發(fā)布時間：2018-04-27 10:20

  本文選題：下頸椎 + 椎弓根螺釘��； 參考：《南方醫(yī)科大學》2015年碩士論文

【摘要】：背景頸椎椎弓根螺釘技術是眾多治療頸椎疾病方法中的一種有效手段,然而頸椎椎弓根較胸腰段細小,解剖變異大,周圍解剖學結構復雜,椎弓根螺釘置入難度大、風險高。目前,頸椎椎弓根螺釘?shù)闹萌敕椒ㄖ饕型绞址?解剖標志法)、X線透視法、椎板開窗法、計算機輔助導航法等。解剖標志法雖然通過椎板解剖結構確定進釘點,但主要依靠術者的手感和經(jīng)驗,有潛在皮質穿破的危險,X線透視法存在手術時間長、患者及術者受X線輻射量較大等不足。計算機輔助導航法提供了以往臨床經(jīng)驗無法比擬的準確性和多角度實時信息,但導航設備的價格昂貴,而且存在操作復雜,精度不高等缺點,因而限制其進行推廣應用。近年來,隨著快速成型技術(rapid prototyping,RP)在醫(yī)學領域的廣泛應用,有學者提出椎弓根螺釘置入的個體化原則,制作個體化導向模板,根據(jù)不同椎弓根的解剖結構設計相應的特殊置入點、方向、深度。通過患者的椎體CT數(shù)據(jù)進行模型的三維重建,利用逆向工程(Leverse Engineering,RE)軟件提取患者頸椎模型的表面輪廓,計算最佳釘?shù)牢恢?然后通過計算機輔助設計(Computer Aided Design, CAD)技術設計個體化椎弓根螺釘導向模板,最后通過快速成型機轉化成實物的導向模板。導向模板符合病人的個體化原則,有效的提高了螺釘置釘入準確性和安全性,而且該法操作簡單,只要將模板與椎板緊密貼合即可,醫(yī)生學習曲線短；手術中無需使用X線反復照射,可以降低病人及醫(yī)生的射線暴露時間。因此,受到中外醫(yī)學工作者的廣泛關注。然而,現(xiàn)在臨床常用的導向模板大多使用的快速成型技術制作樹脂材料的導向模板,這項技術的設備成本高、制造周期長,并且模板所用的材料如樹脂毒理性質不甚明了、RP成型材料的回復變形和不易進行高溫高壓消毒等問題；另從工程角度,在臨床鉆孔過程中,由于鉆頭的硬度遠大于模板材料的硬度,導向模板本身的孔道都會被鉆頭改變,從而影響鉆孔的精度,而產(chǎn)生的切削粉末將直接與傷口接觸,如果不能將這些粉末徹底沖洗干凈而滯留在體內,會對人體健康存在潛在危險,因而難以通過檢測許可而限制其推廣應用。如何制作一種既對人體無毒害,又具有高度精確性的導向模板成為本研究所關注的重點。為此,本研究探討一種新型的個體化椎弓根螺釘導向模板的制作方法,旨在為個體化導向模板的制作尋找一種新的可行性方法。作為逆向工程產(chǎn)品成型技術,除現(xiàn)行的加法(增料)技術如快速成型技術外,通常的減法(減料)技術如數(shù)控機械加工中心(Computer Numerical Control CNC)技術則更為成熟。CNC技術,于1952年面世,經(jīng)歷數(shù)代數(shù)控機床的發(fā)展,尤其是五軸機床的出現(xiàn),使其可加工結構復雜的零部件產(chǎn)品；而且,CNC具有高度柔性、加工精度高、加工質量穩(wěn)定可靠、生產(chǎn)效率高等特點。因此,本研究將采用三維重建技術,逆向工程技術,數(shù)控加工技術等技術來構建用于頸椎椎弓根螺釘置入的個性化導向模板制作與應用,并將評價這種全新制作方式的個體化導向模板輔助置釘?shù)木_度。目的鑒于頸椎后路椎弓根螺釘內固定術良好的生物力學性能及穩(wěn)定性,該術被廣泛應用于退變、創(chuàng)傷、矯形、腫瘤等的治療,但是頸椎椎弓根螺釘內固定術螺釘?shù)臏蚀_置入仍面臨的較大困難。針對此問題,本研究將建立采用CNC技術設計制造頸椎椎弓根釘導向模板的方法；并別分用CNC法和RP法制作的頸椎個體化導向模板,對其置釘準確性進行對照研究。方法尸體頸椎標本選取3例10%甲醛浸泡的成年男性下頸椎尸體標本(由南方醫(yī)科大學解剖教研室提供),標本范圍包括完整的C3-C7骨性結構,側方及后方的軟組織已被剔除,該標本通過拍片排除骨折、結核、腫瘤、嚴重畸形等影響實驗結果的因素。所有樣本進行CT連續(xù)斷層掃描,掃描部位C3-C7,CT掃描條件：電壓120kV,電流150mA,層厚1.25mm,512×512矩陣,以下內容分為兩部分進行介紹：1.個體化導向模板的設計與制作；2.體外尸體標本實驗與精確性分析。1.個體化導向模板的設計與制作1.1設計帶有虛擬釘?shù)赖念i椎三維模型將頸椎標本CT掃描數(shù)據(jù)導入Mimics軟件14.11(Materialise公司,比利時)進行三維模型重建,將重建的頸椎椎體以STL格式導出Mimics軟件,利用計算機輔助設計軟件UG6.0設計一直徑為2.Omm,長5Omm圓柱體模擬克氏針,將此導針以STL格式同頸椎三維模型數(shù)據(jù)一并導入逆向工程軟件Geomagic Studio 12(Raindrop Geomagic公司,美國)中,圓柱形導針可任意調動位置和方向,通過視覺觀察確保軌道圓柱位于椎弓根中央,以確定椎弓根螺釘?shù)淖罴堰M釘釘?shù)馈?.2個體化導向模板的設計通過計算機輔助設計軟件UG6.0(Siemens PLM Software公司,美國)設計導板形態(tài),導板形態(tài)應符合本實驗所用四軸CNC機床的加工要求,本實驗設計為雙側導向模板(每一導向模板同時為同一節(jié)段兩側椎弓根螺釘進行導向)。兩側導向板部分通過一個“橋”進行連接。將設計好的導板模板初始形態(tài)以STL格式保存,并導入至Geomagic Studio 12軟件中。在該軟件中移動導板模板,使模板與椎板面接觸,并使導針從導板內部穿過。通過布爾減法運算得出頸椎椎板后部解剖形態(tài)一致的反向模板。完成帶有導向孔的椎弓根螺釘導向模板,以IGS格式和STL格式分別保存。1.3應用CNC制作個體化導向模板將完成導板模型以IGS格式保存,導入UG6.0軟件進行工藝設計。在UG軟件中,根據(jù)導向模板結構特點以及本實驗所采用的寶雞機床生產(chǎn)的四軸VMC650型機床(數(shù)控系統(tǒng)為廣州數(shù)控)的加工要求進行導板的工藝設計。