3D 打印個(gè)體化人工椎體在胸腰椎腫瘤整塊切除后脊柱穩(wěn)定性重建中的應(yīng)用*

張亞 孫允龍 熊偉 方忠 王偉 石志良 李鋒

胸腰椎腫瘤是一種危害很大的骨腫瘤，腫瘤組織破壞脊柱骨質(zhì)，造成生物力學(xué)穩(wěn)定性下降，甚至累及脊髓、神經(jīng)根等組織結(jié)構(gòu)，致殘率較高。全脊椎整塊切除術(shù)（total en-bloc spondylectomy，TES）保證了安全的腫瘤學(xué)邊界，是目前公認(rèn)的可使原發(fā)脊柱腫瘤獲得長(zhǎng)期控制的有效術(shù)式[1]。TES 術(shù)后前方鈦籠聯(lián)合后方內(nèi)固定植骨是經(jīng)典重建方式，但是研究表明，鈦籠下沉、椎間隙塌陷、釘棒松動(dòng)斷裂等內(nèi)固定失敗情況普遍存在[2-4]，有的甚至造成神經(jīng)卡壓等不良后果，部分患者需要接受返修手術(shù)。3D 打印個(gè)體化人工椎體擁有更大的骨接觸面，有助于成骨的多孔結(jié)構(gòu)以及個(gè)性化匹配骨缺損結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，近些年已逐步應(yīng)用于脊柱腫瘤的手術(shù)治療[5-6]，有望成為保證脊柱長(zhǎng)期穩(wěn)定性的新型重建手段。本研究對(duì)華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬同濟(jì)醫(yī)院收治的胸腰椎腫瘤TES手術(shù)病例進(jìn)行回顧性研究，探索該3D 打印個(gè)體化人工椎體在胸腰椎腫瘤整塊切除術(shù)后脊柱穩(wěn)定性重建中的臨床療效。

1 資料與方法

1.1 一般資料

納入2015年7 月～2020年6 月華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬同濟(jì)醫(yī)院收治的28 例接受全脊椎整塊切除術(shù)的胸腰椎腫瘤連續(xù)病例，按照椎體間重建方式分為2 組，3D 組采用3D 打印個(gè)體化人工椎體重建，常規(guī)組采用鈦籠重建。

3D 組共14 例，男10 例，女4 例；年齡12 ～69 歲，平均43.3 歲；病變部位：胸椎8 例，腰椎6 例；累及節(jié)段：?jiǎn)喂?jié)段12 例，三節(jié)段2 例。原發(fā)腫瘤13 例：纖維結(jié)構(gòu)骨不良1 例，彌漫性大B 細(xì)胞淋巴瘤1 例，骨巨細(xì)胞瘤2 例，惡性原始神經(jīng)外胚葉腫瘤2 例，血管瘤3 例，骨肉瘤4 例；轉(zhuǎn)移性腫瘤1 例：宮頸癌。隨訪時(shí)間6 ～27 個(gè)月，平均18.2個(gè)月。

常規(guī)組共14 例，男8 例，女6 例，年齡13 ～63 歲，平均45.4 歲；病變部位：胸椎10 例，腰椎4 例；累及節(jié)段：?jiǎn)喂?jié)段13 例，雙節(jié)段1 例。原發(fā)腫瘤10 例：動(dòng)脈瘤樣骨囊腫1 例，軟骨肉瘤1 例，漿細(xì)胞骨髓瘤1 例，T 細(xì)胞淋巴瘤1 例，血管瘤2 例，骨巨細(xì)胞瘤2 例，假肌源性血管內(nèi)皮瘤2 例；轉(zhuǎn)移性腫瘤4 例：乳腺癌1 例，神經(jīng)內(nèi)分泌腫瘤1 例，肺癌2 例。隨訪時(shí)間5 ～36 個(gè)月，平均15.4 個(gè)月。

1.2 納入與排除標(biāo)準(zhǔn)

