1、数字化技术数字化技术在脊柱内固定系统的应用研究在脊柱内固定系统的应用研究梧州市红十字会医院梧州市红十字会医院宁金沛宁金沛 吴卫东吴卫东u研究背景研究背景u研究目的研究目的u研究内容研究内容u体会与讨论体会与讨论研究背景研究背景脊柱的直立解放了双手,将人类与其他动物区别开来,为人类文明跨越式发展,做出巨大贡献;脊柱相关的各种疾病随之增加,如脊柱畸形、脊柱骨折脱位、脊椎滑脱和退变性椎间盘病变等。研究背景研究背景椎弓根是椎骨中最坚强的部分,被称之为“力的核心”,是前柱和后结构的连接部;经椎板关节突传达到椎体的力均通过椎弓根,可经受侧弯、旋转和伸屈力矩。研究背景研究背景经椎弓根螺钉内固定技术,可获得满
2、意的生物力学稳定性;1959年Boucherl1首先应用椎弓根固定技术,将椎弓根螺钉穿过后关节进行固定。1 BOUCHER H H.A method of spinal fusionJ.J Bone Joint Surg Br.1959,41-B(2):248-259.上胸椎和颈椎的椎弓根相对细小,周围毗邻脊髓、神经根、椎动脉、静脉丛等重要组织;椎弓根形态存在个体差异和体位变化等因素,造成上胸椎和颈椎椎弓根螺钉置入的困难和危险性大。研究背景研究背景研究背景研究背景u目前常用徒手置钉方法来完成椎弓根螺钉系统的置入,该种方法主要凭借术者的手术经验,主观性较强;u然而该种方法学习曲线较长,且存在精确
3、度较低、反复穿刺、多次透视以及螺钉穿出率较高等缺点。研究背景研究背景l 因而螺钉穿入椎动脉孔、椎管,时有发生:研究背景研究背景数字可视化人体技术数字可视化人体技术Digital Visible Human Being Technologyl20世纪末出现的先进技术l信息技术与医学的交叉l通过计算机重建三维图象l应用于航空、设计、制造、电影特技、游戏等l医学:诊断、新药开发、手术等l许多领域迅速发展研究背景研究背景数字化可视人体数字化可视人体Digital Visible Human Being研究背景研究背景l 如何将数字化技术应用于脊柱疾病的研究,尤其是脊柱内固定系统的研究?l 钟世镇、裴国
4、献、张元智、陆声、尹庆水等人在国内率先开展相关研究,并出版专著数字骨科学、临床数字骨科学。研究目的研究目的l 利用数字化技术,结合3D打印技术,在脊柱内固定系统进行应用研究;l 总结并逐渐完善一套应用方案。12研究内容研究内容l 第一阶段:CT三维重建,多平面测量、术前设计(2012年1月-2012年12月);l 第二阶段:Mimics软件重建,三维测量、术前设计(2013年1月-2013年12月);l 第三阶段:Mimics软件重建、设计,导航模板制作,3D打印技术应用(2014年1月至今)。研究内容研究内容-第一阶段l 我科2012年1月-2012年12月,采用CT术前测量技术,对12例患
5、者进行三维重建及术前设计;l 共计置入椎弓根钉共计50枚,穿出3枚,置钉准确率为94%1。1 宁金沛等.三维重建技术在上胸椎和颈椎椎弓根螺钉植入的临床应用.实用骨科杂志.2014:20(7).研究内容研究内容-第一阶段报告如下:报告如下:1.病例详情:共计12例,其中男5例,女7例,年龄2574岁,平均47岁(表1);2.利用CT工作站进行三维重建及术前三维测量(椎弓根高、宽、钉道长度、角、角):CT工作站进行参数测量研究内容研究内容-第一阶段表1病例性别年龄诊 断手术方式椎弓根钉数1女25岁颈7胸1神经鞘瘤颈7胸1神经鞘瘤切除、颈5、6侧块螺钉、胸1、2椎弓根钉内固定术4枚2女36岁胸2、3
