3D打印技術(shù)在脊柱外科中的應(yīng)用

張 裕，潘 建，劉午陽

(贛南醫(yī)學(xué)院 1.2016級碩士研究生；2.2017級碩士研究生；3.第一附屬醫(yī)院，江西 贛州 341000)

1 3D打印技術(shù)

3D打印(three-dimensional printing，3DP)又稱為增材制造，是快速成形技術(shù)的一種，是以人體解剖為基礎(chǔ)，使用各種制作材料，從而精準(zhǔn)的制造人體物理模型的技術(shù)[1]，于20世紀(jì)80年代首先應(yīng)用于工程方面，由美國科學(xué)家Chuck Hull等首次完成通過計(jì)算機(jī)建模打印出3D實(shí)體[2]。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用是在1990年開發(fā)者通過CT掃描，后打印出顱骨解剖模型[3]。目前3D打印已在骨科、口腔科、神經(jīng)外科、頜面部外科及臨床教學(xué)、醫(yī)患溝通等方面起著重要的作用[4]。3D打印的主要流程包括：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及3D打印這3個流程，在骨科領(lǐng)域，首先獲得高分辨CT的3維成像資料，然后將其導(dǎo)入minics的圖像處理軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，再將其以STL格式導(dǎo)出，最終以“分層制造、逐層疊加”的方式完成制造。3D打印技術(shù)在脊柱外科主要應(yīng)用于以下幾個方面：臨床輔助教學(xué)、醫(yī)患溝通、復(fù)雜疾病診斷、治療方案制定、術(shù)前規(guī)劃及手術(shù)模擬訓(xùn)練、骨組織工程等方面。

2 3D打印在脊柱外科中的應(yīng)用

2.1臨床教學(xué)與醫(yī)患溝通脊柱的解剖較其他骨骼更為復(fù)雜，且無法在淺表觸及全貌，傳統(tǒng)的教學(xué)是通過尸體標(biāo)本，但目前尸體來源少，且涉及倫理方面問題，故脊柱的教學(xué)多是采用一種平面教學(xué)，比較抽象。3D打印技術(shù)可以重現(xiàn)人體脊柱解剖結(jié)構(gòu)，從而提高學(xué)生對脊柱解剖的理解和記憶，有學(xué)者研究[5-6]顯示：通過3D打印出脊柱的模型用于臨床教學(xué)不僅可以幫助學(xué)生記憶脊柱解剖結(jié)構(gòu)，同時也可以通過病理脊柱模型掌握疾病的發(fā)病機(jī)制及病理改變，從而提高教學(xué)質(zhì)量。尹思等[7]采用移動APP結(jié)合3D打印的方式為住培學(xué)員授課取得了較好的效果。

3D打印疾病模型可以更直觀地表現(xiàn)出脊柱疾病的部位及病理改變，當(dāng)臨床醫(yī)師與患者及家屬溝通時可以參照患者本身的脊柱模型詮釋病情狀況，能夠清楚的向患者及家屬交代手術(shù)的注意事項(xiàng)、風(fēng)險及并發(fā)癥等，得到患者及家屬的信任，減少不必要的糾紛。

2.2脊柱外科復(fù)雜疾病的診斷及治療方案制定脊柱的解剖復(fù)雜且周圍有血管神經(jīng)等重要結(jié)構(gòu)，對于一些較為復(fù)雜的脊柱疾病，例如：脊柱結(jié)核、脊柱腫瘤及脊柱畸形等。傳統(tǒng)的影像學(xué)檢查并不能提供直觀的三維解剖，所以有時臨床醫(yī)師可能得出較為片面的結(jié)論，會影響疾病的診斷，誤診、漏診的比率升高，而3D打印實(shí)物模型可以提供更為詳細(xì)及立體的疾病模型，具有精確性和前瞻性，可以增加醫(yī)師對脊柱疾病的理解，從而做出更精確的診斷，例如脊柱骨折分型、脊柱腫瘤及脊柱側(cè)彎等，可以更好的明確疾病的預(yù)后，同時術(shù)者可以根據(jù)三維模型對患者進(jìn)行術(shù)前評估、手術(shù)部位及路徑的精確、制定詳細(xì)的手術(shù)計(jì)劃及術(shù)后康復(fù)計(jì)劃等治療方案。