納入標(biāo)準(zhǔn)：①原發(fā)脊柱惡性腫瘤（Ⅰ期、Ⅱ期）；②原發(fā)良性侵襲性腫瘤（Ⅲ期）；③預(yù)計(jì)患者生存時(shí)間＞6 個(gè)月的孤立性轉(zhuǎn)移病灶；④采用全脊椎整塊切除術(shù)聯(lián)合3D 打印人工椎體或鈦籠重建；⑤病歷資料齊全。

排除標(biāo)準(zhǔn)：①原發(fā)脊柱惡性腫瘤Ⅲ期患者；②原發(fā)脊柱良性腫瘤患者；③全身多處轉(zhuǎn)移的患者；④存在活動(dòng)性感染或不能耐受手術(shù)的其他情況。

1.3 3D 打印個(gè)體化人工椎體

所用3D打印個(gè)體化人工椎體由湖北嘉一三維高科股份有限公司參與設(shè)計(jì)，由武漢華科三維科技有限公司使用鈦合金（Ti6Al4V）材料打印而成。具體過程為采集患者CT 數(shù)據(jù)，重建脊柱結(jié)構(gòu)，移除病灶椎體，根據(jù)模型設(shè)計(jì)匹配骨缺損的人工椎體，其截面與正常椎體截面相近，前方為弧形凸出，后面略凹陷。上下骨接觸面邊緣與鄰近椎體終板邊緣距離為4 ～7 mm，高度以椎間高度為標(biāo)準(zhǔn)，并以2 mm 為間隔設(shè)計(jì)3 個(gè)尺寸。內(nèi)部為孔隙結(jié)構(gòu)，孔隙率為70%～80%，孔徑600 ～800 m。人工椎體使用前已通過倫理審查（2018倫審字[S471]號(hào)），術(shù)前均與患者簽署知情同意書獲得授權(quán)。

1.4 手術(shù)方法與圍術(shù)期處理

3D 組4 例（血管瘤2 例、骨巨細(xì)胞瘤1 例，骨肉瘤1例）和常規(guī)組4 例（血管瘤2 例、動(dòng)脈瘤樣骨囊腫1 例，骨髓瘤1 例）患者術(shù)前行血管介入栓塞治療，未施行其他可影響出血的治療手段。兩組患者均接受一期后路手術(shù)，完整切除病灶椎體，分別使用3D 打印人工椎體和鈦籠植入，聯(lián)合后路釘棒重建脊柱穩(wěn)定性。

術(shù)后止痛、抗感染、神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)治療。胸椎手術(shù)患者若出現(xiàn)呼吸困難及血氧飽和度下降，查床邊B 超，必要時(shí)行胸腔穿刺抽液或胸腔閉式引流。引流量少于50 mL/24 h 后拔除引流管。

1.5 觀察指標(biāo)

①住院時(shí)間、手術(shù)時(shí)間、術(shù)中出血量；②術(shù)前、術(shù)后7d及末次隨訪時(shí)視覺模擬評(píng)分（visual analogue scale，VAS）；③采用Frankel 分級(jí)系統(tǒng)評(píng)估術(shù)前及末次隨訪時(shí)脊髓神經(jīng)損害程度；④兩組病例中轉(zhuǎn)移癌患者的Tomita 評(píng)分；⑤測(cè)量術(shù)后7 d 及末次隨訪時(shí)的節(jié)段高度，即側(cè)位X 光片上鄰近上位椎體下終板中點(diǎn)至下位椎體上終板中點(diǎn)的距離，節(jié)段高度出現(xiàn)3 mm 以上短縮視為內(nèi)植物下沉，計(jì)算高度丟失量和沉降率；⑥測(cè)量術(shù)后7 d 及末次隨訪時(shí)的節(jié)段角度，即鄰近上位椎體下終板與下位椎體上終板所成的夾角，夾角向前記為正，夾角向后記為負(fù)，計(jì)算角度丟失量。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 17.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。計(jì)量資料采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，所有數(shù)據(jù)分析前經(jīng)正態(tài)性檢驗(yàn)及方差齊性分析。內(nèi)植物沉降率及Frankel 分級(jí)的比較采用2檢驗(yàn)，其余數(shù)據(jù)比較采用獨(dú)立樣本t 檢驗(yàn)。P＜0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

