3D打印在脊柱外科中的應(yīng)用進(jìn)展

孫澤豪 李天佐 王炳武

【摘 要】3D打印（3D printing）出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代，是快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。被引入醫(yī)學(xué)領(lǐng)域后更是展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景，為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域帶來了新的發(fā)展方向?，F(xiàn)階段，它在脊柱外科中臨床的診斷與治療、手術(shù)的精準(zhǔn)化帶來很大的幫助。本文就3D打印技術(shù)目前在脊柱外科中的臨床應(yīng)用情況作一綜述。

【關(guān)鍵詞】3D打印;脊柱;外科手術(shù);置釘;脊柱側(cè)彎;植入物

1 3D打印導(dǎo)板在脊柱輔助置釘中的應(yīng)用

1.1在頸椎輔助置釘?shù)膽?yīng)用

由于上頸椎弓根的解剖特點(diǎn)[1]，后路椎弓根螺釘固定是困難和危險(xiǎn)的，如果手術(shù)失敗或者螺釘固定不良，后果往往是極其嚴(yán)重的。術(shù)中確定椎弓根螺釘釘?shù)罆r(shí)，如果不能很好地掌握螺釘固定方向，就會(huì)損傷脊髓或椎動(dòng)脈，內(nèi)固定強(qiáng)度可能下降或完全失效。上頸椎弓根螺釘固定常用的方法有：徒手置釘技術(shù)、影像透視固定法、三維CT導(dǎo)航定位法和三維打印導(dǎo)航模板固定方法。徒手技術(shù)是最古老的技術(shù)，其在螺釘固定并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)是與手術(shù)的經(jīng)驗(yàn)有關(guān)的，不合格率為3%至55%。影像透視固定方法以發(fā)育中的骨骼解剖為參考點(diǎn)，確定入口位置并進(jìn)行調(diào)整術(shù)中針刺角度。這種方法需要有豐富經(jīng)驗(yàn)的外科醫(yī)生，準(zhǔn)確地結(jié)合放射圖像。而上頸畸形患者的組織結(jié)構(gòu)混亂，螺釘固定困難。為了確保螺釘?shù)陌踩胖?，這種方法需要頻繁移動(dòng)C臂機(jī)，反復(fù)進(jìn)出操作，增加手術(shù)時(shí)間，增加手術(shù)出血，增加病人和手術(shù)人員的輻射量，也可能增加外科感染的機(jī)率。三維CT導(dǎo)航定位方法不能獲得三維圖像數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)重建數(shù)據(jù)。而且，該系統(tǒng)費(fèi)用昂貴，需要更多的人員參與。而個(gè)性化3D打印導(dǎo)航模板用于頸椎椎弓根螺釘固定操作相比較而言就顯得簡單、安全。

胡等[2]在其研究中的10例不穩(wěn)定寰椎骨折患者均采用3D打印導(dǎo)向模板輔助下單純后路寰椎椎弓根螺釘固定治療，螺釘位置均位于骨性釘?shù)纼?nèi)，無脊髓損傷、硬 膜破裂及椎動(dòng)脈損傷等并發(fā)癥，置釘?shù)臏?zhǔn)確性得到顯著提高。Fei Guo[3]等在其研究中采用圖像透視固定法和導(dǎo)航模板法放置37枚上頸椎螺釘，其中3D打印導(dǎo)航模板法的合格率為94.60%，而影像透視固定法的合格率為70.27%。使用導(dǎo)航模板的螺釘固定只需要在置釘?shù)拈_始和結(jié)束透視。這大大降低了外科醫(yī)生和病人的X射線曝光率。其研究表明，導(dǎo)航模板法的操作時(shí)間為：X射線曝光時(shí)間是成像透視法的一半以上，X射線曝光時(shí)間約為成像法的四分之一，對(duì)醫(yī)生和病人都更安全。

1.2在胸椎輔助置釘?shù)膽?yīng)用

中上胸段脊柱損傷（T1-T10）并不常見[4]，約占普通脊柱外傷病例的10%-20%。這段由于受外力大，經(jīng)常造成嚴(yán)重創(chuàng)傷合并多發(fā)傷，常導(dǎo)致預(yù)后不良[5， 6]。傳統(tǒng)的胸椎后路入路中，在椎弓根置釘過程中，即便是在開放定位技術(shù)和術(shù)中二維透視下來確定，但仍有較高的椎弓根螺釘誤差率。在Wei Xu[7]等的研究中，對(duì)7位病人進(jìn)行3D打印導(dǎo)板輔助置釘，平均手術(shù)時(shí)間為2h±30 min。Wei Xu的研究中共置釘56枚椎弓根螺釘，其中0級(jí)34枚，一級(jí)18枚，2級(jí)4枚（側(cè)壁穿孔），3級(jí)1枚（側(cè)壁壓迫，無不良后果），螺釘定位優(yōu)良率為91.0%，無術(shù)后感染及其他并發(fā)癥發(fā)生

