3D打印导板辅助腰椎皮质骨螺钉置入的可行性

12111112卷第12111112ChineseJournalofTissueEngineeringResearchNovember25,2016Vol.20,No.48www.3D印导板辅助腰椎皮质骨螺钉置入的可行性

·研究原著·李智多，袁峰，盛晓磊陆海涛，姜伟李威(徐州医科大学研究生学院，江苏省徐州市221002；徐州医科大学附属医院骨科，江苏省徐州市221006)引用本文：，李3D打助201620(48):7232-7238.DOI:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.48.013ORCID:0000-002-9122-1487(智多)文章快速阅读：两种不同贴合面导板辅助置钉的安全性比

男根据不同贴合面的导板辅助置钉方式进行分组

A组徒手组；B组板字嵴型导板组；C组：板棘型导板组。

Geomagic系统

要从事脊试验结果提示：椎板-棘型导板辅助置具备较高成功率，可提高置钉的安全性和准确性。文题释义：

ABC组分置入钉后利用CT轴位图像评估腰椎后路皮质骨钉穿出椎弓根皮质情况，价两种不同贴合面的导板辅助置钉的安全性。

硕士徐州腰椎皮质骨螺钉轨迹技术与传统的弓根螺钉内固定技术相比该技术的点在于螺钉与皮质骨接触面积更多时避免了大范围剥离两侧椎旁肌到人字嵴外侧来明确骨解剖标志以及切除部分后纵韧带复合体；使得腰椎皮质骨螺钉轨迹技术尽可能的保持腰椎后方的稳定性。3D印技术：印技术与医学相结合的核心在于通过三维CT得到数字化料进行高精度的重建，再根据术者的设计进3D编辑将设计的导板进行计算机的高清展示；最终通过相关设备进行印并将该个体化导板用于复杂骨科手术中。背景椎皮质骨螺轨迹技术是一种新型腰椎后路内固定技术道轨迹与传统椎弓根内固定不同，所以凭借经验的徒手置钉失败率高而印导板的设计可以提高皮质骨螺钉轨迹技术置钉的安全性和准确性。目的：探两种3D打印导板辅助腰椎后路皮骨钉置入的安全性、准确性，并与徒手置钉进行对比。方法：选正常腰椎标本具，随机分成3组A组为徒手置钉组，B组为椎板-人嵴型导板组，C组为椎板-棘突型导板组每组具标本螺旋CT扫描扫描数据经Mimics软件三维重建后对导板组行腰椎后路皮质骨钉模拟安全钉道的计算机辅助设计分建立与腰椎椎板-人字嵴椎椎板-突后表面解剖结构互补的三维基板，组合形成复合导板。3D印机上进行导板实体化，利用相应导板辅助置钉。行X射线CT查，以明确螺钉位置、方向、是否有椎弓根皮质破裂等情况，根Grade分级评价种方法的置钉成功率可接受率并进行比较。结果与结论：3组各例标本，分别各置入腰椎后路皮质骨钉20枚，其中A组置钉的成功率为70%(14/20)，置钉可接受率为80%(16/20)B组置钉成功率为70%(14/20)，钉可接受率为95%(19/20)C组置钉成功率为95%(19/20)，钉可接受率为；②C组置钉成功率显著高于、B组(P<0.05)；C组置钉可接受率显著高于组(P<；③实验证明，椎板-突型导板辅助置钉具备较高成功率提高了置钉的安全性和准确性，理论上可降低神经血管的损伤风险同时椎板-人字嵴不适合作为导板的贴合面，该类型导板无法与标本完全匹配。关键词：打机主题词：织基金资助：(H201129)

中图分类号:R318文献标识码:B文章编号2095-4344(2016)48-07232-07稿件接受：2016-09-247232

Box10002,Shenyang

110180

www.CRTER.org

([2-3][11-12][5]李智多，3D打印导板辅助腰椎皮质骨螺钉置入的可行性([2-3][11-12][5]

www.LiZhi-duo,StudyingformasterPostgraduateCollege,

Feasibilitythree-dimensionalprintingcompositetemplateforlumbarposteriorcorticalscrewXuzhouMedicalUniversity,

