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引言下颈椎椎弓根螺钉内固定系统因其良好的生物力学性能已成为最常用的下颈椎脊柱内固定方法之一。因下颈椎椎弓根毗邻结构解剖复杂而重要,手术置钉难度较大,与之相关的手术并发症时有发生。即便是具有一定经验的医生也难以完全避免并发症的发生。如果螺钉植入位置不佳，不仅起内固定系统强度下降甚至失效,更着影响手术疗效,手术成功的关键在于植入螺钉必须按照椎弓根长轴轴线通过这一狭小骨性管道。结合三维重建技术,我们利用三维重建软件,使椎弓根螺钉通道可视化。目前遇到的困难是不同个体的下颈椎存在着差异,难以做到统一化置钉。依据病人具体的情况进行个性化置钉是未来的发展方向。最近几年快速成型技术的快速发展,为脊柱外科的发展开辟了新的道路。我们依据三维重建技术,快速成型技术和逆向工程原理,设计并制作个性化的导航模板,术前可以依据建好的椎体三维模型,使椎弓根螺钉通道可视化,设计制作好带有虚拟克氏针通道可以观察椎弓根四壁是否发生穿孔；术后置入实物克氏针；经再次CT扫描并三维重建后,我们对椎体进行配准,对比实物克氏针与虚拟克氏针,而后进行三维空间比对,研究实物克氏针与虚拟克氏针的三维空间位移变化,以及角度变化。进而评价我们所设计的导航模板的精确性和应用的科学性。目的利用逆向工程原理和快速成型技术以及CT三维重建技术制作出个性化的导航模板,辅助下颈椎后路经椎弓根克氏针置入；采用标本实验的方法评价导航模板辅助克氏针置入的精确性以及可行性。对术前虚拟设计的克氏针和术后实物克氏针进行配准,计算出三维空间角度变化和空间位移的大小,以此评价导航模板的精确性。方法1.1材料：选取福尔马林浸泡的的新鲜颈椎(C3-C7)尸体标本4具,男性标本2具,女性标本2具；所有标本术前均通过肉眼观察及影像学筛选,以排除肿瘤、骨折、结核等病变。标本包括颈椎(C3-C7)后部、侧方的软组织。1.2方法：1.21¨描标本获得下颈椎CT图像资料：对4具标本进行术前64排螺旋CT扫描,扫描条件：电压120kV,电流150mA,层厚0.5mm,矩阼512×512。将扫描的CT断层数据以DICOM格式进行储存.1.22下颈椎CT图像资料导入Mimics10.01软件：将以DICOM格式进行储存的CT断层数据,导入到三维重建软件Mimics10.01(Materialise Company,比利时)中,进行下颈椎三维模型图像的分割重建,获得单个下颈椎图像,并且对每个椎体图像数据进行编码,以STL格式储存以备用。1.23确定下颈椎椎弓根峡部：将单个椎体数据(STL格式)导入到Geomagic Studio (Geomagic公司,美国)中,以横突平分线为基准线,在垂直方向上寻找平分椎体的矢状线,从而找到椎弓根轴线；沿着椎弓根轴线方向,利用‘创建特征’功能寻找到椎弓根最大内接圆直径最小的部位,即是椎弓根峡部。同时保留椎弓根峡部内接圆曲线,椎弓根峡部最大内接圆曲线以wrp格式储存,备用。1.24设计导航模板螺钉定位杆：在Geomagic中,利用‘创建特征’功能寻找到椎弓根峡部的最大内接圆,最大内接圆以IGS的方式进行储存；把最大内接圆数据输入到UG中,沿椎弓根轴线方向,设计出直径为2mm的导航模板克氏针定位杆。对左右两侧的2mm虚拟克氏针进行布尔运算,而后再与椎体进行布尔运算,设计出带有克氏针通道的椎体三维模型。1.25设计制作下颈椎三维模型：将带有克氏针虚拟通道的下颈椎椎体模型输入到美国三维立体打印机Spectrum Z510(Z Corp美国)公司生产Spectrum Z510三维立体打印方式成型机进行打印。主要通过以下几个步骤设计制作个性化的椎体三维模型,预备三维设备；用Zprint软件准备好搭建过程；去除部件,初步定型。从而获得带有克氏针通道的椎体快速成型模型。