背景对于因颈椎退行性变而导致的颈椎疾病,常常需要外科手术治疗。根据相关生物力学及临床研究报道,由于颈椎后路经椎弓根螺钉内固定是颈椎三柱固定,这种固定方式具有很好的生物力学稳定性能。但后路固定需要充分剥离颈椎后部的肌肉组织,从而引起一系列并发症,如肌筋膜痛、术后相关颈部轴性症状及颈部疼痛。相反,颈前路手术具有手术创伤小、对椎旁肌无破坏、松解彻底等优点。但目前颈椎前路固定系统多为椎体固定,其生物力学性能相对较弱,可导致较高的手术失败率。尤其对于多节段的椎体损伤,虽然前后路联合手术比较能取得令人满意的手术效果,但它需要后路辅助手术,从而导致相关手术并发症发生率的明显升高。随着研究的深入有学者报道了颈椎前路经椎弓根螺钉固定术(ATPS)在临床上的应用,分别对不同病人进行了1到3节段不等的椎体次全切术后,在可视化条件下将腓骨移植到颈椎上植骨并进行了颈椎前路经椎弓根螺钉内固定；又有研究证明了ATPS在解剖学上的可行性,并发现颈椎前路经椎弓根螺钉内固定的拔出力比经椎体螺钉固定效果要好。可以说ATPS技术既具备后路椎弓根固定的生物力学优点,又具有前路手术外科学上的优点。正是因为ATPS能提高颈椎前路手术固定的初始结构稳定性,因此可以认为它是多节段严重颈椎损伤前路手术治疗时的最佳手术方案。如何准确进钉是影响ATPS在临床上推广应用的关键因素。经报道,采用X线透视辅助颈椎前路经椎弓根置钉在轴平面上准确率是78.3%。另外有报道在椎体轴向面透视图像辅助下,成功进行了颈椎病人的颈椎前路经椎弓根螺钉内固定。但是其样本量偏小,并且此种手术方法需要大量时间以及经验丰富的外科医生。另外一项技术电导技术(ECD)也获得了很高的进钉准确率；电导技术的原理是依靠骨组织的不同物理属性以防止螺钉在椎弓根内走行时穿透致密的皮质骨。利用三维重建技术、计算机辅助设计技术(CAD)以及快速成型技术(RP)构建的个性化导航模板能帮助螺钉进入椎弓根并且具备很好的准确度。然而,这些技术目前只在后路经椎弓根螺钉内固定手术中应用,还未应用于前路经椎弓根内固定手术。除此之外,这些模板所使用的材料如光敏树脂有很明显的细胞毒性,在外科钻孔过程中,由于电钻的摩擦,导航模板会产生一定的粉末,而这些粉末将直接与伤口区域接触,如果这些粉末不能完全冲洗干净的话会对人体健康造成潜在的危险。因此,在颈椎前路经椎弓根螺钉内固定术中,如何准确置入螺钉以及使用生物相容性好的材料仍是一个很大的难题。为解决这些问题,本研究将采用三维重建技术、快速成型技术、逆向工程技术等技术来构建一种适用于ATPS手术的生物相容性好的个性化导航模板,这是一种全新的手术策略；并且我们评估了这种个性化导航模板辅助置钉的精确度。目的鉴于颈椎三柱固定的良好生物力学性能以及颈前路椎体固定相对不稳定性,颈椎前路经椎弓根螺钉内固定术(ATPS)对于多节段颈椎损伤的手术治疗就成了比较理想的选择；但是颈椎前路经椎弓根螺钉内固定术(ATPS)螺钉的准确置入仍面临着很大困难。针对此问题,我们将探讨一种生物相容性好的个性化导航模板来辅助进行颈椎前路经椎弓根螺钉内固定螺钉的置入并进行精确性分析。方法1.尸体颈椎标本24个颈椎标本(C2-C7)来自4具尸体(3具为男性,1具为女性,年龄在52到68岁之间,平均年龄61.5岁)。所有样本都用64位CT (Philips, Eindhoven, The Netherlands)扫描。平面像素值为0.5mm,层厚0.705mm。所有24个颈椎标本的48个椎弓根经CT扫描检查显示没有明显骨缺损。以下内容分两部分介绍：1.个性化导航模板的设计与制作；2.体外尸体标本实验与精确性分析1.个性化导航模板的设计与制作1.1设计带有虚拟置钉轨道的颈椎三维模型将颈椎标本CT扫描数据导入Mimics软件14.11(Materialise Corp., Leuven,Belgium),用“阈值分割”、“区域增长”等交互性图像处理策略来分割颈椎轮廓以获得三维重建模型,此三维模型均来自二维CT图像。