3D打印导航模块辅助腰椎椎弓根螺钉精确植入的研究

发布时间：2017-05-06 15:12

  本文关键词：3D打印导航模块辅助腰椎椎弓根螺钉精确植入的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：背景随着现代工业和交通运输业的发展,车祸和摔伤的病人越来越多,是创伤性腰椎骨折最常见的两大致病因素。因腰椎椎弓根螺钉内固定系统能有效实现腰椎的前、中、后三柱固定,加强脊柱的支撑及抗扭转的刚度,且具有及佳的生物力学性能,故在临床腰椎相关疾病中广泛应用,得到了医生和患者的认可,获得了良好的临床治疗效果。腰椎椎弓根螺钉内固定系统经历了漫长的发展阶段。早期脊柱后路手术多使用棘突钢板作为内固定方式,但棘突钢板仅仅固定了脊柱的后柱,不能治疗中柱和前柱的脊柱骨折,且其对于骨折后的后突畸形无矫正作用,临床治疗效果较差,故现在医生已经很少使用棘突钢板来进行内固定治疗。1948年,King发明出一种新型螺钉。此种新型螺钉可经关节突抵达椎弓根,King设想通过关节突间的固定来促进脊柱的融合,但是未获得成功。1959年,Boucher用长螺钉经椎弓根抵达椎体,应用于腰骶椎融合内固定手术,取得了良好的临床治疗效果。1963年,Roy-Camille首次研发出完整的椎弓根螺钉钢板,用来治疗不稳定性胸腰椎骨折。1986年,Roy-Camille等经过反复的临床实验,不断地改良椎弓根螺钉,最终在应用椎弓根技术治疗脊柱骨折疾病上取得了良好的临床效果,并证实这种新技术相对于传统手术方法而言,能够提供更为安全、坚强、牢固的短节段脊柱内固定,临床治疗效果上佳。1997年,美国FDA正式批准此种方法为可行的脊柱后路固定方法。至此之后,经椎弓根内固定技术开始迅速发展,并逐渐形成了以Roy-Camille、Steflee为代表的钢板内固定系统和以AO、RF为代表的螺钉内固定系统。目前较为常用的腰椎椎弓根螺钉植入方法主要包括如下几种：解剖标志点法、X线透视辅助法、计算机辅助导航法、机器人法以及个体化腰椎椎弓根螺钉导航模板法。以上不同的椎弓根螺钉植入方法,在临床实际应用中各有利弊。解剖标志点法：椎弓根螺钉的进钉点和进钉方向主要依靠术者的经验来进行判断,术者凭手感使用椎弓根探子对置钉通道进行探测,以保证椎弓根螺钉的准确植入。据报道,应用各种解剖标志点法的椎弓根皮质的穿破率为0～17%。X线透视辅助法：术中利用C型臂等影像学辅助设备帮助植入腰椎椎弓根螺钉。此种方法,术中多次使用X线设备,增加了患者及术者在术中所受的辐射量,加重了手术本身对患者和术者的损伤,并且延长了手术的操作时间。Sagi等研究表明X线透视辅助法植入椎弓根螺钉的准确性为73%。由此可见,X线透视辅助法对椎弓根螺钉植入的准确性并无显著提高。计算机辅助导航法：通过计算机导航设备的辅助,可明显提高腰椎椎弓根螺钉植入的准确性,但是计算机导航设备费用昂贵,操作步骤较为复杂,熟练掌握需要较长时间的经验积累,学习曲线较长,不易推广到基层医院,另外术中体位变化等因素有可能影响导航的准确性。机器人法：机器人辅助腰椎椎弓根螺钉的植入,准确率较高,但目前机器人设备昂贵,尚未形成产业化,短期内还不能推广。数字化导航模板法：通过电脑软件数字化设计并利用3D打印机制造出导航模块和腰椎实体模型,医生可以进行术前模拟手术,熟练手术操作,开拓医生的思路,有利于医生设计出适合患者的最佳手术方案,遵循了个体化腰椎椎弓根螺钉植入的原则,提高了螺钉植入的准确性,并在很大程度上减少了术中脊髓、神经和血管损伤的可能性。同时,数字化导航模板法具有缩短手术时间、避免过多的X线辐射、操作简便等优点,因此其具有较好的临床应用前景。