个性化3D打印模型在后路寰枢椎内固定训练中的临床研究.pdf

中文科技期刊数据库（全文版）医药卫生 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：许洋（1988），硕士，主治医师，主要从事脊柱外科研究。-91-个性化 3D 打印模型在后路寰枢椎内固定训练中的临床研究 许 洋 李金海 谢昊真 杨成纲 江西省瑞金市人民医院骨科，江西 瑞金 342500 摘要：摘要：目的 本研究的目的是评估个性化 3D 打印模型对住院医师寰枢椎椎弓根螺钉内固定的训练效果。方法 招募 10 名志愿者制作 20 个 3D 打印的真人同比例上颈椎模型(每名志愿者两个模型)。随后 1 名无徒手寰枢椎椎弓根螺钉内固定技术经验的住院医师分别进行首次置钉及在高年资主任医师指导训练后再置钉。操作完成后对颈椎模型进行三维 CT 扫描，以评估螺钉内是否穿出皮质骨，并记录完成置钉所需时间。随后对训练前 10 个脊柱模型的结果与训练后的 10 个模型的结果进行比较分析，以评估训练学习效果。结果 首次置钉组穿透皮质螺钉共 14枚，平均穿透距离为 2.290.73 毫米；训练后置钉组穿透皮质螺钉共 6 枚，平均穿透距离为 1.510.52 毫米，较首次置钉组明显更低，差异有统计学意义（P=0.030）。训练后置钉组的置钉失败率为 15（6/40），显著低于首次置钉组的置钉失败率 35（14/40），差异有统计学意义（P=0.039）。训练后置钉组的每个模型平均置钉时间为 15.602.46 分钟，同样显著低于首次置钉组的每个模型平均置钉时间 21.404.35，两组差异存在统计学意义（P=0.002）。结论 3D 打印颈椎模型可以成为培训寰枢椎椎弓根螺钉置入的初学者的绝佳工具。关键词：关键词：3D 打印；寰枢椎椎弓根螺钉；骨科住院医师；置钉培训 中图分类号：中图分类号：R687 寰枢椎椎弓根螺钉固定术是一种被广泛接受的颈椎后路手术的治疗方法，与其他手术方法相比，其优点包括优良的生物力学性能、改善冠状面和轴向矫正，以及较低的翻修率1。然而，这一手术方式普及程度有限，主要是因为在上颈椎放置椎弓根螺钉时存在极大的技术风险，椎弓根螺钉的不慎穿孔可能会导致致命性的后果2-4。对解剖结构的完全理解和精确的手术技术是完成寰枢椎椎弓根螺钉固定的关键所在。传统上，寰枢椎椎弓根螺钉置钉技术是通过术中学习和尸体培训所获得。然而，由于与病人安全和手术效率的顾虑，术中培训初学者的可行性十分有限5,6。另一方面，由于尸体的成本、保存等问题，通过尸体培训的方式同样效率低下。个性化 3D 打印，已被广泛用于医疗领域，特别是在诸多基层医院也有应用7。既往有研究报道了使用脊柱模型对腰椎进行椎弓根螺钉植入训练8。因此，通过3D 打印创建的解剖模型，作为一种潜在的培训工具，无疑是可以用于培训外科医生获得更精确的手术技能。在此我们使用 3D 打印技术打印了上颈椎模型用于基层医院培训寰枢椎椎弓根螺钉置入技术，并进一步量化学习曲线以评估其可行性。现报道如下：1 资料与方法 1.1 上颈椎模型制备 招募 10 名成年志愿者（5 名男性，5 名女性），平均年龄为 55.2 岁（范围 45-63 岁）。收集了这些志愿者的颈椎螺旋 CT（GE Healthcare,Waukesha,WI,USA）的连续断层扫描数据。扫描所得颈椎数据以DICOM(Digital Imaging and Communications in Medicine)格式保存，并通过 MIMICS(Materialise Interactive Medical Image Control System Software,Materialise,Leuven,Belgium)将 DICOM 数据保存为 表 1 首次置钉与训练后置钉结果与比较 组别 首次置钉组 训练后置钉组 统计值 P 值 置钉失败率 35（14/40）15（6/40）x2=2.066)0.039*皮质穿透距离（mm）2.290.73（n=14）1.510.52（n=6）t=2.357 0.030*平均置钉时间(min)21.404.35 15.602.46 t=3.670 0.002*注：*表示 P0.05，有统计学差异。