利用电脑辅助设计软件UG6.0软件设计直径2mm圆柱形轨道,再将此轨道以stl格式导入Mimics软件,在Mimics软件中,圆柱形轨道能任意调动位置以及进行旋转。然后通过视觉观察确保圆柱形轨道位于椎弓根中央。随后利用Geomagic软件中布尔操作的减法运算构建出带有双侧虚拟置针轨道的颈椎模型,将所获模型以STL格式(此格式能支持多种软件并广泛应用于快速成型与计算机辅助制造技术)保存在group1.1.2生物相容性钻孔模板构建将以上所得STL格式颈椎数据导入Zprint7.10(Z Corporation, Burlington, MA)软件进行虚拟切割,厚度为0.0875mm,后转移到Spectrum Z510进行快速成型。将克氏针插入快速成型模型置钉轨道,用PMMA材料来构建导航模板,这种材料常被骨科医生用做骨水泥并具备很好的生物相容性。此外,考虑到便利以及方便携带,我们在钻孔模板顶端设置了手柄。因为外科手术区域比较狭窄,钻孔模板底部不能超过椎体与横突连接处。待PMMA固化后拔出克氏针完成导航模板的制作。2.体外尸体标本实验与精确性分析2.1尸体标本的克氏针置入剥除椎骨前软组织。手握钻孔导航模板轻按在颈椎前表面使其紧贴。随后在导航模板帮助下将克氏针打入颈椎椎弓根内。2.2二次三维重建带有椎弓根钉道的颈椎模型24个颈椎椎弓根钻孔完成后,用同一台CT同样参数扫描尸体颈椎。所有克氏针都在CT扫描前拔出避免其产生伪影。再用同样的三维分割与重建策略构建带有椎弓根钉道的颈椎三维模型。以STL格式保存在group2。2.3螺钉置入的精确性分析个性化导航模板辅助下的ATPS置钉准确性利用了逆向工程软件Geomagic studio11(Geomagic, Inc., Morrisville,NC)来进行的评估。将group1、group2的三维模板数据导入Geomagic软件,计算螺钉轨道距离椎弓根中央点在椎弓根水平面和矢状面的偏差值。椎弓根水平面上偏向外侧的记录为正值,偏向内侧的记录为负值；矢状面偏上为正值,偏下为负值。将预先设计好的直径3.5mm三维螺钉模型导入Mimics并与group2三维模型置针轨道对齐模拟螺钉插入。用分级法来区分非临界与临界螺钉位置。简单来说,分为以下5级：1级：螺钉位于椎弓根中央。2级：贯穿皮质螺钉横截面小于1/3(≤1.2mm)。3级：贯穿皮质螺钉横截面大于1/3,小于1/2(偏差值<2mm)。4级：贯穿皮质横截面大于1/2(偏差值≥2mm)。5级：偏差值≥3.5mm。1-2级为非临界螺钉位置,3-5级为临界螺钉位置；螺钉在临界位置可能会对椎动脉、神经根以及硬膜囊造成损害。2.4统计学分析对椎弓根水平面内外侧之间、矢状面上下之间的差异,本研究采用独立样本T检验进行分析。P<0.05有统计学意义；并且计算了水平面和矢状平面上绝对偏差的均值与标准差来反应真实差异。此外我们对椎弓根螺钉在水平面和矢状平面上的位置进行了评分评估,1到5分分别代表1至5级,这样水平面与矢状平面的分数波动范围均是1到5分。那么水平面与矢状平面精确分数值总和的最大值是10分,最小值是2分。这样就能对螺钉位置进行最准确的描述。结果：1.通过颈椎CT扫描,成功获得了DICOM格式CT数据,利用Mimics软件建立精确的三维模型；2.利用Geomagic及UG软件建立了带有虚拟钉道的颈椎三维模型；3.利用RP技术成功打印出高精度的颈椎实体模型,并根据模型制作出了相应的导航模板；4.在个性化导航模板的辅助下成功置入48枚颈椎前路经椎弓根螺钉内固定(ATPS)螺钉(用克氏针代替)。椎弓根水平面内外侧(P=0.797)或者矢状面上下方(P=0.741)之间差异没有统计学意义。水平面与矢状面的绝对偏差值分别是：0.82±0.75mm、1.10±0.96mm。在虚拟置钉实验中,螺钉置入非关键部位的准确率是44/48(91.7%)。结论：在体外实验中,个性化导航模板具备了生物相容性好、操作简单、能准确的辅助颈椎前路经椎弓根螺钉内固定(ATPS)的置钉等优点。但是此项技术的临床应用阶段还需进一步研究探讨。