6、黄韧带骨化症后入路胸2、3节段减压、胸2、3 椎弓根钉内固定术4枚3女46岁胸4转移性腺癌后入路胸4椎板减压、病灶内骨水泥成形、胸3、5椎弓根钉内固定术4枚4男73岁胸3非何杰金氏病后入路胸3病灶清除、钛网植骨、胸2、4椎弓根钉内固定术4枚5男50岁枢椎齿状突骨折寰枢椎椎弓根钉内固定术4枚6女 54岁枢椎齿状突骨折寰枢椎椎弓根钉内固定术4枚7男56岁胸3、4椎管内副神经节细胞瘤后入路胸3、4椎管内副神经节细胞瘤切除、胸3、4椎弓根钉内固定术4枚8男41岁枢椎Hangman骨折颈2椎弓根钉、颈3侧块螺钉内固定术2枚9男61岁枢椎Hangman骨折颈2椎弓根钉、颈3侧块螺钉内固定术2枚10女49岁
7、颈1转移性腺癌枕颈钉棒系统固定融合术(颈2椎弓根钉内固定)2枚11女74岁胸3、4椎体结核胸2、3、6、7椎弓根钉内固定术8枚12女62岁胸7椎体转移性腺癌后路胸7、8椎板切除、胸4、5、8、9椎弓根钉内固定,前路胸7椎体切除钛网植骨融合术8枚术前张口位DR研究内容研究内容-第一阶段典型病例:典型病例:病例1:枢椎齿状突骨折术前设计研究内容研究内容-第一阶段研究内容研究内容-第一阶段术后复查:显示椎弓根钉置入精准,位置满意:典型病例:典型病例:病例2:胸2、3椎管内肿瘤术前MR研究内容研究内容-第一阶段术前设计研究内容研究内容-第一阶段研究内容研究内容-第一阶段术后复查:显示椎弓根钉置入精准,
8、位置较好:典型病例:典型病例:病例3:胸4、5椎体结核术前设计研究内容研究内容-第一阶段术前MR研究内容研究内容-第一阶段术后复查:显示椎弓根钉置入精准,位置较好:术后DR研究内容研究内容-第一阶段3.小结:l CT三维重建技术辅助椎弓根螺钉植入具有较好的可行性,同时置钉准确率高(94%);l 该技术缩短了年轻医生行椎弓根置入手术的学习曲线,加速年轻脊柱外科医生的成长等优点,值得在临床上推广使用;l 尚存在以下不足:术前准备较复杂,需要CT室医师协同完成,消耗较多人力;置钉准确度可进一步提高。l 能否不依赖于CT机工作站,在计算机上完成上述研究?l 能否进一步提升置钉准确率?研究内容研究内容-
9、第二阶段l 我科自2013年1月-2013年12月对12例需行椎弓根钉固定的患者(A组),采用术前Mimics三维重建技术进行椎弓根植钉的评估,并与2012年14例徒手置钉患者(B组),进行置钉准确率比较;l A组共计置入椎弓根螺钉46枚,穿出1枚,置钉准确率为97.8%;B组共计置入椎弓根螺钉40枚,穿出8枚,置钉准确率为80%,两组间有统计学差异(P=0.002)研究内容研究内容-第二阶段a.椎弓根水平面测量;b.椎弓根矢状面测量。报告如下:报告如下:1.病例详情:共计12例,其中男5例,女7例,年龄2075岁,平均47.3岁(表2);2.利用Mimics软件进行三维重建及术前三维测量(椎
10、弓根高、宽、钉道长度、角、角):表2 2013年12例患者基本情况病例性别年龄诊断手术方式椎弓根钉数1女291、T12椎体压缩性骨折(轻度);2、L1、2椎体爆裂型骨折L1、2椎板开窗减压、骨折复位、T12L1、2、3椎弓根钉骨固定术2个2男551、原发性肝癌;2、T12L转移性腺癌T12L1转移癌切除、T10、11L2、3椎弓根钉内固定术4个3女40T6、7节段椎管内神经鞘瘤T6、7全椎板切除椎管内肿物摘除、T5、7椎弓根钉内固定术4个4男70T11、12后纵韧带骨化症T11、12全椎板切除减压、后纵韧带骨化切除、T10、T12椎弓根钉内固定术4个5男501、原发性肺癌;2、T11、12L1
11、、2、4、5椎体转移性腺癌1、T12L1椎体成形、T11、L1椎弓根钉内固定术2、L5椎体成形、L4骶1椎弓根钉内固定术2个6男55T3、4椎管内副神经节细胞瘤T3、4全椎板切除、椎管内肿物摘除、T3、4椎弓根钉内固定术4个7女341、T12、L1爆裂型骨折并不完全性截瘫;2、双肺挫伤L1全椎板减压、T11、12L2、3椎弓根钉骨固定、T12-L2横突间植骨融合术4个8男581、L1椎体爆型骨折;2、L3压缩性骨折1、双侧多裂肌入路伤椎置钉,T12L1、2椎弓根钉内固定术2、L3椎体成形术2个9女42L1椎体爆型骨折左侧多裂肌入路、右侧椎旁肌入路,右侧半椎板切除减压、碎片复位,伤椎置钉T12、