但现有的导航模板的稳定性还不够好,数字化设计所需的时间较长,制作成本偏高,不利于推广到基层医院。近年来,随着科技的进步,3D打印技术发展迅速。3D打印机可打印出器官或组织的三维实体模型,能将器官或组织内部结构的细节真实地突显出来,使医学知识变得更为直观明了。与此同时,通过3D打印技术制造出三维实体模型可以清晰直观地显示患者的疾病状况,以便医生更为详细地了解患者的病情,如复杂骨折、严重畸形等。其提供了比医学影像资料更加具体的解剖学信息,实现了由虚拟到现实、由二维到三维、由平面到立体的转变。医生可直接在打印的三维实体模型上进行手术设计及模拟试验,开拓思路,熟练手术操作,以确保实际手术的成功。因此,3D打印技术为临床疾病的诊断和治疗提供了个性化、精确化的新思路和新方法。基于数字化设计和3D打印技术的个体化腰椎椎弓根螺钉导航模块能够和特定患者的实体骨骼完全匹配,具有准确、安全、便于使用等优点,并可有效减少医生和患者在术中的放射性暴露。综上所述,3D打印技术为临床医生诊断和治疗疾病的提供了新思路和方法,有助于个体化医疗的进步。但是,为了促进腰椎椎弓根螺钉植入手术的发展,尚需进一步探讨具有螺钉植入准确率高、设计简单、操作方便、对手术人员经验技术要求低,并能缩短手术时间、减少术中X线损伤等优点的新型腰椎椎弓根螺钉植入方法,而3D打印技术的进步为这一方法的可行性铺开了道路。3D打印导航模块辅助腰椎椎弓根螺钉精确植入的实验研究目的通过在电脑软件Mimics 14.0中数字化设计个体化腰椎椎弓根螺钉导航模块,利用3D打印技术制造出个体化腰椎椎弓根螺钉导航模块实体和腰椎实体,接着使用导航模块在3D打印的腰椎上进行模拟螺钉植入试验,以验证导航模块的可行性及精确性,为实际手术中实现微创下个体化的腰椎椎弓根螺钉精确植入打好坚实的基础。方法利用软件Mimics 14.0三维重建成人虚拟腰椎(L1-L5)三维模型,去除与椎弓根螺钉植入无关的其他组织结构,以免其影响设计人员的视野和操作,仅保留与个体化腰椎椎弓根螺钉导航模块数字化设计相关的腰椎。首先,进行导航杆的设计,一般选择腰椎“人”字嵴的中心为腰椎椎弓根螺钉的进钉点,调整导航杆位置,使其恰好穿过椎弓根中心,此时导航杆的方向和位置即是虚拟钉道的方向和位置。基于导航杆,数字化设计出个体化腰椎椎弓根螺钉导航模块前体,使导航模块前体的前端与腰椎“人”字嵴部位的骨面紧密贴合,然后通过“布尔运算”,用导航模块前体减去腰椎和导航杆便可获得虚拟的个体化腰椎椎弓根螺钉导航模块。接着,将虚拟的个体化腰椎椎弓根螺钉导航模块和腰椎数据导入到3D打印机所配套的软件MakerWare中,调整导航模块和腰椎位置,设置好打印属性,接着通过3D打印机制造出个体化腰椎椎弓根螺钉导航模块和腰椎标本实体。最后,在个体化腰椎椎弓根螺钉导航模块的辅助下植入合适尺寸的腰椎椎弓根螺钉。观察试验植入腰椎椎弓根螺钉的进钉点、进钉方向和螺钉在椎弓根内的位置,并与在Mimics 14.0中虚拟的腰椎椎弓根螺钉植入方案进行比较,用以检验实际置钉和虚拟置钉的一致性。观察有无腰椎椎弓根螺钉穿破腰椎椎弓根皮质,评价螺钉的植入效果。结果(1)总共通过数字化设计和3D打印技术研制了228个个体化腰椎椎弓根螺钉导航模块,应用228个个体化腰椎椎弓根螺钉导航模块辅助植入腰椎椎弓根螺钉228枚。全部螺钉的进钉点,进钉方向均与虚拟置钉方案相一致,螺钉在椎弓根内位置良好,无一例螺钉穿破椎弓根皮质。进钉点大多位于“人”字嵴的中央部位,腰椎椎弓根螺钉准确地位于椎弓根的中心,距离上、下、内、外侧壁的距离适中。