Name: 三维打印指南模板辅助皮椎间盘（PVP） (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-10-17T12:30:00.000+00:00
Duration: 5 min 39 s
Description: 了解三维打印导板辅助经皮椎体成形术，通过个性化手术规划提高穿刺精度，减少并发症和辐射暴露，缩短新手医生的学习曲线，改善患者治疗效果。

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本研究由北京市科学技术委员会资助 &amp;#38; 科技委员会（编号：Z181100001718078），中国

本研究经首都医科大学附属北京友谊医院伦理委员会批准。
1. 通过X射线透视、磁共振成像（MRI）、骨显像及症状诊断骨质疏松性椎体压缩性骨折（OVCF）
<ol>
	<li>通过老年患者背部疼痛、棘突压痛、背部竖脊肌压痛等症状识别骨质疏松性椎体压缩骨折（OVCF）患者。</li>
	<li>采用正位X线透视检查患者是否存在椎体压缩性骨折。</li>
	<li>使用磁共振成像（MRI）诊断患者是否为新发椎体压缩性骨折，并确定目标受压椎体；对于无法接受MRI检查的患者，采用骨显像（骨扫描）进行评估。</li>
	<li>对确诊为急性椎体压缩性骨折的患者实施经皮椎体成形术（PVP）治疗，并记录视觉模拟评分（VAS）和Oswestry功能障碍指数（ODI）8。 
	注：纳入标准包括：1）椎体骨折患者无论是否有低能量创伤史；2）无代谢性骨病或恶性肿瘤病史或证据；3）VAS评分≥7；4）通过X线、MRI或骨显像确诊为椎体骨折。</li>
</ol>
2. 目标椎体的术前定位
<ol>
	<li>手术前，在患者背部皮肤正中线受压椎体水平处放置三个不透射线的标记物，对患者进行俯卧位计算机断层扫描。按压最疼痛部位，通过X线透视和对患者背部的体格检查确认目标区域。</li>
	<li>在进行俯卧位计算机断层扫描前，将一个角度计置于患者背部，位置紧邻已固定的标记物下方。记录患者的身体体位后移除角度计，并确保患者在手术过程中保持相同体位。</li>
	<li>以DICOM格式保存CT图像（扫描层厚1 mm，层间距1 mm，扫描层数为90层（常规扫描）或400层（薄层扫描）。在患者背部放置棉垫，以确保标记物在手术前保持原位。</li>
</ol>
3. 在计算机软件中模拟经皮椎体成形术操作
<ol>
	<li>将CT图像以DICOM格式导出至医学影像处理软件（例如MIMICS），并选择目标层面以重建压缩椎体。</li>
	<li>选择阈值分割功能，将目标椎体的阈值范围调整为125–3071 HU，并创建掩膜。点击复制掩膜生成两个掩膜：掩膜A和掩膜B。</li>
	<li>点击掩膜编辑，在掩膜A中擦除目标椎体。然后点击布尔运算，用掩膜B减去掩膜A，生成新的掩膜C。点击由掩膜计算3D模型，重建目标椎体。</li>
	<li>在软件中模拟经双侧椎弓根入路的PVP手术。首先，在软件中定义Medcad圆柱体作为穿刺针模型，设定圆柱体的长度和半径与穿刺针一致（长度125 mm，半径1.25 mm）。</li>
	<li>利用目标椎体的三维视图，模拟实际PVP手术中的穿刺入点、进针角度（头倾角和外展角方向）以及穿刺针深度。</li>
	<li>使用移动与旋转功能将穿刺针调整至理想位置。针道应遵循以下原则：1）穿刺针应穿过椎弓根，最好位于其上半部分；2）在侧位观上，针尖的理想位置应位于椎体前1/3区域内的某一点。</li>
</ol>
4. 三维打印导板模板
<ol>
	<li>保存所有3D模板数据，并以MCS格式发送至三维打印公司。</li>
	<li>将MCS格式数据转换为STL格式，并使用软件设计模板。根据所有参数（包括皮肤进针点、进针角度以及两根针道的深度）重建贴合患者背部皮肤的基底部分，重建针道通道，然后打印出两个相同的模板用于手术。 
	注意：导向模板由聚乳酸制成，可经低温蒸汽灭菌消毒。</li>
</ol>
5. 应用三维打印导板模板辅助实际PVP手术操作
<ol>
	<li>根据梯度记录，让患者俯卧于手术台上，准备进行CT扫描。测量三个射线不透性标记物之间的距离，并描绘出这三个标记物的轮廓，以使模板与目标位置对齐。</li>
	<li>沿皮肤轮廓匹配皮肤模板。通过模板上的穿刺针路径插入并按压两块纱布，以在皮肤上标记穿刺点。然后移除模板，并将标记点绘制成A点和B点。</li>
	<li>移除模板并对皮肤进行消毒。铺巾后，将两根穿刺针的针尖置于穿刺点（A点和B点）。随后使用C形臂X线机的前后位透视，确认由模板确定的穿刺点是否可行。</li>
	<li>在每个穿刺点注射5 mL由1%利多卡因和1%罗哌卡因组成的混合液，对患者实施局部麻醉。再用无菌薄膜将另一块已消毒的模板固定于患者背部。</li>
	<li>通过模板的导向套管插入两根穿刺针，轻敲使其进入目标椎体。使用C形臂X线机透视验证穿刺路径是否合适。确保穿刺位于椎弓根内，然后继续轻敲进针，直至到达路径末端。</li>
	<li>当穿刺针完全插入导向套管后，使用C形臂X线机透视确认针尖已到达理想位置。</li>
	<li>通过穿刺针向椎体内注入骨水泥。每条路径注入2 mL骨水泥，共向椎体注入4 mL骨水泥。</li>
	<li>最后，通过C形臂X线机的前后位和侧位透视检查骨水泥在椎体内的分布情况，并缝合穿刺点。</li>
</ol>

