3D打印導航模板與計算機導航系統在輔助椎弓根螺釘置入準確性與安全性的Meta分析

王一迪 范利娟 劉永輝 王向陽 崔宏勛

1）河南中醫藥大學，河南 鄭州 450000 2）河南省洛陽正骨醫院（河南省骨科醫院），河南鄭州 450000

近些年，脊柱退行性病變及骨質疏松癥的患者比例逐年增長，脊柱退行性病變常見于中老年人，臨床常見的有腰椎間盤突出癥、腰椎管狹窄癥、腰椎滑脫等，其手術治療的目的是實現堅固的脊柱穩定性及良好的骨性融合功能［1］。自20 世紀90 年代椎弓根螺釘固定術被成功應用于脊柱側凸的治療后［2］，這種術式就開始逐漸被應用于各種脊柱病變的治療過程中，提供了良好的早期穩定性和脊柱融合率［3］，顯示出良好的放射學和臨床效果［4］。但由于椎弓根所處的解剖位置結構及神經血管分布都較為復雜，使得這種術式對內固定螺釘置入方向及長度的要求極高，椎弓根螺釘置釘位置不佳會導致并發癥發生率較高［5-6］，主要表現為損傷脊髓、神經根及血管及腹腔臟器等，嚴重者會出現偏癱、大小便失禁等并發癥［7］。

為提高椎弓根螺釘置釘的安全性和準確率，降低術后因螺釘置入椎弓根位置不佳而引起的血管、神經損傷，國內外學者均行進一步的研究，并設計了多種輔助置釘技術，如C型臂X射線透視輔助置釘、便攜式電子導航開路器置釘、3D 打印導航模板輔助置釘、計算機導航系統技術等。但這些方法存在許多不足之處，如C 型臂X 線透視會增加患者及醫生輻射量，延長手術時間。目前較常用的輔助置釘技術是3D 打印導航模板和計算機導航系統輔助置釘技術。計算機導航系統將計算機及影像技術結合起來，使醫生可以在可視化三維解剖信息引導下實施手術［8］，相較于傳統椎弓根螺釘置入術來說簡化了椎弓根螺釘入口點和軌跡的選擇，提高了置釘安全性和準確性［9］，但這種術式在術中需要固定參考架，可能導致手術時間的延長［10-11］。近些年，3D 打印導板輔助置釘技術操作簡單、無需特殊設備［12］，在脊柱病變中得到廣泛使用［13］。3D 打印技術可以在術前打印出立體實物，有利于醫生更好地了解病變部位、性質，對病人的病情做出較為準確的判斷，制定術前規劃［14］；術中基于3D打印的導航模板可以按術前計劃釘道實現個性化椎弓根置釘，減少了術中透視次數，縮短了手術時間［15］，但3D打印材料昂貴、對術者計算機操作及技術要求高，使其在臨床的推廣應用有一定難度。本文通過對國內外采用3D 打印導航模板與計算機導航系統在輔助椎弓根螺釘置入準確性與安全性的對比研究進行Meta 分析，以評價兩種術式的優缺點。

1 資料與方法

1.1 文獻檢索策略

1.1.1 檢索者和檢索資料庫：由第一，第二作者檢索中國知網、萬方數據庫及維普網、PubMed、Web of Science、The Cochrane Library 數 據 庫 自 建 庫 至2022-11的文獻。

1.1.2 檢索詞：中文檢索詞：“3D打印導航模板、計算機導航系統、椎弓根螺釘內固定、脊柱退行性變、脊柱相關疾病、腰椎間盤突出癥、椎管狹窄癥、腰椎滑脫、胸腰椎骨折、脊柱側凸、輔助技術、輔助手術”。英 文 檢 索 詞：“3D pringting；computer-assisted navigation；pedicle screw fixation；spinal degeneration；spinal related diseases；lumbar disc herniation；lumbar spinal stenosis；lumbar spondylolisthesis；thoracolumbar fracture； scoliosis； assisted surgery； assisted technology”。

