3D打印技術(shù)在腰椎滑脫椎體椎弓根螺釘置入技術(shù)中的應(yīng)用

陳勤　陳榮春　游輝

【摘要】 目的：探討3D打印技術(shù)在滑脫腰椎椎體中椎弓根釘置入過(guò)程中的應(yīng)用價(jià)值。方法：選取本院2014年7月-2015年6月間因腰椎滑脫施行手術(shù)的40例患者分為兩組，每組各20例。手術(shù)方案均采用傳統(tǒng)腰椎后路椎板切除椎管減壓椎間植骨融合椎弓根釘內(nèi)固定術(shù)（PLIF）手術(shù)，傳統(tǒng)徒手穿刺組采用傳統(tǒng)徒手穿刺完成椎弓根釘置入，3D打印組術(shù)前進(jìn)行3D實(shí)體腰椎模型的打印，記錄兩組在滑脫椎體椎弓根釘置入過(guò)程中的工作時(shí)間、穿刺次數(shù)，均在術(shù)后復(fù)查CT以判斷椎弓根釘置入的準(zhǔn)確性。結(jié)果：應(yīng)用3D打印組在滑脫椎體中置入單個(gè)椎弓根的平均時(shí)間為（5.60±1.85）min，明顯短于傳統(tǒng)徒手穿刺組的（8.10±1.63）min；穿刺次數(shù)平均為（1.20±0.20）次，少于傳統(tǒng)徒手穿刺組的（1.80±0.50）次；術(shù)后CT平掃提示3D打印組的38枚（95.00%）椎弓根螺釘完全位于椎弓根內(nèi)，準(zhǔn)確率明顯高于傳統(tǒng)徒手組的80.00%，兩組比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。結(jié)論：應(yīng)用3D打印技術(shù)有助于椎弓根螺釘置入術(shù)前計(jì)劃的制定，在滑脫腰椎椎體椎弓根釘?shù)闹萌脒^(guò)程中可有效減少置釘時(shí)間并且明顯提高置釘?shù)臏?zhǔn)確性。

【關(guān)鍵詞】 3D打印； 腰椎滑脫； 椎弓根螺釘技術(shù)

【Abstract】 Objective：To discuss the value of the 3D Printing Technology in lumbar spondylolisthesis pedicle screws.Method：40 patients with lumbar spondylolisthesis were selected in our hospital from July 2014 to June 2015，they were divided into two groups，20 cases in each group.All patients were instrumented with posterior lumber interbody fusion（PLIF），the conventional hand puncture group was treated by traditional method of pedicle screws，the 3D printing group was treated by the help of 3D printing technology. The finish time of single pedicle screw and the number of replacement times were recorded， all the position of perdicle screw of spondylolisthesis were observed by CT scan to evaluate the screw placement accuracy.Result：The finish time of single screw in 3D printing group was （5.60±1.85）min，which was shorter than（8.10±1.63）min of conventional hand puncture group；the number of replacement times in 3D printing group was （1.20±0.20）times，which was less than（1.80±0.50）times of conventional hand puncture group；according to the CT results， the excellent rate of pedicle screw position in 3D printing group was 95.00%，which was higher than 80.00% of the conventional hand puncture group，the differences were statistically significant（P<0.05）.Conclusion：Application of 3D printing technology is helpful to the development of the pedicle screw placement plan，can effectively reduce the time of the pedicle screw placement in the course of the pedicle screw placement and improve the accuracy of the screw placement.

