3D打印技術(shù)在老年退變性腰椎側(cè)彎手術(shù)中的應(yīng)用

趙 暉，鄒 明，胡 偉，劉向陽(yáng)，吳建明

亳州市人民醫(yī)院脊柱外科 安徽亳州 236803

3D打印技術(shù)又稱快速成型技術(shù)，是一種以計(jì)算機(jī)數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，在其控制下利用光敏材料逐層黏合打印的逆向增材工程技術(shù)[1]。近年來(lái)3D打印技術(shù)迅猛發(fā)展，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用也更為廣泛[2-4]。2016年1月至2018年5月，我院有20例老年退變性腰椎側(cè)彎患者接受聯(lián)合3D打印腰椎模型和術(shù)中椎弓根定位-定向?qū)О宓难岛舐窚p壓植骨融合椎弓根螺釘內(nèi)固定側(cè)彎糾正術(shù)，20例接受常規(guī)手術(shù)治療，本研究比較了兩組患者的療效及手術(shù)相關(guān)指標(biāo)，評(píng)價(jià)3D打印技術(shù)在老年退變性腰椎側(cè)彎手術(shù)中的臨床價(jià)值。

1 對(duì)象與方法

1.1研究對(duì)象40例老年退變性腰椎側(cè)彎患者均符合以下標(biāo)準(zhǔn):①年齡60～80歲。②術(shù)前行脊柱全長(zhǎng)Bending位X線片，腰椎CT、MRI檢查，查體確認(rèn)癥狀、體征與影像學(xué)表現(xiàn)相符合，明確診斷為退變性腰椎側(cè)彎。③術(shù)前完善相關(guān)檢查，必要時(shí)由相關(guān)科室會(huì)診，綜合評(píng)估為可耐受手術(shù)和麻醉者；術(shù)前充分溝通，手術(shù)意愿強(qiáng)烈，可以接受手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的患者。20例采取常規(guī)腰椎后路減壓植骨融合椎弓根螺釘內(nèi)固定側(cè)彎糾正術(shù)(對(duì)照組)，男11例，女9例，61～80歲。另外20例采取聯(lián)合3D打印腰椎模型和術(shù)中椎弓根定位-定向?qū)О宓暮舐窚p壓植骨融合椎弓根螺釘內(nèi)固定側(cè)彎糾正術(shù)(研究組)，男12例，女8例，60～80歲。兩組年齡、性別分布及術(shù)前疼痛視覺(jué)模擬評(píng)分(visual analogue scale，VAS)、腰椎功能障礙指數(shù)(Oswestry disability index,ODI[5])等一般資料比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

1.23D打印腰椎模型和導(dǎo)板的制作研究組采用西門子64排CT薄層掃描患者腰椎，掃描層厚0.6 mm，掃描圖像以Dicom格式保存后通過(guò)處理軟件Mimics17.0(比利時(shí)Materialise公司)導(dǎo)入3D圖像生成及編輯處，設(shè)計(jì)出卡在雙側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)處的椎弓根定位-定向?qū)О?圖1A)，導(dǎo)板直徑為3.5 mm。椎弓根螺釘走行設(shè)計(jì)平行于椎弓根，橫截面上沿椎弓根方向進(jìn)針。術(shù)前計(jì)算機(jī)上初步模擬觀察直徑6.5 mm(視實(shí)際椎弓根螺釘直徑調(diào)整)椎弓根置釘?shù)氖笭钗?圖1B)、軸狀位釘?shù)?圖1C)與椎弓根的位置關(guān)系，并作出相應(yīng)精細(xì)調(diào)整，設(shè)計(jì)出滿意的定位-定向?qū)О鍞?shù)據(jù)，以STL格式導(dǎo)入上海麥遞途公司生產(chǎn)的盤古4.0系3D打印機(jī)，打印出1∶1的腰椎椎體和模型導(dǎo)板，同時(shí)也為椎弓根螺釘大小的選擇提供參考。