1.1.3 數據庫檢索策略：中文文獻檢索策略以中國知網為例，英文文獻檢索策略以PubMed為例。

1.2 文獻納入與排除標準納入標準：（1）研究類型：文獻檢索使用上述公開數據庫中關于3D 打印導航模板與計算機導航系統在輔助椎弓根螺釘置入準確性與安全性效果對比的隨機對照試驗、前瞻性或回顧性臨床對照試驗；（2）研究對象：包括脊柱側凸、椎間盤突出、椎管狹窄、椎體滑脫及胸腰椎骨折等脊柱疾病在內的臨床體內研究；（3）干預措施：試驗組采用3D 打印導航模板置釘，對照組使用計算機導航系統置釘；（4）結局指標：包括平均置釘時間、手術時間、術后6 個月JOA 評分和VAS 評分、術后并發癥發生率、術中出血量、術中透視次數及置釘準確率等指標中的任何一項或幾項；（5）文獻語言：中文或英文。

排除標準：（1）非研究類文獻，如綜述、個案報道；（2）非人體研究，如動物、模型等；（3）無法獲取全文的文獻；（4）數據不完整；（5）分組不清晰；（6）研究措施不符合本研究；（7）中、英文以外的其他語言研究。

1.3 文獻篩選及資料提取進行文獻檢索后，根據納入和排除標準對檢索到的文獻進行篩選，以達到冗余和初選的目的，然后對文獻的標題和摘要進行審查，初步確定是否應納入研究，閱讀選定文獻全文，以確認其是否納入。最終，由2 名研究者將篩選出的文獻進行交叉核對，若持不同意見，則與第3 位研究者協商決定文獻是否應該被納入。最后對本研究所納入的研究進行資料提取，具體內容包括第一作者、發表年份、病例數量、平均年齡、干預措施、研究類型、隨訪時間、手術時間及術后并發癥等情況。

1.4 文獻質量評價隨機對照類文獻依據Cochrane手冊對其進行質量評價，包括7 個方面，每個方面又包括3 個等級，如隨機分配方法、盲法的實施等幾個方面；回顧性研究的質量評價根據NOS 質量評價量表進行，文獻總分為9 分，得分少于5 分視為低質量文獻。

1.5 結局指標手術時間、平均置釘時間、術中透視次數、術中出血量、術中透視次數、術后6個月時JOA和VAS評分、置釘準確度、術后并發癥發生率。

1.6 統計學分析研究采用RevMan 5.3 軟件進行Meta 分析，計數資料用相對危險度（relative risk，RR）表示，計量資料用均數差（mean difference，MD）表示，計算其95%的可信區間（95% confidence interval，95%CI）。根據Q 檢驗和I2值判斷各研究間的異質性，若P＞0.05，I2＜50%說明各研究間異質性較小，存在統計學同質性，采用固定效應模型分析。P＜0.05，I2＞50%時說明各研究間異質性較大，存在統計學異質性，需進一步進行亞組分析和敏感性分析異質性的來源。若通過各種方式均無法找到異質性來源，則采用隨機效應模型分析。檢驗水準α=0.05。

2 結果

2.1 文獻檢索結果本次Meta 分析共檢索到文獻174 篇，通過文獻管理軟件剔除重復文獻后剩余106篇，閱讀題目及摘要對剩余文獻進行初步篩選，得到文獻74篇，閱讀全文后排除質量較低的文獻，最終共納入7篇文獻。

2.2 文獻基本情況最終共納入研究文獻7 篇，包含隨機對照試驗3篇，回顧性文獻4篇，共計346例患者。其中，3D打印導航模板組178例，計算機導航系統組168例。11篇文獻詳情見表1。