2.3模擬手術(shù)臨床醫(yī)師可以根據(jù)3D打印出的患者脊柱模型進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃，模擬手術(shù)操練，在這個過程中明確釘?shù)赖慕嵌燃吧疃?，選擇合適的內(nèi)固定物，同時也有助于醫(yī)師在手術(shù)過程中避開重要的神經(jīng)、血管等，從而提高了手術(shù)的安全性并且可以減少手術(shù)時間及出血量、術(shù)中透視次數(shù)及暴露時間。趙波等[8]對該院青年醫(yī)師利用3D打印模型進(jìn)行模擬手術(shù)訓(xùn)練進(jìn)行相關(guān)研究，培訓(xùn)2～3個月后青年醫(yī)師在模型上操作的置釘準(zhǔn)確率可達(dá)93.75%，培訓(xùn)6個月后，所有青年醫(yī)師可以獨(dú)立進(jìn)行椎弓根釘?shù)闹萌胧中g(shù)，大大減少了培養(yǎng)時間。李浩等[9]對通過3D打印技術(shù)制作了22例患者的頸椎畸形三維模型，在模型上進(jìn)行模擬手術(shù)操作，得到準(zhǔn)確的置釘路線及角度，一期完成后路頸椎矯形手術(shù)，所有的手術(shù)成功，并且較好的保護(hù)了椎動脈，提高了手術(shù)的準(zhǔn)確率及安全性。

2.4個體化支具的定制青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸目前是脊柱側(cè)凸中最為常見，其主要的非手術(shù)治療手段是佩戴矯形支具，然而傳統(tǒng)的石膏外固定或其他材料治療在治療過程中除了固定治療部位外，還會影響其他肢體的活動，舒適感差，患者不易接受。與之相比3D打印材料可以依據(jù)患者自身定制的個體化的支具，這種支具不僅制作簡單、節(jié)省時間，最主要它可以很好的貼合人體起到固定的作用，提高患者的舒適度，也有利于患者進(jìn)行相關(guān)功能鍛煉。Visser等[10]和Desbiens-Blais等[11]利用CAD軟件對脊柱側(cè)凸患者軀干進(jìn)行三維模型建立及生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)，制作出個體化矯形支具，取得滿意的治療效果。

2.5個體化導(dǎo)向?qū)О宓氖褂米倒?pedicle screw, PS)技術(shù)最早是由Roy-Camille教授發(fā)明的，是脊柱外科疾病治療中最常用的內(nèi)固定技術(shù)。經(jīng)過幾十年的改進(jìn)，在脊柱疾病中有著廣泛的應(yīng)用，然而現(xiàn)在在椎弓根釘置入過程中還是有可能損傷周圍神經(jīng)或血管可能，據(jù)Upendra報道[12]，在徒手置入椎弓根螺釘?shù)倪^程中，椎弓根螺釘發(fā)生錯位的風(fēng)險為20%～30%，同時可能有2%的患者出現(xiàn)嚴(yán)重的神經(jīng)與血管的并發(fā)癥，如癱瘓死亡。所以在脊柱手術(shù)過程中，提高置釘?shù)臏?zhǔn)確率是至關(guān)重要的。3D打印技術(shù)可以術(shù)前定制患者脊柱個體化的置釘導(dǎo)向模板，該項(xiàng)技術(shù)在1998年Radermacher等[13]應(yīng)用于腰椎置釘手術(shù)中，后經(jīng)改良目前用于頸椎、胸椎、脊柱側(cè)凸等手術(shù)中。

