3D打印技術(shù)在脊柱外科的應(yīng)用進(jìn)展

鄧亞軍 ，解琪琪 ，李文洲 ，史衛(wèi)東 ，馬靖琳 ，潘云燕 ，康學(xué)文 ，汪靜

1.蘭州大學(xué)第二醫(yī)院，甘肅蘭州730000；2.甘肅省骨關(guān)節(jié)疾病研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730000

前言

3D打印技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代，是一種運(yùn)用計(jì)算機(jī)及三維數(shù)字成像技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)集重建的方法，主要應(yīng)用于醫(yī)療、航天、軍工、工業(yè)設(shè)計(jì)等行業(yè)［1］。近年來(lái)，3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的作用和地位日益顯著，廣泛應(yīng)用于脊柱外科、頭頸外科、整形外科等外科領(lǐng)域［2-4］，其作用主要是幫助外科醫(yī)生進(jìn)行術(shù)前診斷，術(shù)中導(dǎo)航、協(xié)助醫(yī)患溝通及臨床教學(xué)。研究表明，我國(guó)脊柱疾病的發(fā)病率呈逐年上升趨勢(shì)，需要進(jìn)行手術(shù)治療的脊柱疾病患者也日益增多［5］。由于脊柱的解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，毗鄰重要神經(jīng)、血管，對(duì)外科醫(yī)生心理素質(zhì)和手術(shù)操作要求極高，一旦手術(shù)中有失誤，就容易造成患者脊髓損傷，輕者造成癱瘓，重者可能危及生命，對(duì)患者造成不可挽回的損失［6］。因此，筆者對(duì)3D打印技術(shù)在脊柱外科領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行綜述，為相關(guān)研究提供參考。

1 3D打印概念及原理

3D打印又稱增材制造，是一種可以將三維的數(shù)字模型通過(guò)金屬粉末或塑料等可黏性材料打印為實(shí)物模型的快速成型技術(shù)［7-8］。3D打印所用的原材料種類廣泛，其可以是陶瓷、塑料、金屬，甚至可以是活的細(xì)胞［9-10］。其打印的設(shè)計(jì)過(guò)程是：先通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）或計(jì)算機(jī)動(dòng)畫建模軟件建模，再將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，從而指導(dǎo)打印機(jī)逐層打印。具體過(guò)程如下：首先獲取感興趣人體部位的MRI或CT薄層二維圖像（DICOM）的數(shù)據(jù)，然后運(yùn)用計(jì)算機(jī)三維模型軟件將得到的二維圖像轉(zhuǎn)化為STL（Standard Template Library）格式文件，最后將STL導(dǎo)入3D打印機(jī)即可進(jìn)行打?。?1］。

2 3D打印技術(shù)在脊柱外科的應(yīng)用

2.1 在疾病診斷中的應(yīng)用

脊柱的形態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，有重要組織結(jié)構(gòu)如神經(jīng)、脊髓等與之毗鄰。面對(duì)如此復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)加之棘手的疾病，外科醫(yī)生根據(jù)X線、MRI及CT等二維影像學(xué)資料，無(wú)法準(zhǔn)確判斷病灶及其周圍組織之間的解剖關(guān)系，容易因?yàn)閷?duì)疾病的認(rèn)識(shí)不足得出片面的結(jié)論，從而影響對(duì)疾病的治療。3D打印技術(shù)通過(guò)提取患者脊柱的CT和MRI數(shù)據(jù)資料，重建患者脊柱的三維解剖結(jié)構(gòu)，得到實(shí)體疾病模型，其提供的立體內(nèi)部結(jié)構(gòu)更清晰直觀，解剖信息更詳細(xì)具體，可以幫助醫(yī)生全面的認(rèn)識(shí)疾病進(jìn)而做出正確的診斷，為后期制訂合理的手術(shù)方案做準(zhǔn)備。并且可以對(duì)手術(shù)方式進(jìn)行直觀的探討分析及模擬，使手術(shù)更加精準(zhǔn)，從而縮短手術(shù)時(shí)間，提高手術(shù)的成功率，達(dá)到滿意的治療效果和預(yù)后［12-14］。有研究報(bào)道，臨床醫(yī)生使用3D打印為2例脊柱腫瘤患者制作出相應(yīng)的脊柱模型，成功協(xié)助疾病的診斷［15］。由此可見(jiàn)，3D打印可以協(xié)助臨床醫(yī)生對(duì)疾病進(jìn)行診斷，進(jìn)而有效避免誤診，值得在臨床工作中推廣。