中文科技期刊数据库（全文版）医药卫生-92-立体光刻文件，使用 3D 打印机(赛纳 J300,珠海赛纳三维科技有限公司,中国)按 1：1 比例打印颈椎模型，每名志愿者打印 2 个，共 20 个模型。1.2 置钉方法 C1 椎弓根螺钉的置钉方式采用使用 Ma 等人13描述的方法。将 C1 椎弓根螺钉的进入点定义为与 C2侧块中心一致，在 C1 椎体上缘下方至少 3mm，螺钉轨迹方向确定为内侧方向 10，头侧方向 5。C2 椎弓根螺钉使用 Harms 和 Xu14,15描述的方法，椎弓根轴的投影点位置为枢椎椎板上缘水平线下 5.5mm 和垂直线外侧 7.5mm。螺钉轨迹沿 C2 椎弓根向内侧和头侧方向放置约 20至 30。1.3 评价指标 于本科室选一名无徒手寰枢椎椎弓根螺钉内固定技术经验的住院医师对 10 个模型进行首次置钉操作；随后再由科室一名经验丰富的主任医师对其操作进行针对性训练后再对后 10 个模型进行训练后置钉操作。每次置钉后对模型进行 CT 扫描检查，记录对比两次置钉穿出皮质长度、置钉失误率和、置钉时间以评估模型的训练价值。1.4 统计学分析 采用 SPSS 26.0 统计学软件处理数据。计量资料以(sx)表示，组间比较采用独立样本 t 检验，组内比较采用配对 t 检验和单因素方差分析；计数比较采用卡方检验。以 P0.05 表示差异具有统计学意义。2 结果 两组模型共置入 80 枚椎根弓螺钉，20/80 枚螺钉（25）穿透了椎弓根皮质，平均穿透距离为 1.710.72 毫米。其中首次置钉组穿透皮质螺钉共 14 枚，平均穿透距离为 2.290.73 毫米；训练后置钉组穿透皮质螺钉共 6 枚，平均穿透距离为 1.510.52 毫米，较首次置钉组明显更低，差异有统计学意义（P=0.030）。训练后置钉组的置钉失败率为 15（6/40），显著低于首次置钉组的置钉失败率 35（14/40），差异有统计学意义（P=0.039）。训练后置钉组的每个模型平均置钉时间为 15.602.46 分钟，同样显著低于首次置钉组的每个模型平均置钉时间 21.404.35，两组差异存在统计学意义（P=0.002）。详见表 1，图 1 为模型训练示例。图 1 模型训练示例 A，3D 打印模型置入寰枢椎椎根弓螺钉；B，完成置钉后进行 CT 扫描；C，螺钉横断面图示未见皮质穿透；D，螺钉矢状面图示未见皮质穿透。3 讨论 后路寰枢椎椎弓根螺钉固定是公认的治疗寰枢椎脱位和不稳定的“金标准”术式，因其具有长期稳定、融合率高、位置矫正效果好等优点，被脊柱外科医生广泛接受4,9-13。然而，由于椎弓根螺钉的大小、寰枢椎复杂的区域解剖关系，寰枢椎椎弓根螺钉的放置对于所有脊柱医师而言都是一个巨大的挑战14。椎弓根螺钉能否成功放置已成为手术成功的重要前提。然而，徒手进行寰枢椎椎弓根螺钉置入是十分困难，同时危险系数也极高，特别是对于没有经验的外科医生。因此，通过有效的模拟和培训以提高寰枢椎椎弓根螺钉置入的技术能力已成为脊柱外科医生的迫切需要。在传统的外科教育中，受训者通常是在有经验的外科医生的监督下在手术中学习并锻炼手术技能。然而，随着外科手术的迅速发展变化，以及对病人安全和手术效率的高度关注，对培训的要求也逐渐增加15。长期以来，尸体解剖操作一直被用作培训工具，但其缺点是价格昂贵，需要特殊的准备和储存，并可能对受训者造成健康危害的风险16。