兩組患者的性別、年齡、病變節(jié)段及隨訪時(shí)間比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。3D 組轉(zhuǎn)移癌患者Tomita 評(píng)分3.0分，常規(guī)組轉(zhuǎn)移癌患者Tomita 評(píng)分2 ～4 分，平均3.0 分。所有患者WBB 分期均符合TES 手術(shù)指征。3D 組3 例患者（21.4%）于術(shù)后9 ～14 個(gè)月死亡；常規(guī)組3 例患者（21.4%）于術(shù)后11 ～13 個(gè)月死亡。兩組基線資料具有可比性。

3D 組住院時(shí)間34 ～52 d，平均（38.8±5.7）d；手術(shù)時(shí)間8 ～17 h，平均（12.6±3.4）h；術(shù)中出血量400 ～4500 mL，平均（2114.3±1252.6）mL；常規(guī)組住院時(shí)間13～55 d，平均（32.8±13.1）d；手術(shù)時(shí)間7.6 ～15 h，平均（10.9±2.1）h；術(shù)中出血量400 ～6600 mL，平均（2628.6±1616.9）mL。組間比較差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），見表1。

表1 兩組患者住院時(shí)間、手術(shù)時(shí)間和術(shù)中出血量的比較（）

表1 兩組患者住院時(shí)間、手術(shù)時(shí)間和術(shù)中出血量的比較（）

組別 住院時(shí)間（d） 手術(shù)時(shí)間（h） 術(shù)中出血量（mL）3D 組 38.8±5.7 12.6±3.4 2114.3±1252.6常規(guī)組 32.8±13.1 10.9±2.1 2628.6±1616.9值1.575 1.603 -0.941images/BZ_25_1360_1542_1385_1568.png值0.133 0.121 0.355

兩組患者術(shù)后VAS 評(píng)分均較術(shù)前明顯降低（P＜0.05），至末次隨訪時(shí)VAS 評(píng)分進(jìn)一步降低（P＜0.05），兩組間比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），見表2。

表2 兩組患者術(shù)前、術(shù)后7d 及末次隨訪時(shí)VAS 評(píng)分比較（，分）

表2 兩組患者術(shù)前、術(shù)后7d 及末次隨訪時(shí)VAS 評(píng)分比較（，分）

注：a 與術(shù)前比較＜0.05。

組別 術(shù)前 術(shù)后7 d 末次隨訪3D 組 5.1±1.2 2.9±0.6a 0.4±0.5a常規(guī)組 5.4±1.7 2.9±0.7a 1.1±1.2a值-0.514 0.000 -1.834images/BZ_25_1360_1912_1385_1938.png值 ＞0.050 ＞0.050 ＞0.050

28 例患者中共8 例患者神經(jīng)功能獲得一個(gè)等級(jí)的改善（28.6%），其中3D 組和常規(guī)組各4 例。術(shù)前患者Frankel 分級(jí)集中在D 級(jí)和E 級(jí)，說明多數(shù)患者能夠在神經(jīng)功能損害早期接受手術(shù)治療，僅1 例患者突發(fā)截癱后入院，術(shù)后神經(jīng)功能無明顯改善。術(shù)后早期多數(shù)患者的感覺功能可獲得改善，并有一定程度的肌力恢復(fù)。兩組患者術(shù)前及末次隨訪時(shí)Frankel 評(píng)分差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）（見表3）。

末次隨訪時(shí)，3D 組節(jié)段高度丟失0.2 ～8 mm，平均（1.9±2.2）mm，節(jié)段高度末次隨訪與術(shù)后7 d 相比，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.990）。節(jié)段角度丟失0.1° ～12.3°，平均5.1°±4.3°；發(fā)生內(nèi)植物沉降2 例，沉降率14.3%。常規(guī)組節(jié)段高度丟失0.7 ～16.1 mm，平均（6.6±5.5）mm，節(jié)段高度末次隨訪與術(shù)后7 d 相比差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.055）。節(jié)段角度丟失0.2°～27.8°，平均6.5°±7.4°；發(fā)生內(nèi)植物沉降8 例，沉降率57.1%。3D 組在術(shù)后節(jié)段高度、高度丟失及沉降率方面均明顯優(yōu)于常規(guī)組（P＜0.050），在角度丟失方面組間比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.571）。

