3D打印技術(shù)在退行性脊柱側(cè)凸矯形中的運(yùn)用

黃飛強(qiáng)，馮華龍，何升華

(1.廣州中醫(yī)藥大學(xué)第四臨床醫(yī)學(xué)院，廣東 深圳 518033；2深圳市中醫(yī)院骨三科，廣東 深圳 518033)

退行性脊柱側(cè)凸畸形的手術(shù)矯正一直是脊柱骨科的重點(diǎn)和難點(diǎn)，被稱為脊柱的皇冠手術(shù)。脊柱畸形患者的脊柱形態(tài)千差萬別，凹側(cè)椎弓根常變短變細(xì)，椎板寬度變小，椎管形態(tài)不對(duì)稱，這些畸形給術(shù)中椎弓根置釘帶來了非常大的難度，風(fēng)險(xiǎn)更是比非脊柱畸形患者高[1-2]。目前臨床上運(yùn)用的置釘技術(shù)主要有Lenke提出的徒手置釘技術(shù)、C型臂透視下置釘技術(shù)、球形探針引導(dǎo)置釘技術(shù)、機(jī)器人輔助置釘技術(shù)、計(jì)算機(jī)導(dǎo)航輔助置釘技術(shù)[3]。徒手置釘及球形引導(dǎo)置釘技術(shù)對(duì)術(shù)者解剖知識(shí)及手術(shù)技巧要求較高，學(xué)習(xí)曲線陡峭，C型臂透視下置釘對(duì)于患者及醫(yī)護(hù)射線暴露量較高，機(jī)器人或計(jì)算機(jī)導(dǎo)航輔助置釘因設(shè)備昂貴，大部分醫(yī)院仍未配備。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)為術(shù)前模擬置釘提供了一種新的方法。本研究使用術(shù)前3D打印模擬置釘方法治療退行性脊柱側(cè)凸畸形患者30例，取得良好療效，現(xiàn)報(bào)道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料 本研究選取2014年10月至2015年11月在我院住院并確診的30例退行性脊柱側(cè)凸畸形患者，其中男10例，女20例，年齡45～65歲，平均(55.2±6.8)歲；頂椎為L1有6例，頂椎為L2有12例，頂椎為L3有10例，頂椎為L4有2例；左側(cè)凸畸形有18例，右側(cè)凸畸形有12例；Cobb角為22°～30°者16例，30°～50°者10例，大于50°者4例；單純腰痛者10例，單純腿痛者6例，腰痛合并腿痛者14例；VAS評(píng)分3～6分者4例，6～8分者22例，8～10分者4例。Schwab分型(2007年版)Ⅳ型10例，Ⅴ型20例。Simmons分型Ⅰ型2例，Ⅱ型28例。納入標(biāo)準(zhǔn)：a)經(jīng)X線、CT、MRI檢查明確診斷為退行性脊柱側(cè)凸畸形患者；MRI提示患者有神經(jīng)根或者脊髓受壓；經(jīng)測量冠狀面Cobb角大于10°者；b)女性患者為非月經(jīng)期者；c)腰痛、腿痛或腰腿痛患者經(jīng)系統(tǒng)保守治療6個(gè)月未見明顯緩解者；d)患者無基礎(chǔ)疾病或經(jīng)系統(tǒng)評(píng)估能夠耐受手術(shù)者；e)患者及家屬主觀要求手術(shù)治療并能積極配合手術(shù)者。排除標(biāo)準(zhǔn)：a)先天性、特發(fā)性、神經(jīng)肌肉性脊柱側(cè)彎者；b)患者經(jīng)影像學(xué)診斷確定為退行性脊柱側(cè)凸畸形但無癥狀體征者；c)患者腰腿痛尚能忍受經(jīng)保守治療后緩解者；d)患者一般情況較差，不能耐受手術(shù)者；e)患者無手術(shù)意愿或家屬嚴(yán)重反對(duì)手術(shù)不能配合手術(shù)者。