,YuanFeng

,ShengXiao-lei

,

,Jiang,LiWei

PostgraduateCollege,Xuzhou221002,JiangsuProvince,ChinaCorrespondingauthor:YuanFeng,Professor,Master’ssupervisor,DepartmentofOrthopedics,AffiliatedHospitalofXuzhouMedicalUniversity,Xuzhou221006,JiangsuProvince,China

MedicalUniversity,Xuzhou221002,JiangsuProvince,China;ofOrthopedics,AffiliatedofMedicalUniversity,Xuzhou221006,JiangsuChina)AbstractBACKGROUND:CorticalbonetrajectoryisaposteriorinternalfixationwhosetrajectoryfrominternalCorticalbonetrajectoryledtohighrateofexperienceforHowever,three-dimensionalitssafetyaccuracy.OBJECTIVE:thesecurityandaccuracyvertebralcorticalboneundertheoforientedtemplate,andtowithfreeMETHODS:SixnormalspinewereselectedandintoA,BandCn=2).inAunderwentfreehandscrewplacement;Bunderwentplacementbytheguide;groupCunderwentbythespinousprocesscompositepatientsreceivedCTscan.AfterdatawereusingMimicssoftwareforthree-dimensionalmodelreconstruction,designofoptimumtrajactorylumbarbonescrewplacementwasoutmadedrillandscrewtemplate,thewasastheofsurfacerespectively.drillmodelwerematerializedarapidX-rayandCTscanwereconductedtoscrewpositionandaswellaspediclerupture.AccordingtoGradegrading,ratesinA,andCwereandcompared.RESULTSAND(1)Amongthegroups(2specimens),20posteriorbonewereshowingasuccessrateof70%(14/20)andrateof80%(16/20)inthegroupA;asuccessrateof70%andof95%inthegroupB;asuccessrateofandof100%intheC.(2)successratewassignificantlyhighertheCthanintheAB<0.05).TheratewashigherthegroupCthaningroupA<0.05).(3)Theseresultsthatthelaminaandspinousprocesscompositetemplatehasahighrelationwhichimprovesthesafetyandaccuracy.Itcantheoreticallytheriskofnervebloodvesselinjury.Simultaneously,theofisnotfitforthesurfaceoftemplate,whichcannotmatchwiththespecimen.LumbarVertebrae;Design;TissueEngineeringFunding:fromtheHealthDepartmentofJiangsuNo.H201129CitethisLiZD,YuanF,ShengXL,LuHT,W,ofthree-dimensionalprintingcompositeforposteriorbonescrew.ZhongguoZuzhiYanjiu.2016;20(48):7232-7238.0引Introduction腰椎皮质骨钉轨迹corticaltrajectory

弓根骨皮质腰椎椎体(8.3%4/48)目前D印技术已应用于骨临床，主涉及实物型的制作、手术辅是最早由等

[1]

提出的一种的腰椎后内固定

助材料的打、内植物打印等

[6-10]

，特别是在疗脊技术，可应于骨质疏患者和腰术后翻修患者。与传统的椎根螺钉内定技术相，腰椎皮质骨螺钉内固定技术点在于螺与皮质骨触面积更多，后路较少剥离肌等软组织避免了骨疏松导致螺钉把持

柱外科疾病显示出了显的优势为提高复杂脊柱外科手术的精性提供了的方法用打印技术可以提高螺置入成功，同时利该技术设计出的导板需要三维建技术和向工程技的支持根据术前力降低以及口创伤大风险

[4]

。由于腰椎质骨螺钉

获取相关扫描资料在Mimics软件上设计最安全钉置入的进针与传统椎根螺钉的针点更偏内侧，穿破椎弓根内骨皮质进椎管造成经损伤的潜在风

道，再利用打印技术将设计好导板实体化并进置钉。险更高Mizuno等

对2例腰椎滑脱者实施了节段

文章中设计两种不同合面的导辅助置钉目皮质骨螺钉固定，共入48枚螺钉4枚螺穿破椎ISSN2095-4344CN21-1581/RZLKHAH

前少见相关板贴合面文献报道文章的预期目的在7233

[1]李智多，3D打印导板辅助腰椎皮质骨螺钉置入的可行性[1]于探讨3D打导板辅助腰皮质骨钉入的安全确性及辅助作技巧，临床应用供理论依据，降低骨质疏松患螺钉松动神经血管伤的风险。

www.形态一致的向基板。时导入钉数据，将两者组合重建导向模雏形外置钉未贯通)，形成个化单侧单椎体复合位导向孔腰椎皮质螺钉导板运用布尔运算后，通导向模钉道，对界进行修整，完成1

