數(shù)字化虛擬技術在脊柱椎弓根內(nèi)固定系統(tǒng)的應用研究

1、研究背景,研究目的,研究內(nèi)容,體會與討論,研究背景,脊柱的直立解放了雙手，將人類與其他動物區(qū)別開來，為人類文明跨越式發(fā)展，做出巨大貢獻；脊柱相關的各種疾病隨之增加，如脊柱畸形、脊柱骨折脫位、脊椎滑脫和退變性椎間盤病變等。,研究背景,椎弓根是椎骨中最堅強的部分，被稱之為“力的核心”，是前柱和后結構的連接部；經(jīng)椎板關節(jié)突傳達到椎體的力均通過椎弓根，可經(jīng)受側彎、旋轉和伸屈力矩。,研究背景,經(jīng)椎弓根螺釘內(nèi)固定技術，可獲得滿意的生物力學穩(wěn)

2、定性；1959年Boucherl[1]首先應用椎弓根固定技術，將椎弓根螺釘穿過后關節(jié)進行固定。,[1] BOUCHER H H. A method of spinal fusion[J]. J Bone Joint Surg Br. 1959, 41-B(2): 248-259.,上胸椎和頸椎的椎弓根相對細小，周圍毗鄰脊髓、神經(jīng)根、椎動脈、靜脈叢等重要組織；椎弓根形態(tài)存在個體差異和體位變化等因素，造成上胸椎和頸椎椎弓根螺釘置入的

3、困難和危險性大。,研究背景,研究背景,目前常用徒手置釘方法來完成椎弓根螺釘系統(tǒng)的置入，該種方法主要憑借術者的手術經(jīng)驗，主觀性較強；然而該種方法學習曲線較長，且存在精確度較低、反復穿刺、多次透視以及螺釘穿出率較高等缺點。,研究背景,因而螺釘穿入椎動脈孔、椎管，時有發(fā)生：,研究背景,數(shù)字可視化人體技術Digital Visible Human Being Technology,20世紀末出現(xiàn)的先進技術信息技術與醫(yī)學的交叉通過計算機

4、重建三維圖象應用于航空、設計、制造、電影特技、游戲等醫(yī)學：診斷、新藥開發(fā)、手術等許多領域迅速發(fā)展,研究背景,數(shù)字化可視人體Digital Visible Human Being,研究背景,如何將數(shù)字化技術應用于脊柱疾病的研究，尤其是脊柱內(nèi)固定系統(tǒng)的研究？鐘世鎮(zhèn)、裴國獻、張元智、陸聲、尹慶水等人在國內(nèi)率先開展相關研究，并出版專著《數(shù)字骨科學》、《臨床數(shù)字骨科學》。,研究目的,利用數(shù)字化技術，結合3D打印技術，在脊柱內(nèi)固定系統(tǒng)進行

5、應用研究；總結并逐漸完善一套應用方案。,11,研究內(nèi)容,第一階段：CT三維重建，多平面測量、術前設計（2012年1月-2012年12月）；第二階段：Mimics軟件重建，三維測量、術前設計（2013年1月-2013年12月）；第三階段： Mimics軟件重建、設計，導航模板制作，3D打印技術應用（2014年1月至今）。,研究內(nèi)容-第一階段,我科2012年1月-2012年12月，采用CT術前測量技術，對12例患者進行三維重建及術前設

6、計；共計置入椎弓根釘共計50枚，穿出3枚，置釘準確率為94%[1]。,[1] 寧金沛等. 三維重建技術在上胸椎和頸椎椎弓根螺釘植入的臨床應用. 實用骨科雜志. 2014 :20(7).,研究內(nèi)容-第一階段,報告如下：,病例詳情： 共計12例，其中男5例，女7例，年齡25～74歲，平均47歲（表1）；2. 利用CT工作站進行三維重建及術前三維測量（椎弓根高、寬、釘?shù)篱L度、α角、β角）：,CT工作站進行參數(shù)測量,研究內(nèi)容

