3D 打印技術(shù)在脊柱側(cè)彎矯形中的應(yīng)用進(jìn)展

張同同 劉林

1.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院，甘肅 蘭州730000；2.甘肅省人民醫(yī)院，甘肅 蘭州730000

3D 打印技術(shù)（three dimensional printing technology）是一種快速成型技術(shù)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)建模生成的三維數(shù)據(jù)模型，使用可黏合材料，通過(guò)逐層打印的方式精準(zhǔn)制造出實(shí)體模型［1-2］。該技術(shù)越來(lái)越多地用于醫(yī)療保健、航空工業(yè)等各大領(lǐng)域［3-5］，3D 打印技術(shù)作為醫(yī)學(xué)現(xiàn)代化的高度體現(xiàn)，將脊柱疾病的治療帶入了個(gè)體化、精準(zhǔn)化的新時(shí)代。脊柱側(cè)彎畸形對(duì)青少年的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生了極大的負(fù)面影響，需要盡早發(fā)現(xiàn)，及時(shí)處理［6-7］。本文對(duì)3D 打印技術(shù)在脊柱側(cè)彎矯形中的應(yīng)用現(xiàn)狀做一綜述。

1 3D 打印技術(shù)

3D 打印技術(shù)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粘性材料打印為實(shí)物模型的快速成型技術(shù)。打印材料有塑料、金屬、陶瓷、樹(shù)脂、粉末、液體及活細(xì)胞等［8-9］。3D 打印技術(shù)分類更加豐富，如立體平版印刷、噴墨印刷、選擇性激光燒結(jié)等［10］。該技術(shù)首先對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行螺旋CT 掃描，將CT 得到的圖像數(shù)據(jù)另存為DICOM 格式，下一步將收集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics軟件，重建出三維模型。最后將重建的結(jié)果以STL 格式導(dǎo)入3D 打印機(jī)，按照三維模型逐層疊加打印出1∶1 解剖模型［11］。

2 3D 打印在脊柱側(cè)彎矯形中的應(yīng)用

脊柱側(cè)彎是指脊柱的一個(gè)或多個(gè)節(jié)段向側(cè)方彎曲，并且伴有椎體旋轉(zhuǎn)的三位脊柱畸形。國(guó)際脊柱側(cè)彎研究學(xué)會(huì)對(duì)脊柱側(cè)彎的定義如下：應(yīng)用Cobb 法測(cè)量站立正位X 線片的脊柱側(cè)方彎曲，測(cè)量上終椎上緣延長(zhǎng)線的垂線與下終椎下緣延長(zhǎng)線的垂線相交所形成的角，如果此角大于10°則將其定義為脊柱側(cè)彎［12］。對(duì)于嚴(yán)重的脊柱側(cè)彎，由于椎體旋轉(zhuǎn)，使得原來(lái)正常的椎弓根發(fā)生該改變，此時(shí)椎弓根缺少固定的解剖標(biāo)志，增加了手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)性。目前3D 打印技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)運(yùn)到脊柱側(cè)彎矯形的臨床治療中。

2.1 3D 打印1∶1 脊柱側(cè)彎實(shí)物模型 通過(guò)收集脊柱側(cè)彎患者的CT 數(shù)據(jù)資料，運(yùn)用3D 打印技術(shù)可重建患者脊柱的三維解剖結(jié)構(gòu)，得到病變的實(shí)體模型，其提供的立體內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加清晰直觀，解剖信息更加詳細(xì)具體，可以幫助醫(yī)生全面認(rèn)識(shí)疾病，了解脊柱側(cè)彎的分型，進(jìn)而做出正確的診斷，為后期制訂合理的手術(shù)方案打下基礎(chǔ)。此外還可以對(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)，手術(shù)時(shí)間縮短，安全性提高，治療效果理想［13］。麥合木提江·穆海麥提等［14］對(duì)一例應(yīng)用3D 打印精準(zhǔn)手術(shù)治療脊柱側(cè)彎的病例進(jìn)行報(bào)告。患者術(shù)前X 片中測(cè)量的側(cè)彎Cobb 角49.31°，后彎Cobb 角52.40°，術(shù)中應(yīng)用3D 打印模型，術(shù)后完善X 線片、CT 及MRI 檢查，術(shù)后Cobb 角9.21°，后彎Cobb角8.33°。在3D 打印技術(shù)的輔助下可以打印出1∶1 大小的實(shí)物模型，使醫(yī)生更加精準(zhǔn)的把握病情，制定手術(shù)方案，從而提高疾病的診治率，降低了手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 3D 打印1∶1 解剖模型圖

2.2 3D 打印用于脊柱側(cè)彎矯形的術(shù)前規(guī)劃 在3D打印模型上進(jìn)行直觀的測(cè)量，評(píng)估患者脊柱畸形的情況，對(duì)病情直觀的分析評(píng)估，觀察相鄰節(jié)段椎體的解剖關(guān)系，可在模型上確定椎弓根螺釘?shù)淖罴阎萌朦c(diǎn)和角度，確定需要固定的節(jié)段，在變節(jié)段上選擇不同的截骨部位和截骨角度，比較不同方案，確定一套最佳的手術(shù)方案［20］。楊陽(yáng)等［15］對(duì)32 例重度僵硬脊柱側(cè)后彎畸形患者研究，其研究結(jié)果表明在3D 打印技術(shù)的輔助下醫(yī)師可制定個(gè)詳細(xì)的置釘及截骨方案，增加手術(shù)安全性，減少手術(shù)所帶來(lái)的創(chuàng)傷，減少術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率。