(2)数字化设计的个体化腰椎椎弓根螺钉导航模块的直径范围为7-9mm,长度为25-35mm,在此范围内,个体化腰椎椎弓根螺钉导航模块与腰椎“人”字嵴部位骨面贴合紧密,固定牢固,应用方便。根据不同患者的实际需要,植入的腰椎椎弓根螺钉的直径一般为腰椎椎弓根横径的70%左右,椎弓根螺钉的长度为钉道长度的80%左右。结论基于数字化设计的3D打印个体化腰椎椎弓根螺钉导航模块能够有效地辅助植入腰椎椎弓根螺钉,螺钉植入的精确性高。此种方法操作方便、过程简单、学习曲线短、减少了患者的术者的放射性暴露、对术者的手术经验和技术要求低、便于推广普及。3D打印导航模块辅助腰椎椎弓根螺钉精确植入的临床应用研究目的将基于数字化设计的3D打印个体化腰椎椎弓根螺钉导航模块应用于临床腰椎骨折患者,检验个体化腰椎椎弓根螺钉导航模块辅助植入腰椎椎弓根螺钉的可行性及精确性,实现微创下个体化的腰椎椎弓根螺钉精确植入。方法采集2例成年腰椎前柱压缩性骨折患者CT数据资料,将CT资料导入软件Mimics14.0中,三维重建患者的虚拟腰椎三维模型。设计个体化腰椎椎弓根螺钉导航模块,并利用3D打印机制造出个体化腰椎椎弓根螺钉导航模块和腰椎实体。术前,先利用腰椎椎弓根螺钉个体化导航模块在3D打印的腰椎标本上进行模拟腰椎椎弓根螺钉植入试验,成功后将导航模块消毒后带入手术室,术中应用个体化腰椎椎弓根螺钉导航模块辅助植入腰椎椎弓根螺钉,通过术后X线和CT检查,评价腰椎椎弓根螺钉植入的效果。结果总共通过数字化设计和3D打印技术制作了12个个体化腰椎椎弓根螺钉导航模块,并应用导航模块辅助植入12枚腰椎椎弓根螺钉。全部12枚螺钉均位于腰椎椎弓根内,位置良好,无一例螺钉穿破腰椎椎弓根皮质,无并发症的产生,椎弓根螺钉植入的精确性高。全部椎弓根螺钉的进钉点,进钉方向都与术前模拟方案相一致。结论基于数字化设计的3D打印腰椎椎弓根螺钉导航模块辅助腰椎椎弓根螺钉植入的精确性高,可以实现个体化的微创下腰椎椎弓根螺钉精确植入。此种方法操作简单、易于上手、便于推广到基层医院,帮助缺乏椎弓根螺钉植入手术经验和技术的年轻医生良好地完成腰椎椎弓根螺钉植入手术。
【关键词】：数字化设计 3D打印 导航模块 腰椎 椎弓根螺钉
【学位授予单位】：南方医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R687.3
【目录】：

• 摘要3-9
• ABSTRACT9-17
• 前言17-20
• 第一章 3D打印导航模块辅助腰椎椎弓根螺钉精确植入的实验研究20-37
• 1 材料与方法20-28
• 2 实验结果28-29
• 3 讨论29-35
• 4 结论35-37
• 第二章 3D打印导航模块辅助腰椎椎弓根螺钉精确植入的临床应用研究37-49
• 1 材料与方法37-44
• 2 结果44-45
• 3 讨论45-48
• 4 结论48-49
• 全文小结49-50
• 参考文献50-55
• 中英文对照缩略词表55-56
• 成果56-57
• 致谢57-60

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 王金涛;刘美娟;苗雷英;孙宏晨;欧阳喈;;下颌骨缺损修复新进展[J];吉林大学学报(医学版);2005年06期

2 王忠宏;李扬帆;张曼茵;;中国3D打印产业的现状及发展思路[J];经济纵横;2013年01期

  本文关键词：3D打印导航模块辅助腰椎椎弓根螺钉精确植入的研究，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：348638