7、-第一階段,表1,術前張口位DR,研究內(nèi)容-第一階段,典型病例：,病例1：樞椎齒狀突骨折,術前設計,研究內(nèi)容-第一階段,研究內(nèi)容-第一階段,術后復查：顯示椎弓根釘置入精準，位置滿意：,典型病例：,病例2：胸2、3椎管內(nèi)腫瘤,術前MR,研究內(nèi)容-第一階段,術前設計,研究內(nèi)容-第一階段,研究內(nèi)容-第一階段,術后復查：顯示椎弓根釘置入精準，位置較好：,典型病例：,病例3：胸4、5椎體結核,術前設計,研究內(nèi)容-第一階段,術前MR,研究內(nèi)容-第一

8、階段,術后復查：顯示椎弓根釘置入精準，位置較好：,術后DR,研究內(nèi)容-第一階段,3. 小結：,CT三維重建技術輔助椎弓根螺釘植入具有較好的可行性，同時置釘準確率高（94%）；該技術縮短了年輕醫(yī)生行椎弓根置入手術的學習曲線，加速年輕脊柱外科醫(yī)生的成長等優(yōu)點，值得在臨床上推廣使用；尚存在以下不足：術前準備較復雜，需要CT室醫(yī)師協(xié)同完成，消耗較多人力；置釘準確度可進一步提高。,能否不依賴于CT機工作站，在計算機上完成上述研究？能否進

9、一步提升置釘準確率？,研究內(nèi)容-第二階段,我科自2013年1月-2013年12月對12例需行椎弓根釘固定的患者（A組），采用術前Mimics三維重建技術進行椎弓根植釘?shù)脑u估，并與2012年14例徒手置釘患者（B組），進行置釘準確率比較；A組共計置入椎弓根螺釘46枚，穿出1枚，置釘準確率為97.8%；B組共計置入椎弓根螺釘40枚，穿出8枚，置釘準確率為80%，兩組間有統(tǒng)計學差異（P=0.002）,研究內(nèi)容-第二階段,,a.椎弓根水平面測

10、量； b.椎弓根矢狀面測量。,報告如下：,病例詳情： 共計12例，其中男5例，女7例，年齡20～75歲，平均47.3歲（表2）；2. 利用Mimics軟件進行三維重建及術前三維測量（椎弓根高、寬、釘?shù)篱L度、α角、β角）：,研究內(nèi)容-第二階段,在Mimics軟件上確定進釘點參數(shù)測量，并模擬置釘；,a.根據(jù)CT測量的數(shù)據(jù)確定Mimics軟件上螺釘?shù)倪M針點； b.根據(jù)測量的進針點，在Mimics上模擬置入螺釘；c.置入的螺釘完

11、全位于椎弓根內(nèi)；d.椎弓根的寬度；e.模擬置入螺釘?shù)拈L度；f.模擬置入螺釘?shù)摩两?；g.模擬置入螺釘?shù)摩陆恰?研究內(nèi)容-第二階段,寰椎術前設計圖,研究內(nèi)容-第二階段,樞椎術前設計圖,研究內(nèi)容-第二階段,結果,研究內(nèi)容-第二階段,6. 小結：,Mimics三維重建技術輔助椎弓根螺釘置入可行性較高，置釘準確率較CT輔助技術進一步提高（94%→97.8%）；該技術縮短了年輕醫(yī)生行椎弓根置入手術的學習曲線，加速年輕脊柱外科醫(yī)生的成長等優(yōu)點，值

12、得在臨床上推廣使用；不足：Mimics軟件要達到熟練應用的學習曲線較長，阻礙了該技術的廣泛推廣應用。,2012年4月，英國《經(jīng)濟學人》發(fā)表專題報道指出，全球正在經(jīng)歷第三次工業(yè)革命，而“3D打印是這次工業(yè)革命的重要標識”！,能否將3D打印技術應用于脊柱內(nèi)固定系統(tǒng)？能否將復雜的置釘過程變得直觀化、簡單化？,研究內(nèi)容-第三階段,Makerbot 5th快速成型系統(tǒng),我科3D打印機,成型速度快；模型精度高；材料為聚乳酸（PLA），無毒

13、副作用，可接觸人體組織。,研究內(nèi)容-第三階段,聚乳酸對人體有高度安全性并可被組織吸收，加之其優(yōu)良的物理機械性能，其可應用在生物醫(yī)藥領域，如一次性輸液工具、免拆型手術縫合線、藥物緩解包裝劑、人造骨折內(nèi)固定材料、組織修復材料、人造皮膚等[1] 。,[1] Rafael Auras, Loong-Tak Lim, Susan E. M. Selke, Hideto Tsuji. Poly(Lactic Acid): Synthesis, St