<ol><li>Orthopaedic Society of the Chinese Medical Association. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Guidelines+for+the+diagnosis+and+treatment+of+osteoporotic+fractures%5BTitle%5D)+AND+%22Chinese+Journal+of+Orthopaedics%22%5BJournal%5D)">Guidelines for the diagnosis and treatment of osteoporotic fractures.</a> Chinese Journal of Orthopaedics. 37 (1), 1-10 (2017).</li>
<li>Yi, H. J., Jeong, J. H., Im, S. B., Lee, J. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Percutaneous+vertebroplasty+versus+conservative+treatment+for+one+level+thoracolumbar+osteoporotic+compression+fracture%3A+Results+of+an+over+2-year+follow-up%5BTitle%5D)+AND+%22Pain+Physician%22%5BJournal%5D)">Percutaneous vertebroplasty versus conservative treatment for one level thoracolumbar osteoporotic compression fracture: Results of an over 2-year follow-up.</a> Pain Physician. 19 (5), (2016).</li>
<li>Balkarli, H., Demirtas, H., Kilic, M., Ozturk, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Treatment+of+osteoporotic+vertebral+compression+fractures+with+percutaneous+vertebroplasty+under+local+anesthesia%3A+clinical+and+radiological+results%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Clinical+%26+Experimental+Medicine%22%5BJournal%5D)">Treatment of osteoporotic vertebral compression fractures with percutaneous vertebroplasty under local anesthesia: clinical and radiological results.</a> International Journal of Clinical & Experimental Medicine. 8 (9), 16287-16293 (2015).</li>
<li>Woojin, C., Varkey, J. A., Jing, C., Hwan, B. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Review+of+Current+Clinical+Applications+of+Three+Dimensional+Printing+in+Spine+Surgery%5BTitle%5D)+AND+%22Asian+Spine+Journal%22%5BJournal%5D)">A Review of Current Clinical Applications of Three Dimensional Printing in Spine Surgery.</a> Asian Spine Journal. 12 (1), 171-177 (2018).</li>
<li>Laredo, J. D., Hamze, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Complications+of+percutaneous+vertebroplasty+and+their+prevention%5BTitle%5D)+AND+%22Skeletal+Radiology%22%5BJournal%5D)">Complications of percutaneous vertebroplasty and their prevention.</a> Skeletal Radiology. 33 (9), 493-505 (2004).</li>
<li>Saracen, A., Kotwica, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Complications+of+percutaneous+vertebroplasty%3A+An+analysis+of+1100+procedures+performed+in+616+patients%5BTitle%5D)+AND+%22Medicine%22%5BJournal%5D)">Complications of percutaneous vertebroplasty: An analysis of 1100 procedures performed in 616 patients.</a> Medicine. 95 (24), e3850(2016).</li>
<li>Park, H. J., Wang, C., Choi, K. H., Kim, H. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Use+of+a+life-size+three-dimensional-printed+spine+model+for+pedicle+screw+instrumentation+training%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Orthopaedic+Surgery+and+Research%22%5BJournal%5D)">Use of a life-size three-dimensional-printed spine model for pedicle screw instrumentation training.</a> Journal of Orthopaedic Surgery and Research. 13 (1), 86(2018).</li>
