计算机辅助上颈椎微创内固定术优化系统的研究和开发

The complex anatomy of upper cervical region making the high risk of injury to neurologic and vascular structures, increasing the difficult of surgery. Traditional internal fixation have considerable damage to muscles and high risk of postoperative infection. With the help of surgical instruments,digital imaging technology, techniques of minimally invasive upper cervical fixation was evolved rapidly over the past decades. The lack of uniform technical standards and poor accuracy of screw placement, many complications were reported, even of paralysis and death. A high-precision and uniform standard for minimally invasive upper cervical fixation is needed. In this study, we plan to load the CT data of patients into Mimics software for three-dimensional reconstruction, then preserved as .STL format, and loaded into UG imageware software to find out the best channel of screw trajectory. Several bony markers will be defined and used to improve the accuracy of screw placement. At last, a standardized software system based on three-dimensional reconstruction and reverse engineering will be builded, and cadaveric surgery will be performed to verify and optimize the system. This standardized system will help us to spread minimally invasive upper cervical fixation, decrease complications and make more and more patients enjoy the benefit of those novel techniques.

上颈椎解剖结构复杂 ,手术难度大，风险高，一直以来都是脊柱外科的难题。传统手术方式创伤大，术后感染风险高。随着医用手术器械、计算机成像技术等的迅猛发展，上颈椎微创内固定术近几年得到了飞跃式发展。但目前存在技术标准不统一、置钉准确度不佳等问题，导致一系列并发症甚至瘫痪和死亡的发生，给患者、家庭、社会带来痛苦和负担。一套高精确度、易学、统一的置钉标准是目前迫切需要解决的问题。本研究拟在C臂X线机辅助下，结合自行设计的经皮微创置钉器械，利用患者术前CT数据，导入Mimics软件中建立三维模型，以STL格式在UG imageware内建立最佳置钉数字通道并进行有限元验证，找出几个骨性标记点，通过尸体模拟手术，最终建立起一套标准化、程序化基于三维建模和逆向工程原理指导上颈椎置钉的智能系统。从而推动和规范上颈椎微创手内固定术，降低手术并发症，使更多的患者受益于这种优效、微创技术。

上颈椎解剖结构复杂 ,手术难度大，风险高，一直以来都是脊柱外科的难题。传统手术方式创伤大，术后感染风险高。随着医用手术器械、计算机成像技术等的迅猛发展，上颈椎微创内固定术近几年得到了飞跃式发展。但目前存在技术标准不统一、置钉准确度不佳等问题，导致一系列并发症甚至瘫痪和死亡的发生，给患者、家庭、社会带来痛苦和负担。本研究通过利用逆向工程原理获得上颈椎经皮内固定手术（包括齿状突螺钉内固定、前路寰枢椎侧方关节内固定，后路寰枢椎侧方关节内固定，前路枕-寰-枢螺钉内固定）的最佳螺钉数字通道，前路寰枢椎螺钉内固定术三维重建虚拟置钉测得左、右侧侧偏角分别为21.80°±3.97°、21.54°±4.04°，左、右侧后偏角分别为29.34°±4.48°、28.90°±4.49°，齿状突螺钉内固定术三维虚拟置钉测得侧偏角和后偏角分别为0.40°±0.86°、27.16°±3.38°。并通过有限元分析验证其生物力学性能。设计了适用于上颈椎经皮内固定手术的角度定位导向器，验证了角度定位导向器可以提高上颈椎经皮置钉的准确性和安全性。通过三维重建和3D打印技术验证了寰枢椎3D打印的准确性，寰枢椎14个影像参数测量数据和三维打印模型测量数据对比差异均无统计学意义（P>0.05），组间相关系数（ICC）统计发现，13/14个大于0.800，同时也更好的获得了在C 臂X光机透视图中易于识别的解剖标记点，作为精确置钉的参照对象。还设计了一些用于上颈椎微创手术的微视手术器械，大大的提高了手术的可视化和微创化，相关产品已申请专利。最后建立了计算机辅助齿状突螺钉内固定、前路寰枢椎侧方关节内固定，后路寰枢椎侧方关节内固定，前路枕-寰-枢螺钉内固定四种手术的规范化、准确置钉、计算机智能辅助方案。本研究成果有望推动和规范上颈椎微创手内固定术，降低手术并发症，使更多的患者受益于这种优效、微创技术。