1.26制作导航模板：由模型组C3-C7两侧置入直径为2mm长80mm克氏针,用调和好的牙托粉在两枚克氏针周围进行堆积,制作模块,待牙托粉充分凝结之后拔出克氏针,对模块进行手工分离。从而获得带有克氏针通道的导航模板。1.3C3-C7标本准备：取4具颈椎标本,进行准备。剔除椎板后部的软组织,暴露椎板；切除棘间韧带和棘上韧带,暴露棘突。充分暴露椎体后部骨面结构,使导航模板与椎体椎板骨曲面紧贴。沿着导航导向孔置入克氏针,克氏针的直径是2mm。双侧同时置入克氏针,共40个。1.31二次CT扫描带有克氏针的下颈椎标本克氏针置入后,再次进行螺旋CT扫描,扫描条件相同。将扫描的CT断层图像导入到三维重建软件Mimics10.01中,选取合适的骨阈值,对下颈椎图像灰度提取,选择合适的闽值进行三维重建(采用相同的闽值和重建技术),克氏针单独进行图像重建。而后以STL格式导出,备存。1.32实际克氏针与虚拟克氏针位置数据的提取克氏针置入后,再次进行螺旋CT扫描。将扫描的CT断层图像导入到三维重建软件Mimics14.01中,对下颈椎进行三维重建(采用相同的阈值和重建技术),以STL格式导出。在Geomagic10.0软件中将再次扫描的CT数据与置钉前的CT数据利用特征标志点进行3D配准,使两者坐标系统一,利用Geomagic10.0中“提取特征”的功能拟合克氏针,并提取并记录虚拟克氏针与实际克氏针在颈椎进钉点的六自由度数据,包括x、y、z轴的位移数据及x、y、z轴的旋转数据。1.33实际克氏针与虚拟克氏针位置差值的提取重新建立坐标系,以下颈椎的长轴为Z轴,以左右方向为x轴,以前后方向为Y轴；以横突中部所在的水平面为0。基准面,正中矢状面所在的平面为0。基准面。在Geomagic Qualify11中,同时导入术前带有虚拟克氏针的椎体和术后带有实物克氏针的椎体,对于术前设计好的椎体我们对虚拟克氏针采用创建特征功能,编辑出克氏针的轴线,以IGS格式进行备存；同样的方式,我们对术后置入克氏针的椎体利用创建特征功能寻找到实物克氏针的轴线,以IGS的格式进行储存备份。在逆向工程软件NX6.0中,输入虚拟克氏针轴线曲线以及实物克氏针轴线曲线,进行编辑。采用NX6.0中分析功能中的测量角度功能可以计算出两条直线在不同平面的空间角度改变数值大小,同理采用测量距离功能计算出两条直线之间的最小距离,同时可以获得在各个平面的位移投影距离的大小。结果应用快速成型技术和逆向工程原理,设计下颈椎个性化导航模板40个,辅助下颈椎40个克氏针置入；术中发现每个下颈椎的导航模板与椎体椎板紧密结合,模板具有较高的匹配程度以及稳定性。虚拟克氏针六自由度的位移参数：X轴是160.046±98.479mm、Y轴是-199.976±6.703mm、Z轴是-288.941±128.153mm.旋转参数：X轴是-0.203±0.439。、Y轴是0.151±0.494。、Z轴是0.027±0.127。。实际克氏针六自由度的位移参数：X轴是159.675±99.162mm、Y轴是-200.456±6.719mm、Z轴-283.472±125.079mm；旋转参数：X轴是0277±0.317。、Y轴是0.262±0.416。、Z轴0.048±0.230。。通过配对样本t检验得知,位移在X、Y、Z轴方向均无统计学差异,p>0.05；角度在X、Y、Z方向均无统计学差异,p>0.05。实际克氏针与虚拟克氏针之间的偏差,X轴位移偏差是158±0.66mm、Y轴位移偏差是1.96±0.84mm、Z轴位移偏差是2.33±1.15mm；X轴旋转偏差是1.43±118。、Y轴旋转偏差是2.43±1.67。、z轴旋转偏差是1.14±050。结论本研究应用采集下颈椎标本,模拟后路经椎弓根固定手术,运用三维重建技术及配准技术,具有一定的临床应用前景。但是,本研究与临床实际应用还有较大的差别,此个性化导航模板的造型及其精度尚需进一步改进。