材料和方法Materialsand

B组的板-人字嵴型导的设计制理取椎板1.1

设计

随机对照解模型实验

棘突的侧面解剖结构上述处理作出组椎板1.2

时间及地点

于2015年6月至016年3月在徐州

棘突型导板(图1设计的导板以及全腰椎椎体模型医科大学解教研室和州医科大附属医院脊柱外科完成。

输入到中国维立体打机SL450(中公生产SL450三维立打印方式型机进行印。主要通过以下1.3

材料

由徐州医科学解剖教室提供6具完整

几个步骤设制作个性的椎体三模型，预备三维设成人湿性腰标本，以积分10%的醛溶液处备用。标本来男，女4具，年龄4664岁，中年龄

备；用ERO5.0软件准好搭建过程；去除部件，初步定型。从获得导板及全腰椎体快速成型模型。54岁。机分为3，每组2标本，A为徒手组，

1.4.3L腰椎本置入螺

取6腰椎标置钉组为椎板-人字嵴型导板组组椎板棘突型板组。通过射线透视排腰椎骨折、肿瘤、结核及畸形等疾患。剥离椎标本侧方后方肌肉韧带等软组织，双层塑料袋密，放入-℃低温箱冷冻存。测试前24取，室温下自解冻。

前将冷冻保的标本置室温下自解冻。剔除人字嵴、椎板后的软组织暴露椎板切除棘间韧带和棘上韧带，暴棘突。统由尚无腰皮质骨螺钉置钉经验的脊柱外进行操作A组根据置前的T资料测量腰椎皮质骨通道的宽、高度及度用于选择置入螺

方法腰椎后路皮骨钉导板导向孔设

对具

钉长度及直。、C根据在imics软件中测得腰椎皮质骨钉通宽度高度及长度定置入螺钉的长度及椎标本行C扫描(iCT256)，描技术参数计为：层厚mm间0距0.938管电120kV，电流280mA，宽2000，位50。在Mimics软件中CT扫描原始数进行优化理将椎节段进行逐层分，对单个椎重新建三维坐标系。将单

直径。通过析实验标测量结果为6具标本每个腰椎椎体间在一定差，但考虑本中每个椎弓根均可置入直径.5mm螺钉，于3置钉结果比较。故本实验均采直径为5.5mm度35.0mm的钛合材质腰椎后路质骨钉。个椎体数据(STL式导入到GeomagicStudio以横

1.4.4

徒手置钉组行传统置

取组标本2具，以突平分线为准线，在直方向上找平分椎体的矢状线，从而找椎弓根轴；创建椎根最大内接圆直径最小的部位即是椎弓峡部。打Pro-E软件，入经过Geomagic处理好的椎。Pro-E转动椎体，观察体的各个图，并且椎弓根中心位置建立基准面和准轴建立的基准面草绘一条线(即理想钉道线)轨迹线选择草绘好的钉道线截面直径选

上关节垂直线与同侧突下mm水平线的交为进针点，定进针点行开口锥口，用克氏针缓慢钻入一定深度臂机多次透克氏针位良好，测钻入克氏针长度丝攻逐渐扩钉道探缓慢探查钉道定四壁均为滑连续的质后选择径mm、长度35.0mm的钛合金材质椎后路皮骨钉置入完成后再次透视螺位置。同方法处理余钉道，共2个择mm(钉道径)可生一条理想道设计截面

1.4.5

导板置钉组行置钉

取BC组本各将为直径9mm的圆内接边形即导板外)将导一分为二，生成2组合导板选择导板平面为基准面，进入草绘工，将外径为参照，出直径为11.0mm

B组计出以椎板-人字为贴合面的板贴于相剥离椎体上首先观导板和相椎体后部骨性解剖结构的贴合情况助手把持板并维持稳定性，操作者手的圆，并且内接六边，可生成板克氏针导向帽。