1.2 材料 3D打印材料：通過Mimics 14.0軟件(比利時(shí)Materialise公司)讀取斷層圖像，對(duì)每張斷層圖像進(jìn)行選擇性編輯并去除冗余數(shù)據(jù)，重建三維模型(Calculate 3D)。在3D打印機(jī)器中導(dǎo)入數(shù)據(jù)，采用熔融沉積成型方法打印模型，本方法采用熱熔噴頭，使得熔融狀態(tài)的聚碳酸酯按計(jì)算機(jī)控制的路徑擠出、沉積，并凝固成型，經(jīng)過逐層沉積、凝固，最后除去支撐材料，得到所需的三維產(chǎn)品。植入材料：椎弓根螺釘內(nèi)固定矯形系統(tǒng)(CD HORIZON SEXTANT)：美國樞法模公司生產(chǎn)，內(nèi)植物由鎳鉻制成的棒，鈦合金制成的螺塞、中空M8萬向及固定螺釘、連接頭、連接環(huán)、橫梁和骨鉤等組成，具有很好的硬度及韌性，且與機(jī)體具有很好的生物相容性，通過旋棒彎棒對(duì)脊柱進(jìn)行矯形及固定。

1.3 術(shù)前規(guī)劃及手術(shù)方法

1.3.1 術(shù)前規(guī)劃 根據(jù)術(shù)前3D打印模型直接觀察病變區(qū)域的椎體三維結(jié)構(gòu)，特別是端椎凹側(cè)椎弓根的粗細(xì)及長短，測量各椎弓根的最窄直徑，術(shù)前對(duì)各椎弓根進(jìn)行模擬置釘，確定進(jìn)針點(diǎn)及進(jìn)針角度，觀察置釘后椎弓根各壁是否完整，從而評(píng)估椎弓根是否具備可置釘條件，提高手術(shù)置釘準(zhǔn)確率，節(jié)約手術(shù)時(shí)間，減少術(shù)中出血及術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生。模擬置釘后量棒上棒后對(duì)椎體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)矯形，預(yù)估矯形效果，測量棒的長度，術(shù)前提前剪棒，節(jié)約術(shù)中量棒剪棒時(shí)間。對(duì)于椎弓根過細(xì)或缺如不適宜置釘?shù)淖刁w，術(shù)中應(yīng)放棄置釘，避免不必要的手術(shù)時(shí)間和置釘失敗率。

1.3.2 手術(shù)方法 患者全麻成功后俯臥于手術(shù)床上，予安置術(shù)中肌電監(jiān)護(hù)裝置，消毒鋪巾。取頂椎棘突間隙為中心，做正中切口，逐層切開皮膚、皮下、從椎板間隙進(jìn)入，顯露棘突，徹底電凝止血。保留棘上、棘間韌帶，分別用電刀在正中兩旁切開背筋膜，使用cobb骨膜剝離器及電刀在骨膜下剝離軟組織，顯露雙側(cè)椎板間隙及關(guān)節(jié)突。按照術(shù)前擬定的設(shè)計(jì)方案，分別于需要矯正畸形椎體雙側(cè)椎弓根使用咬骨鉗咬除骨皮質(zhì)，開路器開路，手椎鉆入椎弓根，椎弓根探子確認(rèn)通道各壁完整后，予分別絲攻攻絲，后按計(jì)劃擰入大小、長短合適的固定或萬向椎弓根釘各1枚。經(jīng)過C型臂反復(fù)確認(rèn)均位置良好，螺釘穩(wěn)固牢靠。如有神經(jīng)癥狀，則在雙側(cè)采用椎板咬骨鉗減壓，并徹底松解周圍所有黏連，徹底止血，大量生理鹽水沖洗。運(yùn)用髓核鉗、鉸刀、刮勺等工具清除相關(guān)椎間盤組織，予椎管減壓、神經(jīng)根管及神經(jīng)根徹底松解，予以椎體周圍、椎間孔徹底松解。再分別予雙側(cè)椎弓根置入原設(shè)計(jì)好、預(yù)彎好的長度合適的鈦棒。根據(jù)術(shù)前計(jì)劃以及模擬3D手術(shù)的方案，運(yùn)用體內(nèi)旋棒、彎棒、撐開、壓縮、撬撥等技術(shù)進(jìn)行畸形的三維矯形、矯正。經(jīng)C型臂透視脊柱畸形矯正滿意，力線良好。再次探查椎體復(fù)位矯形良好，周圍組織松解明顯，于椎間接近正中位置放置好已經(jīng)植骨的cage，經(jīng)C型臂確認(rèn)位置良好后予雙側(cè)分別加壓椎間隙松緊度合適。C型臂透視腰椎生理弧度及各椎間高度良好，各釘、棒位置、長短均良好，脊柱側(cè)彎旋轉(zhuǎn)畸形矯正良好。放置大清生物紙、明膠海綿防黏連、填塞止血。放置橫連接，加固內(nèi)固定。切口留置負(fù)壓引流球，逐層縫合，消毒切口，清潔包扎，手術(shù)結(jié)束。

