个性化定制金属置钉导板在低龄儿童上颈椎手术的初步应用

张东升，王建华，王 迪，李洪吉，杨永强，郑永强，廖穗祥，王艺锰，张自勉

临床研究

个性化定制金属置钉导板在低龄儿童上颈椎手术的初步应用

张东升，王建华，王 迪，李洪吉，杨永强，郑永强，廖穗祥，王艺锰，张自勉

目的利用金属3D打印技术制作个性化枢椎椎弓根置钉导板，探讨其在低龄儿童上颈椎手术中的应用价值。方法选择1例游离齿状突合并寰枢椎脱位3岁患儿，术前行薄层CT扫描采集颈椎数据，将DICOM格式的CT数据输入计算机处理，设计出个性化置钉导板，采用金属3D打印技术制作实体导板并应用于临床手术。结果成功制作出与靶椎体高度匹配的金属置钉导板，并将其用于游离齿突合并寰枢椎脱位低龄患儿术中辅助置钉操作。术后内固定在位良好，寰枢椎脱位复位满意，随访6个月无复发脱位，植骨已融合。结论利用3D金属打印技术定制的手术导板具有良好的精度及机械性能，对辅助合并颅颈交界畸形的低龄儿童上颈椎螺钉置入手术具有一定的应用价值。

儿童；上颈椎；寰枢关节；脱位；椎弓根螺钉；图像处理，计算机辅助；3D打印；金属导板

随着现代外科诊疗技术的发展，上颈椎后路钉-棒固定技术已成为治疗儿童上颈椎不稳最常用的方法[1-2]。无论是采用后路寰枢椎固定融合术，还是枕颈固定融合术，枢椎均为重要的固定单元，因此枢椎椎弓根螺钉内固定技术在儿童上颈椎手术中的应用价值逐渐受到重视。然而儿童，尤其是低龄患儿，骨骼结构细小，变异较多，采用枢椎椎弓根内固定手术存在较大的难度和风险[3]。我们基于计算机辅助设计及3D金属打印技术设计制作个性化金属置钉导板，在其辅助下成功治疗1例游离齿突并寰枢椎脱位低龄患儿，术程顺利，术后近期效果良好，现报道如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

患儿男，3岁，因“颈部歪斜伴枕颈部疼痛20 d”入院，无外伤史，体格检查未见感觉异常，四肢肌力、肌张力正常，病理征阴性。X线片示患儿寰枢椎脱位，CT扫描示患儿枢椎齿突游离致寰枢椎失稳并向前脱位（图1）。入院全面检查评估后对患儿实施后路枕颈植骨融合内固定手术。

1.2 枢椎椎弓根置钉导板制作

术前行颈椎64排CT薄层扫描（SIEMENS公司，德国），扫描层厚0.75 mm。将DICOM格式的CT数据导入Mimics 16.0软件（Materialise公司，比利时），提取枢椎模型，保存为STL（binary）格式，然后导入Geomagic Studio软件（Raindrop Geomagic公司，美国），去除枢椎模型内部噪点并通过参数曲面等指令获得三维实体，保存为STEP AP203格式。再将上述数据导入SolidWorks软件（Dassault Systemes公司，法国），在枢椎模型上规划椎弓根钉的最佳钉道（包括进钉点和进钉角度），以避免螺钉穿出椎弓根皮质，损伤周围血管、神经。根据所得的进钉点在枢椎椎板及棘突上选取相应区域，作为导板与骨组织之间的贴合面，向外加厚得到与贴合面解剖形状一致的反向模板（图2A）。最后按上述最佳钉道生成置钉导管，并将其与模板拟合为一体。为了在置钉过程中稳定手术导板，同时不遮挡术野，于导板中间位置添加供医生夹持的长手柄，设计完成后的手术导板如图2B所示。将设计好的手术导板模型导出为STL文件，加工后数据输入DiMetal-100金属3D打印设备（华南理工大学研发）中打印，制作出实体导板（图3）。

图1 术前X线片及CT检查显示患儿枢椎齿突游离并寰枢椎脱位

实体导板采用医用钴铬钼合金材料，硬度及生物相容性良好，由基底板、置钉导向管和手柄3部分组成。基底板匹配椎板上半部分，且包括棘突根部背侧，厚度为1 mm；双侧导向管的设计与2.5 mm开路钻头相匹配，内径2.7 mm，壁厚0.11 mm，长度10 mm；手柄长20 mm，末端呈圆盘状，使用时食指与中指夹着长柱，拇指按住圆盘。1.3术前模拟手术

将枢椎模型通过FDM uPrintSE Plus打印机（Stratasys公司，美国）用树脂材料打印出来（图4），进行手术规划。通过在3D模型上进行模拟手术，直接观察金属手术导板的精确性（图5）。

图2 导板设计关键步骤 2A最佳钉道以及导板贴合面的建立 2B导板模型示意图图3 3D打印金属置钉导板实物图 图4 3D打印枢椎模型实物图 图5术前通过模拟手术检验导板精度