1.3在腰椎輔助置釘?shù)膽?yīng)用

在陳[8]等的研究中通過3D打印導(dǎo)航模板，在31例患者的50 個(gè)節(jié)段共植入 162 枚螺釘。 手術(shù)時(shí)間 65～147 min，平均 102.23 min;術(shù)中出血量 50～116 mL，平均 78.20 mL;術(shù)中輻射暴露時(shí)間為 8～54s，平均 42s。術(shù)后3～7d行 CT三維重建，將術(shù)后腰椎三維模型與術(shù)前模型重疊配準(zhǔn)，置釘符合率為 98.15%（159/162）。術(shù)后4周 VAS 評(píng)分為（2.24 ± 0.80）分，ODI 評(píng)分為（29.17 ± 2.50）分，JOA 評(píng)分為（23.43 ± 1.14）分， 31 例患者均獲隨訪，術(shù)后切口均Ⅰ期愈合，無手術(shù)并發(fā)癥發(fā)生。隨訪期間復(fù)查腰椎 X 線片及 CT顯示椎弓根螺釘準(zhǔn)確在位，無松動(dòng)、斷裂，椎間植骨融合良好。

1.4在脊柱側(cè)彎的應(yīng)用

Bhavuk Garg[9]等在脊柱側(cè)彎的研究中采用三維打印的實(shí)驗(yàn)組與采用徒手技術(shù)的對(duì)照組相比，無論是置釘數(shù)、手術(shù)時(shí)間還是失血量都有更大優(yōu)勢(shì)。盡管3D打印導(dǎo)向模板技術(shù)需要較長的術(shù)前準(zhǔn)備時(shí)間，但卻可以減少術(shù)中置釘時(shí)間，提高置釘準(zhǔn)確性[10]，增加手術(shù)安全性，術(shù)者學(xué)習(xí)曲線短，符合個(gè)體化置釘原則[8]。相比計(jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)，3D打印導(dǎo)向模板技術(shù)對(duì)患者體位要求不高，手術(shù)過程簡化，同時(shí)還能保證較高的置釘準(zhǔn)確性。三維打印技術(shù)是一種直觀有效的椎弓根螺釘內(nèi)固定治療中上胸椎的輔助技術(shù)，提高了裸手置釘?shù)臏?zhǔn)確性。

2 3D打印輔助穿刺

經(jīng)皮椎體成形術(shù)（PVP）被認(rèn)為是治療急性骨質(zhì)疏松性椎體壓縮骨折所致疼痛的有效方法。在J. Li等[11]的研究中，通過將3D打印導(dǎo)航模板與患者背部皮膚匹配，使得骨水泥穿刺針插入方向和深度易于確定。在手術(shù)過程中，只有14次C臂透視檢查（總暴露劑量為4.5mSv）。操作時(shí)間為17分鐘，無任何穿刺相關(guān)并發(fā)癥，術(shù)后疼痛明顯減輕。這種新的精確的三維打印導(dǎo)航模板系統(tǒng)允許骨折椎體和個(gè)人手術(shù)計(jì)劃的綜合可視化，皮膚表層與導(dǎo)向模板之間的密切對(duì)接，除此之外，對(duì)3D打印的個(gè)體化等比例椎體模型進(jìn)行穿刺練習(xí)，能夠避免穿刺的盲目性，有效縮短手術(shù)時(shí)間，減少射線的暴露次數(shù)，減少穿刺失誤，提高了手術(shù)的安全性，并保證骨水泥更好地分布于椎體受損區(qū)域[12]。

3 生物模型

對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)高難度大的手術(shù)，術(shù)前規(guī)劃十分重要。傳統(tǒng)上，通過CT、核磁共振（MRI）等影像設(shè)備獲取患者的數(shù)據(jù)，是醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃的基礎(chǔ)，但由于得到的影像資料是二維的，所以術(shù)前進(jìn)行的規(guī)劃，并不是特別理想，往往需要手術(shù)醫(yī)生在手術(shù)過程中根據(jù)實(shí)際情況結(jié)合自己的經(jīng)驗(yàn)。而3D打印機(jī)卻可以將個(gè)體的三維模型直接打印出來，既可輔助醫(yī)生進(jìn)行精準(zhǔn)的手術(shù)規(guī)劃、提升手術(shù)的成功率，又方便醫(yī)生與患者就手術(shù)方案進(jìn)行直觀的溝通。此外，即使在治療失敗，3D打印也可以為醫(yī)患雙方提供可溯源的依據(jù)。

最近幾年新興的椎間孔鏡輔助經(jīng)椎弓根髓核切除術(shù)是一種提高安全性的手術(shù)方法。三維規(guī)劃可以清晰地顯示形態(tài)、空間分布，主要解剖結(jié)構(gòu)與鄰近關(guān)系，便于術(shù)前計(jì)劃和手術(shù)處理[13] ，達(dá)到以微小創(chuàng)傷獲得滿意療效的目的。