1.4 術(shù)后處理 術(shù)后常規(guī)使用頭孢呋辛鈉2 g，每天兩次3 d后改用口服抗生素抗感染；術(shù)后即刻使用氟比洛芬酯注射液100 mg，每天兩次，術(shù)后6 h聯(lián)合塞來昔布膠囊口服鎮(zhèn)痛，控制患者術(shù)后疼痛，VAS評(píng)分低于3分。術(shù)后軸線翻身，常規(guī)換藥，引流量低于50 mL/d時(shí)拔除引流管，定制胸腰椎支具到貨后在醫(yī)護(hù)人員或家屬陪同下下地活動(dòng)。術(shù)后指導(dǎo)患者行功能鍛煉，如立式俯臥撐、拱橋、飛燕等，循序漸進(jìn)。

1.5 評(píng)價(jià)指標(biāo) 術(shù)中計(jì)算置釘時(shí)間，術(shù)后通過CT三維重建計(jì)算置釘準(zhǔn)確率[2]。采用日本骨科學(xué)會(huì)下腰痛JOA評(píng)分、腰腿痛視覺模擬評(píng)分法(VAS)、Oswestry功能障礙指數(shù)(Oswestry disability index，ODI)、SF-36(v2)健康調(diào)查量表進(jìn)行臨床療效評(píng)價(jià)[3]；術(shù)前術(shù)后通過影像學(xué)測量主胸腰彎Cobb角、頂椎偏距進(jìn)行影像學(xué)評(píng)價(jià)[3]。

2 結(jié) 果

置釘時(shí)間與置釘準(zhǔn)確率：3D打印組患者的置釘時(shí)間為(2.0±0.2)min，回顧文獻(xiàn)非3D打印徒手置釘時(shí)間為(3.5±0.4)min。3D打印組30例患者置釘356枚，準(zhǔn)確率95.2%(339/356)，回顧文獻(xiàn)非3D打印徒手置釘準(zhǔn)確率約為88%。與既往文獻(xiàn)相比置釘時(shí)間及置釘準(zhǔn)確率都有明顯提高。

術(shù)后1、6、12個(gè)月患者VAS評(píng)分、JOA評(píng)分、ODI指數(shù)、SF-36評(píng)分與術(shù)前相比均明顯改善，P<0.05，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。術(shù)前與術(shù)后1、6、12個(gè)月相比較Cobb角及頂椎偏距均有明顯改善，P<0.05，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。術(shù)后1、6、12個(gè)月相比較，VAS評(píng)分、JOA評(píng)分、ODI指數(shù)、SF-36評(píng)分、Cobb角及頂椎偏距均無明顯差異，P>0.05，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(見表1)。

典型病例為一56歲女性患者，因“腰部疼痛10年余，加重10 d”、由門診擬“腰椎間盤突出癥”入院。入院診斷為“退行性脊柱側(cè)凸畸形(Schwab Ⅴ，Simmons Ⅱ型)”。腰椎向左側(cè)彎，雙側(cè)腰背肌稍緊張，L2～4椎體棘突叩擊痛，棘突旁壓痛，無明顯雙下肢放射痛，左側(cè)臀部及左下肢坐骨神經(jīng)走行區(qū)壓痛；左下肢直腿抬高試驗(yàn)50°(+)，加強(qiáng)試驗(yàn)(+)，雙側(cè)4字征(-)，挺腹試驗(yàn)(-)，雙側(cè)股神經(jīng)牽拉試驗(yàn)(+)，雙下肢小腿感覺減退，肌張力正常。生理反射存在，病理反射未引出。手術(shù)前后影像學(xué)資料見圖1～4。

