周平輝 肖慧 毛穎基 魏邦國 陳宇 趙宇朋 管晶晶 許盼盼
3D 打印是一種由數(shù)字信息生成物理模型、快速成型的打印技術(shù),通過CT 和MRI 掃描獲得數(shù)據(jù),重建三維圖像,將得到的數(shù)據(jù)輸入3D成型儀器中,在不使用模具的情況下,運(yùn)用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)將可粘合材料沉積層層打印,“克隆”出物體的精細(xì)結(jié)構(gòu)。3D 打印技術(shù)作為一項(xiàng)前沿技術(shù),近年來呈爆炸式應(yīng)用于多種領(lǐng)域,目前在醫(yī)療、工業(yè)、建筑、航空航天等多種領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用也越來越多[1,2]。
醫(yī)學(xué)中有很多難點(diǎn),就脊柱外科而言,脊柱解剖學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,術(shù)中存在各種不確定因素,病人對自身病情沒有明確的認(rèn)知,醫(yī)患交流困難。同時,學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容較為吃力,醫(yī)學(xué)教育難度較大。近年來統(tǒng)計表明,脊柱相關(guān)方面的疾病在國內(nèi)呈現(xiàn)出上升的趨勢,脊柱復(fù)雜的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)要求手術(shù)醫(yī)生必須有著熟練的手術(shù)技術(shù),一旦失誤就有可能給病人帶來無法承受的后果。3D 打印技術(shù)的出現(xiàn)改變了這一現(xiàn)狀,利用3D打印1∶1還原的能力,打造出三維病理模型,根據(jù)模型可以術(shù)前精確模擬手術(shù),學(xué)生可以直觀地觀察三維立體結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行學(xué)習(xí),醫(yī)務(wù)人員利用模型向病人講解交流等。
3D 打印提供了一種革命性醫(yī)療保健的可能性,使得脊柱外科手術(shù)在治療安全上得到了一定的保障,以其自身的優(yōu)勢可以在一定程度上降低手術(shù)難度,提高了手術(shù)成功率,以前所未有的方式改善人們的生活,提高病人的生活質(zhì)量[3,4]。因此,本文擬通過文獻(xiàn)綜述,并從3D打印在脊柱外科臨床上的應(yīng)用、3D打印在醫(yī)學(xué)教育上的應(yīng)用兩個方面去探討3D打印在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的作用。
本文通過中文檢索詞“3D 打印”“脊柱外科”“骨科”“醫(yī)學(xué)教育”以及英文檢索詞“three?dimensional printing”“3D printing”“spine surgery”、“orthopedics”、“medical education”在中國知網(wǎng)、萬方數(shù)據(jù)庫、維普數(shù)據(jù)庫、PubMed 等平臺進(jìn)行檢索,篩選近五年內(nèi)發(fā)表的文獻(xiàn),最終納入文獻(xiàn)40 篇,其中中文文獻(xiàn)16篇,英文文獻(xiàn)24篇(圖1)。文獻(xiàn)納入標(biāo)準(zhǔn)為:①已正式發(fā)表的期刊文獻(xiàn);②文獻(xiàn)內(nèi)容與3D 打印、脊柱外科、醫(yī)學(xué)教育密切相關(guān);③同類研究中質(zhì)量、證據(jù)等級較高的文獻(xiàn);④語言為中文及英文的文獻(xiàn)。文獻(xiàn)排除標(biāo)準(zhǔn)為:①文獻(xiàn)質(zhì)量、證據(jù)等級較低的文獻(xiàn);②學(xué)位論文、會議類文獻(xiàn);③非中文及英文的文獻(xiàn);④無法獲得全文的文獻(xiàn)。