持电钻沿克针导向孔入克氏针

(直径是3.0mm)1.4.2

两种不同类导板的贴面设计与板制作

35.0mm，该深度与准置入的螺长度一致助手继在eomagic软件中提取腰椎板表面及棘突等结构所需解剖数将其反向偏移2.0处理偏移面和原始表合并、填和优化，立与腰椎后部解剖7234

续维持导板定性，操者拧出克针导向孔帽，利用空心丝攻扩钉道，再照螺钉导孔置入螺钉，螺钉拧入10.0，剥离螺钉导板“耳朵可解上、P.O.Box10002,Shenyang110180www.CRTER.org

李智多，3D打印导板辅助腰椎皮质骨螺钉置入的可行性ABCDEF

图1种不同类型导板的贴合面设计FigureDesignforthedifferentsurfaceof图注：图A为一种以人字嵴为贴合面导板后面观；B第一种以人字嵴为贴合面导板侧面观为第二种以椎板棘为贴合面后面观D为第二种以椎板棘突为贴合面侧面观为第一种以人字嵴贴合面导板分解图F为第二种以椎板-棘突为贴合面导板分解图图2椎板-棘突型导板辅助置钉过程图FigureNailingprocessofthevertebrallaminaandspinoustemplate图注：图为-棘突型导板分解图B为3D打印模型验证导板贴合度以及克氏针的置入A下螺钉导向继续拧螺钉样方法处理其余钉道，共0个。待成一具标中所有置钉后，利用臂机

(双侧贴合面位置；为将导板与相应椎体贴合后用电钻将克氏针沿克氏针导向置入尸体标本D为L-L置螺钉。图33D打印椎板棘突型导板辅助置钉后像学表现FigureImagingresultsthe3Dvertebrallaminaandspinoustemplate图注：图A为C臂下沿克氏针导向孔置入后克氏针侧位图B为C臂机下沿螺钉导向孔置入后螺钉侧位图为C臂下沿螺钉导向孔置入后螺正位图D为导板辅助钉CT断面图为导板辅助置钉CT状面图。3-级危险的位。根据等计算出每组的置钉成功率及可接受，评价置效果。视腰椎正侧，确定螺位置是否好。同上述方法处

1.5

主要观察指

3组完成置钉，重新提数理组，共置入钉2个图2。

据C轴位像上评估腰椎后路皮质骨钉的成功和1.4.6

二次CT扫描带有螺钉腰椎标本进行Grade

可接受率。分级

3组成螺钉入后，再次行螺旋C扫描，扫

1.6

统计学分析

对研究过程获得的数进行收描条件相同描的T断层图像导入到三维重软件Mimics15.01中选合适的骨值点“区增长”按钮全腰椎像灰度提择适的阈值进行三维重建(采相同的阈值和重建技。于金属的值远高

集，使用S17.0进行分析。3之间置钉功率、可接受率采χ²检进行统计学分析，检验水准为双侧α=0.05，P<0.05为异有显著性义。于骨组织的值钉可以单独行图像重建重

2

结果Results建之后可成螺钉的维图像布尔算和三维

2.1腰椎皮质骨螺钉置入的影像学结果

3组共用个重建技术，可以获得有螺钉的腰椎三维模型。重新提取C数据，在C轴位图像上评估腰椎后皮质骨钉穿椎弓根皮情况。Grade分级标准为Grade1：螺钉位于弓根中间或仅引起轻微皮质外形改变Grade2螺钉穿皮质1/3钉直径Grade

体化导板置螺60枚，术发C组的椎-突型导板和相应的椎后部骨解剖结构分贴合用时具有较高稳定性C组术后CT及X线片发现有螺钉进钉点准钉向适当19枚螺钉确置入相应椎弓根及椎体枚螺钉位置于可接受范图)。3：钉穿破质介于1-1/2螺钉直；Grade：螺

2.2

根据CT图像Grade分级

A组2标本共入钉穿破皮质>螺钉直；Grade5：钉穿破皮大于整个螺钉径。Grade1为成功级为可接，ISSN2095-4344CN21-1581/RZLKHAH

腰椎后路皮骨钉0枚，CT结显示Grade级14枚，Grade级枚，Grade级2枚，Grade4级2。B组7235

[17][18][19][1][22-24]李智多，3D打印导板辅助腰椎皮质骨螺钉置入的可行性[17][18][19][1][22-24]例标本共置腰椎后路质骨钉20枚结显示Grade级4Grade级5Grade3级1C2