表1 納入研究的基本信息Table 1 Basic information of the included literature

2.3 文獻質量評價納入的7篇文獻的質量評價按Cochrane 手冊進行，結果見圖1、2；回顧性研究按文獻質量評價量表（NOS量表）進行，結果見表2。

圖1 隨機對照試驗偏倚風險評價比例Figure 1 Risk of bias assessment diagram

圖2 隨機對照試驗偏倚風險評價Figure 2 Risk of bias summary

表2 納入研究的回顧性研究偏倚風險評價結果Table 2 Risk of bias assessment results of retrospective cohort studies

2.4 Meta分析結果

2.4.1 平均置釘時間比較：4個研究比較了2組的平均置釘時間（試驗組133 例，對照組115 例）［16-17，19，22］。各研究間異質性較高（I2=100%，P＜0.000 1），通過對納入文獻進行逐一剔除及亞組分析均無法消除異質性，故采用隨機效應模型分析。Meta 分析結果顯示，3D 打印組的平均置釘時間與計算機導航組相比差異有統計學意義（MD=-4.92，95%CI：-8.50～-1.35，P＜0.05），見圖3。

圖3 3D打印組與計算機導航組平均置釘時間比較的Meta分析森林圖Figure 3 Forest plot of average screw placement time of 3D printing group vs computer navigation group

2.4.2 手術時間比較：5個研究比較了2組間手術時間（試驗組126例，對照組116例）［17-21］，異質性檢驗顯示各研究間異質性較大（I2=95%，P＜0.000 1），對納入文獻進行逐一剔除，無法消除其異質性，故采用隨機效應模型進行分析，Meta分析顯示，3D打印組的手術時間與計算機導航組相比差異有統計學意義（MD=-41.10，95% CI：-74.54～-7.67，P＜0.05），見圖4。

圖4 3D打印組與計算機導航組手術時間比較的Meta分析森林圖Figure 4 Meta-analysis forest plot comparing operation time between the 3D printing group and the computer-navigated group

2.4.3 術中出血量的差異：6個研究比較了2組患者術中出血量（試驗組158例，對照組148例）［16-21］，各研究間異質性較高（I2=85%，P＜0.000 1），通過各種方法均無法消除其異質性，故采用隨機效應模型進行分析，結果顯示3D打印組與計算機導航組的術中出血量差異無統計學意義（MD=-10.97，95% CI：-29.38～7.44，P=0.24），見圖5。

圖5 3D打印組與計算機導航組術中出血量比較的Meta分析森林圖Figure 5 Forest plot of intraoperative bleeding volume of 3D printing group vs computer navigation group

2.4.4 術中透視次數的差異：4 篇文獻報道了2 組間術中透視次數的差異（試驗組135 例，對照組126例）［16-17，19-20］，2 組間存在較大異質性（I2=97%，P＜0.000 1），對納入研究進行敏感性分析，將每個納入文獻進行逐一剔除再進行效應量合并，結果并未發生改變，故采用隨機效應模型進行分析，結果顯示，3D打印組與計算機導航組的術中透視次數差異無統計學意義（MD=0.81，95% CI：-0.85～2.46，P=0.34），見圖6。

圖6 3D打印組與計算機導航組術中透視次數比較的Meta分析森林圖Figure 6 Forest plot of times of intraoperative fluoroscopy of 3D printing group vs computer navigation group

2.4.5 術后6個月JOA的差異：納入的3個研究比較了2組患者術后6個月JOA（試驗組113例，對照組95例）［16-17，19］，異質性檢驗顯示2組間不存在異質性（I2=0，P=0.70），故采用固定效應模型進行分析。結果顯示，3D打印組的術后6個月JOA評分與計算機導航組相比差異無統計學意義（MD=0.10，95% CI：-0.50～0.70，P=0.73），見圖7。

圖7 3D打印組與計算機導航組術后6個月JOA評分比較的Meta分析森林圖Figure 7 Forest plot of JOA score 6 months after surgery of 3D printing group vs computer navigation group