1.3手術(shù)方法和術(shù)后處理研究組：麻醉后取俯臥位，腹部懸空，常規(guī)消毒鋪巾，以側(cè)彎頂點(diǎn)為中心縱行逐層切開(kāi)皮膚、皮下及淺深筋膜，骨膜下剝離骶棘肌，顯露需要置釘固定的椎體棘突、椎板、關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)及橫突；徹底去除關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的軟組織，充分暴露；取出低溫消毒后的3D打印椎體，觀察和患者椎體是否完全一致；將消毒后的定點(diǎn)-定向?qū)О蹇ㄔ谙鄳?yīng)椎體的關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)上，固定牢靠，避免導(dǎo)板移位。根據(jù)預(yù)先在1∶1腰椎模型上測(cè)量的椎弓根螺釘長(zhǎng)度，在導(dǎo)板引導(dǎo)下使用電鉆，安裝直徑3.0 mm、相應(yīng)長(zhǎng)度的限深鉆頭，緩慢鉆孔(圖1D)，鉆孔成功后球探探查四壁均為骨道，插入定位針。透視見(jiàn)定位針位置良好，攻絲，再次探查四壁均為骨質(zhì)，置入椎弓根螺釘。需要減壓椎體，咬骨鉗咬除相應(yīng)椎體棘突、雙側(cè)椎板及部分增生內(nèi)聚的關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)，擴(kuò)大狹窄的側(cè)隱窩，徹底減壓。切開(kāi)狹窄椎體間椎間盤，撐開(kāi)器逐步撐開(kāi)，刮刀刮除腰椎間軟骨板，將咬除的骨質(zhì)塞入合適的融合器中。置入預(yù)彎鈦棒，適當(dāng)撐開(kāi)，擰緊螺塞。再次透視見(jiàn)椎弓根螺釘及融合器位置良好，生理弧度恢復(fù)佳，側(cè)彎得到矯正。再次探查見(jiàn)硬膜搏動(dòng)良好，神經(jīng)根松弛。超聲磨鉆打磨固定椎體關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)及椎板，將減壓碎骨置入雙側(cè)腰椎橫突間、關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)及椎板后方。清點(diǎn)器械敷料無(wú)誤后，內(nèi)置引流管1根，逐層縫合傷口，無(wú)菌敷料包扎。術(shù)后送麻醉恢復(fù)室，患者蘇醒后，送入脊柱外科病房，髓核送病理。

對(duì)照組手術(shù)方法：按照常規(guī)的“人”字棘頂點(diǎn)進(jìn)針，通過(guò)術(shù)前閱片和手術(shù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)整頭、尾傾和外展角度置釘，余手術(shù)步驟同研究組。

術(shù)后處理：術(shù)后患者均采用平臥位休息，軸向翻身；觀察手術(shù)切口負(fù)壓引流管引流量，24 h引流量<50 mL、無(wú)腦脊液漏的患者拔出引流管。術(shù)后使用頭孢呋辛鈉24～48 h，激素3～5 d，脫水藥、質(zhì)子泵抑制劑3～5 d，有神經(jīng)癥狀的患者加用神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)藥物。

1.4觀察指標(biāo)采用Kawaguchi等[6]的方法評(píng)價(jià)置釘精準(zhǔn)度。0級(jí)：螺釘完全在椎弓根內(nèi)；1級(jí)：螺釘穿出椎弓壁不超過(guò)2 mm，未出現(xiàn)并發(fā)癥；2級(jí)：螺釘穿出椎弓根壁超過(guò)2 mm，未出現(xiàn)并發(fā)癥；3級(jí)：出現(xiàn)臨床并發(fā)癥，如神經(jīng)刺激或損傷癥狀。記錄兩組病例的手術(shù)時(shí)間、術(shù)中出血量、術(shù)中C臂機(jī)透視次數(shù)；術(shù)后6個(gè)月隨訪，再次行VAS、ODI評(píng)價(jià)。

A：術(shù)前設(shè)計(jì)的定位-定向?qū)О?；B:術(shù)前模擬椎弓根置釘矢狀位的位置；C:術(shù)前模擬椎弓根置釘軸狀位的位置；D:術(shù)中電鉆安裝直徑3.0 mm的鉆頭穿刺

圖1術(shù)前設(shè)計(jì)

1.5統(tǒng)計(jì)學(xué)處理采用SPSS 19.0處理數(shù)據(jù)。采用兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)比較兩組手術(shù)時(shí)間、術(shù)中出血量、術(shù)中C臂機(jī)透視次數(shù)，術(shù)后6個(gè)月與術(shù)前VAS及ODI差值的差異，采用χ2檢驗(yàn)比較兩組椎弓根螺釘置釘0級(jí)率，檢驗(yàn)水準(zhǔn)α=0.05。

2 結(jié)果

研究組典型病例術(shù)前術(shù)后影像見(jiàn)圖2。與對(duì)照組相比，研究組手術(shù)時(shí)間縮短，術(shù)中出血量及術(shù)中C臂機(jī)透視次數(shù)減少；但兩組術(shù)后6個(gè)月與術(shù)前VAS評(píng)分及ODI評(píng)分的差值差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，見(jiàn)表1。對(duì)照組置釘0級(jí)率為91.9%(193/210)，研究組為98.1%(212/216), 差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(χ2=8.856，P=0.003)。兩組病例均獲骨性融合，均未出現(xiàn)神經(jīng)癥狀，也未見(jiàn)內(nèi)固定裝置松動(dòng)、斷裂等并發(fā)癥。