因此，我们在本研究中积极探索并提出了新型的模拟工具作为替代对象。在过去的几十年里，3D 打印技术在脊柱外科被广泛应用，其中就包括用于术前规划和病人宣教的模型，以及术中使用的导航模板17-21。近年来，3D 打印模型中文科技期刊数据库（全文版）医药卫生-93-被报道用于脊柱椎弓根螺钉置入的培训工具。Gottschalk 等人8研究了使用3D 打印模型进行颈椎侧块螺钉置入的手术训练效果，结果表明，使用 3D 打印模型的训练明显提高了骨科住院医师正确置入侧块螺钉的能力。Park 等人2描述了使用真人大小的 3D 打印腰椎模型进行椎弓根螺钉置入训练的研究，他们认为3D 打印脊柱模型可以成为训练腰椎椎弓根螺钉置入初学者的绝佳工具。我们的研究同样证明了 3D 打印的上颈椎模型是一种安全、有效的寰枢椎椎弓根螺钉植入术初学者培训的新方法。具体的来说，经过 3D 打印模型结合 CT 扫描结果进行针对性的纠错训练后，无论是置钉失败率还是置钉时间均获得了显著进步。能够获得良好培训效果的主要得益于个性化3D打印技术能够完全复制患者的真实颈椎骨性解剖结构，这对于需要行颈椎椎弓根螺钉置入的术者来说无疑有着很大帮助，也对青年医师的置钉技术培训有着极为重要的意义。等比例同形态复制的个性化 3D 打印模型能够让术者和青年医师在第一时间了解患者的个体骨性解剖特异性，允许青年医师在术前进行充分的手术设计和模拟置钉，加强青年医师的手术技巧培训，同时在无压力环境下让青年医师建立充足的手术信心22,23。此外，个性化 3D 打印模型对于存在解剖变异的患者的术前准备和术前模拟有着更为重要的意义。因此，个性化3D打印模型在基层医院的颈椎置钉训练无疑有着极高的临床应用推广意义。然而，这一训练方式也有不足之处。首先，模型在训练过程中是完全暴露于操作者的视野中的，这无法模拟真正的术中视野。其次，使用 3D 打印模型进行椎弓根螺钉内固定时的骨硬度感可能与真实椎弓根不同。最后，模型在操作中无血液影响，而真正的术中操作时血液对螺钉的置入无疑是存在一定影响的。综上所述，1：1 比例个性化 3D 打印颈椎模型是用于训练初学者徒手行寰枢椎椎弓根螺钉置入的极好工具，其优势在于制作方便，价格低廉，值得在基层医院进行推广应用。参考文献 1KIM Y J,LENKE L G,KIM J,et al.Comparative analysis of pedicle screw versus hybrid instrumentation in posterior spinal fusion of adolescent idiopathic scoliosis J.Spine(Phila Pa 1976),2006,31(3):291-8.2PARK H J,WANG C,CHOI K H,et al.Use of a life-size three-dimensional-printed spine model for pedicle screw instrumentation training J.Journal of orthopaedic surgery and research,2018,13(1):86.3欧阳北平,马向阳,罗春山,等.不同横连模式后路寰枢椎椎弓根钉棒固定术治疗寰枢椎脱位的临床疗效J.中国脊柱脊髓杂志,2022,32(12):1112-9.4左强,周全,胡靖,etal.寰枢椎椎弓根螺钉固定融合疗法与后路寰枢椎经关节螺钉结合寰椎椎板钩固定融合疗法治疗寰枢椎脱位的临床疗效比较J.临床和实验医学杂志,2022,21(6):618-21.5LOPEZ G,WRIGHT R,MARTIN 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