33.1

讨论Discussion腰椎皮质骨钉技术的究背景

www.近年来，骨例标本共置腰椎后路质骨钉Grade级9枚，Grade2级1枚。

20枚结显示

疏松症患者益增加，何解决此患者椎弓根钉的强度问题一直扰着脊柱科医生骨质疏松患需要更2.3

各组置钉成率的比较

A组钉的成功率为

强大的螺钉持力以增脊柱稳定

[13]

。Terman等

[14]70%(14/20)，B组置钉成率为70%(14/20)，C置钉成功率为95%(19/20)。A、组钉成功差异无显

试图改良螺设计或使骨水泥等式增加内固定的把持力和稳性，但是果并不理，设计原理不佳、性意义P>0.05)；A、C组钉成功率差异有显著性

材料的生物性导致内定再次失

[15-16]

Santoni

[1]义(P<0.05)C组钉成功率差异有显著性意义P0.05，见图4。

通过改变螺轨迹增加螺钉与椎皮质骨的接触面积来体提高螺固定强度因为骨质松症患者松质骨密2015

成功

失败

度降低的程远大于周的皮质骨这种利用椎弓根长轴作为通道上倾置可更大程地利用椎弓根复合体的皮质部分4个和皮质骨接触界面达到数钉置

105

牢固的固定进钉点背皮质骨、弓根后部的内侧壁、椎弓根前部外侧壁以椎体前侧。目前，对于腰椎CBT技的生物力研究进一验证其可靠性优于传统0

ABCABC组别

椎弓根螺钉等和等利用尸体标本显示腰皮质骨螺的抗拔出明显高于传统的图4组置钉成功率比较Figureratescrewimplantationeachgroup图注组徒手组B组椎-人字嵴型导板组C为椎-棘突型导板组、B组置成功率差异无显著性意=1.0>0.05)C组置钉成功率差异有显著性意5BC组间置钉功率差异有显著性意5<

椎弓根螺钉说明CBT技术远期稳定更加牢固这与等进行的疲劳验结果一致。CBT技术进行手置钉的针点位于节垂直中线与同侧横下1水平线的交，进钉方向在矢状位上向头倾斜，在断面上向倾斜，头倾角为2.4

各组置钉可受率的比

组置钉的可受率

8°9°，倾角。螺钉直径选择依据L-L椎为0%(16/20)，组置钉可接率为95%(19/20)，组置钉可接受为100%(20/20)B置钉可受率差异无显著性义(P；A、C组置钉可接受率的差异有显著性义(P；B、C组置钉可接受率的差

弓根的宽度形状而不，一般小传统椎弓根螺钉，进钉深度约39。而国内外学者过测量腰各节段冠状椎弓根长、横径，到矢状面与横断面进钉角度、全范围、钉长度及径，为提高置钉的异无显著性义(P0.05)见5。

安全性提供论基础

[20-21]

。本实验通三维重建术、逆向工程技，设计出全的进针度及计算出螺钉长2520

可接受

不可接受

度、直径等标，再利3D打印技将椎体与模板实物化，直视观察椎体预留出的道是否穿破椎弓根数钉置

151050

ABCABC组别

四壁，以及板与椎体贴合情况本实验通过个体化的置钉与传的手感置相比证实了板置钉的安全性更高，并个体化置使每个椎都存在着自己独有的进针点和针角度，非一个范。许多学3.2人嵴型导板与椎板棘突导板的选择图5组置钉可接受率比较FigureAcceptablerateofscrewineach图注组徒手组B组为椎人字嵴型导板组组椎棘突型导板组。A、B组间置钉可接受率的差异无显著意义(P=0.1510.05)AC组间置钉可接受率的差异有显著性意义(P=0.0350.05)BC组间置钉可接受率的差异无显著性意义(P=0.311>。7236

者对该技术进钉点，钉方向以螺钉的直径和长度等进行了详的探讨可关于究导板贴合面的文献报道较少利用体化导板功置入腰椎后路皮质骨钉，需要解导板的稳性、合理问题，而导板的稳定性主要取于导板贴面的良好计。研究根据选P.O.Box10002,Shenyang110180www.CRTER.org