【Key words】 3D Printing Technology； Lumbar spondylolisthesis； Pedicle screws

First-authors address：The Peoples Hospital of Ganzhou，Ganzhou 341000，China

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2015.35.019

目前腰椎滑脫癥的手術(shù)治療主要以后路PLIF手術(shù)為主，雖然在滑脫椎體的復(fù)位與否上目前存在一定爭(zhēng)議，然而目前達(dá)成共識(shí)的觀點(diǎn)都認(rèn)為腰椎滑脫手術(shù)的目的在于解決滑脫椎體的失穩(wěn)定，手術(shù)治療的最終目的為實(shí)現(xiàn)腰椎滑脫節(jié)段的融合[1-2]。在傳統(tǒng)脊柱融合技術(shù)當(dāng)中，椎弓根釘棒系統(tǒng)是目前應(yīng)用最多且最為重要的技術(shù)，其中椎弓根螺釘?shù)闹萌霚?zhǔn)確性與否直接影響最終的手術(shù)治療效果，由于滑脫椎體與正常椎體解剖標(biāo)志差異較大，以往經(jīng)驗(yàn)的定位方法常導(dǎo)致椎弓根釘置入的困難以及螺釘?shù)拇┏?，并?dǎo)致嚴(yán)重的神經(jīng)損傷[3-4]。本科自2014年開(kāi)始引進(jìn)美國(guó)Makerbot公司的3D打印機(jī)及配套MakerBot Desktop 3.6軟件，并在腰椎滑脫患者術(shù)前進(jìn)行應(yīng)用，結(jié)合腰椎滑脫節(jié)段打印出的實(shí)體模型制定相應(yīng)的椎弓根釘置釘計(jì)劃，取得了較好的置釘效果，現(xiàn)報(bào)道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選取2014年7月-2015年6月在贛州市人民醫(yī)院脊柱外科手術(shù)治療的腰椎滑脫患者40例，均為單節(jié)段滑脫，共計(jì)40個(gè)滑脫椎體，共80個(gè)椎弓根；其中退變性滑脫14例，真性滑脫26例；1度滑脫31例，2度滑脫7例，3度滑脫2例；年齡38～72歲，平均（52.40±6.80）歲；男17例，女23例；腰3椎體滑脫5例，腰4椎體滑脫24例，腰5椎體11例。根據(jù)術(shù)前計(jì)劃是否引入3D打印技術(shù)，將所有病例分為傳統(tǒng)徒手穿刺組與3D打印組，每組各20例，手術(shù)方式均為后路PLIF手術(shù)。傳統(tǒng)徒手穿刺組術(shù)中椎弓根釘?shù)闹萌胍揽啃g(shù)前相關(guān)影像資料確定，術(shù)中根據(jù)經(jīng)驗(yàn)手法穿刺；3D打印組選擇術(shù)前通過(guò)三維CT資料導(dǎo)入軟件建模，使用3D打印機(jī)進(jìn)行實(shí)體模型打印。兩組術(shù)中均采用C臂機(jī)透視進(jìn)一步證實(shí)置釘?shù)臏?zhǔn)確性。