1.4 手术方法

采用气管插管全身麻醉，患儿俯卧位，行颅骨牵引（重量3 kg，图6A）。取后正中切口，起于枕骨隆突下方、止于C3棘突，切口长约8 cm。切开皮肤、皮下组织后，用电刀剥离椎旁肌肉，充分显露枕骨后方骨板、寰椎后弓及枢椎椎板和棘突。将已消毒的金属置钉导板与枢椎后方结构紧密贴合，保证导板与枢椎后方结构相吻合。以直径2.5 mm手钻沿导向管方向开孔（图6B），建立枢椎椎弓根钉道，探查见钉道各壁完整，透视位置良好，置入双侧枢椎椎弓根螺钉。采用磨钻磨平枕后骨面，选取合适大小枕骨钢板置于枕后，依次钻孔、攻丝、测深，置入3枚合适长度的枕骨板螺钉，然后取2枚钛棒，塑形后与枢椎椎弓根螺钉尾部连接预紧，通过下压枢椎棘突、上抬头部的方法进行复位，最后拧紧螺帽完成固定（图6C），再次透视确认内固定位置良好。采用高速磨钻打磨寰椎后弓及枢椎椎板和棘突，取患儿左侧第12肋骨及部分髂骨填充植骨。仔细冲洗切口后，放置引流管，逐层关闭切口。

1.5 术后处理及临床观察

常规使用抗生素预防感染，术后2 d拔除引流管，3 d佩戴颈围下地活动，3个月后拆除颈围。观察患儿术后寰枢椎脱位复位及内固定在位情况，随访期间观察骨融合情况。

2 结果

2.1 模拟手术结果

术前在树脂模型上进行模拟手术以验证金属手术导板的精确性，结果显示，导板与枢椎模型匹配效果良好，整个曲面贴合处无间隙（图5），稳定性好，能满足其作为手术导板的要求。

2.2 临床效果

导板辅助置钉过程顺利，手术时间150 min，术中出血量200 mL，术中未出现脊髓神经损伤、脑脊液漏、椎动脉损伤并发症。术后1周复查X线片及CT，提示寰枢椎脱位复位满意，内固定位置良好，枢椎双侧椎弓根钉均未穿出椎弓根皮质（图6D，6E）。术后6个月CT扫描示植骨已融合，无复发脱位（图6F）。

3 讨论

儿童枕颈交界畸形常引起寰枢椎失稳或脱位，常用手术方式包括后路寰枢椎固定融合、枕颈固定融合等[1,4]。由于儿童发育尚未成熟，骨骼结构细小，可能存在发育畸形、椎动脉孔位置变异等问题，置钉过程中损伤脊髓、椎动脉的风险较成人更高[5-6]；此外，低龄患儿寰枢椎手术可调整空间小，如果首次进钉偏差较大，再作调整时很可能导致置钉失败。因此，提高椎弓根螺钉置入的准确性，保证手术的安全性，对提高儿童上颈椎手术的临床疗效具有非常重要的意义。

采用计算机辅助定制手术导板是近年来发展起来的一种较为简便实用的个性化手术导航技术。首先通过CT或MRI获取原始数据，经过软件处理后建立与患者骨组织相同的三维数字模型并提取目标骨组织的表面解剖形状，然后在软件中设计出与其互补的带有最佳进钉通道的反向模板，最终将数据输入3D打印机，制作出具有定位导向孔的模板实物。近年来，已有不少学者通过计算机辅助设计和3D打印技术研制出一些专门用于脊柱椎弓根螺钉置钉的导向模板，体外实验和临床研究结果均表明导板辅助置钉成功率较高[7-11]。Kaneyama等[7]将导航模板技术应用于23例临床颈椎病例，辅助置入48枚C2螺钉，其中47枚螺钉完全在骨皮质内，置钉准确率达97.9%，显著降低了手术时间及电离辐射剂量；Hu等[10]采用导航模板辅助置钉手术治疗151例胸椎疾病患者，共置入582枚椎弓根螺钉，术后CT扫描显示其中559枚准确置入相应椎弓根内，置钉准确率达96.1%。国内相关报道亦表明，导向模板辅助置入脊柱椎弓根螺钉手术符合个性化原则，操作简单，易于掌握，显著提高了脊柱外科手术的准确性和安全性[12-14]。

早期以树脂等非金属材料为主的置钉辅助导板具有制作速度快、成本低的特点，但存在以下缺陷：①打印精度差：树脂材料脆性较大，设计导板时必须保证一定的厚度（2.5～3.0 mm）才能维持其硬度以避免损坏或变形[9-11]，因此制作出来的导板结构粗大，形状不便使用，导板与骨组织的贴合度欠佳，导管与金属钻头之间的间隙较大，导航存在一定偏差。②不能进行常规高温消毒：树脂材料不耐高温，术前需要复杂的消毒处理，不便于临床使用。③需助手用手把持贴合：一方面可能引起导板移位，造成钉道偏移；另一方面容易遮挡视野。④毒性问题：光敏树脂材料具有细胞毒性[15]，虽然最终导板不需植入体内，但在使用过程中因钻头、螺钉等摩擦作用可能导致碎屑脱落残留术区，对人体造成有害影响。