表3 所有患者術(shù)前及末次隨訪時(shí)Frankel 分級(jí)

表4 兩組患者術(shù)后7 d 及末次隨訪時(shí)節(jié)段高度、高度丟失、沉降率和角度丟失的對(duì)比

復(fù)查發(fā)現(xiàn)3D 組所有患者人工椎體位置良好，無明顯移位及旋轉(zhuǎn)，無釘棒斷裂及松動(dòng)情況。常規(guī)組2 例患者鈦籠發(fā)生明顯下沉旋轉(zhuǎn)，其中1 例患者發(fā)生斷棒情況，后患者接受2 次翻修手術(shù)，更換鈦籠，長(zhǎng)節(jié)段雙棒固定，解除神經(jīng)壓迫，矯正脊柱畸形，術(shù)后復(fù)查內(nèi)固定位置良好，康復(fù)出院，逐漸恢復(fù)正行走。

3D 組發(fā)生傷口感染1 例，腦脊液漏2 例，3 例患者行胸腔閉式引流。常規(guī)組發(fā)生傷口感染4 例，腦脊液漏3 例，1 例患者行胸腔閉式引流。1 例患者術(shù)后下肢肌力明顯下降，經(jīng)康復(fù)治療在隨訪過程中肌力逐漸恢復(fù)。1 例患者術(shù)中心臟驟停，搶救后轉(zhuǎn)重癥監(jiān)護(hù)室治療，平穩(wěn)后返回普通病房。

2 例肺癌患者和1 例乳腺癌患者術(shù)后接受靶向藥物治療，1 例骨髓瘤患者和1 例宮頸癌患者手術(shù)切口愈合后接受化療，4 例骨肉瘤患者術(shù)后2 周接受術(shù)區(qū)放療。所有患者每3 個(gè)月定期行X 線和核磁檢查觀察局部控制情況。至末次隨訪時(shí)6 例（21.4%）患者因腫瘤多發(fā)轉(zhuǎn)移死亡，其中2 例骨肉瘤和1 例軟骨肉瘤患者術(shù)后9 ～14 個(gè)月死亡，2 例肺癌和1例宮頸癌患者術(shù)后11 ～14 個(gè)月死亡。22 例（78.6%）患者存活，其中1 例胸椎惡性原始神經(jīng)外胚葉腫瘤患者術(shù)后13個(gè)月發(fā)現(xiàn)肺部轉(zhuǎn)移灶，1 例骨肉瘤患者術(shù)后6 個(gè)月發(fā)現(xiàn)局部復(fù)發(fā)，均于腫瘤科行放化療。其余例患者隨訪期間無腫瘤復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移。

典型病例1：患者，男，35 歲，L5椎體骨巨細(xì)胞瘤，采用腰椎整塊切除+個(gè)性化3D 打印人工椎體重建術(shù)（見圖1）。

圖1 腰椎骨巨細(xì)胞瘤3D 打印個(gè)體化人工椎體重建病例：A-F.術(shù)前腰椎核磁及CT 的冠位、矢位和軸位片；G.3D 打印人工椎體；H、I.術(shù)后7 d腰椎正側(cè)位X 光片；J、K.末次隨訪時(shí)腰椎正側(cè)位X 光片

典型病例2：患者，女，43 歲，T12椎體海綿狀血管瘤，采用胸椎整塊切除+個(gè)性化3D打印人工椎體重建術(shù)（見圖2）。

圖2 鈦籠重建內(nèi)固定失敗案例：A、B.胸椎轉(zhuǎn)移癌患者術(shù)后7 d 及末次隨訪時(shí)CT 矢狀位片；C、D.胸椎海綿狀血管瘤患者術(shù)后7 d 及末次隨訪時(shí)X 光側(cè)位片