3 討 論

3.1 退行性脊柱側(cè)凸畸形的定義和臨床表現(xiàn) 退行性脊柱側(cè)凸畸形多發(fā)于中老年人，脊柱的一個(gè)或數(shù)個(gè)節(jié)段在冠狀面上偏離中線向側(cè)方彎曲，形成帶有弧度的脊柱畸形，通常伴有脊柱的旋轉(zhuǎn)以及矢狀面上前凸和后凸的增加或減少，是Cobb角大于10°的一種疾病綜合征[4]。退變型脊柱側(cè)凸畸形多發(fā)生在腰段，由老年性的骨質(zhì)疏松、椎間盤退行性改變、椎間關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎、關(guān)節(jié)突增生肥大、局限性終板骨折或椎體非對(duì)稱性壓縮骨折以及退行性的脊柱滑移等因素導(dǎo)致[3-4]。退行性脊柱側(cè)凸畸形一般以腰背酸痛及雙下肢根性癥狀為主，手術(shù)目的跟青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸有很大不同，應(yīng)以緩解腰背部疼痛及預(yù)防畸形進(jìn)一步加重為主，有根性癥狀的患者術(shù)中加以根管減壓，矯形以矢狀位平衡、恢復(fù)脊柱力學(xué)平衡為主，區(qū)別于特發(fā)性脊柱側(cè)凸以美觀為目的的矯形[5-9]。

表1 手術(shù)前后各觀察指標(biāo)比較

圖1 術(shù)前X線片示患者側(cè)凸畸形Cobb角為64.16°，后凸畸形Cobb角38.25°，T12～L5椎體周圍嚴(yán)重骨質(zhì)增生

圖2 術(shù)前CT顯示頂椎為L3，L2～3向左側(cè)移位滑脫伴椎體旋轉(zhuǎn)，L3凹側(cè)椎弓根細(xì)小而短，經(jīng)測量直徑8 mm，長度12 mm，側(cè)凸畸形Cobb角為64.16°，根據(jù)CT掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行1︰1 3D打印

圖3 術(shù)后即刻X線片顯示釘棒位置良好，側(cè)凸畸形基本矯正，Cobb角6.8°，矢狀位平衡矯正良好，Cobb角18.38° 圖4 術(shù)后12個(gè)月X線片顯示矢狀位Cobb角7.1°，后凸Cobb角18.54°

3.2 3D打印技術(shù)在脊柱側(cè)凸畸形上的療效及并發(fā)癥分析 本研究中患者術(shù)后各階段VAS、JOA、ODI、SF-36評(píng)分均較術(shù)前明顯改善，且術(shù)后12個(gè)月各評(píng)分仍未明顯變差，生活質(zhì)量較術(shù)前得到明顯改善。朱曉東等[10]對(duì)21例伴有下腰痛和椎管狹窄的患者進(jìn)行脊柱側(cè)凸矯形，隨訪1年，發(fā)現(xiàn)所有患者在冠狀面及矢狀面上均得到很好的改善，90%患者對(duì)手術(shù)療效滿意。白朝暉等對(duì)306例原發(fā)性退行性脊柱側(cè)凸手術(shù)并發(fā)癥及危險(xiǎn)因素多中心研究發(fā)現(xiàn)，其總并發(fā)癥發(fā)生率為39%，初次手術(shù)后6年內(nèi)再次手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)為44%[11]。本研究中患者影像學(xué)提示術(shù)后脊柱側(cè)凸、后凸畸形得到明顯改善，Cobb角明顯降低，矢狀面恢復(fù)平衡。但是部分患者術(shù)后下地行走時(shí)出現(xiàn)跛行步態(tài)，床邊測量雙下肢發(fā)現(xiàn)不等長，相差5 cm，拍攝雙下肢全長X線片發(fā)現(xiàn)雙下肢等長。對(duì)此我們查閱關(guān)于并發(fā)癥的相關(guān)文獻(xiàn)中并未發(fā)現(xiàn)有跛行步態(tài)的相關(guān)報(bào)道。經(jīng)過科室討論，我們認(rèn)為這是患者術(shù)前因脊柱畸形導(dǎo)致的習(xí)慣性跛行步態(tài)，術(shù)后脊柱畸形雖然已矯正，但患者未能完全適應(yīng)，所以依然遺留跛行步態(tài)。為此，經(jīng)研究我們給患者定制不同高度的增高鞋，讓患者逐漸適應(yīng)，直到跛行步態(tài)消失。隨訪3個(gè)月后患者行走自如，跛行步態(tài)消失。