脊柱為人體的中軸骨骼,具有減震、運(yùn)動、支承體重,保護(hù)脊髓、骨盆和腹腔臟器,保證大腦與內(nèi)臟信號傳輸?shù)戎匾δ?,脊柱損傷病變后果較嚴(yán)重,由于脊柱的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)和其周圍神經(jīng)血管毗鄰關(guān)系均較為復(fù)雜,使得脊柱手術(shù)難度很大,成為制約手術(shù)成功率的一大因素[5]。臨床上與脊柱相關(guān)的疾病主要分為:第一是脊柱方面的骨折疾病,常見的有頸椎、胸椎、腰椎的骨折脫位。第二是脊柱退變性疾病,常見的有頸椎病、腰椎滑脫癥、腰椎間盤突出癥等。第三是脊柱畸形方面的疾病,比較常見的有脊柱側(cè)凸、后凸畸形、脊柱的半椎體畸形等。脊柱感染、脊柱腫瘤、脊柱結(jié)核以及脊柱骨缺損等疾病也是脊柱外科的范疇。
圖1 文獻(xiàn)篩選流程圖
1.脊柱骨折
脊柱骨折大約占全身骨折的6.4%,脊柱骨折可損傷馬尾神經(jīng)或脊髓,嚴(yán)重時甚至有生命危險,因此脊柱受損后,無論是初步的救治和轉(zhuǎn)運(yùn)還是高級的手術(shù)操作,對于維持脊柱的正常外觀結(jié)構(gòu)和支撐功能均十分重要。目前治療脊柱骨折的主要方法是內(nèi)固定術(shù),其中椎弓根螺釘置釘技術(shù)多見,甚至是某些疾病治療的“金標(biāo)準(zhǔn)”。與徒手椎弓根螺釘置釘技術(shù)相比,3D 打印椎弓根螺釘置釘技術(shù)能顯著地減少置釘?shù)臅r間和提高手術(shù)的精準(zhǔn)率。特別是頸椎前路椎弓根螺釘置釘,因?yàn)闆]有明顯的骨性標(biāo)記物,手術(shù)時易損傷周圍組織結(jié)構(gòu),一直以來都是外科醫(yī)生面臨的難點(diǎn)與挑戰(zhàn)[6,7]。
3D打印技術(shù)可以“克隆”出1∶1的實(shí)物病理模型,醫(yī)生可通過該病理模型進(jìn)行模擬手術(shù),選擇特定的治療方案,精確手術(shù),對復(fù)雜又有難度的手術(shù)進(jìn)行術(shù)前評估,降低手術(shù)的不確定性[8]。Yang 等[9]關(guān)于三維打印模型輔助螺釘在寰樞椎內(nèi)固定的研究中得出結(jié)論,3D 打印模型可以更好地反映出骨折的具體位置、脫位程度及骨破壞面積,可以幫助醫(yī)生確定螺釘放置的位置,提高放置精度,降低了損傷血管神經(jīng)的概率等。對于頸椎骨折的病人,3D 打印模型易于看到椎動脈的位置,有助于手術(shù)過程中螺釘置釘?shù)奈恢?、角度和長度改變[5]。3D 打印導(dǎo)航模塊可幫助寰樞椎椎弓根螺釘達(dá)到微創(chuàng)個體化的精確置入。Pu等[10]將49例寰樞椎骨折脫位病人分為兩組進(jìn)行治療,3D打印導(dǎo)航模板組25例,傳統(tǒng)手術(shù)組24例,在螺釘置入位置的正確率中,3D 打印導(dǎo)航模板組為98%,傳統(tǒng)手術(shù)組為75%。
2.脊柱畸變
脊柱畸形是指脊柱發(fā)生形態(tài)上的異常,偏離正常位置,脊柱的畸變使得脊柱無法發(fā)揮其正常功能,常見的類型有后凸、側(cè)凸等,脊柱畸形病情十分復(fù)雜,因脊柱畸變常伴有多種解剖結(jié)構(gòu)如周圍神經(jīng)、血管的異常等,椎體本身變異多樣,脊柱的穩(wěn)定性失衡,可能伴有心肺發(fā)育障礙,椎管也?;蔚?,所以手術(shù)治療難度大,成功率較低,是否能夠準(zhǔn)確置入螺釘是手術(shù)成功的關(guān)鍵[11]。