擬在70mm ×50mm × 12mm坯料進行加工,首先在坯料上進行切削出導板的大體輪廓,其次,對與椎板結合的不規(guī)則曲面進行精細加工,第三步采用2mm麻花鉆頭鉆削模板上的導向孔,最后對模板進行倒邊圓,整個過程只需一次夾持。將工藝設計程序以TXT格式保存并導入VMC650四軸數(shù)控機床(寶雞機床,中國),將一塊70mm×50mm × 12mm鋼質坯料放裝夾在操作臺上,按照設計的加工工藝進行切削加工。加工完畢后清洗干凈導向模板待用。1.4應用RPM制作個體化導向模板將以上所得STL格式頸椎數(shù)據(jù)導入Materialise Magics V13(Materialise公司,比利時)軟件進行虛擬切割,厚度為0.05mmm,后轉移到RS6000立體光固化成型設備進行快速成型。2.體外尸體標本實驗與精確性分析2.1尸體標本的克氏針置入剝除椎板后部及兩側的軟組織。手握椎弓根導向模板輕按在椎板表面使其緊貼。隨后在導向模板幫助下將克氏針打入頸椎椎弓根內。每個節(jié)段椎體左右兩側椎弓根的克氏針置入隨機地一側使用CNC法導向模板而另一側使用RP法導向模板2.2二次三維重建帶有椎弓根釘?shù)赖念i椎模型30個頸椎椎弓根鉆孔完成后,用同一臺CT同樣參數(shù)掃描尸體頸椎。所有克氏針都在CT掃描前拔出避免其產(chǎn)生偽影。再用同樣的三維分割與重建策略構建帶有椎弓根釘?shù)赖念i椎三維模型,以STL格式保存。2.3螺釘置入的精確性分析個體化導向模板輔助椎弓根螺釘置入的準確性利用了逆向工程軟件Geomagic studio 12來進行的評估。將術前與術后的三維模板數(shù)據(jù)導入Geomagic軟件,計算螺釘實際軌道中點與設計的釘?shù)乐悬c在椎弓根中央部的水平面和矢狀面的偏差值。椎弓根水平面上偏向外側的記錄為正值,偏向內側的記錄為負值；矢狀面偏上為正值,偏下為負值。將預先設計好的直徑3.5mm三維螺釘模型導入Mimics并與術后的三維模型置針軌道對齊模擬螺釘插入。用分級法來區(qū)分非臨界與臨界螺釘位置。簡單來說,分為以下5級：1級：螺釘位于椎弓根中央。2級：貫穿皮質螺釘橫截面小于1/3(≤1.2mm)。3級：貫穿皮質螺釘橫截面大于1/3,小于1/2(偏差值2mm)。4級：貫穿皮質橫截面大于1/2(偏差值≥2mm)。5級：偏差值≥3.5mm。1-2級為非臨界螺釘位置,3-5級為臨界螺釘位置；螺釘在臨界位置可能會對椎動脈、神經(jīng)根以及硬膜囊造成損害。2.4統(tǒng)計學分析分別比較兩組椎弓根水平面內外側之間、矢狀面上下之間的差異,本研究采用獨立樣本T檢驗進行分析,P0.05有統(tǒng)計學意義。并且計算了兩組水平面和矢狀平面上絕對偏差的均值與標準差來反應真實差異。在模擬3.5mm椎弓根螺釘置入的分級比較中,使用兩個獨立樣本的Mann-Whitney U檢驗進行統(tǒng)計學分析,P0.05有統(tǒng)計學意義。結果根據(jù)CNC加工特點,設計出即符合CNC加工特點又能滿足置釘要求的椎弓根螺釘導向模板。并通過CNC成功制作15個椎弓根螺釘導向模板,導向模板結構堅強,無回復變形,具有較高的結構穩(wěn)定性。術中發(fā)現(xiàn)每個導向模板與椎板結合緊密,無四周晃動,模板具有較高的匹配精度以及穩(wěn)定性。兩組共使用個體化導向模板的輔助下共成功置入30枚(每組15枚)頸椎椎弓根內固定螺釘(用克氏針代替)。計算椎弓根水平面內外側絕對偏差值,CNC組為0.45±0.24mm,RP組為0.63±0.26,統(tǒng)計分析在水平面兩組偏差沒有統(tǒng)計學差異(t=-1.975,P=0.058)；在矢狀面上下方絕對偏差,CNC組為0.41±0.18mm,RP組為0.41±0.24mm,統(tǒng)計分析在矢狀面兩組偏差沒有統(tǒng)計學差異(t=0.28,P=0.978)。在虛擬置入直接3.5mm螺釘實驗中,CNC組的1級螺釘為14枚(93.3%),2級螺釘1枚(6.7%),所有螺釘為非臨界螺釘位置,非臨界位置螺釘概率為100%；RP組中,1級螺釘為12枚(80.0%),2級螺釘3枚(20.0%),所有螺釘位于非臨界螺釘位置,非臨界位置螺釘為100%。統(tǒng)計分析在模擬螺釘置入時兩組具有顯著差異(P0.05)。結論本研究首次采用CNC技術制作金屬材質的椎弓根螺釘導向模板,該方法制作的導向模板設具有較高的加工精度以及較短的加工時效。在體外標本實驗中,CNC制作的導向模板輔助置釘與椎板結合緊密,操作簡單,具有較高的精確性、安全性。此項技術的臨床應用階段還需進一步研究探討。
[Abstract]:The technique of cervical pedicle screw fixation is an effective method in the treatment of cervical diseases . However , it is difficult and high risk for cervical pedicle screw placement .
There is no need to use X - ray repeated irradiation in the operation , so that the radiation exposure time of the patient and the doctor can be reduced . Therefore , the guide template of the resin material is produced by the rapid prototyping technology used by most commonly used guide templates . However , the materials used for the template are not very expensive , the manufacturing cycle is long , and the materials used in the template are not very clear , and the recovery deformation of the RP molding material is not easy to carry out high - temperature high - pressure sterilization and the like ;
