三维重建3D打印技术之椎弓根钉导板的制作

　　自 2000 年代初以来，计算机和 3D 打印得到了长足的发展，并已在医药、航空航天工业、汽车工业、厨具等制造业开展。手术导板最初被用作口腔种植牙的高精度工具，此后一直用于颌面外科、腹部肿瘤切除、泌尿外科和心血管外科。据报道，在骨科中的第一个应用是生产椎弓根螺钉放置指南。随技术的发展，逐渐应用于肩、髋、膝、踝、外伤等手术，大幅度的提升了手术效率。精准、智能、微创是骨科未来的发展趋势，导板将在骨科手术的所有的环节发挥重要作可用于 3D 打印的打印材料有很多，包括感光树脂、聚乳酸(PLA)、丙烯腈丁二烯共聚物(ABS)、尼龙和金属 。

　　由于手术导板需要与机体组织非间接接触，因此对材料的要求很高。材料应无细胞毒性、无刺激性、无皮肤过敏、化学成分符合国家和行业标准的要求。根据材料的理化性质和各种手术类型，我们将手术导板分为金属导板和非金属导板。由于非金属材料强度不够，常被用来制作导向装置，如引导克氏针的圆孔。金属导板用于辅助骨刀和电子工具在截骨或钻孔中的操作。因为在手术过程中，如果强度不够，手术导板可能会产生细碎屑，甚至会因摩擦发热而变形。目前，光敏树脂因其稳定的性能和一定的强度而成为首选的导向材料。ABS 和 PLA 适用于一些大型导板，例如经皮脊柱导板 。该树脂可用于下肢截骨和畸形矫正的定位引导。尼龙精度高、强度高，推荐用于全膝关节置换术等体积小、有一定强度要求的导板。钛、医用不锈钢、铝合金等金属材料可加工成导板。它可以辅助骨刀和电子工具在截骨或钻孔中的操作，增加导向强度，减少切屑的产生，但其材料和设备昂贵，成本高。

　　随着三维技术及3D打印技术的推广使用，基于三维重建和3D打印技术的手术导板设计在临床得到很大的推广。

　　手术方案设计是结果，而导板是达到这种结果的方式和途径。因此，导板是手术设计的逆向工程产物。在手术设计同时，即可在设计的具体方案的基础上完成导板的设计，生成的文件用于3D打印加工。加工好的导板能够在手术过程中还原手术设计的具体方案，引导手术者顺利的按照手术前的设计进行手术操作。

　　图1 左 在CT原图的二维图像中，根据椎弓根部的宽度在要预置椎弓钉的位置创建圆柱体（钻头直径大小）

　　右 圆柱体可以实时显示在三维实体上，同时可在二维 三维实体上多圆柱体做适当调整

　　图2 透明显示的三维实体进一步对圆柱体进行微调并多角度观察，使其角度深度等在理想的位置。

　　图7 手术常规分离皮肤肌肉等组织暴露椎体，消毒好的椎弓钉导板贴合椎体（支撑台与椎体面，导板横杠与棘突同时贴合）

　　图11 同样的操作在需要放置椎弓钉的椎体钻孔放置椎弓钉（复位一般2-3组 椎体弯曲矫形会根据真实的情况放置多组 ）

　　图12 放置椎弓根钉后可根据实际手术需要，使用椎弓钉配套的撑开钳压缩钳对椎体进行复位 撑开 矫形等操作。

　　图14 拧上椎弓钉帽，并常规手术缝合肌肉皮肤等组织（有些部位在大多数情况下要骨水泥填充）。

　　目前经后路植入椎弓根螺钉是脊柱外科手术中最常用的内固定方法，脊柱椎弓根螺钉把持力强，内固定对脊柱的矫形能力较好，并能实现三柱固定。成功植入椎弓根螺钉关键是确保螺钉通过椎弓根到达椎体前部，如果进钉错误，则可能会引起椎弓根皮质破裂 大血管损伤，硬脊膜破裂及脊髓或神经损伤等严重后果。

　　徒手植入椎弓根钉主要是依靠手感和医生的临床经验，据相关人类医学文献报道3D打印导板组术前通过Mimics软件获得腰椎的三维立体图形,测量椎弓根的置钉角度和深度,设计最佳的置钉路径并制作个性化的带钉道的导板,消毒后于术中将导板与置钉椎体贴合紧密后.通过预设的3D打印钉道定位钻孔、置钉。徒手置钉组在C型臂X线机透视下徒手置钉。结果:两组置钉准确率、置钉时间、透视次数均有统计学差别(P0.05),在手术时间及术中出血量均无统计学差别(P0.05)。3D打印导板组的内倾角及头倾角与预设值无统计学差别(P0.05),置钉角度的精确性明显优于徒手置钉组(P0.05)。

　　(1)导板辅助置钉需要对椎体后方软组织的充分剥离，只有将软组织充分剥离才能把导板准确放置，使之与棘突、椎板及关节突完好贴附，从而精确置钉。这种充分的剥离会增加出血量，延长手术时间。

　　(2)导板应当稳稳地贴附于椎板、棘突及关节突的后表面，任何轻微的相对活动都会引起置钉的偏差。

　　(3)只有进钉的深度保证螺钉的长度达到椎弓根轴线%，才能确保螺钉有足够的力学强度过长则容易穿透脊柱骨对侧皮质而伤害其他组织，所以长度一般取进钉点至椎体前侧皮质总长度的 83% 左右。

　　(4)3D打印导板制作时的误差可由多种因素造成:导板设计阶段，不同软件之间数据的转换；3D打印机的打印精度；以及导板消毒处理后可能的形变。

　　(5)手术过程中术者不能完全依赖导板，而要结合临床经验，在导板辅助置钉出现误差时加以改正，保证置钉准确率。最后，3D打印导板是在手术之前制作，需要一定的设计及打印时间，并不适用于急诊手术。针对以上问题，未来的研究要设计更加合理，制作更加精密的3D打印导板。

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　　本节课程将介绍 局 部传 导阻 滞的临床应用— 线/区/环/肋间/齿神经/关节内、硬膜外麻醉操作、骶尾骨麻醉等。