2.3 3D 打印脊柱側(cè)彎鉆孔導(dǎo)板 對(duì)于嚴(yán)重的脊柱側(cè)彎，正常的解剖結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，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、損傷脊髓等缺點(diǎn)［16］。李寶杰等［17］報(bào)道，脊柱徒手置釘?shù)倪^(guò)程中，椎弓根螺釘錯(cuò)位發(fā)生率未20%～30%，大概有2%的患者會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的血管及神經(jīng)并發(fā)癥。提高置釘?shù)某晒β室恢笔枪强漆t(yī)師重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容之一。個(gè)性化的3D 打印鉆孔導(dǎo)板輔助椎弓根螺釘置入，在術(shù)前可預(yù)先清楚螺釘大小，置入螺釘?shù)慕嵌燃爸冕斅窂?，提高置釘成功率；手術(shù)時(shí)間減少、減少術(shù)中出血量、術(shù)中透視次數(shù)減少；降低術(shù)后并發(fā)癥及傷口愈合好等優(yōu)點(diǎn)［18-22］。Lu 等［23］以16 例脊柱側(cè)彎患者為研究對(duì)象，在術(shù)中運(yùn)用3D 打印導(dǎo)板進(jìn)行置釘，結(jié)果表明有157 枚螺釘位于椎弓根內(nèi)，11 枚螺釘穿破皮質(zhì)（0～2mm），無(wú)穿破皮質(zhì)＞2mm 螺釘置釘準(zhǔn)確率（螺釘穿破皮質(zhì)不超過(guò)2mm）100%。Putzier 等［24］對(duì)4 例脊柱側(cè)彎患者在3D 打印導(dǎo)板輔助下置釘，共置入76 枚螺釘，其中84%螺釘在椎弓根內(nèi)，96.1%穿破皮質(zhì)＜2mm。借助3D 打印鉆孔導(dǎo)板可提高螺釘置入的準(zhǔn)確性、安全性。

2.4 3D 打印在重度脊柱側(cè)彎中的應(yīng)用 當(dāng)Cobb 角＞90°時(shí)為重度脊柱側(cè)彎，隨著Cobb 角的增大會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的心肺功能障礙［25］，重度脊柱側(cè)彎患者的治療方式為，一期頭盆環(huán)牽引，二期截骨矯形。在牽引的過(guò)程中需要使用導(dǎo)針從上側(cè)髂前嵴上2cm 出內(nèi)外板間穿入，由髂后嵴穿出［26］。針道周圍存在有重要血管，神經(jīng)和盆腔重要臟器，具有損傷的風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)3D 打印導(dǎo)板輔助髂骨導(dǎo)針置入，能夠降低血管神經(jīng)損傷風(fēng)險(xiǎn)［27］。極重度脊柱側(cè)彎術(shù)中置釘難度高、風(fēng)險(xiǎn)高，脊柱3D 打印聯(lián)合椎弓根導(dǎo)向器輔助置釘技術(shù)提高了置釘準(zhǔn)確率、縮短手術(shù)時(shí)間、減少術(shù)中出血和并發(fā)癥［28］。

2.5 醫(yī)患溝通與臨床教學(xué) 醫(yī)患溝通，以患者為中心是醫(yī)療服務(wù)的首要任務(wù)之一。脊柱側(cè)彎患者的解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜難懂，單純的運(yùn)用二維影像學(xué)數(shù)據(jù)向患者解釋病情，患者很難理解。3D 打印模型真實(shí)地還原了病變組織，對(duì)于疾病的認(rèn)識(shí)更加清晰、直觀，使患者理解疾病情況和手術(shù)方式，以達(dá)到改善醫(yī)患溝通的效果［29-30］。此外在臨床教學(xué)中3D 打印技術(shù)在脊柱外科手術(shù)培訓(xùn)及臨床教學(xué)中起到非常重要的作用，它的出現(xiàn)彌補(bǔ)了青年醫(yī)師早期不能實(shí)際操作的不足，運(yùn)用3D 打印技術(shù)來(lái)打印復(fù)雜的脊柱解剖模型，在實(shí)踐課中利用三維模型授課能夠使醫(yī)學(xué)生理解的更加深刻、通透［31］。謝煒星等［32］研究發(fā)現(xiàn)3D 打印獲得的脊柱側(cè)彎模型可直觀地顯示復(fù)雜的脊柱解剖結(jié)構(gòu)，形象直觀，對(duì)醫(yī)學(xué)生而言可增強(qiáng)動(dòng)手能力，加強(qiáng)臨床思維的培養(yǎng)，能夠更好地將理論知識(shí)運(yùn)用于臨床，顯著提高臨床教學(xué)水平。

3 總結(jié)與展望

3D 打印技術(shù)為脊柱外科醫(yī)生在進(jìn)行脊柱側(cè)彎疾病診斷、術(shù)前規(guī)劃設(shè)計(jì)、醫(yī)患溝通及臨床教學(xué)等方面提供了新思路、新方法。通過(guò)二維的影像數(shù)據(jù)借助3D 打印技術(shù)打印出1∶1 解剖模型，其三維可視性使得醫(yī)生在復(fù)雜的脊柱側(cè)彎手術(shù)上獲得了以前通過(guò)平面影像資料無(wú)法獲得的精確數(shù)據(jù)。目前該技術(shù)處于發(fā)展階段，對(duì)儀器和材料的要求比較高，增加患者住院費(fèi)用，會(huì)加重患者的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。從采集數(shù)據(jù)到打印出模型需要一定的時(shí)間，不適用于急診患者［33］?？茖W(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，相信該技術(shù)也會(huì)得到進(jìn)一步的發(fā)展，克服上述的缺點(diǎn)。