3.3 3D打印技術(shù)能夠明顯提高置釘準(zhǔn)確率 本研究術(shù)中置釘準(zhǔn)確率高達(dá)95.2%，經(jīng)過術(shù)前3D打印技術(shù)的運(yùn)用，術(shù)前進(jìn)行置釘規(guī)劃，對(duì)凹側(cè)椎弓根粗細(xì)有了更加直觀的認(rèn)識(shí)，對(duì)術(shù)中哪些椎體可以置釘了然于胸，避免釘?shù)来┢乒瞧べ|(zhì)甚至進(jìn)入椎管等置釘失敗的風(fēng)險(xiǎn)，為手術(shù)安全性提供了有效的保障[12-14]。在增加置釘準(zhǔn)確率的同時(shí)，術(shù)前3D打印技術(shù)的運(yùn)用也可以避免損傷神經(jīng)血管及內(nèi)臟[15-17]。盧琪等[18]認(rèn)為3D打印技術(shù)可為患者提供個(gè)體化定制的脊柱內(nèi)植物，使脊柱外科手術(shù)更精準(zhǔn)、更安全。張樹芳等[19]認(rèn)為3D打印技術(shù)可使手術(shù)更加精準(zhǔn)、安全、完美，提高脊柱矯形率，術(shù)前模擬螺釘置入、螺釘數(shù)據(jù)測量大大縮短了手術(shù)時(shí)間。姜良海等[9]研究發(fā)現(xiàn)3D打印導(dǎo)板輔助置釘技術(shù)能夠取得較高的置釘準(zhǔn)確率，減少螺釘穿破骨皮質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)，比傳統(tǒng)徒手置釘更加準(zhǔn)確，在取得相似置釘精確度的同時(shí)，比計(jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)更加簡單易操作。陳昱霖等[20]認(rèn)為3D打印技術(shù)輔助脊柱手術(shù)置釘，特別是在脊柱畸形矯形以及上頸椎置釘方面有著極大的研究意義和發(fā)展空間。李彥明等[21]認(rèn)為術(shù)前利用患者CT薄層掃描數(shù)據(jù)、通過3D打印技術(shù)制作患者病變相關(guān)節(jié)段脊柱模型，可為術(shù)者制定手術(shù)計(jì)劃和術(shù)前置釘提供參考，不僅可以縮短置釘時(shí)間，還能提高置釘準(zhǔn)確率[22]。

3D打印技術(shù)制作相關(guān)病變節(jié)段的脊柱模型不僅方便術(shù)者術(shù)前進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃，同時(shí)規(guī)避了大部分術(shù)中可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)，提高了置釘準(zhǔn)確率，保證了術(shù)后療效[23]。相比于計(jì)算機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)或機(jī)器人手術(shù)，達(dá)到相似效果的基礎(chǔ)上為患者節(jié)省了住院費(fèi)用，在臨床上值得推廣運(yùn)用。但是本研究中患者均希望術(shù)者使用3D打印行術(shù)前規(guī)劃、沒有對(duì)照組，同時(shí)病例樣本量不足，還有待于在今后臨床工作中收集更多的病例后再進(jìn)行報(bào)道。