陳玉兵，陸 聲，徐永清，張?jiān)?，師繼紅，陳國平

胸椎椎弓根螺釘能夠提供堅(jiān)強(qiáng)的三維固定作用，具有力學(xué)強(qiáng)度高、固定和融合節(jié)段少、對脊柱畸形矯正效果好等優(yōu)點(diǎn)，近年來，其在脊柱外科的應(yīng)用越來越廣泛[1,2]。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[3]。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。我們設(shè)計(jì)一種新型的數(shù)字化導(dǎo)航模板[4-5]，并通過對尸體胸椎標(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 資料與方法

1.1 標(biāo)本制備和分組

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120 kV，電流150 mA，層厚0.625 mm，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Mimics 13.1軟件對兩組標(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)行測量（圖1），使用SPSS 11.5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 胸椎個(gè)體化導(dǎo)航模板的設(shè)計(jì)及制作

對導(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Geomagic Studio 9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Magics 9.55軟件打開三維重建模型，定位三維參考平面，采用直徑為4 mm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0.1 mm）制作實(shí)物模板，模板厚2 mm，定位導(dǎo)向孔為長2 cm、內(nèi)徑2.5 mm的空心圓柱體（圖6）。

圖1 三維重建模型Mimics 13.1軟件測量示意圖

圖2 胸椎（T1～T12）標(biāo)本三維重建模型

圖3 三維重建模型上T2椎弓根的最佳進(jìn)釘通道

圖4 三維重建模型Magics 9.55軟件測量示意圖

圖5計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)而成的數(shù)字化導(dǎo)航模板（T1～T12）

圖6 采用快速成型技術(shù)制造出的胸椎（T1～T12）數(shù)字化導(dǎo)航模板

圖7通過胸椎數(shù)字化導(dǎo)航模板準(zhǔn)備進(jìn)釘通道

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

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Magics 9.55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 導(dǎo)航模板組實(shí)驗(yàn)操作方法 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2.5 mm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。

1.3.2 徒手組實(shí)驗(yàn)操作方法 參照Kim徒手置釘方法[6]，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2 mm，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15～20 mm、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，確定釘?shù)浪谋冢ㄈ魏温淇崭芯f明骨皮質(zhì)穿透，需要重新選擇釘?shù)溃?，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 評價(jià)方法

采用術(shù)后CT斷層掃描評價(jià)置釘?shù)臏?zhǔn)確性。參照Kuntz的方法[7]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，Ⅰ級螺釘：螺釘穿出椎弓根皮質(zhì)＜2 mm；Ⅱ級螺釘：螺釘穿出椎弓根皮質(zhì)≥2 mm且＜4 mm；Ⅲ級螺釘：螺釘穿出椎弓根皮質(zhì)≥4 mm。其中Ⅰ級、Ⅱ級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級螺釘中從椎弓根上方或下方穿出者視為安全螺釘；Ⅰ級、Ⅱ級螺釘中從椎弓根內(nèi)側(cè)壁穿破者，Ⅱ級螺釘中從椎弓根上方或下方穿出者及Ⅲ級螺釘視為風(fēng)險(xiǎn)螺釘。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

所有數(shù)據(jù)應(yīng)用SPSS 11.5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 結(jié)果

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級螺釘，無Ⅱ級及Ⅲ級螺釘，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級螺釘58枚，Ⅱ級螺釘16枚，Ⅲ級螺釘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 胸椎椎弓根螺釘徒手置釘法及其存在的不足

盡管胸椎椎弓根螺釘?shù)闹冕敺椒ㄒ延休^多的報(bào)道[6-13]，但徒手法仍是目前臨床上最常采用的置釘方法[6,12,13]，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。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%[6,12,13]。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[6,12,13]，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[13]。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，即使在相對正常的胸椎置釘，亦會出現(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 數(shù)字化導(dǎo)航模板輔助胸椎椎弓根螺釘置入的可行性

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[14]，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Magics 9.55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Magics 9.55軟件，根據(jù)最佳進(jìn)釘通道所在位置測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0.1 mm左右[4,5]，完全可以滿足胸椎椎弓根定位及定向的精度要求。

3.3 數(shù)字化導(dǎo)航模板輔助胸椎椎弓根螺釘?shù)闹冕敎?zhǔn)確性及注意事項(xiàng)

Berry等[15]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移動以及模板與相應(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，不會因術(shù)中體位的變化、相鄰椎體間的相對移動而導(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)操作方法簡單，無明顯的學(xué)習(xí)曲線，對手術(shù)者無特別的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)要求，不需要特別的設(shè)備，為胸椎椎弓根螺釘?shù)闹萌胩峁┝艘环N新的方法。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)胸椎椎板后部及棘突根部的軟組織剝離干凈，同時(shí)避免破壞胸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)胸椎椎板后部及棘突上；通過導(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，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。

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