2.2 在術(shù)中導(dǎo)航中的應(yīng)用

目前，脊柱疾病的手術(shù)治療方式很多，其中椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)是重要方法之一。對(duì)于嚴(yán)重的脊柱側(cè)凸、脊柱骨折、脊柱腫瘤等脊柱外科疾病，此時(shí)椎弓根缺少明顯固定的解剖標(biāo)志，給置釘帶來(lái)極大風(fēng)險(xiǎn)。傳統(tǒng)徒手置釘方法又存在著釘?shù)榔x、穿透椎弓根、損傷風(fēng)險(xiǎn)高等缺點(diǎn)［16-17］。利用3D打印個(gè)體化椎弓根導(dǎo)板輔助螺釘置入，導(dǎo)板可與脊柱表面完全貼合，螺釘?shù)拇笮?、植入深度、角度得到科學(xué)計(jì)算，有效避免了對(duì)重要血管和神經(jīng)的損傷［17-19］。張樹(shù)芳等［20］采用3D打印技術(shù)為患者行椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)，結(jié)果顯示螺釘置入良好且無(wú)并發(fā)癥出現(xiàn)。Hu等［21］應(yīng)用3D打印技術(shù)輔助C2椎板關(guān)節(jié)突螺絲內(nèi)固定和應(yīng)用于頸1/2經(jīng)關(guān)節(jié)螺釘內(nèi)固定治療寰樞椎不穩(wěn)，并驗(yàn)證其輔助置釘后的螺釘位置均在允許誤差范圍內(nèi)。有學(xué)者運(yùn)用3D打印導(dǎo)航在尸體標(biāo)本上置入椎弓根螺釘，術(shù)后結(jié)果表明此方法可以顯著提高椎弓根螺釘置入準(zhǔn)確率，并縮短手術(shù)時(shí)間［22］。李彥明等［23］根據(jù)CT斷層掃描數(shù)據(jù)，利用3D打印技術(shù)建立患者的脊柱實(shí)體模型，為23例患者進(jìn)行椎弓根置釘。結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)的未使用3D打印技術(shù)的徒手置釘技術(shù)相比，該技術(shù)明顯縮短置釘時(shí)間，提高了置釘準(zhǔn)確率。Merc等［24］將20例腰椎患者隨機(jī)分為2組，一組為傳統(tǒng)治療組，另一組為導(dǎo)板輔助組，術(shù)后使用X線、MRI復(fù)查，實(shí)驗(yàn)證明導(dǎo)板輔助組較徒手置釘組置釘時(shí)間短，釘?shù)榔x的風(fēng)險(xiǎn)降低。王琪等［25］對(duì)22例脊柱腫瘤患者術(shù)前進(jìn)行CT掃描，收集數(shù)據(jù)并進(jìn)行三維模型重建，使用3D打印機(jī)制作出病灶區(qū)域的脊柱模型。并參考打印出的脊柱模型，制定手術(shù)方案、模擬手術(shù)操作、預(yù)處理內(nèi)置物，指導(dǎo)治療。結(jié)果22例手術(shù)均成功，癥狀均較術(shù)前有明顯改善。術(shù)后X線復(fù)查，可見(jiàn)內(nèi)置物位置良好，未見(jiàn)松動(dòng)移位。以上實(shí)驗(yàn)均證明3D打印在手術(shù)導(dǎo)航應(yīng)用中具有重要臨床價(jià)值，但尚需要更多的臨床實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

2.3 在內(nèi)置物定制和支具制作中的應(yīng)用

脊柱解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，與之伴行的血管神經(jīng)繁多，加之脊柱疾病種類較多，內(nèi)置物大小不匹配的情況經(jīng)常出現(xiàn)，這時(shí)制定個(gè)體化內(nèi)置物就非常必要，已有研究證實(shí)了應(yīng)用3D打印技術(shù)可以根據(jù)患者的實(shí)際情況進(jìn)行個(gè)體化內(nèi)置物的定制，以滿足患者需求，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更精確的手術(shù)［26］。Xu等［27］采用3D打印技術(shù)為尤文肉瘤患者植入個(gè)體化的樞椎椎體，通過(guò)術(shù)后隨訪觀察，患者神經(jīng)功能顯著提高。錢文彬等［28］應(yīng)用3D打印技術(shù)打印椎體，并置入實(shí)驗(yàn)豬體內(nèi)，術(shù)后影像學(xué)顯示，置入的椎體位置正常，術(shù)后豬的后腿活動(dòng)、感覺(jué)均良好。Phan等［29］將3D打印的個(gè)性化內(nèi)固定材料應(yīng)用于1例65歲女性后路C1～2融合術(shù)，術(shù)后復(fù)查內(nèi)固定材料穩(wěn)定性較好，患者癥狀較術(shù)前明顯緩解。舒適的支具對(duì)患者的日常生活和康復(fù)鍛煉是必不可少的，它可以改善患者的生活質(zhì)量，同時(shí)對(duì)心理負(fù)擔(dān)的調(diào)解也有一定的意義，從而更好的幫助患者早日康復(fù)［30］。