[25-26][27-28][30李智多，3D打印导板辅助腰椎皮质骨螺钉置入的可行性[25-26][27-28][30取腰椎后方同骨性解标志分成板-人字嵴型导板和椎板棘突型导，实验中2种导板别置入螺20枚在2组之间置钉可接受率差无显著性义的情况下，椎板-人字嵴型导板置钉组成功率为70%显低于椎板棘突型板组的成率，且差有显著性义。虽然本究样本量少，但在研究基础上进行两种不同贴合导板稳定分析。首，研究设计中选取人字嵴作为板人字嵴型导板合面的因素为该结构是传统腰椎弓根钉的针点，有较高的辨识度；其次人字嵴处少存在骨增生现象但是本次研究结果表明选取人嵴作为贴面需要腰后方肌肉广泛剥离，增加术长期腰背的可能，以及无法体现腰椎后路皮质钉轨迹技的“微创优势；同时人字嵴处存在复杂度的凹凸，在设计程中增加贴合面的设计和选取难度，格转化时出了数据丢失或改变，以及3D打过程导致料固缩，以实际操作过程中椎板-人字嵴型导板与标本无法完全贴。而椎板棘突型导板取的椎板棘突区域以有效地抵抗轴向钻削力，也足腰椎后皮质骨钉迹技术后方暴露范围小的要求，而在实际操过程椎板-棘突导

www.向贴合面时需要腰椎板后部、突根部的骨性解剖结构完整或对完整，样就限制导板在腰椎己行椎板切除患者应用；④于需要破关节突关节的患者，无法采CBT技，因为该术无法为手术节段提供轴向及屈的稳定；⑤单一握计算机软件或者脊柱外科专知识的术，无法设出最佳导板，需要两者完美结才能最快、最合理设计导板。致谢：作者贡：文利益冲：所伦理问：实文章查：文次板较椎板-人字嵴型导板更加贴合。这与Goffin等

[29]

和

文章外：文胡勇等认以椎板-棘突作导板贴合的稳定性于以其他骨标志设计向导板的点一致。3.33D打腰椎皮质螺钉导向板技术的优势与不足3D打印技术的发展给脊柱外科医生带了前所未的方便皮质钉导板的计及应用的优点包括以下几点：①运导板可以解剖结构好的贴即使严重增生、畸形解剖结构清的情况应)，显著提高手术精确性和全性验设计的板具备克氏针和螺钉双重导向需导板椎体贴合次完成克针和螺钉的入克氏针导孔与螺钉导向孔拥有相同的中心线不动导板的况下使螺钉到最佳位置用导板需要椎体相应贴合面进行剥离即可按照板置钉减了的透视次数以降低了患者和医护人的辐射暴剂量，减了手术时间。腰椎皮质骨导板的设及应用同存在一定的局限性：①3D打印导板机器、材料要求较高，难以在基础设施乏的基层院普及，时个体化设计导致不能大批量产，设计导板产生昂贵的费用；②虽然称为“快成型但是快速相对传统个性化制作而言，模型备时间较，无法用急诊手术。术中改变手术方案也无法及相应的改；③设计与椎体反ISSN2095-4344CN21-1581/R

作者声：第()文章版：文4参考文献References[1]SantoniBG,HynesRA,MeGilvrayKC,etal.Corticalhonetrajectoryforlumbarpediclescrews.SpineJ.2009;9(5):366-373.[2]GlennieRA,DeaN,KwonBK,etal.Earlyclinicalresultswithcorticallybasedpediclescrewtrajectoryforfusionofthedegenerativelumbarspine.JClinNeurosci.2015;22(6):972-975.[3]CalvertGC,LawrenceBD,AbtahiAM,etal.Corticalscrewsusedtorescuefailedlumbarpediclescrewconstruct:abiomeehaniealanalysis.JNeurosurgSpine.2014;22(21):1-7.[4]KragMH,WeaverDL,BeynnonBD,etal.Morphometryofthethoracicandlumbarspinerelatedtotranspedicularscrewplacementforsurgicalspinalfixation.Spine.1988;13(1):27-32.7237

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