<li>Gu, Y. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Percutaneous+vertebroplasty+and+interventional+tumor+removal+for+malignant+vertebral+compression+fractures+and%2For+spinal+metastatic+tumor+with+epidural+involvement%3A+a+prospective+pilot+study%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Pain+Research%22%5BJournal%5D)">Percutaneous vertebroplasty and interventional tumor removal for malignant vertebral compression fractures and/or spinal metastatic tumor with epidural involvement: a prospective pilot study.</a> Journal of Pain Research. 10, 211-218 (2017).</li>
<li>Ruiz, S. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparative+review+of+vertebroplasty+and+kyphoplasty%5BTitle%5D)+AND+%22World+Journal+of+Radiology%22%5BJournal%5D)">Comparative review of vertebroplasty and kyphoplasty.</a> World Journal of Radiology. 6 (6), 329-343 (2014).</li>
<li>Cannavale, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Percutaneous+vertebroplasty+with+the+rotational+fluoroscopy+imaging+technique%5BTitle%5D)+AND+%22Skeletal+Radiology%22%5BJournal%5D)">Percutaneous vertebroplasty with the rotational fluoroscopy imaging technique.</a> Skeletal Radiology. 43 (11), 1529-1536 (2014).</li>
<li>Ringer, A. J., Bhamidipaty, S. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Percutaneous+access+to+the+vertebral+bodies%3A+a+video+and+fluoroscopic+overview+of+access+techniques+for+trans-%2C+extra-%2C+and+infrapedicular+approaches%5BTitle%5D)+AND+%22World+Neurosurgery%22%5BJournal%5D)">Percutaneous access to the vertebral bodies: a video and fluoroscopic overview of access techniques for trans-, extra-, and infrapedicular approaches.</a> World Neurosurgery. 80 (3-4), 428-435 (2013).</li>
<li>Kaneyama, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+novel+screw+guiding+method+with+a+screw+guide+template+system+for+posterior+C-2+fixation%5BTitle%5D)+AND+%22Neurosurgery+Spine%22%5BJournal%5D)">A novel screw guiding method with a screw guide template system for posterior C-2 fixation.</a> Neurosurgery Spine. 21 (2), 231-238 (2014).</li>
<li>Sugawara, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multistep+pedicle+screw+insertion+procedure+with+patient-specific+lamina+fit-and-lock+templates+for+the+thoracic+spine%5BTitle%5D)+AND+%22Neurosurgery+Spine%22%5BJournal%5D)">Multistep pedicle screw insertion procedure with patient-specific lamina fit-and-lock templates for the thoracic spine.</a> Neurosurgery Spine. 19 (2), 185-190 (2013).</li>
<li>Li, J., Lin, J. S., Yang, Y., Xu, J. C., Fei, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((3-Dimensional+printing+guide+template+assisted+percutaneous+vertebroplasty%3A+Technical+note%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Clinical+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">3-Dimensional printing guide template assisted percutaneous vertebroplasty: Technical note.</a> Journal of Clinical Neuroscience. 52, 159-164 (2018).</li>
</ol>