2.4.6 術后6 個月VAS 的差異：3 篇文獻比較了2組患者術后6 個月VAS（試驗組113 例，對照組95例）［16-17，19］，異質性檢驗顯示2組間不存在異質性（I2=0，P=0.53），故采用固定效應模型進行分析。結果顯示，3D打印組的術后6個月VAS評分與計算機導航組相比，差異無統計學意義（MD=-0.01，95% CI：-0.16～0.13，P=0.84），見圖8。

圖8 3D打印組與計算機導航組術后6個月VAS評分比較的Meta分析森林圖Figure 8 Forest plot of VAS score 6 months after surgery of 3D printing group vs computer navigation group

2.4.7 置釘準確率的差異：6個研究報道了2組間術后置釘準確率（試驗組495例，對照組569例）［16-18，20-22］，其中3D 打印導航模板輔助下準確置釘454 例，準確率為91.7%；計算機導航輔助下準確置釘500 例，準確率為87.9%。異質性檢驗顯示各研究間異質性較高（I2=62%，P=0.02），通過逐一排除每個納入的研究進行敏感性分析，董騏源［21］的研究剔除后，異質性明顯降低（I2=0，P=0.53），采用固定效應模型進行分析，結果顯示3D 打印組的置釘準確率與計算機導航組相比差異有統計學意義，3D 打印組置釘準確率明顯高于計算機導航組（RR=1.09，95% CI：1.04～1.15，P=0.001），見圖9。

圖9 3D打印組與計算機導航組置釘準確率比較的Meta分析森林圖Figure 9 Forest plot of the accuracy of pedicle screw placement of 3D printing group vs computer navigation group

2.4.8 術后并發癥發生率：4 篇文獻報道了2 組術后并發癥發生率（試驗組156 例，對照組138例）［16-17，19，21］，異質 性檢驗發現2 組間存在異質性（I2=62%，P=0.11），敏感性分析及亞組分析均無法確定其異質性來源，因此采用隨機效應模型進行數據分析，結果顯示3D 打印組與計算機導航組術后并發癥發生率無統計學差異（RR=0.81，95% CI：0.10～6.52，P=0.84），見圖10。

圖10 3D打印組與計算機導航組術后并發癥發生率比較的Meta分析森林圖Figure 10 Forest plot of the rate of complication of 3D printing group vs computer navigation group

2.5 發表偏倚分析使用RevMan 軟件制作漏斗圖進行發表偏倚分析時，原則上結局指標納入文獻數量應≥10 篇，才能保證得出的結果穩定、可靠，而本次研究所有結局指標的納入文獻數均不滿10 篇，故未進行發表偏倚分析。

3 討論

1959 年Boucher 利用椎弓根結構首次成功置入椎弓根螺釘［23］，隨后椎弓根螺釘固定系統在脊柱創傷、脊柱畸形及脊柱退行性疾病的后路手術治療中發揮了越來越重要的作用。傳統的徒手椎弓根置釘技術能否成功置釘在很大程度上是由臨床醫師的經驗決定的，在臨床置釘過程中常因位置不佳而導致腦脊液漏、內固定失敗、神經血管損傷，尤其對于先天性脊柱畸形等復雜脊柱疾病患者來說，增加了致殘率和病死率，故椎弓根螺釘置入準確性對手術效果十分重要。因此，臨床出現了多種輔助置釘技術以提高椎弓根螺釘置入準確性，降低損傷患者神經、血管的概率。其中，計算機導航系統輔助置釘技術和3D 打印導航模板輔助置釘技術憑借較高的置釘準確率及安全性在臨床得到廣泛使用。