In the process of clinical drilling , because the hardness of the drill bit is much larger than the hardness of the template material , the pore channel of the guide template itself can be changed by the drill bit , thus affecting the accuracy of the drilling hole .
Furthermore , CNC has the characteristics of high flexibility , high processing precision , stable and reliable processing quality , high production efficiency and so on . Therefore , this study will adopt three - dimensional reconstruction technique , reverse engineering technique and NC machining technology to construct the individualized guide template for cervical pedicle screw placement .
In this paper , 3 cases of adult male with 10 % formaldehyde soaked in 10 % formaldehyde were selected . The specimens were divided into 3 - C7 bone structure , lateral side and posterior soft tissue were removed . All the samples were divided into two parts : 1 . Design and manufacture of individualized guide template .
2 . The experiment and accuracy analysis of the body specimen in vitro . 1 . The design and manufacture of the individualized guide template 1 . 1 . The design of the individualized guide template and the design of the three - dimensional model of the cervical vertebral body with the virtual nail channel . The design of the guide plate is as follows : 1 . The design of the guide plate is guided by the computer - aided design software UG6 . 0 ( Siemens PLM Software Co . , USA ) . The guide pin is guided into the reverse engineering software Geomagic Studio 12 ( Raindrop Geomagic Company , USA ) . The guide pin is then stored in the form of an STL format . The guide pin is then stored in the reverse engineering software Geomagic Studio 12 ( Raindrop Geomagic Company , USA ) . In this paper , the accuracy of screw placement is analyzed by using the reverse engineering software Geomagic studio 12 . The deviation between the point in the actual orbit of the screw and the center of the pedicle of the pedicle and the sagittal plane are calculated .
The sagittal plane is a positive value and a negative value . The pre - designed diameter 3.5mm three - dimensional screw model is introduced into Mimics and aligned with the post - operative three - dimensional model placement simulated screw insertion . The classification method is used to distinguish the non - critical and critical screw positions . Grade 3 : The cross section of the through cortex is less than 1 / 3 ( 鈮，

本文編號：1810332