数字化虚拟技术在脊柱椎弓根内固定系统的应用研究

.,数字化技术在脊柱内固定系统的应用研究,梧州市红十字会医院宁金沛吴卫东,.,研究背景,研究目的,研究内容,体会与讨论,.,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,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,经椎弓根螺钉内固定技术，可获得满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。,1BOUCHERHH.AmethodofspinalfusionJ.JBoneJointSurgBr.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,数字可视化人体技术DigitalVisibleHumanBeingTechnology,20世纪末出现的先进技术信息技术与医学的交叉通过计算机重建三维图象应用于航空、设计、制造、电影特技、游戏等医学：诊断、新药开发、手术等许多领域迅速发展,.,研究背景,数字化可视人体DigitalVisibleHumanBeing,.,研究背景,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？钟世镇、裴国献、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,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；总结并逐渐完善一套应用方案。,12,.,研究内容,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）；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）；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-第一阶段,我科2012年1月-2012年12月，采用CT术前测量技术，对12例患者进行三维重建及术前设计；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-第一阶段,报告如下：,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-第一阶段,表1,.,术前张口位DR,研究内容-第一阶段,典型病例：,病例1：枢椎齿状突骨折,.,术前设计,研究内容-第一阶段,.,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：,病例2：胸2、3椎管内肿瘤,术前MR,研究内容-第一阶段,.,术前设计,研究内容-第一阶段,.,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：,.,典型病例：,病例3：胸4、5椎体结核,术前设计,研究内容-第一阶段,术前MR,.,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-第一阶段,3.小结：,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%）；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；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。,.,能否不依赖于CT机工作站，在计算机上完成上述研究？能否进一步提升置钉准确率？,.,研究内容-第二阶段,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；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-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：,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（椎弓根高、宽、钉道长度、角、角）：,.,.,研究内容-第二阶段,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-第二阶段,寰椎术前设计图,.,研究内容-第二阶段,枢椎术前设计图,.,研究内容-第二阶段,结果,.,研究内容-第二阶段,6.小结：,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%）；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；不足：Mimics软件要达到熟练应用的学习曲线较长，阻碍了该技术的广泛推广应用。,.,2012年4月，英国经济学人发表专题报道指出，全球正在经历第三次工业革命，而“3D打印是这次工业革命的重要标识”！,.,能否将3D打印技术应用于脊柱内固定系统？能否将复杂的置钉过程变得直观化、简单化？,.,研究内容-第三阶段,Makerbot5th快速成型系统,我科3D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-第三阶段,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。,1RafaelAuras,Loong-TakLim,SusanE.M.Selke,HidetoTsuji.Poly(LacticAcid):Synthesis,Structures,Properties,Processing,andApplications.doi:10.1002/9780470649848.ISBN9780470293669.,.,研究内容-第三阶段,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。,1GinaL.Fiore;FengJing;VictorG.Young,Jr.;ChristopherJ.Cramer;MarcA.Hillmyer.HighTgAliphaticPolyestersbythePolymerizationofSpirolactideDerivatives.PolymerChemistry.2010,(1):870877.,.,研究内容-第三阶段,聚乳酸具有较好的生物安全性，其能否使用高温消毒？,.,研究内容-第三阶段,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？所以如何将其安全、稳定的带上手术台，是又一个问题。,.,研究内容-第三阶段,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-第三阶段,细菌培养结果显示无菌落生长！环氧乙烷针对聚乳酸消毒效果达到手术标准！,.,研究内容-第三阶段,颈椎模型与导板的打印试验：,C1,C2,C3,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-第三阶段,导板贴合良好,.,研究内容-第三阶段,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-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-第三阶段,.,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,研究内容-第三阶段,术前CT,术前MR,.,研究内容-第三阶段,术前设计,术中使用,.,研究内容-第三阶段,术后DR,术中透视,.,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-第三阶段,术前设计,.,研究内容-第三阶段,术后DR,.,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-第三阶段,术前CT,.,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-第三阶段,术后CT,术后DR,.,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,术前CT,.,研究内容-第三阶段,术前设计,术中使用,术中透视,.,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-第三阶段,.,研究体会,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；在导向模板的辅助下，螺钉1次置入的精确性较高；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；缩短了手术时间，减少了患者和医务人员所受的射线损伤；数字化技术结合3D打印技术，在脊柱内固