1.2 方法 所有納入患者術(shù)前均行64排螺旋CT檢查對(duì)腰椎滑脫節(jié)段進(jìn)行三維重建，傳統(tǒng)徒手穿刺組根據(jù)CT及X線影像資料并結(jié)合Magerl定位方法確定滑脫椎體的穿刺方案，術(shù)中徒手進(jìn)行穿刺；3D打印組將所得CT檢查DICOM文件導(dǎo)入軟件進(jìn)行建模并進(jìn)行滑脫椎體節(jié)段的實(shí)體打印，在實(shí)體標(biāo)本及模擬對(duì)滑脫腰椎椎體進(jìn)行椎弓根入釘點(diǎn)解剖標(biāo)志的判定及定位，并確定置釘方向及深度。所有手術(shù)均由同一組手術(shù)團(tuán)隊(duì)施行，鈦合金材質(zhì)椎弓根螺釘系統(tǒng)均由天津正天醫(yī)療器械有限公司生產(chǎn)。患者均使用脊柱專用手術(shù)床擺放體位，全麻插管麻醉完成后取俯臥位，對(duì)腰背部手術(shù)區(qū)域進(jìn)行常規(guī)消毒鋪巾，對(duì)手術(shù)節(jié)段C臂機(jī)準(zhǔn)確定位后取腰椎后正中入路，切開(kāi)皮膚及筋膜層后沿棘突向兩側(cè)剝離椎旁肌群，充分暴露滑脫需固定節(jié)段的關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)。依據(jù)術(shù)前手術(shù)計(jì)劃在椎體的上關(guān)節(jié)突上進(jìn)一步確認(rèn)椎弓根螺釘?shù)娜脶旤c(diǎn)以及方向并進(jìn)行椎弓根穿刺，穿刺完成后通過(guò)C臂機(jī)進(jìn)一步確認(rèn)椎弓根穿刺方向及深度，如確認(rèn)無(wú)誤則隨后植入椎弓根釘，隨后臨時(shí)連接釘棒系統(tǒng)并稍撐開(kāi)椎間隙，對(duì)椎體的后方椎板部分進(jìn)行切除以完成椎管減壓。檢查并松解雙側(cè)上位及下位神經(jīng)根，保護(hù)好硬膜及神經(jīng)根對(duì)滑脫節(jié)段的椎間盤進(jìn)行切除，并對(duì)椎間隙充分松解后對(duì)滑脫節(jié)段進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位完成后對(duì)椎間隙進(jìn)行植骨并置入椎間融合器，隨后完成椎弓根釘棒系統(tǒng)的加壓及鎖定。主要記錄椎弓根釘置入時(shí)間（穿刺開(kāi)始到螺釘置入完畢時(shí)間）、穿刺次數(shù)（包含椎弓根穿刺調(diào)整次數(shù)），手術(shù)后行CT檢查明確椎弓根螺釘置入后是否在椎弓根內(nèi)，是否存在穿破皮質(zhì)的情況。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理 使用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析，計(jì)量資料采用（x±s）表示，比較采用t檢驗(yàn)，計(jì)數(shù)資料采用 字2檢驗(yàn)，以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

80個(gè)滑脫椎體經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，兩組的性別與年齡比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）；3D打印組在滑脫椎體中置入單個(gè)椎弓根螺釘?shù)钠骄鶗r(shí)間為（5.60±1.85）min，明顯短于傳統(tǒng)手法穿刺組的（8.10±1.63）min，兩組比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）；3D打印組穿刺次數(shù)平均為（1.20±0.20）次，少于傳統(tǒng)徒手穿刺組（1.80±0.50）次，兩組比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。術(shù)后CT平掃提示3D打印組38枚（95.00%）椎弓根螺釘完全位于椎弓根內(nèi)，2枚椎弓根螺釘部分穿破內(nèi)側(cè)壁（未產(chǎn)生神經(jīng)癥狀體征），穿出率為5.00%，分別為腰5椎體3度滑脫單側(cè)及腰4椎體2度滑脫單側(cè)；傳統(tǒng)徒手穿刺組32枚（80.00%）椎弓根螺釘完全位于椎弓根內(nèi)，8枚部分穿破內(nèi)側(cè)壁（未產(chǎn)生神經(jīng)癥狀體征），穿出率為20.00%，分別為4例腰5椎體1度滑脫單側(cè)、2例腰4椎體滑脫單側(cè)以及2例腰4椎體2度滑脫雙側(cè)，3D打印組在椎弓根螺釘?shù)臏?zhǔn)確性方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)手法穿刺組，兩組比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05），典型病例見(jiàn)圖1。