作者声明，本研究中涉及的任何药物、材料或设备均不存在利益冲突。

经皮椎体成形术（PVP）因其独特优势，被认为是治疗骨质疏松性椎体压缩性骨折的最佳方法之一：该手术具有微创性、出血量少、恢复迅速等特点9。传统的PVP主要依赖C型臂X线透视机进行引导，需反复进行透视以确定安全且理想的穿刺点、穿刺角度和方向，这会增加术中辐射剂量和手术时间10。此外，手术成功率在很大程度上依赖于外科医生的经验。然而，即使在影像引导导航系统辅助下进行手术，误差率仍达1.2%–15.7%，再手术率为0–7.42%11。
三维导向模板在辅助胸椎和颈椎椎弓根螺钉置入手术方面具有一些优势12,13,14。我们团队将三维打印导向模板与经皮椎体成形术（PVP）相结合。我们开展的随机、非盲、对照临床研究结果表明，该模板在术前和术中具有诸多优势：提高穿刺精度，缩...

在所有类型的骨质疏松性骨折中，骨质疏松性椎体压缩性骨折（OVCF）是最常见的类型，目前已成为备受关注的临床问题。根据现行指南推荐，经皮椎体成形术是临床治疗骨质疏松性椎体压缩性骨折最有效的微创方法之一1。
传统上，外科医生在C形臂X光机引导下进行经皮椎体成形术，以治疗椎体压缩性骨折，恢复受压的椎体并缓解早期疼痛2。即使是经验丰富的外科医生，仅依靠个人经验来确定合适的穿刺点仍可能出现错误。该手术可能引发一些与穿刺相关的并发症（例如骨水泥渗漏至周围组织、神经根损伤、椎管内血肿等3,4,5）；此外，近50%的患者在接受传统PVP治疗后会出现局部并发症，其中95%的并发症源于骨水泥渗漏至周围组织或椎旁静脉栓塞6。随着精准手术的发展，3D打印导向模板已广泛应用于多种脊柱外科手术7，因其可提高操作准确性，降低手术难度，并最大限度减少手术风险。本文中，我们将3D打印导向模板应用于PVP手术，以提高手术精确性，并降低穿刺相关并发症的发生率。与传统方法相比，采用3D打印导向模板辅助的手术具有以下优势：1）提高手术穿刺准确性；2）减少术中辐射暴露；3）缩短手术时间；4）降低穿刺相关并发症的发生概率。

<table><tbody><tr><td>X射线机</td><td>Philips公司</td><td></td><td>设备</td></tr><tr><td>磁共振成像设备</td><td>GE公司</td><td></td><td>设备</td></tr><tr><td>计算机断层扫描</td><td>GE公司</td><td></td><td>设备</td></tr><tr><td>HORI 3D打印设备</td><td>北京汇天威科技有限公司</td><td></td><td>设备</td></tr><tr><td>Geomagic Design X</td><td>3D Systems公司</td><td></td><td>软件</td></tr><tr><td>Materialise交互式医学图像控制系统</td><td>Materialise公司</td><td></td><td>软件</td></tr><tr><td>VertePort穿刺针</td><td>Stryker公司</td><td></td><td>手术器械</td></tr><tr><td>Spineplex</td><td>Stryker公司</td><td></td><td>手术器械</td></tr><tr><td>经皮骨水泥输送系统</td><td>Stryker公司</td><td></td><td>手术器械</td></tr><tr><td>Spirit Level Plus</td><td>IOS App Store</td><td></td><td>倾角仪</td></tr></tbody></table>

三维打印导板辅助经皮椎体成形术（pvp）

Three-Dimensional Printing Guide Template Assisted Percutaneous Vertebroplasty (PVP)

经皮椎体成形术（PVP）被认为是治疗由骨质疏松性椎体压缩性骨折引起的背部疼痛的有效方法。传统手术中，PVP的准确性主要依赖于外科医生的经验以及多次使用透视成像。全球范围内均有报道与穿刺相关的并发症。为了提高手术精确性并降低穿刺相关并发症的发生率，我们团队将三维打印导向模板应用于PVP，以改进传统手术流程。本方案介绍了如何在软件中将目标椎体的DICOM影像数据建模为三维模型，如何在该三维模型中进行手术模拟，以及如何利用所有手术数据重建出适用于特定患者的导向模板。通过使用该模板，外科医生可准确识别合适的穿刺点，从而提高手术的准确性。整个方案包括：1）骨质疏松性椎体压缩性骨折的诊断；2）获取目标椎体的CT影像；3）在软件中进行手术模拟；4）设计并制作三维打印导向模板；5）将模板应用于手术过程。

CT图像的采集和数字建模在医院内完成，而3D打印则由一家3D打印公司完成。从CT图像重建用于3D打印的三维模型需要30分钟，3D打印公司约需6小时完成两个导板模板的打印并寄送至医院。
患者目标椎体的术前影像如图1和图2所示：X线片（A1：前后位；A2：侧位）；磁共振成像（A3：T1加权像；A4：T2加权像；A5：脂肪抑制像）。图3展示了CT图像的获取过程，标记目标椎体，并记录患者的体位。从冠状面（图4A）、横断面（图4B）和矢状面（图4</stron...