3 討論

3.1 3D 打印人工椎體有利于減少內(nèi)植物沉降率

腫瘤切除、脊髓減壓和穩(wěn)定性重建是全脊椎整塊切除的基本要素，由于整個(gè)椎節(jié)連同韌帶及部分肌肉組織被一并切除，前、中、后三柱結(jié)構(gòu)被完全破壞，因而必須進(jìn)行穩(wěn)定性重建[7]，重建的目標(biāo)是達(dá)成長(zhǎng)期的生物融合。鈦籠雖然起到了有效的支撐作用，但是遠(yuǎn)期可靠性逐漸受到質(zhì)疑。Chen等[3]對(duì)300 例頸椎鈦籠重建病例進(jìn)行隨訪發(fā)現(xiàn)，鈦籠沉降是普遍現(xiàn)象，且與術(shù)后并發(fā)癥相關(guān)。Yoshioka 等[8]的研究發(fā)現(xiàn)，胸腰椎長(zhǎng)節(jié)段全脊椎切除術(shù)后極易發(fā)生內(nèi)固定失敗，因鈦籠下沉使得椎間隙塌陷，節(jié)段角度難以維持，生物穩(wěn)定性丟失，導(dǎo)致釘棒應(yīng)力集中，斷裂風(fēng)險(xiǎn)大大增加。Park 等[9]的研究發(fā)現(xiàn)，圍手術(shù)期放療是術(shù)后釘棒斷裂的獨(dú)立危險(xiǎn)因素，放療影響骨量和骨融合，給脊柱穩(wěn)定性造成負(fù)面影響[10]。3D打印人工椎體有較大的骨接觸面，避免了應(yīng)力集中，有助于減少椎間隙塌陷。在本研究中，末次隨訪時(shí)3D 組椎間高度丟失平均為1.9 mm，明顯小于常規(guī)組平均6.6 mm；內(nèi)植物下沉3D 組為2 例，常規(guī)組為8 例，差異顯著；說明3D 打印人工椎體能更有效地維持椎間高度。在常規(guī)組塌陷明顯的案例中，鈦籠有不同程度的旋轉(zhuǎn)，其中1 例節(jié)段角度改變多達(dá)27.8°，并發(fā)生斷棒現(xiàn)象。而在3D 組節(jié)段高度丟失最大為8 mm 的案例中，節(jié)段角度丟失僅為3.4°。雖然角度丟失量組間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，有理由推測(cè)當(dāng)病例數(shù)足夠多時(shí)可能得出骨接觸面的大小與內(nèi)植物的旋轉(zhuǎn)移位及釘棒斷裂有直接關(guān)系的統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)論。由于鈦籠骨接觸面較小，脊柱力線容易偏離骨接觸面，在應(yīng)力的持續(xù)作用下會(huì)對(duì)內(nèi)植物產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)作用，形成夾角，不利于骨融合，進(jìn)而造成內(nèi)固定失敗。而人工椎體骨接觸面較大，力線始終經(jīng)過椎體以面面接觸的形式傳導(dǎo)，因此筆者僅觀察到節(jié)段高度的微小丟失，并未對(duì)穩(wěn)定性造成實(shí)質(zhì)影響。

3.2 3D 打印人工椎體有助于促進(jìn)成骨

生物性融合是脊柱重建保持遠(yuǎn)期穩(wěn)定性的關(guān)鍵，3D 打印人工椎體內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)有利于組織液流動(dòng)，促進(jìn)骨細(xì)胞遷移和增殖，70%～80%的孔隙率是骨長(zhǎng)入的最佳結(jié)構(gòu)。其表面復(fù)雜的微觀粗糙結(jié)構(gòu)，有利于募集抗炎因子，促進(jìn)成骨細(xì)胞分化，培育了有利于骨形成的特殊細(xì)胞環(huán)境[11-12]。McGilvray 等[13]在綿羊腰椎體外融合實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，多孔鈦合金椎體相較于PEEK 材料，在骨長(zhǎng)入量上更加優(yōu)異。鈦合金Cage應(yīng)用于頸椎前路手術(shù)也被證明有更好的骨融合率[14]。在3D 組患者的CT 復(fù)查片中可以看到上下骨接觸面有骨小梁結(jié)構(gòu)長(zhǎng)入，在孔隙內(nèi)實(shí)現(xiàn)交聯(lián)鎖定，有較好的骨整合能力。