3 討論

在腰椎滑脫癥病例中，椎弓根釘?shù)臏?zhǔn)確置入對(duì)于抵抗滑脫椎體的各個(gè)方向的剪切應(yīng)力對(duì)實(shí)現(xiàn)椎體的滑脫順利復(fù)位以及恢復(fù)椎體穩(wěn)定性的過(guò)程起著至關(guān)重要的作用，椎弓根螺釘?shù)臏?zhǔn)確植入是手術(shù)成功的基礎(chǔ)，穿破椎弓根的螺釘對(duì)于鄰近重要神經(jīng)組織損傷將導(dǎo)致嚴(yán)重不良后果[5-6]。對(duì)于解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變的滑脫椎體，由于長(zhǎng)期慢性的炎癥介質(zhì)刺激，關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)嚴(yán)重增生，椎弓根的解剖結(jié)構(gòu)存在巨大的變異性，人字嵴等傳統(tǒng)定位解剖標(biāo)識(shí)往往難以識(shí)別，甚至橫突結(jié)構(gòu)也存在一定的改變，傳統(tǒng)椎弓根釘入釘點(diǎn)的確定更為困難，腰椎滑脫椎體植入椎弓根釘?shù)臏?zhǔn)確性也難以得到保障。

目前雖有多種椎弓根螺釘置入的定位及穿刺辦法，然而目前僅依靠解剖結(jié)構(gòu)的定位，并沒(méi)有哪一種穿刺定位手段可以達(dá)到高度準(zhǔn)確的成功率。有學(xué)者提出手術(shù)者的經(jīng)驗(yàn)在一定程度上決定著置釘?shù)臏?zhǔn)確性，因此有部分學(xué)者提出在椎弓根釘?shù)闹萌胫袘?yīng)當(dāng)采用個(gè)體化治療的手段，可以在術(shù)前通過(guò)個(gè)體化的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化技術(shù)處理，在術(shù)前模擬完成椎弓根釘置入的計(jì)劃以提升置釘?shù)臏?zhǔn)確性[7-9]。也有學(xué)者指出采用術(shù)中導(dǎo)航技術(shù)對(duì)椎弓根釘置入實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以大大提高椎弓根釘植入的準(zhǔn)確程度[10]。然而由于導(dǎo)航設(shè)備的昂貴及操作的復(fù)雜程度，限制了該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，可以確定的是，為了保證在椎弓根螺釘?shù)闹萌胫械臏?zhǔn)確率，應(yīng)當(dāng)采取個(gè)體化的原則。近年來(lái)3D打印技術(shù)逐漸運(yùn)用于醫(yī)療，尤其在骨科學(xué)領(lǐng)域逐漸得到重視，在骨科手術(shù)的個(gè)體化診斷以及治療中，有研究發(fā)現(xiàn)在椎弓根釘?shù)闹踩敕矫婵芍谱鞒鰧ｉT的導(dǎo)板以進(jìn)一步提高成功率，并有較多研究指出3D打印快速成型技術(shù)在指導(dǎo)創(chuàng)傷骨科手術(shù)以及關(guān)節(jié)置換等方面可以提高手術(shù)的效率以及準(zhǔn)確性[11-15]。