图6 个性化金属置钉导板治疗游离齿突并寰枢椎脱位患儿术中及术后图片 6A颅骨牵引 6B将导板与枢椎后方结构紧密贴合后，术者持手钻在导板引导下开孔 6C后路复位、枕颈固定和植骨融合手术 6D，6E术后1周CT和X线片示寰枢椎脱位复位满意，内固定位置良好 6F术后6个月CT示植骨已融合，无复发脱位

随着金属3D打印设备的发展，以及打印精度和速度的不断提高，3D金属打印技术在骨科的应用范围愈加广泛。该技术制作出的金属零件硬度、抗拉强度均较高，使导板在避免断裂、变形的同时厚度更薄，能够满足更为精巧的设计需求[16]；可耐受高压高温，术前可常规消毒，准备时间也更短。本研究中，我们采用激光选区熔化（selective laser melting，SLM）金属3D打印技术，直接制造钴铬钼合金材料导板，该合金为医学常用的植入材料，具有良好的生物相容性及耐磨损性[17]，比树脂更适合作为手术器械使用。导板厚度1.0 mm，左右导管厚度0.11 mm，其薄壁结构使导板与目标骨组织之间的贴附性进一步提高，模拟手术中导板与患者枢椎3D模型能够完全贴合，整个曲面贴合处没有间隙，满足了其作为导航模板引导精确置钉手术的要求。此外，我们在设计时加长导板手柄长度，便于术中将导板固定于椎板之上，防止钻孔时导板移位，同时也减少了对术野的遮挡，使用效果更为理想。

个性化金属手术导板尽管简化了置钉操作，但其在手术操作中起到的是辅助和参考的作用，最终手术的成功还需建立在手术医师对解剖结构的准确判断以及娴熟的手术操作之上。在导板的具体使用过程中，需要注意以下问题，以尽可能减少对导板精度的影响：手术显露时需将椎板后方软组织尽量清理干净，但不可破坏骨性结构，以获得最理想的匹配效果，保证置钉位置的准确性；在开孔建立钉道之前，建议先用磨钻将进钉点的骨皮质磨除，使手钻较易进入椎弓根松质骨内，减少导板移位的可能性。

本研究基于金属3D打印技术成功制备个性化枢椎椎弓根辅助置钉导板，经初步临床应用证实，可辅助术者准确置入椎弓根钉，降低了因患儿解剖结构变异而引起的置钉操作风险；相较于传统树脂手术导板，金属手术导板具有更好的生物相容性、精度及机械性能，对低龄儿童上颈椎精细手术的辅助置钉具有一定的应用价值。

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Preliminary application of individualized metal drill guide template in upper cervical spine surgery for young children

ZHANG Dongsheng*,WANG Jianhua,WANG Di,LI Hongji,YANG Yongqiang,ZHENG Yongqiang,LIAO Suixiang,WANG Yimeng,ZHANG Zimian.*Southern Medical University,Guangzhou,Guangdong 510515,China

WANG Jianhua,E-mail:jianhuawangddrr@163.com

ObjectiveTo develop an individualized C2 pedicle screw drill guide template using 3D metal printing technique,and to investigate its clinical value in upper cervical spine surgery for young children.MethodsFine-cut CT scan of the cervical spine of a 3-year-old child suffered from os odontoideum and atlantoaxial dislocation was performed,CT imaging data stored in DICOM format was imported into a computer workstation to design the individualized drill guide template,finally the template was fabricated by a 3D metal printer and used in clinical operation.ResultsAn individualized metal drill guide template well-matched with thepatient's vertebral body surface was developed successfully,and then was applied in assisting pedicle screw placement for the young child.Postoperative CT scan showed that the patient achieved atlantoaxial reduction,and the screw placement positions were accurate.After 6 months'follow-up,radiography images indicated a solid bony fusion without dislocation recurrence.ConclusionUsing 3D metal printing technique,the authors was able to develope an individualized metal drill guide template for pedicle screw placement with good mechanical property and high accuracy,which has the value of practical application for assisting pedicle screw insertion in upper cervical spine surgery for young children with cranial cervical junction deformity.

Child;Upper cervical spine;Atlanto-axial joint;Dislocations;Pedicle screw;Image processing,computer-assisted;Three-dimensional printing;Metal guide template

R726.87，R687.32

：A

：1674-666X(2017)01-011-06

2016-11-30；

2016-12-17）

（本文编辑：白朝晖）

10.3969/j.issn.1674-666X.2017.01.002

广东省科技计划项目（2014A040401060）；广州市科技计划项目（1561000281）

510515广州，南方医科大学（张东升，李洪吉）；510010广州军区广州总医院骨科医院脊柱外科（张东升，王建华，李洪吉）；5106401广州，华南理工大学机械与汽车工程学院（王迪，杨永强，王艺锰，张自勉）；362200福建，晋江市医院骨一科（郑永强）；511400广州，番禺区中心医院脊柱外科（廖穗祥）

王建华，E-mail：jianhuawangddrr@163.com