12、L、2椎弓根钉内固定术2个10女50L1椎体爆型骨折后正中入路右侧椎板减压、伤椎置钉T12、L、2椎弓根钉内固定术2个11女751、T4、5椎体结核并椎旁脓肿;2、糖尿病;3、高血压后入路T4、5结核病灶清除、植骨、后路T2、3、6、7椎弓根钉内下术8个12女57T6椎板、T7椎体转移性腺癌期后入路T6、7椎板切除、T4、5、8、9椎弓根钉内固定,前路T7椎体切除钛网植骨融合术8个研究内容研究内容-第二阶段3.在Mimics软件上确定进钉点参数测量,并模拟置钉;a.根据CT测量的数据确定Mimics软件上螺钉的进针点;b.根据测量的进针点,在Mimics上模拟置入螺钉;c.置入的螺钉完全位于椎
13、弓根内;d.椎弓根的宽度;e.模拟置入螺钉的长度;f.模拟置入螺钉的角;g.模拟置入螺钉的角。研究内容研究内容-第二阶段寰椎术前设计图研究内容研究内容-第二阶段枢椎术前设计图研究内容研究内容-第二阶段4.结果 一次置钉成功(颗)非一次置钉成功(颗)P值(?2)A组4510.002B组328研究内容研究内容-第二阶段6.小结:l Mimics三维重建技术辅助椎弓根螺钉置入可行性较高,置钉准确率较CT辅助技术进一步提高(94%97.8%);l 该技术缩短了年轻医生行椎弓根置入手术的学习曲线,加速年轻脊柱外科医生的成长等优点,值得在临床上推广使用;l 不足:Mimics软件要达到熟练应用的学习曲线较
14、长,阻碍了该技术的广泛推广应用。u2012年年4月,英国月,英国经济学人经济学人发表专题发表专题报道指出,全球正在经历第三次工业革报道指出,全球正在经历第三次工业革命,而命,而“3D打印是这次工业革命的重要打印是这次工业革命的重要标识标识”!l 能否将3D打印技术应用于脊柱内固定系统?l 能否将复杂的置钉过程变得直观化、简单化?研究内容研究内容-第三阶段Makerbot 5th快速成型系统我科我科3D打印机打印机 成型速度快;模型精度高;材料为聚乳酸(PLA),无毒副作用,可接触人体组织。研究内容研究内容-第三阶段l 聚乳酸对人体有高度安全性并可被组织吸收,加之其优良的物理机械性能,其可应用在
15、生物医药领域,如一次性输液工具、免拆型手术缝合线、药物缓解包装剂、人造骨折内固定材料、组织修复材料、人造皮肤等1。1 Rafael Auras,Loong-Tak Lim,Susan E.M.Selke,Hideto Tsuji.Poly(Lactic Acid):Synthesis,Structures,Properties,Processing,and Applications.doi:10.1002/9780470649848.ISBN 9780470293669.研究内容研究内容-第三阶段l 高分子量的聚乳酸有非常高的力学性能,在欧美等国已被用来替代不锈钢,作为新型的骨科内固定材料如骨
16、钉、骨板而被大量使用,其可被人体吸收代谢的特性使病人免收了二次开刀之苦。其技术附加值高,是医疗行业发展前景的高分子材料1。1 Gina L.Fiore;Feng Jing;Victor G.Young,Jr.;Christopher J.Cramer;Marc A.Hillmyer.High Tg Aliphatic Polyesters by the Polymerization of Spirolactide Derivatives.Polymer Chemistry.2010,(1):870877.研究内容研究内容-第三阶段l 聚乳酸具有较好的生物安全性,其能否使聚乳酸具有较好的生物安全