本研究通過(guò)利用3D打印技術(shù)，對(duì)手術(shù)節(jié)段進(jìn)行建模并打印出與實(shí)體1∶1等大的實(shí)體腰椎滑脫節(jié)段模型，在術(shù)前通過(guò)結(jié)合影像測(cè)量以及觀察實(shí)體模型的方法，對(duì)滑脫椎體椎弓根釘?shù)闹踩氘a(chǎn)生立體的概念及構(gòu)型，并在術(shù)前可對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行模擬的椎弓根釘置入，確定準(zhǔn)確的入釘點(diǎn)及相關(guān)標(biāo)志、方向以及深度。在本次研究的實(shí)際運(yùn)用中，使用了3D打印技術(shù)組的病例在置釘時(shí)間上明顯短于傳統(tǒng)徒手置釘組，穿刺的次數(shù)也比徒手組減少，術(shù)后的CT影像上穿破椎弓根皮質(zhì)的情況也少于徒手置釘組。3D打印技術(shù)在術(shù)前的運(yùn)用有助于提高腰椎滑脫椎體椎弓根釘植入的準(zhǔn)確率，同時(shí)減少穿刺次數(shù)以及手術(shù)的時(shí)間，提高了置釘效率，并且減少了因穿刺次數(shù)增加的C臂透視所帶來(lái)的射線暴露。分析其原因，筆者認(rèn)為可能與下列原因有關(guān)：（1）傳統(tǒng)的CT三維重建僅能提供虛擬的三維圖像，醫(yī)者對(duì)于疾病的評(píng)估僅能通過(guò)想象在腦中進(jìn)行空間的三維圖像再重建，而3D打印技術(shù)所形成的三維實(shí)體模型提供了傳統(tǒng)二維圖像以及虛擬三維圖像所不能給予的直觀感受，在術(shù)前提供更為宏觀的模型有利于術(shù)者對(duì)手術(shù)節(jié)段的整體把握，3D打印實(shí)體模型有助于術(shù)者在術(shù)前滑脫節(jié)段進(jìn)行全面的整體評(píng)估[16]。（2）3D打印模型在術(shù)前可以充分評(píng)估腰椎滑脫節(jié)段在手術(shù)中可能帶來(lái)的難點(diǎn)及重點(diǎn)，對(duì)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)增生導(dǎo)致的骨性標(biāo)志的模糊充分評(píng)估，去偽存真，選擇出正確的椎弓根釘置釘點(diǎn)，減少增生組織導(dǎo)致的誤判，在術(shù)前即可形成良好的手術(shù)計(jì)劃；然而椎弓根的置釘仍需要術(shù)者豐富的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)作為支持，椎弓根釘植入的基本技術(shù)是椎弓根成功置入的根本。

由于3D打印技術(shù)在現(xiàn)階段仍然存在一定的設(shè)計(jì)局限性，在打印模型的精確度上存在一定的誤差，可能與本次研究中3D打印組出現(xiàn)2例滑脫程度較重的椎弓根釘有一定的相關(guān)性。在術(shù)前的計(jì)劃中應(yīng)充分考慮打印精度的不足所導(dǎo)致的誤差，不能過(guò)度依靠3D打印模型，盡量在認(rèn)真閱片的基礎(chǔ)上選擇更為明顯的骨性標(biāo)志物作為進(jìn)針參照點(diǎn)，穿刺過(guò)程中，經(jīng)驗(yàn)豐富的術(shù)者也可在一定程度上抵消設(shè)計(jì)精度的缺陷。術(shù)前詳細(xì)作出置釘計(jì)劃，利用3D打印技術(shù)軟件重建腰椎滑脫節(jié)段的三維模型，立體的從各個(gè)角度、層面完成滑脫椎體及正常椎體的椎弓根釘方向及深度測(cè)量，減少螺釘置入失敗幾率以保證手術(shù)的安全性，同時(shí)也節(jié)省手術(shù)時(shí)間。尤其在結(jié)合微創(chuàng)技術(shù)置釘?shù)倪^(guò)程中，由于微創(chuàng)切口小且暴露的組織結(jié)構(gòu)有限，3D打印技術(shù)模型的運(yùn)用可能將更有助于術(shù)者在術(shù)前的充分評(píng)估，依靠模型使用手指接觸相關(guān)骨性標(biāo)志進(jìn)行模擬的置釘可能將進(jìn)一步減少置釘?shù)氖茁?，術(shù)前3D實(shí)體模型的運(yùn)用也更有利于年輕脊柱外科醫(yī)生的學(xué)習(xí)。

由于現(xiàn)階段醫(yī)學(xué)領(lǐng)域3D打印技術(shù)的迅速發(fā)展，其成本及實(shí)用性、門檻在不斷下降，也有利于該技術(shù)的進(jìn)一步普及。3D打印技術(shù)充分體現(xiàn)了骨科手術(shù)的個(gè)體化治療的趨勢(shì)及原則，在個(gè)體化的椎弓根釘置入方面不失為一種好的方法。

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（收稿日期：2015-09-23） （本文編輯：周亞杰）