根螺釘置入手術(shù)。導(dǎo)航模板組根據(jù)采用Magics9.55軟件設(shè)計(jì)每個(gè)胸椎椎弓根的最佳進(jìn)釘釘?shù)罆r(shí)所測(cè)量的椎弓根螺釘通道長度及椎弓根直徑選擇植入螺釘?shù)闹睆胶烷L度,徒手組根據(jù)術(shù)前CT測(cè)量結(jié)果確定置入螺釘?shù)闹睆胶烷L度,螺釘直徑一般為椎弓根橫徑的70%~80%,螺釘長度為椎弓根通道長度的80%左右。為便于術(shù)后CT觀察,椎弓根螺釘均采用鈦質(zhì)螺釘(北京富樂公司提供)。置釘時(shí)均不采用C臂X線機(jī)透視及其它輔助設(shè)備。1.3.1進(jìn)釘通道的設(shè)置,將進(jìn)釘點(diǎn)打入螺釘?shù)母叨?.將導(dǎo)航模板貼附于相應(yīng)椎體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,右手采用直徑為2.5mm的鉆頭通過定位導(dǎo)向孔在進(jìn)釘點(diǎn)處鉆出一與準(zhǔn)備植入螺釘長度一致的進(jìn)釘通道(圖7),用絲錐(直徑比準(zhǔn)備植入螺釘?shù)闹睆叫?mm)攻絲,經(jīng)尖端為球形的探子確定四壁均為光滑連續(xù)的骨質(zhì)后緩慢旋入螺釘。1.3.2tt33參照Kim徒手置釘方法,固定首先從尾側(cè)開始,T10~T12進(jìn)釘點(diǎn)為橫突的平分線與椎板外緣的交點(diǎn),T7~T9進(jìn)釘點(diǎn)為橫突上緣線與上關(guān)節(jié)突基底部外側(cè)的交點(diǎn)處,T4~T6的進(jìn)釘點(diǎn)在橫突上1/3和椎板外側(cè)緣相交處,T1~T3位于橫突平分線與椎板外緣交點(diǎn)處。確定進(jìn)針點(diǎn)的位置后,咬骨鉗去除進(jìn)釘點(diǎn)后方的骨皮質(zhì),胸椎開口器(直徑2mm,鈍頭,前端略微彎曲)在進(jìn)針點(diǎn)內(nèi)探尋較軟的椎弓根松質(zhì)骨入口,開始時(shí)開口器前方彎曲部分朝外,當(dāng)開口器插入15~20mm、內(nèi)側(cè)已超過椎管底部之后,拔出開口器,將彎曲的頭端朝向內(nèi)側(cè)重新插入至術(shù)前CT測(cè)量的深度,待尖端為球形的探子確定四壁均為光滑連續(xù)的骨質(zhì)后用絲錐攻絲,再次用球形探子探測(cè),確定釘?shù)浪谋?任何落空感均說明骨皮質(zhì)穿透,需要重新選擇釘?shù)?,選擇相應(yīng)長度的螺釘按照開口器方向緩慢旋入螺釘。1.4破腰椎弓根皮質(zhì)的螺釘分級(jí)采用術(shù)后CT斷層掃描評(píng)價(jià)置釘?shù)臏?zhǔn)確性。參照Kuntz的方法將置入的螺釘分為完全在椎弓根內(nèi)的螺釘和穿破椎弓根皮質(zhì)的螺釘;將穿破椎弓根皮質(zhì)的螺釘進(jìn)一步分級(jí),Ⅰ級(jí)螺釘:螺釘穿出椎弓根皮質(zhì)<2mm;Ⅱ級(jí)螺釘:螺釘穿出椎弓根皮質(zhì)≥2mm且<4mm;Ⅲ級(jí)螺釘:螺釘穿出椎弓根皮質(zhì)≥4mm。其中Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)螺釘中從椎弓根外側(cè)壁穿出但從胸肋關(guān)節(jié)進(jìn)入椎體者及Ⅰ級(jí)螺釘中從椎弓根上方或下方穿出者視為安全螺釘;Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)螺釘中從椎弓根內(nèi)側(cè)壁穿破者,Ⅱ級(jí)螺釘中從椎弓根上方或下方穿出者及Ⅲ級(jí)螺釘視為風(fēng)險(xiǎn)螺釘。1.5兩種置釘方法的確性和安全性所有數(shù)據(jù)應(yīng)用SPSS11.5軟件包進(jìn)行處理。采用四格表χ2檢驗(yàn)比較分析兩種置釘方法間的置釘準(zhǔn)確性有無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(檢驗(yàn)水準(zhǔn)α=0.05);采用兩獨(dú)立樣本間的Mann-Whitney秩和檢驗(yàn)分析兩種置釘方法間的安全性有無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(檢驗(yàn)水準(zhǔn)α=0.05);采用四格表χ2檢驗(yàn)分析徒手法和導(dǎo)航模板法最初5具尸體標(biāo)本和最后5具尸體標(biāo)本的置釘準(zhǔn)確性有無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(檢驗(yàn)水準(zhǔn)α=0.05)。