A:患者術(shù)前腰椎側(cè)凸Cobb角60°；B：術(shù)后腰椎側(cè)凸完全矯正，Cobb角0°

圖2 研究組典型病例術(shù)前術(shù)后影像

3 討論

3.1應(yīng)用3D打印腰椎椎體及椎弓根導(dǎo)板在老年退變性腰椎側(cè)彎手術(shù)中的優(yōu)勢(shì)退變性腰椎側(cè)彎是老年人常見(jiàn)的疾病，隨著社會(huì)老齡化的加劇，發(fā)病率逐年增高[7]。術(shù)前即3D打印出1∶1的老年退變性腰椎側(cè)彎椎體模型和椎弓根導(dǎo)板，方便和患者及家屬溝通[8]，可以讓患者及家屬直觀地感受手術(shù)操作步驟，理解手術(shù)可能會(huì)出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)；可以在計(jì)算機(jī)上預(yù)先設(shè)計(jì)出手術(shù)方式、減壓和固定范圍，判斷術(shù)后側(cè)彎矯正的滿意度，“個(gè)性化”地模擬手術(shù)[9]，甚至遇到較大解剖變異的患者，手術(shù)內(nèi)固定器材可以“私人定制”。老年性退變性腰椎側(cè)彎畸形，椎體左、右側(cè)高度不對(duì)稱且伴有旋轉(zhuǎn)畸形，椎弓根同樣隨著椎體的變異而變異較大，關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)內(nèi)聚明顯，這些均給椎弓根螺釘?shù)闹萌霂?lái)困難。據(jù)Mason等[10]報(bào)道腰椎傳統(tǒng)置釘方法存在30%～40%的誤置率。對(duì)于老年性退變性腰椎側(cè)彎畸形患者，使用普遍性的理論指導(dǎo)個(gè)體化的置釘是誤置發(fā)生的根本原因[11]；且老年人椎弓根骨質(zhì)疏松，置釘要求較高，多次穿刺后椎弓根把持力較差，凸側(cè)抱緊和凹側(cè)撐開(kāi)時(shí)易導(dǎo)致椎弓根爆裂，失去原本的固定作用，因此椎弓根螺釘穿刺要求最好一次性成功，避免反復(fù)調(diào)整。使用3D打印技術(shù)，可于術(shù)前在椎體上進(jìn)行模擬置釘，保證螺釘均在椎弓根內(nèi)，幾乎無(wú)偏差，基本上可以做到一次穿刺成功。這樣不僅減少創(chuàng)傷、出血，同時(shí)可以節(jié)約手術(shù)時(shí)間。我們的研究證實(shí)使用3D打印導(dǎo)板的研究組手術(shù)時(shí)間為(240.5±40.1) min、術(shù)中出血量為(910.1±92.3) mL，和對(duì)照組比較，手術(shù)時(shí)間和術(shù)中出血均減少。此外，由于3D打印的椎弓根導(dǎo)板精確度較高，可以減少術(shù)中透視次數(shù)，從而減少患者和醫(yī)務(wù)人員的術(shù)中輻射量。

3.2應(yīng)用3D打印腰椎椎體及椎弓根導(dǎo)板的注意事項(xiàng)術(shù)前所獲取的CT平掃數(shù)據(jù)要以Dicom格式保存，且平掃厚度至少要小于1 mm，層厚越小越精確。我們所使用的西門子公司生產(chǎn)的64排雙源CT，層厚為0.6 mm。術(shù)前一定在計(jì)算機(jī)上反復(fù)測(cè)試椎弓根螺釘?shù)闹睆胶烷L(zhǎng)度及螺釘在軸狀位、矢狀位的位置，確保螺釘大小、位置完全合適，方可逆向設(shè)計(jì)相應(yīng)導(dǎo)板，確保導(dǎo)板精確無(wú)誤。術(shù)中要解剖清楚，尤其是椎弓根導(dǎo)板所要卡的關(guān)節(jié)突部位，徹底剔除軟組織，避免導(dǎo)板放置偏差影響椎弓根螺釘置入的準(zhǔn)確性。在放置好椎弓根導(dǎo)板后，要固定牢靠，防止導(dǎo)板在使用過(guò)程中發(fā)生移位。

3.3本研究的局限性本研究打印腰椎椎體和椎弓根導(dǎo)板所使用的醫(yī)用光敏樹(shù)脂是否可以進(jìn)行低溫消毒，消毒時(shí)是否會(huì)發(fā)生化學(xué)變化，消毒后的光敏樹(shù)脂導(dǎo)板接觸人體是否有害，均有待進(jìn)一步長(zhǎng)期研究。另外，本研究樣本量較小，隨訪時(shí)間較短，遠(yuǎn)期效果有待進(jìn)一步觀察。

總之，3D打印技術(shù)可以個(gè)性化設(shè)計(jì)和制作腰椎模型及椎弓根導(dǎo)板，提高老年退變性腰椎側(cè)彎手術(shù)椎弓根螺釘置入的精確性，節(jié)約手術(shù)時(shí)間，減少術(shù)中出血，減少術(shù)中C臂機(jī)透視次數(shù)，值得推薦應(yīng)用。