本文介绍了一种用于经皮椎体成形术的三维打印导板模板。选择一例T11椎体压缩性骨折患者作为案例研究。

三维打印导板辅助经皮椎体成形术（PVP）

经皮椎体成形术（PVP）被认为是治疗骨质疏松性椎体压缩性骨折所致背痛的有效方法。

本方案采用3D打印导板辅助经皮椎体成形术，以实现对骨折椎体的全面可视化，并为患者制定个体化的手术方案。该技术有助于提高穿刺准确性，减少穿刺相关并发症，缩短手术时间与辐射暴露，同时加快新手外科医生掌握PVP技术的学习过程。通过可视化演示，可提供清晰、逐步的操作介绍，突出该技术的关键环节，从而帮助快速掌握该方法。开始操作前，通过X射线透视对患者背部进行视觉检查，以确认目标区域。接下来，在受压椎体水平的患者背部正中线上放置三个不透射线的标记物，并在固定标记物稍下方放置一个角度计。然后在移除角度计前记录患者的身体位置，并获取目标椎体的计算机断层扫描图像。采集结束后，将图像以 DICOM 格式保存，并在患者背部放置棉垫，以确保标记物在手术前保持原位。获取计算机断层扫描图像后，将图像导入合适的医学影像处理软件，选择目标层面以重建受压椎体。选择阈值分割，将目标椎体的阈值范围调整为 125–3071 H，然后创建掩膜。单击“复制掩膜”以生成两个掩膜，即掩膜A和掩膜B。单击“掩膜编辑”以擦除掩膜A中的目标椎体。执行布尔运算，用掩膜B减去掩膜A，生成新的掩膜C。然后单击“由掩膜计算3D”以重建目标椎体。为模拟经双侧椎弓根入路的经皮椎体成形术操作，可在软件中将MedCAD圆柱体定义为穿刺针模型，其长度和半径与实际穿刺针一致。利用目标椎体的三维视图，结合移动和旋转功能，可视化真实经皮椎体成形术中的穿刺入点、入针角度及穿刺针深度，并将穿刺针调整至理想位置。然后利用这些模板引导数据打印一个三维聚乳酸引导模板。对于采用3D打印引导模板辅助的经皮椎体成形术（PVP），让患者保持与CT扫描时记录的倾斜角度相同的位置俯卧，测量三个不透射线标记物之间的距离，并绘制这三个标记物的轮廓，使模板与目标位置对齐。将皮肤模板与皮肤轮廓匹配，并通过模板上的穿刺针路径插入两根棉签，以标记皮肤上的穿刺点。标记穿刺点为A点和B点。铺巾后，在皮肤上贴上消毒胶带，并将两根穿刺针的针尖置于穿刺点处。使用C形臂X线机的前后位透视，确认模板所确定的穿刺点是否可行。局部麻醉后，通过模板的导向套筒插入路径，将两根穿刺针轻轻敲击进入目标椎体，并使用C形臂X线机确认穿刺轨迹是否适合继续进针。确保在将针头固定前，针尖已位于椎弓根内，并推进针头直至到达轨迹末端。当针头完全插入导向套管后，使用C形臂透视机确认针尖已到达最佳位置。随后通过每根针向椎体内各注入2毫升骨水泥。通过正位和侧位透视检查骨水泥在椎体内的分布情况。术前的正位及侧位X线图像显示了一名代表性患者在使用3D导向模板辅助经皮椎体成形术（PVP）前的目标椎体状况。通过冠状面、横断面和矢状面获取的计算机断层扫描图像可用于构建目标椎体的3D模型。可以确定模板中导向圆筒的长度，并制作该模板用于PVP手术。为确保整个手术成功，必须将模板与患者背部的矫正位置相匹配。

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