14、ructures, Properties, Processing, and Applications. doi:10.1002/9780470649848. ISBN 9780470293669.,研究內(nèi)容-第三階段,高分子量的聚乳酸有非常高的力學性能，在歐美等國已被用來替代不銹鋼，作為新型的骨科內(nèi)固定材料如骨釘、骨板而被大量使用，其可被人體吸收代謝的特性使病人免收了二次開刀之苦。其技術附加值高，是醫(yī)療行業(yè)發(fā)展前景的高分子材料[1]。,

15、[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): 870–877.,研究內(nèi)容-第三階

16、段,聚乳酸具有較好的生物安全性，其能否使用高溫消毒？,研究內(nèi)容-第三階段,使用其他方法（如浸泡法、照射法）會不會導致材料溶解，或者滅菌不徹底？所以如何將其安全、穩(wěn)定的帶上手術臺，是又一個問題。,研究內(nèi)容-第三階段,消毒效果的評估：,使用環(huán)氧乙烷消毒后打包,表面取材,深部取材,送細菌培養(yǎng),,,研究內(nèi)容-第三階段,細菌培養(yǎng)結果顯示無菌落生長！環(huán)氧乙烷針對聚乳酸消毒效果達到手術標準！,研究內(nèi)容-第三階段,頸椎模型與導板的打印試驗：,C1,

17、C2,C3,復位前,復位后,C1椎弓根螺釘導板,C2椎弓根螺釘導板,C3側塊螺釘導板,研究內(nèi)容-第三階段,導板貼合良好,研究內(nèi)容-第三階段,我科自2014年1月對6例需行椎弓根釘固定的患者，行術前Mimics軟件三維重建、制作導航模板、3D打印并在術中應用，獲得了較好的臨床效果；報告如下：,研究內(nèi)容-第三階段,第1例：潘某某，女，57歲，診斷：T8、9椎體漿細胞瘤,實例應用,術前資料,術中使用,術前設計,術中透視,研究內(nèi)容-第三階段

18、,研究內(nèi)容-第三階段,術后DR,術后大體標本,第2例：潘某某，男，61歲，診斷：T4椎體轉移瘤,研究內(nèi)容-第三階段,術前CT,術前MR,研究內(nèi)容-第三階段,術前設計,術中使用,研究內(nèi)容-第三階段,術后DR,術中透視,研究內(nèi)容-第三階段,第3例：李某某，男，65歲，診斷：無骨折脫位型頸髓損傷,術前CT,術前MR,研究內(nèi)容-第三階段,術前設計,研究內(nèi)容-第三階段,術后DR,研究內(nèi)容-第三階段,第4例：黎某某，男，27歲，診斷：頸2齒突骨折,

19、術前MR,術前CT,研究內(nèi)容-第三階段,術前CT,研究內(nèi)容-第三階段,術前設計,術中使用,術中透視,術中照片,研究內(nèi)容-第三階段,術后CT,術后DR,研究內(nèi)容-第三階段,第5例：陳某，男，31歲，診斷：C1后弓骨折、C2齒突骨折,術前DR,術前CT,研究內(nèi)容-第三階段,術前設計,術中使用,術中透視,研究內(nèi)容-第三階段,術后DR,第6例：林某，男，50歲，診斷：頸髓挫傷并高位截癱,研究內(nèi)容-第三階段,研究體會,數(shù)字化技術輔助椎弓根螺釘置入

20、，具有較高的可行性，可較大幅度提升準確率；在導向模板的輔助下，螺釘1次置入的精確性較高；置釘難度下降，通過使用個體化的導向模板，極大的縮短了學習曲線，使得復雜手術變的簡單化成為可能；縮短了手術時間，減少了患者和醫(yī)務人員所受的射線損傷；數(shù)字化技術結合3D打印技術，在脊柱內(nèi)固定研究領域，具有很好的研究意義和應用前景！,討論,導航模板的設計原理及方法個體化制作，符合現(xiàn)代醫(yī)學對個性化、精確化治療的要求。臨床應用應注意的問題模板