治療首先是對脊柱畸變處進(jìn)行CT 掃描,然后進(jìn)行三維重建,將得到的三維數(shù)據(jù)輸入3D成型儀器中,打印出仿真模型模擬手術(shù),最后確定椎弓根最適的置入位置和角度。Modi等[12]在治療脊柱側(cè)凸病人時運(yùn)用傳統(tǒng)方法共置入854 枚螺釘,結(jié)果發(fā)現(xiàn),近三分之一的螺釘位置不準(zhǔn)確,調(diào)整后復(fù)查仍有十分之一的置釘位置不正確。盧炯炯等[13]通過手術(shù)對比,3D打印組螺釘置釘位置準(zhǔn)確率高于CT三維掃描組,矯正率和并發(fā)癥發(fā)生率均明顯低于CT 三維掃描組,差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義。
3.脊柱結(jié)核
骨與關(guān)節(jié)結(jié)核是由結(jié)核分枝桿菌侵入骨或關(guān)節(jié)而引起的一種繼發(fā)性感染性疾病,而脊柱結(jié)核的發(fā)病率在骨與關(guān)節(jié)結(jié)核發(fā)病率中占首位,約占50%,且由于結(jié)核對脊柱椎體及鄰近脊髓的破壞,使得脊柱和脊神經(jīng)的生理功能受到限制,脊柱結(jié)核的常見臨床癥狀是背痛,最常累積腰椎,嚴(yán)重者甚至危及生命[14,15]。
目前脊柱結(jié)核的手術(shù)方式主要是病灶清除和脊柱功能重建,隨著椎弓根螺釘置釘技術(shù)的發(fā)展,使得脊柱功能重建有了很大突破,特別是脊柱后凸的處理,是目前效果最好的方式之一。椎弓根螺釘置釘技術(shù)雖然效果很好且應(yīng)用范圍廣泛,但其存在一個制約手術(shù)效果的關(guān)鍵因素:置釘準(zhǔn)確率。由于脊柱結(jié)核病人的脊柱本身存在骨質(zhì)破壞,很難承受多次的置釘嘗試,所以提高置釘?shù)臏?zhǔn)確率對于提高脊柱結(jié)核病人的手術(shù)效果至關(guān)重要。傳統(tǒng)的置釘技術(shù)主要是通過骨性標(biāo)志和臨床經(jīng)驗(yàn)嘗試置釘,這種方法置釘難度高,就算是經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)生,也存在置釘角度和深度偏差的情況,而3D打印椎弓根置釘技術(shù)可以明顯改善置釘準(zhǔn)確率和術(shù)后效果。Zhang 等[7]對頸椎結(jié)核病人經(jīng)3D 輔助前路清創(chuàng)術(shù)及人工椎體置換術(shù)后,病人癥狀有所緩解,隨訪檢查病人恢復(fù)良好。
同時由于結(jié)核對椎體的骨質(zhì)破壞,脊柱手術(shù)在清除病灶后通常要植骨重建。3D打印對植骨重建材料的選擇又提供了一個新的思路,通過3D 細(xì)胞打印,利用病人自身組織,通過3D 打印的植骨材料和病人自體移植,獲得同樣無免疫排斥及生物相容性的效果,且3D 打印通過數(shù)字化處理后的材料更加精確,不會對病人造成自體移植傷害等。
4.脊柱腫瘤
脊柱是骨腫瘤轉(zhuǎn)移的好發(fā)部位,腫瘤侵犯正常骨組織,影響脊柱的穩(wěn)定性并伴有神經(jīng)癥狀,脊柱腫瘤的病死率和致殘率都比較高,目前治療脊柱轉(zhuǎn)移瘤最基本的方法就是手術(shù)切除,但脊柱解剖結(jié)構(gòu)和周圍組織關(guān)系復(fù)雜,不同脊柱節(jié)段的形態(tài)結(jié)構(gòu)和毗鄰關(guān)系不同。所以,無論是手術(shù)入路還是實(shí)行方案,處理難度都有差異,因此手術(shù)難度較大[16]。脊柱腫瘤手術(shù)的關(guān)鍵是精準(zhǔn)切除腫瘤并重建脊柱穩(wěn)定性。3D打印對手術(shù)的術(shù)式選擇、手術(shù)入路和脊柱穩(wěn)定性的重建均有一定的意義。