17、性,其能否使用高温消毒?用高温消毒?研究内容研究内容-第三阶段l 使用其他方法(如浸泡法、照射法)会不使用其他方法(如浸泡法、照射法)会不会导致材料溶解,或者灭菌不彻底?会导致材料溶解,或者灭菌不彻底?l 所以如何将其安全、稳定的带上手术台,所以如何将其安全、稳定的带上手术台,是又一个问题。是又一个问题。研究内容研究内容-第三阶段消毒效果的评估:消毒效果的评估:使用环氧乙烷消毒后打包表面取材深部取材送细菌培养研究内容研究内容-第三阶段l 细菌培养结果显示无菌落生长!细菌培养结果显示无菌落生长!l 环氧乙烷针对聚乳酸消毒效果达到手术标准!环氧乙烷针对聚乳酸消毒效果达到手术标准!研究内容研究内容-
18、第三阶段颈椎模型与导板的打印试验:颈椎模型与导板的打印试验:C1C2C3复位前复位后C1椎弓根螺钉导板C2椎弓根螺钉导板C3侧块螺钉导板研究内容研究内容-第三阶段导板贴合良好研究内容研究内容-第三阶段l 我科自2014年1月对6例需行椎弓根钉固定的患者,行术前Mimics软件三维重建、制作导航模板、3D打印并在术中应用,获得了较好的临床效果;报告如下:研究内容研究内容-第三阶段第1例:潘某某,女,57岁,诊断:T8、9椎体浆细胞瘤实例应用术前资料术中使用术前设计术中透视研究内容研究内容-第三阶段研究内容研究内容-第三阶段术后DR术后大体标本第2例:潘某某,男,61岁,诊断:T4椎体转移瘤研究内
19、容研究内容-第三阶段术前CT术前MR研究内容研究内容-第三阶段术前设计术中使用研究内容研究内容-第三阶段术后DR术中透视研究内容研究内容-第三阶段第3例:李某某,男,65岁,诊断:无骨折脱位型颈髓损伤术前CT术前MR研究内容研究内容-第三阶段术前设计研究内容研究内容-第三阶段术后DR研究内容研究内容-第三阶段第4例:黎某某,男,27岁,诊断:颈2齿突骨折术前MR术前CT研究内容研究内容-第三阶段术前CT研究内容研究内容-第三阶段术前设计术中使用术中透视术中照片研究内容研究内容-第三阶段术后CT术后DR研究内容研究内容-第三阶段第5例:陈某,男,31岁,诊断:C1后弓骨折、C2齿突骨折术前DR术
20、前CT研究内容研究内容-第三阶段术前设计术中使用术中透视研究内容研究内容-第三阶段术后DR第6例:林某,男,50岁,诊断:颈髓挫伤并高位截瘫研究内容研究内容-第三阶段研究体会研究体会l 数字化技术辅助椎弓根螺钉置入,具有较高的可行性,可较数字化技术辅助椎弓根螺钉置入,具有较高的可行性,可较大幅度提升准确率;大幅度提升准确率;l 在导向模板的辅助下,螺钉在导向模板的辅助下,螺钉1次置入的精确性较高;次置入的精确性较高;l 置钉难度下降,通过使用个体化的导向模板,极大的缩短了置钉难度下降,通过使用个体化的导向模板,极大的缩短了学习曲线,使得复杂手术变的简单化成为可能;学习曲线,使得复杂手术变的简单
21、化成为可能;l 缩短了手术时间,减少了患者和医务人员所受的射线损伤;缩短了手术时间,减少了患者和医务人员所受的射线损伤;l 数字化技术结合数字化技术结合3D打印技术,在脊柱内固定研究领域,具有打印技术,在脊柱内固定研究领域,具有很好的研究意义和应用前景!很好的研究意义和应用前景!讨论讨论l 导航模板的设计原理及方法导航模板的设计原理及方法个体化制作,符合现代医学对个性化、精确化治疗的要求。l 临床应用应注意的问题临床应用应注意的问题模板和椎板的紧密贴合,导向模板在较平坦的骨面,贴附吻合度欠佳,影响置钉效果;术中减少了透视甚至可以不用透视。l 数字化技术学习曲线问题数字化技术学习曲线问题学习曲线相对较长,需要一定的工科学习背景。l 术前准备问题术前准备问题术前准备工作量较大,需要消耗较多人力。3D打印技术将掀起脊柱外科领域的打印技术将掀起脊柱外科领域的一场革命!一场革命!