Ryken等[14]在4個頸椎標(biāo)本上進(jìn)行單側(cè)導(dǎo)向模板置入20枚椎弓根釘，經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)19枚椎弓根釘完全在椎弓根內(nèi)。之后改良出雙側(cè)導(dǎo)向模板，Lu等[15]根據(jù)grade分級對椎弓根釘進(jìn)行評價(0級：螺釘完全在椎弓根內(nèi)；1級：螺釘穿出椎弓根壁在小于2 mm，或不到螺釘直徑的一半；2級：螺釘穿出椎弓根壁超過了2 mm且不足4 mm，或超過螺釘直徑的一半；3級：螺釘穿出椎弓根壁超過了4 mm，或完全穿出)在頸椎模型中置釘84枚，結(jié)果顯示只有2枚1級，無2、3級。Kawaguchi等[16]采用置釘導(dǎo)板系統(tǒng)進(jìn)行C2～C7椎體進(jìn)行椎弓根釘及Margel釘?shù)闹萌?，取得了較高的置釘準(zhǔn)確率。胸椎手術(shù)中發(fā)現(xiàn)，胸椎體積小，相比之下更容易損傷神經(jīng)、血管，所以它對置釘準(zhǔn)確有更高的要求。Ma等[17]就20例胸椎標(biāo)本模擬椎弓根釘置入手術(shù)，將其隨機(jī)分為傳統(tǒng)置釘組與3D打印導(dǎo)板組，結(jié)果顯示3D打印導(dǎo)板組置釘準(zhǔn)確率優(yōu)于傳統(tǒng)組。林益軍等[18]采用3D打印技術(shù)進(jìn)行胸椎后路椎弓根釘置入模塊的設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)模塊能夠較好的貼合胸椎模型，置釘效果好。Lu等[19]應(yīng)用3D打印個體化導(dǎo)板對6例患者置入腰椎釘棒，術(shù)中置釘后只透視一次，所有釘棒位置均準(zhǔn)確，并且置釘時間較傳統(tǒng)置釘短。Liu等[20]就胸腰椎壓縮性骨折手術(shù)前是否采用3D打印技術(shù)進(jìn)行分組，結(jié)果發(fā)現(xiàn)觀察組的置釘準(zhǔn)確率達(dá)94.4%高于對照組74.5%(P<0.05)。戎帥等[21]就一多節(jié)段椎弓峽部裂患者采用3D打印技術(shù)訂制了個體化置釘導(dǎo)航模板，結(jié)果發(fā)現(xiàn)術(shù)中情況與術(shù)前模型測量結(jié)果完全一致，手術(shù)順利，術(shù)后檢測椎弓根釘位置良好，無并發(fā)癥，術(shù)后骨折愈合良好，提示3D打印技術(shù)可以輔助脊柱精準(zhǔn)化治療，提高了治療的安全性。還有寰樞椎這一難度大的手術(shù)區(qū)域，Lu等[22]先就患者制作寰樞椎椎體模型及導(dǎo)板，模擬手術(shù)操作，后對9例患者行手術(shù)治療，術(shù)后恢復(fù)良好，置釘位置準(zhǔn)確。吳超等[23]采用逐級擴(kuò)大的3D打印導(dǎo)板系統(tǒng)進(jìn)行輔助寰樞椎的椎弓根釘?shù)闹萌?，試?yàn)組采用逐級擴(kuò)大導(dǎo)板置釘準(zhǔn)確性達(dá)100%，對照組則采用初級3D打印導(dǎo)板準(zhǔn)確性為91.1%。

除上述部位置釘，另有脊柱側(cè)凸疾病需多節(jié)段釘棒固定治療，Mao等[24]對16例重度脊柱側(cè)凸患者采用3D打印技術(shù)建立脊柱模型，模擬手術(shù)操作，得到準(zhǔn)確的置釘角度及深度，術(shù)后發(fā)現(xiàn)脊柱側(cè)凸平均角度由118°降至42°，患者無并發(fā)癥及不適。李彥明等[25]將53例脊柱側(cè)凸患者隨機(jī)分為對照組和3D打印組，術(shù)后兩組患者均未出現(xiàn)血管、神經(jīng)損傷等并發(fā)癥，下肢活動良好，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示3D打印組手術(shù)時間、置釘準(zhǔn)確率均優(yōu)于對照組。

2.6個體化內(nèi)植入物應(yīng)用在脊柱手術(shù)過程中諸多疾病需置入椎間融合器或進(jìn)行椎體置換治療，這就要求內(nèi)置入物能夠與患者骨骼有良好的貼合，分散局部應(yīng)力，與骨骼有充分的接觸面促進(jìn)骨愈合。然而有時候廠家提供器械有時難以做到以上幾點(diǎn)，有時還會出現(xiàn)植入物移動可能。3D打印技術(shù)可以根據(jù)患者脊柱解剖特點(diǎn)訂制合適的內(nèi)植入物，做到“量體裁衣”，同時還可以打印出模擬骨小梁微孔用來促進(jìn)骨長入及愈合。錢文彬等[26]模擬全脊柱切除+人工椎體置換手術(shù)，切除土豬脊柱椎體，并打印出合適的椎體進(jìn)行植入，術(shù)后檢測椎體位置良好、無移位，土豬四肢活動正常。劉忠軍等[27]采用3D打印技術(shù)制造一超長人工椎體用以治療脊索瘤，手術(shù)跨越5個椎體，長達(dá)19 cm，術(shù)后患者恢復(fù)良好。