3.1 文章結果分析本文系統評價了3D 打印導板和計算機導航系統在椎弓根螺釘置入術中的輔助置釘效果，探討了兩者之間的安全性和應用價值，從有效性上看，3D 打印組的置釘準確率明顯高于計算機導航組，說明3D 打印導航模板的置釘效果優于計算機導航系統；從安全性上看，3D 打印組的平均置釘時間、手術時間均少于計算機導航置釘組，且兩者的術中出血量、術中透視次數、并發癥發生率及術后6 個月時的JOA 及VAS 評分無統計學差異，說明相較于計算機導航置釘技術，3D 打印導板置釘技術在置釘有效性和安全性方面更具有優勢；術后6 個月，2 組之間的VAS、JOA 評分無統計學差異，說明椎弓根內固定術能較好地緩解疼痛、恢復脊柱功能，與兩種椎弓根螺釘輔助置入方法無明顯關聯。2 組術中出血量及術后并發癥發生率比較無統計學差異，說明兩種椎弓根螺釘輔助置入手段對手術安全性指標的影響不大，都是安全性較高的手術方式，不僅療效確切，且安全性高。

計算機導航輔助置釘技術可通過術中三維CT提供的準確指引和導航，從而選取最佳置釘位置，完成置釘，為特殊、疑難病例提供了更好的手術規劃，保障了手術安全［24］。計算機導航輔助置釘技術也存在不足之處：（1）計算機導航系統操作復雜，存在一定的學習曲線，對于初學者可能會導致手術時間的延長，術中出血量及術后感染風險增加；（2）對于長階段的患者需要2 次或多次掃描，增加了醫患雙方的放射損傷；（3）需要配套的導航設備及其專用手術配套設施，在基層醫院較難推廣；（4）術中為了加快配準速度、提高導航精度，需要對手術部位周圍軟組織進行廣泛剝離，以顯露骨性結構，會對患者造成較大的創傷，增加術中出血量及術后感染的風險。與計算機導航輔助置釘相比，3D 打印導板輔助置釘技術具有以下優勢：（1）3D 打印技術的手術操作較為簡單，學習成本較低，術中也無需注冊和多次透視，降低了手術難度；（2）3D 打印導板輔助置釘技術簡化了置釘程序，置釘不會受手術節段相鄰椎體、呼吸運動等的影響，避免了術中出現的置釘偏差，減少手術時間［25］；（3）3D 打印導板技術針對患者個人使用不同的個性化導板，為手術醫師提供更全面、詳細的病變信息，增加了置釘準確性；（4）3D 打印導板輔助置釘技術不需要其他專門的輔助設備，降低了成本；（5）術前術者可根據3D打印模板設計好進釘點、進釘方向和角度、截骨位置、截骨方式，制定最佳手術方案、預判術后截骨后的脊柱形態等，安全性更高。

本文顯示，3D 打印導板輔助置釘技術在手術時間、平均置釘時間及置釘準確率等方面均優于計算機導航輔助置釘技術，說明其具有更高的安全性及置釘準確性。以往也有研究表明3D 打印導航模板輔助置釘技術相較于計算機導航系統具有更顯著的優勢，Lu 等［26］的研究證明3D 打印導航模板置釘技術的導板與相應椎體有固定的位置關系，可以為醫生提供實時導航及最佳進釘點和進釘角度，是一種更加安全、簡單的術式。相關文獻報道，即使對于熟練的外科醫生來說，螺釘置入后不良反應的發生率仍＞10%［27］，尤其對于如胸腰椎結核等解剖復雜、累及椎體較多的脊柱疾病來說，不良反應的發生率更高，但相關研究表明3D 打印技術可顯著降低不良反應的發生率。楊義等［28］通過前瞻性隨機對照試驗研究了3D 打印胸腰椎結核模型及導板在指導腰椎結核手術上的準確性與安全性，結果證明相較于傳統徒手置釘，3D 打印導板輔助置釘技術的手術時間較短、術中出血量少、透視次數少、平均置釘時間短、并發癥發生率低，是一種效率、精度和安全性均較高的手術方式，可應用于復雜的胸腰椎結核的手術。Garg 等［29］將3D 打印導航模板輔助置釘技術應用于脊柱畸形矯形術及翻修手術，發現這種術式可有效縮短手術時間、減少出血、降低放射線對醫患雙方的傷害；鐘遠鳴等［30］系統評價了3D 打印導板輔助置釘技術和傳統置釘技術在治療寰樞椎不穩上的安全性與穩定性，發現3D 打印導航模板技術有利于術者更好地了解患者寰樞椎病理狀態，術前可通過3D 打印導板選擇寰樞椎最合適的進釘點和釘道方向，術中不會因患者體位變化而出現錯位失效現象；肖強等［31］設計出一種用于下頸椎雙側前路椎弓根螺釘置釘的3D 打印導航模板，并將其應用于輔助頸前路椎弓根螺釘的置入，結果顯示60 枚頸前路椎弓根螺釘均順利置入，具有良好的安全性。由此可見，3D 打印導航模板加深了臨床醫師對復雜脊柱手術的認識，使得術者在術前可以對3D 打印模型觀察分析，并模擬手術實施過程，對手術方案進行合理調整，制定最優的手術方案，充分發揮仿真模型的作用，提高手術的安全性及有效性。