術(shù)前可以打印3D高防真脊柱模型,確定瘤體空間狀態(tài)、侵犯情況以及周圍組織受壓情況,明確瘤體周圍毗鄰關(guān)系,為病人制定個性化手術(shù)方式,確定最適手術(shù)入路,術(shù)前可模擬手術(shù)操作,有助于手術(shù)的成功[17]。章玉冰等[18]對16 例脊柱腫瘤病人的病椎進(jìn)行打印,參考病椎模型,制定最適手術(shù)方案,術(shù)前模擬操作等,結(jié)果顯示16 例手術(shù)均成功,精確切除了病灶,內(nèi)置物的位置合適??傮w來看3D 打印對脊柱腫瘤手術(shù)有著很大的輔助作用。Mobbs 等[19]通過3D 打印技術(shù)成功完成了對病人頸椎腫瘤的切除和對脊柱的重建。Girolami[20]等關(guān)于定制3D 打印假體脊柱腫瘤整塊切除后椎體重建的研究結(jié)果表明3D打印技術(shù)可以有效地應(yīng)用于定制脊柱椎體假體。
3D打印技術(shù)被廣泛應(yīng)用于脊柱外科手術(shù)中,通過3D打印技術(shù)進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃、輔助置釘、模擬手術(shù)等等,從而選擇最適手術(shù)方案,精確手術(shù),提高手術(shù)成功率。3D打印技術(shù)不斷深入脊柱外科手術(shù)中,并且發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。因此,3D打印技術(shù)在脊柱外科上的應(yīng)用是復(fù)雜脊柱外科手術(shù)治療的新契機(jī)。
人體構(gòu)造精密復(fù)雜,常規(guī)植入物難以達(dá)到預(yù)期的效果,而3D打印可為病人量身定制植入物,做到精確匹配,滿足病人個性化需求,且3D打印制造假體的時間較短。3D打印假體的微孔有利于組織附著,增加了支撐面積,使機(jī)體與植入物存在骨性結(jié)合,有更好的穩(wěn)定性[19]。
脊柱的個性化植入物主要有兩種,一種主要起支撐作用,如人工椎體假體,第二種不僅起支撐作用還富有生物活性,如利用3D 打印技術(shù)制作的生物支架。Choy 等[21]應(yīng)用個性化3D打印椎體重建青少年T9原發(fā)性骨腫瘤。武漢同濟(jì)醫(yī)院骨科和腫瘤科團(tuán)隊(duì)在對病人治療脊柱腫瘤時,將脊柱整塊切除,并通過3D打印出個性化人工脊柱,成功完成了對病人脊柱的重建[22]。3D打印個性化定制椎間融合器植入物更加精細(xì)、準(zhǔn)確,對于頸椎特殊的不規(guī)則形態(tài),3D 打印的椎間融合器更加適應(yīng),與損壞椎間隙的匹配十分完美[23]。Spetzger等[24]通過3D 打印技術(shù)制作個體化椎間融合器,術(shù)后病人椎間融合器脫位和下沉的情況明顯降低,且不需要額外內(nèi)固定。吳敏飛等[25]回顧性分析了65 例脊髓型頸椎病手術(shù),其中30例作為試驗(yàn)組植入3D打印椎間融合器,35例作為對照組植入普通異體骨塊,試驗(yàn)組術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率為6.7%,對照組為25.7%;相同時間段試驗(yàn)組生理曲度小于對照組,兩組病人不同時間段椎體前緣高度和椎體后緣高度均隨著距離手術(shù)時間延長而減小,但試驗(yàn)組相同時間段的椎體前緣高度和椎體后緣高度均小于對照組;兩組病人術(shù)前JOA評分無統(tǒng)計學(xué)差異,但術(shù)后不同時間段試驗(yàn)組的JOA評分均大于對照組,且差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義??梢?D 打印的椎間融合器真實(shí)有效地提高了手術(shù)成功率。He等[26]為病人切除頸椎腫瘤,對頸椎進(jìn)行了全頸椎體的切除,并個性化制作3D打印微孔鈦假體替換,重建脊柱的穩(wěn)定性,病人術(shù)后恢復(fù)良好,生活工作不受影響。