2.7骨組織工程應(yīng)用骨組織工程主要是通過3D打印技術(shù)制作生物支架，后在支架內(nèi)填充活性細(xì)胞及細(xì)胞因子，從而制作出有活性的人造組織或器官用于治療疾病，也稱之為生物3D打印，目前此項(xiàng)技術(shù)是3D打印技術(shù)最前沿的研究。Rosenzweig等[28]融合ABS(丙烯腈丁二烯苯乙烯)與PLA(聚乳酸)制成生物支架，在其中植入髓核細(xì)胞，觀察細(xì)胞在支架內(nèi)生長分化良好，日后可用于椎間盤置換手術(shù)。Whatley等[29]用可降解聚氨酯作為3D打印椎間盤支架的材料，其良好的宏觀和微觀結(jié)構(gòu)對細(xì)胞黏附、增殖和排列具有重要影響。Cui等[30]應(yīng)用3D打印技術(shù)在聚乙二醇-二甲基丙烯酸酯中植入軟骨細(xì)胞，可以發(fā)現(xiàn)細(xì)胞在該生物支架內(nèi)精確分布且成活率很高，支架與周圍組織很好匹配且能修復(fù)損傷軟骨。袁偉等[31]采用Ti6Al4V及CoCrMo合金材料作為3D打印人工椎間盤的材料，發(fā)現(xiàn)其抗壓縮及抗疲勞可以滿足人體需求。

3 總結(jié)與展望

綜上所述，3D打印技術(shù)在脊柱外科的應(yīng)用主要為兩大類：一是模型及個體化植入物的打??；二是3D生物打印。在臨床治療中3D打印技術(shù)貫穿了疾病診斷、術(shù)前規(guī)劃、術(shù)中導(dǎo)航、個體化內(nèi)植入物定制的各個過程，可以提高脊柱外科疾病治療的精準(zhǔn)性和安全性。具有以下幾個優(yōu)勢：(1)可以通過3D打印技術(shù)了解手術(shù)部位的解剖結(jié)構(gòu)及位置關(guān)系；(2)可以使手術(shù)更加微創(chuàng)化尤其是采用3D打印個性化導(dǎo)板；(3)可以使用3D打印模型進(jìn)行手術(shù)演練及操作，減少手術(shù)醫(yī)生的學(xué)習(xí)曲線，同時可以提高臨床教學(xué)的效率；(4)術(shù)中準(zhǔn)確率提高可以減少C臂透視次數(shù)。目前3D打印技術(shù)還在處于發(fā)展階段，存在一定的局限性：(1)該技術(shù)對儀器及材料要求比較高，難以在基層醫(yī)院推廣；(2)增加患者住院治療費(fèi)用，加重患者經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)；(3)打印材料要求高，尤其是手術(shù)內(nèi)植入物必須要有很好的生物相容性，避免免疫排斥，同時在體內(nèi)還需具備一定的剛度及韌性，目前許多材料并不具備；(4)雖然3D打印技術(shù)被稱為“快速成型技術(shù)”，也是相對于傳統(tǒng)而言，從數(shù)據(jù)采集到模型打印到臨床應(yīng)用需要一定的時間，這就限制了3D打印技術(shù)應(yīng)用于急診手術(shù)治療；(5)3D打印目前主要還是應(yīng)用于脊柱外科術(shù)前規(guī)劃較多，3D打印導(dǎo)板的研究深度不夠，因?yàn)?D打印導(dǎo)板的制作忽略了脊柱后的軟組織，因此在手術(shù)中若不能充分剝離和暴露術(shù)區(qū)，則會出現(xiàn)導(dǎo)板不能完美的貼合導(dǎo)致置釘?shù)恼`差；(6)3D打印技術(shù)中的數(shù)據(jù)分析若是交由臨床醫(yī)生處理，也需要一定的學(xué)習(xí)時間，增加學(xué)習(xí)周期。

雖然3D打印技術(shù)在脊柱手術(shù)應(yīng)用中有以上不足之處，但是隨著科技的進(jìn)步，3D打印技術(shù)的進(jìn)一步研究及臨床醫(yī)生的不斷學(xué)習(xí)，一定能夠克服以上不足，做到更大的進(jìn)步，尤其是在3D生物打印方面，將來必定實(shí)現(xiàn)打印出的人工組織取代缺損組織，做到更為精準(zhǔn)化的醫(yī)療。