3.3 3D 打印人工椎體有個(gè)體化匹配的優(yōu)勢(shì)

3D 打印能夠?qū)崿F(xiàn)自由成型，與醫(yī)學(xué)數(shù)字技術(shù)相結(jié)合就能進(jìn)行私人訂制，制造出專屬于個(gè)人的最優(yōu)椎體結(jié)構(gòu)，使一些復(fù)雜骨缺損手術(shù)得以完成。手術(shù)切除的節(jié)段數(shù)量、節(jié)段高度、是否后凸畸形、是否保留部分椎體結(jié)構(gòu)等是因人而異的，內(nèi)固定鈦籠不能單獨(dú)適配，由此帶來的內(nèi)植物沉降、移位甚至失敗多有發(fā)生。尤其在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的胸腰段，個(gè)體化設(shè)計(jì)的人工椎體更能有效地傳導(dǎo)脊柱應(yīng)力。與傳統(tǒng)模塊化人工椎體相比，如可調(diào)高度的人工椎體，3D 打印椎體長(zhǎng)度是根據(jù)術(shù)前CT 數(shù)據(jù)并參考醫(yī)生手術(shù)方案制定的，可精準(zhǔn)匹配骨缺損，并可設(shè)置自穩(wěn)釘?shù)阑騻?cè)方固定裝置，連接鄰近椎體或后方釘棒，穩(wěn)定性更好。與帶自穩(wěn)裝置的框架式人工椎體等相比，3D 打印人工椎體自穩(wěn)裝置更加個(gè)性化，利于不同患者的術(shù)中操作[15]。其骨接觸面為粗糙仿骨小梁孔隙結(jié)構(gòu)，而非可嵌入骨面的刺突樣裝置，減少了人工椎體下沉。本研究3D 組中，1 例腰椎L1-3三節(jié)段整塊切除的患者使用人工椎體重建，除骨接觸面較大外，外形設(shè)計(jì)更符合矢狀位腰椎前凸弧線，有利于應(yīng)力傳導(dǎo)，同時(shí)在椎體側(cè)方設(shè)置有釘孔，可通過骨水泥和后路椎弓根螺釘連接固定，更符合三柱的理念。在2年多的隨訪中，雖然發(fā)生了8 mm 的節(jié)段高度丟失，但是節(jié)段角度良好，穩(wěn)定性可靠，患者可正常行走。在上頸椎及骶尾部等異形骨缺損區(qū)，3D 打印人工椎體更能發(fā)揮其個(gè)性化重建的優(yōu)勢(shì)。Mobbs 等[16]采用個(gè)體化人工椎體進(jìn)行重建C2，術(shù)后9 個(gè)月隨訪時(shí)假體無松動(dòng)移位。Doyoung 等[17]通過3D 打印假體實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)半骶骨重建，術(shù)后1年時(shí)假體位置良好，與周圍骨質(zhì)發(fā)生骨整合。

本研究表明，3D 打印個(gè)體化人工椎體重建胸腰椎腫瘤整塊切除后脊柱穩(wěn)定性相比傳統(tǒng)鈦籠可以更好地維持節(jié)段高度，擁有更小的沉降率，其多孔結(jié)構(gòu)和粗糙骨接觸面更有利于成骨，而且具備個(gè)性化定制的優(yōu)勢(shì)。在病例積累和長(zhǎng)期隨訪方面本研究仍有不足，尚需繼續(xù)探索，為提高脊柱腫瘤的治療療效而努力。