4 3D打印植入物

現(xiàn)在的植入物主要還是通過鑄造或傳統(tǒng)的金屬加工方法來制造的，對(duì)于只需要一件或者少量植入物的個(gè)體來說，工廠單件生產(chǎn)的成本十分昂貴。再加上具有生物相容性的植入物材料本身的高價(jià)格，骨科植入物的總制造成本是十分昂貴的。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特殊植入物，使用從傳統(tǒng)技術(shù)也難以實(shí)現(xiàn)。而3D打印技術(shù)應(yīng)用于制造骨科植入物，可以有效降低定制化、小批量植入物的制造成本，并可以制造出更多結(jié)構(gòu)復(fù)雜的植入物，有著巨大的發(fā)展前景。

結(jié)果與展望：

3D打印技術(shù)在脊柱外科的應(yīng)用正在迅速發(fā)展，包括它在增強(qiáng)微創(chuàng)脊柱手術(shù)領(lǐng)域的新興應(yīng)用，生物模型、導(dǎo)航模板和植入物。其中生物模型可以協(xié)助術(shù)前規(guī)劃，減少學(xué)習(xí)的周期，提高患者的理解和滿意度。3D打印導(dǎo)板輔助脊柱手術(shù)置釘技術(shù)可以提高硬件放置的準(zhǔn)確性和特異性[14]。同時(shí)，3D打印植入物具有良好的貼合性和骨感應(yīng)性。盡管目前較短的發(fā)展時(shí)間和相對(duì)專業(yè)化的市場阻礙了3D打印技術(shù)的廣泛應(yīng)用，但它還是一個(gè)值得繼續(xù)研究的寶貴領(lǐng)域。相信在不久的將來，3D打印技術(shù)將會(huì)作為一種常規(guī)的技術(shù)而得到廣泛推廣和應(yīng)用，為患者帶來更大的醫(yī)療保證。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉景臣 鄒 劉 李 朱 武 胡. 頸椎椎弓根置釘精確度的臨床研究 [J]. 中華骨科雜志， 2017， 37（226-235.

[2] 朱秉科 胡 董 張 賴 孫. 3D打印導(dǎo)向模板輔助下椎弓根螺釘固定治療不穩(wěn)定寰椎骨折 [J]. 中華創(chuàng)傷雜志， 2017， 33（315-320.

[3] Guo F， Dai J， Zhang J， et al. Individualized 3D printing navigation template for pedicle screw fixation in upper cervical spine [J]. PLoS One， 2017， 12（2）： e0171509.

[4] Petitjean M E. Thoracic spinal trauma and associated injuries： should early spinal decompression be considered？ [J]. The journal of trauma， 1995， 39（2）： 368-372.

[5] Theologis A A. Three-column osteotomies of the lower cervical and upper thoracic spine： comparison of early outcomes， radiographic parameters， and peri-operative complications in 48 patients [J]. European spine journal， 2015， 24 Suppl 1（s1）： 23-30.

[6] Schouten R. Health-related quality-of-life outcomes after thoracic （T1-T10） fractures [J]. The spine journal， 2014， 14（8）： 1635-1642.

[7] Xu W， Zhang X， Ke T， et al. 3D printing-assisted preoperative plan of pedicle screw placement for middle-upper thoracic trauma： a cohort study [J]. BMC Musculoskelet Disord， 2017， 18（1）： 348.

[8] Chen X， Yu Z， Wu C， et al. [Clinical application of accurate placement of lumbar pedicle screws using three-dimensional printing navigational templates under Quadrant system] [J]. Zhongguo Xiu Fu Chong Jian Wai Ke Za Zhi， 2017， 31（2）： 203-209.

[9] Garg B， Gupta M， Singh M， et al. Outcome and safety analysis of 3D-printed patient-specific pedicle screw jigs for complex spinal deformities： a comparative study [J]. Spine J， 2018，

[10] Wu A M， Lin J L， Kwan K Y H， et al. 3D-printing techniques in spine surgery： the future prospects and current challenges [J]. Expert Rev Med Devices， 2018， 15（6）： 399-401.

[11] Li J， Lin J， Yang Y， et al. 3-Dimensional printing guide template assisted percutaneous vertebroplasty： Technical note [J]. J Clin Neurosci， 2018， 52（159-164.

[12] 王欣文，劉繼軍，王文濤，吳起寧，郝定均，屈巍. 3D打印技術(shù)在經(jīng)皮椎體成形術(shù)中的臨床應(yīng)用 [J]. 中國現(xiàn)代手術(shù)學(xué)雜志， 2017， 21（321-326.

[13] Archavlis E， Schwandt E， Kosterhon M， et al. A Modified Microsurgical Endoscopic-Assisted Transpedicular Corpectomy of the Thoracic Spine Based on Virtual 3-Dimensional Planning [J]. World Neurosurg， 2016， 91（424-433.

[14] Fichtner J， Hofmann N， Rienmuller A， et al. Revision Rate of Misplaced Pedicle Screws of the Thoracolumbar Spine-Comparison of Three-Dimensional Fluoroscopy Navigation with Freehand Placement： A Systematic Analysis and Review of the Literature [J]. World Neurosurg， 2018， 109（e24-e32.