2兩組置釘準(zhǔn)確性的比較兩組標(biāo)本共置入螺釘480枚,導(dǎo)航模板組和徒手組各置入240枚。導(dǎo)航模板組:224枚螺釘完全在椎弓根內(nèi);16枚螺釘穿破椎弓根皮質(zhì)(椎弓根外側(cè)壁穿破10枚,椎弓根內(nèi)側(cè)壁穿破6枚,無椎弓根上方、下方及椎體前方穿破的螺釘);穿破椎弓根皮質(zhì)的螺釘均為Ⅰ級(jí)螺釘,無Ⅱ級(jí)及Ⅲ級(jí)螺釘,其中10枚為安全螺釘,6枚為風(fēng)險(xiǎn)螺釘。徒手組:156枚螺釘完全在椎弓根內(nèi);84枚螺釘穿破椎弓根皮質(zhì)(椎弓根外側(cè)壁穿破49枚,椎弓根內(nèi)側(cè)壁穿破21枚,椎弓根上方穿破9枚,椎弓根下方穿破5枚,無椎體前方穿破的螺釘);穿破椎弓根皮質(zhì)的螺釘中Ⅰ級(jí)螺釘58枚,Ⅱ級(jí)螺釘16枚,Ⅲ級(jí)螺釘10枚,其中59枚為安全螺釘,25枚為風(fēng)險(xiǎn)螺釘。導(dǎo)航模板組的置釘準(zhǔn)確率(93.4%)高于徒手組(65.0%),兩組比較為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(χ2=58.408,P=0.000);導(dǎo)航模板組風(fēng)險(xiǎn)螺釘?shù)陌l(fā)生率(2.6%)低于徒手組(10.4%),兩組比較為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(Z=-7.542,P=0.000)。徒手組最初5具尸體標(biāo)本(n=120)和最后5具尸體標(biāo)本(n=120)的置釘準(zhǔn)確率分別為55.0%和75.0%,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(χ2=10.549,P=0.010);導(dǎo)航模板組最初5具尸體標(biāo)本(n=120)和最后5具尸體標(biāo)本(n=120)的置釘準(zhǔn)確率分別為91.6%和95.0%,差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(χ2=1.071,P=0.301)。徒手組存在明顯的學(xué)習(xí)曲線,而導(dǎo)航模板組的學(xué)習(xí)曲線不明顯。3討論3.1螺釘誤置的并發(fā)癥盡管胸椎椎弓根螺釘?shù)闹冕敺椒ㄒ延休^多的報(bào)道[6,7,8,9,10,11,12,13],但徒手法仍是目前臨床上最常采用的置釘方法,該法主要根據(jù)椎體后方橫突、椎板及上關(guān)節(jié)突等骨性解剖標(biāo)志確定入釘點(diǎn),通過術(shù)者手感和椎弓根探子對(duì)螺釘通道的探摸來進(jìn)行釘?shù)罍?zhǔn)備,因此要求術(shù)者具有豐富的脊柱外科經(jīng)驗(yàn)。此外,為盡可能地確保螺釘置入恰當(dāng)位置以減少神經(jīng)損傷等并發(fā)癥的發(fā)生,臨床上多在X線輔助和神經(jīng)根功能監(jiān)測(cè)下進(jìn)行置釘,故增加了術(shù)中醫(yī)患雙方在X線下暴露的機(jī)會(huì)。各種徒手法其進(jìn)釘點(diǎn)、進(jìn)釘方向不盡相同,椎弓根皮質(zhì)穿破率一般為6.2%~72.4%,因螺釘誤置所導(dǎo)致的神經(jīng)、血管、內(nèi)臟損傷等并發(fā)癥的發(fā)生率為0%~0.9%。在各種徒手置釘法中,目前以Kim徒手置釘法最為常用,該法強(qiáng)調(diào)椎弓根進(jìn)釘點(diǎn)應(yīng)根據(jù)不同的胸椎節(jié)段有所不同,比較符合胸椎椎弓根節(jié)段性差異的解剖學(xué)特點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于脊柱骨折、腫瘤、側(cè)凸、后凸畸形等病人的胸椎椎弓根螺釘置入手術(shù)中。