2.4 在醫(yī)患溝通中的應(yīng)用

醫(yī)患關(guān)系是否和諧一直是人們所擔(dān)心的問(wèn)題，患者及家屬對(duì)醫(yī)生不理解、不信任，往往會(huì)造成臨床治療無(wú)法順利進(jìn)行。醫(yī)患關(guān)系差主要是現(xiàn)在的醫(yī)療體系大環(huán)境決定的，但跟患者及其家屬缺乏醫(yī)療知識(shí)也有很大關(guān)系，如果不能正確認(rèn)識(shí)疾病，進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生對(duì)醫(yī)生的各種不理解。在解決患者及家屬缺乏醫(yī)療知識(shí)這方面，3D打印出來(lái)的脊柱疾病模型可以作為良好的講解工具，讓患者及家屬聽(tīng)得懂、看得懂，提高醫(yī)患之間的有效交流量，增加患者及家屬對(duì)醫(yī)生的信任，減少醫(yī)療糾紛發(fā)生［31］。

2.5 在臨床教學(xué)中的應(yīng)用

熟練掌握解剖學(xué)知識(shí)是一名合格外科醫(yī)生的必備條件，然而我國(guó)醫(yī)學(xué)生的教學(xué)還停留在傳統(tǒng)的書本層面，這樣導(dǎo)致很多同學(xué)學(xué)習(xí)興趣不高，效率低下及對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解深度達(dá)不到。尤其對(duì)于脊柱外科的年輕醫(yī)生，由于脊柱解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，周圍毗鄰重要組織臟器，而X線、CT等二維影像學(xué)資料不能全面反映脊柱相應(yīng)病灶與周圍組織的解剖關(guān)系，這就對(duì)臨床知識(shí)的學(xué)習(xí)造成了很大障礙。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，為解決年輕脊柱外科醫(yī)生學(xué)習(xí)解剖知識(shí)難、學(xué)習(xí)效率低下及深度不夠提供了一種新途徑。笪熠等［32］研究表明3D打印技術(shù)在個(gè)體化醫(yī)學(xué)操作模擬及個(gè)人化教學(xué)方面，能夠讓學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)高效率地對(duì)病例的解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行記憶，加強(qiáng)對(duì)復(fù)雜病例的深入理解，很大程度上提高教學(xué)質(zhì)量。周華等［33］把62名住院醫(yī)師隨機(jī)分成兩組，其中對(duì)照組接受常規(guī)的教學(xué)方式，實(shí)驗(yàn)組采用常規(guī)教學(xué)方式結(jié)合3D打印模型進(jìn)行教學(xué)。結(jié)果顯示，在疾病診斷準(zhǔn)確率及教學(xué)效果兩個(gè)方面，實(shí)驗(yàn)組均顯著高于對(duì)照組。以上研究均表明，3D打印技術(shù)能夠輔助常規(guī)臨床教學(xué)方式，解決學(xué)習(xí)效率低、學(xué)習(xí)深度不夠等教學(xué)難題，值得在臨床教學(xué)中進(jìn)行推廣。

3 總結(jié)與展望

3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，為脊柱外科醫(yī)生在進(jìn)行疾病診斷、術(shù)前規(guī)劃設(shè)計(jì)、術(shù)中導(dǎo)航、醫(yī)患溝通及臨床教學(xué)等方面提供了一種新途徑。3D打印技術(shù)可以將三維數(shù)字模型通過(guò)粘性材料打印成精確的實(shí)物模型，把復(fù)雜的病灶及解剖結(jié)構(gòu)形象的展現(xiàn)在外科醫(yī)生面前，為疾病診斷提供依據(jù)，進(jìn)而提高手術(shù)成功率，減少術(shù)后并發(fā)癥。雖然3D打印技術(shù)具有高精確性、高安全性及可重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)，但其不足之處也很明顯，比如3D打印的設(shè)備及原材料價(jià)格昂貴，限制了其在臨床上的推廣；3D打印需要多領(lǐng)域?qū)I(yè)人士相互合作才能進(jìn)行操作，醫(yī)工結(jié)合型人才較少也是限制其在臨床廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素；倫理道德因素使3D打印技術(shù)在人體的應(yīng)用受到限制［34］。隨著科技的發(fā)展及社會(huì)的進(jìn)步，希望以上問(wèn)題能夠逐步得到解決，3D打印技術(shù)在脊柱外科的應(yīng)用得到普及，為脊柱外科事業(yè)的發(fā)展提供更多的幫助。