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【临床案例】个性化骶髂螺钉置入导向模板数字化设计和3D打印

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背景
骨盆骨折是一种严重外伤,占骨折总数的1%~3%,多由高能外伤所致,半数以上伴有合并症或多发伤,致残率高达50%~60%。最严重的是创伤性失血性休克及盆腔脏器合并伤,救治不当有很高的死亡率,可达10.2%。据统计,骨盆骨折中50%~60%由汽车车祸造成,10%~20%是由于行人被撞,10%~20%为摩托车外伤,8%~10%为高处坠落伤,3%~6%为严重挤压伤。

垂直不稳定的骨盆骨折中通常存在骶骨骨折、骶髂关节骨折脱位,骶髂螺钉因其具有良好的生物力学性能,是目前治疗骨盆骨折后环损伤、降低致残率的优选方案。

然而,由于骶骨的特殊解剖结构,骶髂螺钉置入很难达到理想的位置,导致螺钉置入时存在困难。第一,骶髂螺钉置入通道毗邻骶神经及盆腔内脏等重要结构,螺钉的穿出可导致骶神经、髂内动静脉、腰骶干及闭孔神经等重要血管、神经的损伤,造成不可挽回的并发症;第二,螺钉置入区域狭小,置入过程需要反复透视以确定螺钉的入定点及钉道方向,以免螺钉置入位置偏移,导致内固定失败,影响手术疗效。传统的多角度反复透视下置入螺钉会增加患者及手术操作人员的射线暴露风险,导致医源性辐射损伤并可增加肿瘤的发生率。为提高螺钉置入的准确性及减少透视时间,多可采用CT扫描引导或术中导航系统进行骶髂螺钉的置入。而随着数字骨科的发展,3D打印技术的临床应用为骶髂螺钉的置入提供了新的方法。

3D打印是一种基于材料堆积法的新制造技术,初衷是实现产品的快速研发、制造,自上世纪80年代后期起,开始应用于工程制造等领域。目前,3D打印手术导板已应用于临床研究,通过术前计算机辅助设计制作的个性化导板,已成功应用于一些髋关节、膝关节、脊柱手术,术中可以做到不再使用任何计算机辅助的导航、透视等设备,可避免接受电离辐射,并能极大的节省手术时间。

手术规划


骨盆数据导入三维重建软件后,生成3D重建的骨盆模型。在骨盆模型的冠状面、矢状面及横断面坐标内,确立骶髂螺钉的最佳入点,即髂前上棘与髂后上棘连线与股骨纵轴延长线的交点,钉道末端终点选择贴近S1椎体上终板中心点;骶髂螺钉的入点及止点之间即为钉道;通过软件重建冠状面、矢状面及横断面与周围结构的毗邻关系,确定钉道安全后测量钉道的长度。

基于设计并标记的钉道路径,在软件中用圆柱体代替螺钉,观察骶髂螺钉在钉道内的轨迹。缓慢拖动滚轴,分别在3D界面、轴面、矢状面观察圆柱体通过骶骨侧块的位置关系,确定CAD圆柱体与设计钉道一致。最后将模型数据以STL格式保存。
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设计并打印骶髂螺钉置入导板
设计软件中打开保存的数据,转动三维结构,从各个角度观察钉道是否穿破骶骨侧块周围皮质,并根据剖面和三维结构观察结果对钉道做适当的微调。在适当位置(骨性点)设计导板,再导出模型数据,将数据以STL格式导入3D打印机,最终使用光敏树脂材料打印出导向模板。过程示意请见下图。
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A 导入设计软件后   
B 在预设位置建立基座和套管  
C 在其余钉道附近建立模型
D 位置关系计算后的导板模型
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3DPRO 501M一次打印成型的术前模型
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3DPRO 501M医用3d打印机

将打印出的导向模板放置在骨盆3D打印模型的相应位置,验证骶髂螺钉导向模板和髂后上棘及邻近髂嵴后部骨性结构表面贴合良好。
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临床使用图

经验总结

在使用计算机辅助术前设计骶髂螺钉通道、3D打印骨盆模型及骶髂螺钉导向模板的过程中,需要将每一步设计操作的偏差因素降到最低。

过程中应该注意如下几点:
(1)CT扫描的层厚不要超过1mm,以降低数据转换及三维重建中模型的失真;
(2)导向模板宜选择具有一定硬度、韧性、可消毒,受力后不易变形的材质,以便术中应用;
(3)导向模板设计中,模板的骨性依托部分应多点、立体选择骨性标志,以增加导板契合程度及稳定性,导板的导向管道内径设计应与导针直径匹配,管道外部长度应足够,以增加导针导向的准确性;
(4)可以预留一些小孔便于克氏针固定;
(5)若骨折有位移请先复位后再使用导板置钉。
更多案例敬请咨询三的部落400-690-7753。(三的部落Mr.Xu)



来源:三的部落


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