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為Kim徒手置釘法是一種安全可行的置釘方法,其總的置釘準(zhǔn)確率69.4%~93.8%,椎弓根皮質(zhì)穿破率6.2%~30.6%,在進(jìn)行釘?shù)罍?zhǔn)備時(shí)引起腦脊液漏的報(bào)道較多,因螺釘誤置引起的神經(jīng)、血管、內(nèi)臟損傷等并發(fā)癥的報(bào)道較少,目前僅見1例因螺釘誤置入椎管引起脊髓完全損傷的報(bào)道。我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,Kim徒手置釘法學(xué)習(xí)曲線明顯,初學(xué)者如果不借助任何輔助設(shè)備,即使在相對(duì)正常的胸椎置釘,亦會(huì)出現(xiàn)較高的椎弓根皮質(zhì)穿破率和風(fēng)險(xiǎn)螺釘發(fā)生率,缺乏胸椎內(nèi)固定經(jīng)驗(yàn)者采用該法時(shí)應(yīng)特別謹(jǐn)慎。3.2邏輯模型的建立螺釘?shù)臏?zhǔn)確植入主要取決于進(jìn)釘點(diǎn)、進(jìn)釘方向以及植入螺釘?shù)闹睆胶烷L度,人體椎弓根釘?shù)绤?shù)具有較大的解剖變異性,不同個(gè)體、不同節(jié)段水平差異顯著。為提高置釘準(zhǔn)確性,近年來有學(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)的特殊置釘入點(diǎn)、方向或螺釘,雖然眾多研究者探討了個(gè)體化數(shù)據(jù)獲取的手段和途徑,但如何在術(shù)中將這些測(cè)量數(shù)據(jù)精確應(yīng)用于椎弓根定位,目前仍未有較理想的方法。我們利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及快速成型技術(shù)使這一問題得到了很好的解決。首先應(yīng)用Magics9.55等三維重建軟件在胸椎數(shù)字解剖模型上設(shè)計(jì)出含有單個(gè)椎體雙側(cè)椎弓根最佳進(jìn)釘通道信息的數(shù)字化導(dǎo)航模板,然后通過光固化成型技術(shù)制作實(shí)物模板,在臨床應(yīng)用時(shí)將模板和相應(yīng)胸椎后部的骨性解剖結(jié)構(gòu)相貼合,沿著模板的定位導(dǎo)航孔便可對(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植入位置和方向;同時(shí)通過Magics9.55軟件,根據(jù)最佳進(jìn)釘通道所在位置測(cè)量獲得的椎弓根螺釘通道長度及椎弓根直徑,選擇合適的置入螺釘直徑和長度,真正做到對(duì)每一個(gè)椎弓根螺釘置入的個(gè)體化。在導(dǎo)航模板的制作過程中,有幾個(gè)環(huán)節(jié)可能影響其精確性,包括建立胸椎三維模型過程中可能出現(xiàn)的誤差(CT掃描的層厚、層間距、螺距及輪廓的勾勒等)、快速成型過程中STL格式的轉(zhuǎn)化精度以及快速成型精度和快速成型材料變形的控制等。因此對(duì)上述環(huán)節(jié)的精度控制是非常必要的,目前快速成型技術(shù)的變形誤差基本在0.1mm左右,完全可以滿足胸椎椎弓根定位及定向的精度要求。3.3復(fù)雜的置釘準(zhǔn)確性Berry等利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及快速成型技術(shù)制造出兩種用于輔助胸椎椎弓根螺釘置入的個(gè)體化模板,一種模板為雙椎體及三椎體雙側(cè)多定位導(dǎo)向孔設(shè)計(jì),另一種模板為單椎體雙定位導(dǎo)向孔設(shè)計(jì),均采用V形刀架將模板置于相應(yīng)胸椎兩側(cè)的橫突及棘突后方,兩種模板在脊柱標(biāo)本上椎弓根皮質(zhì)穿破率分別為43%和44%,并未達(dá)到預(yù)期的定位導(dǎo)航效果,分析影響其置釘準(zhǔn)確性的主要原因分別為相鄰胸椎間的相對(duì)移動(dòng)以及模板與相應(yīng)胸椎間接觸面積較小而導(dǎo)致模板應(yīng)用時(shí)的不穩(wěn)定。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)胸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