3D打印骨支架也在開展,是近年來研究的一大熱點(diǎn),動物模型已經(jīng)證實(shí)了其可行性。外科臨床上,由感染、結(jié)核、腫瘤、創(chuàng)傷造成脊柱骨質(zhì)破壞多見,成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞只具有修復(fù)輕微骨損傷的能力,當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重的骨損傷時,主要通過植骨重建彌補(bǔ)缺損組織。當(dāng)前的植骨重建方法主要有自體移植、同種異體移植和金屬替代物。但這些方法目前尚存在著難以攻克的問題,如自體移植物的大小是受限的,且供體部位時伴有并發(fā)癥現(xiàn)象;同種異體移植,雖然其供應(yīng)較多,但是存在免疫排斥的風(fēng)險;金屬替代物存在免疫排斥,生物相容性及可選用的金屬匱乏等問題。
隨著3D打印的發(fā)展,一種新的植骨重建方式運(yùn)用而生,利用數(shù)字化、準(zhǔn)確性及可控性3D 打印出的支架與組織工程結(jié)合,將細(xì)胞、生長因子等混入3D 打印的支架中,為細(xì)胞生長、增殖及分化提供載體,可植入機(jī)體病變部位,繼續(xù)增殖、分化,支架能夠與周圍組織更好地匹配并完成修復(fù),形成新的與自身功能和形態(tài)相適應(yīng)的組織或器官,可以有效的避免上述問題,制造出替代自身骨的生物材料。理想的支架是構(gòu)建良好骨組織的核心,3D 打印的支架較傳統(tǒng)的支架有著絕對的優(yōu)勢,3D打印技術(shù)層層打印的特點(diǎn),可以高度模擬天然骨不同層次結(jié)構(gòu)。3D 打印的支架在三維方向上可調(diào)控,可以嚴(yán)格設(shè)定孔隙大小、孔形、孔隙率和孔間的互相聯(lián)系,孔隙的設(shè)置為細(xì)胞提供了更大的表面積,相互聯(lián)通通道的設(shè)計可以傳遞營養(yǎng)物質(zhì)和排泄代謝廢物,滿足細(xì)胞對生長環(huán)境和力學(xué)性能的要求,為細(xì)胞的生長和骨的重建提供了適宜的生長環(huán)境[27]。
Chou等[28]發(fā)現(xiàn)3D打印的鐵錳生物降解支架材料在體外測試顯示具有良好的細(xì)胞相容性。水凝膠在結(jié)構(gòu)、組成和力學(xué)性質(zhì)上與天然軟組織細(xì)胞外基質(zhì)相似,目前已可應(yīng)用包覆細(xì)胞的3D水凝膠進(jìn)行活細(xì)胞或組織3D打印。綜上所述,3D打印具有克服目前植骨重建局限性的潛力,且具有更多目前重建方式不具備的性能,隨著3D 打印的發(fā)展普及化,3D 打印將更多地應(yīng)用于臨床。
在醫(yī)患關(guān)系緊張,醫(yī)療糾紛層出不盡的情況下,作為醫(yī)護(hù)人員,做好醫(yī)患溝通交流工作顯得至關(guān)重要。在病人不具備專業(yè)的醫(yī)學(xué)知識的背景下,醫(yī)務(wù)人員給病人及其家屬講解手術(shù)原理耗費(fèi)時間與精力,而現(xiàn)在醫(yī)務(wù)人員可通過3D 打印的病理模型對病人講解疾患的復(fù)雜性和嚴(yán)重性,病人易于聽懂接受,大致明白手術(shù)的風(fēng)險,理解手術(shù)的性質(zhì),配合治療,有助于雙方溝通交流,避免醫(yī)患矛盾[29,30]。