3.2 兩種術式的前景目前，3D打印導航模板輔助置釘術和計算機導航系統輔助置釘技術已廣泛應用于脊柱疾病的手術治療，其療效也得到廣大臨床醫師的認可。計算機導航輔助置釘技術的出現為很多復雜脊柱疾病的治療開拓了更好的方法，未來應充分依靠數字化骨科技術、計算機及圖像信息技術的迅猛發展，使其朝著精準化、微創化的方向邁進。雖然當前研究表明兩種術式均可以提高椎弓根置釘的安全性和準確性，3D 打印技術的手術時間和平均置釘時間更短、置釘準確性較高，值得臨床推廣，但也應看到其局限性：（1）術前等待時間長：術前需要額外的時間進行導板設計、分析、制作、消毒等處理，過程較為復雜，增加了患者術前的等待時間，不適宜應用于急診手術；（2）置釘的影響因素較多：首先，3D打印建模是基于薄層的CT 圖像，而CT 圖像的質量一定程度上限制了導板的精密度；其次，設計的導孔位置和方向出現微小偏差都可能導致術中置釘方位的巨大失誤，導致置釘失??；最后，3D打印導板制作是根據患者仰臥位上拍攝的CT，手術時患者的體位是俯臥位，患者體位的改變以及麻醉后患者肌肉的松弛等因素，均會影響導板輔助置釘的準確性。為此，有學者在俯臥位上拍攝患者CT片，通過增加橋接點的方法，以提高置釘準確性［32］；（3）缺乏規范標準：目前仍無針對3D 打印導板輔助置釘技術的相關規范標準，其潛在風險仍不明確。因此，未來仍需大量基礎和臨床研究來證實3D 打印技術在輔助椎弓根螺釘置入上的有效性及安全性，以便為脊柱疾病患者提供更加安全有效的手術方案。

3.3 局限性（1）納入研究的數量較少，總樣本量有待提高；（2）所納入的文獻只有3 篇隨機對照試驗，其他均為回顧性研究，導致本文的證據等級較低；（3）納入的文獻均為中文，未納入外文文獻，存在一定的選擇偏倚；（4）平均置釘時間、手術時間、術中出血量及術中透視次數等結局指標之間異質性較高，通過敏感性分析及亞組分析均無法消除其異質性，結論尚存在爭議，這可能與不同手術醫師的手術熟練程度有關；（5）隨訪時間較短，導致兩種術式的遠期療效無法進行比較。

3D 打印導航模板輔助置釘技術有更高的安全性及有效性，能顯著縮短平均置釘時間和手術時間，提高置釘準確率，是一種較為安全的術式。本次Meta 分析納入文獻數量較少且質量較低，可能導致Meta 分析結果存在偏差，未來需開展大樣本、多中心、具有前瞻性的研究加以驗證。