人體解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜,目前的二維圖像對于沒有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)學(xué)生來講很難在腦海中形成清晰的三維結(jié)構(gòu),尸體標(biāo)本少,大多為正常結(jié)構(gòu)且結(jié)構(gòu)單一,所以目前醫(yī)學(xué)教育有兩大難點(diǎn),首先,無法讓學(xué)生有充分的感性認(rèn)知;其次,學(xué)生和年輕醫(yī)生無法充分接觸手術(shù)和練習(xí)手術(shù)。因此,3D 打印在此可發(fā)揮其獨(dú)特的優(yōu)越性。在醫(yī)學(xué)教育中,利用3D 打印的定制能力可以將疾患處的解剖學(xué)三維結(jié)構(gòu)直觀地展現(xiàn)給學(xué)生,資深醫(yī)生更容易傳達(dá)經(jīng)驗(yàn),學(xué)生更容易掌握、理解和記憶。由于手術(shù)無菌的要求,學(xué)生和年輕醫(yī)生很難充分參與手術(shù),可在3D實(shí)物模型上進(jìn)行反復(fù)地手術(shù)練習(xí),做到精準(zhǔn)手術(shù)[9,31,32]。
Wu 等[33]用3D 輔助教學(xué)和傳統(tǒng)教學(xué)兩種方法進(jìn)行脊柱教學(xué)考試時,得出3D 輔助教學(xué)組學(xué)生平均分更高。西安交通大學(xué)將3D 打印模型應(yīng)用到頸椎教學(xué)中發(fā)現(xiàn),可幫助規(guī)培生對疾病解剖學(xué)的認(rèn)識,還可培養(yǎng)學(xué)生對骨科臨床的興趣,將主動權(quán)交給了學(xué)生,不再是灌輸式教學(xué)[34]。章浩等[35]在椎弓根螺釘置釘技術(shù)教學(xué)過程中比較3D打印技術(shù)的應(yīng)用和傳統(tǒng)臨床帶教的效果,3D 教學(xué)體系下的骨外科醫(yī)生置釘操作用時更短,準(zhǔn)確性更高,總的學(xué)習(xí)時間也少。椎間孔鏡手術(shù)復(fù)雜,難度大,傳統(tǒng)的教學(xué)是讓缺乏經(jīng)驗(yàn)的年輕醫(yī)生經(jīng)過長時間的觀摩后,在高年資醫(yī)生指導(dǎo)下才能進(jìn)行手術(shù),觀摩時視野受阻且沒有感性的認(rèn)知,運(yùn)用3D打印的模型,年輕醫(yī)生可以觀察病理結(jié)構(gòu)全貌,親自反復(fù)操作練習(xí),有效提高學(xué)習(xí)的效率[36]。
3D打印目前還有一些局限性,因其制造成本高、準(zhǔn)備圖像打印模型的時間略長、材料來源有限,此外,化工工藝精細(xì)度和模型質(zhì)量有待提高,臨床上3D 打印植入也存在定位不當(dāng),難以按照計劃放置定制植入體的現(xiàn)象,這些都是當(dāng)下待解決的問題[37]。未來的3D打印有望能夠打印出更高度仿真的模型,即把需要打印部位周圍的軟組織也打印出來,在視覺、觸覺上更接近活體組織[29,38]。打印出的假肢不僅是在人體結(jié)構(gòu)上的模擬,還能做到在功能上的模擬。在組織工程方面,3D打印技術(shù)可以徹底攻破將成骨細(xì)胞接種至3D打印的模型之中,植入體內(nèi)繼續(xù)生長的難題。目前還沒有用活細(xì)胞進(jìn)行3D 打印,活細(xì)胞打印可能對未來細(xì)胞療法在骨科領(lǐng)域的應(yīng)用有所幫助[37,39]。3D 打印技術(shù)還可以建立一個一體化平臺,方便參與者的規(guī)劃和溝通[40]。隨著科技的發(fā)展,數(shù)學(xué)醫(yī)療的進(jìn)步,3D打印技術(shù)會為廣大病人提供更好的服務(wù)。