退變性脊柱側(cè)彎3D 打印個性化減壓融合△

鄭 杰，何敏娟，王大偉，趙克鋒，葉有晨，陶利江，翟 旭，孫忠良

（聯(lián)勤保障部隊第九〇三醫(yī)院骨一科，浙江杭州 310016）

隨著當今社會人口老齡化的不斷加重，退變性脊 柱側(cè)彎（degenerative scoliosis, DS）的發(fā)病率逐年增高［1］。對于經(jīng)過保守治療無效的患者，外科手術(shù)仍是目前最為合理、有效的治療手段。DS 作為一種復(fù)雜的脊柱畸形，其手術(shù)治療應(yīng)根據(jù)患者的癥狀、體征、影像學(xué)等制定個性化的治療方案，方能達到最佳的治療效果［2］。本研究利用三維重建、逆向工程、CAD等技術(shù)，通過提取患者CT 影像數(shù)據(jù)，建立有限元模型，模擬出最佳治療方案，3D 打印制作物理模型［3-6］。于物理模型上設(shè)計椎弓根螺釘?shù)臉藴手萌胛恢?，預(yù)制連接棒等內(nèi)固定器械，進行手術(shù)設(shè)計及模擬，從而縮短手術(shù)時間，減少出血及創(chuàng)傷，避免手術(shù)中方案的不確定性，確保手術(shù)療效，使DS 的個性化手術(shù)治療得以實現(xiàn)，為DS 的手術(shù)治療提供了精確化、個性化的新型思路和方法?，F(xiàn)報道如下。

1 資料與方法

1.1 納入與排除標準

納入標準：（1）經(jīng)影像學(xué)檢查確診為DS，冠狀位Cobb 角>10°，按Lenke-Silva 分型為Ⅱ～Ⅲ型（圖1a，1b）；（2）影像顯示椎管狹窄（圖1c），且具備相應(yīng)的臨床癥狀，如頑固性腰痛或腰痛合并下肢放射痛，間隙性跛行等；（3）經(jīng)保守治療3 個月以上癥狀不能緩解；（4）均可通過后路選擇性椎管減壓+椎間植骨融合+側(cè)彎節(jié)段椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)可以解決；（5）手術(shù)均由同一骨科醫(yī)生團隊完成，獲得至少2 年以上的隨訪。

排除標準：（1）Lenke-Silva 分型為Ⅳ～Ⅵ型需要前后路或截骨矯形者；（2）青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸轉(zhuǎn)變而來的成人脊柱側(cè)彎；（3）繼發(fā)于外傷、脊柱腫瘤、強直性脊柱炎、脊柱結(jié)核的脊柱畸形患者。

1.2 一般資料

回顧性分析2013 年12 月—2017 年12 月收治的DS 患者，共41 例符合上述標準，納入本研究。通過術(shù)前醫(yī)患溝通，根據(jù)患方意愿是否使用3D 打印技術(shù)將上述患者進行分組，3D 打印組15 例，采用3D 打印技術(shù)輔助進行個性化手術(shù)治療，常規(guī)組26 例，采用傳統(tǒng)減壓融合內(nèi)固定術(shù)，不使用3D 打印技術(shù)。本研究經(jīng)醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會審查通過，所有患者均知情同意。

1.3 手術(shù)方法1.3.1 3D 打印組

術(shù)前對患者側(cè)彎節(jié)段脊柱進行連續(xù)薄層CT 掃描，掃描條件設(shè)置為130 kV，21.6 mA·s，層厚0.625 mm。采集Dicom 格式圖像，所有圖像象素均為512×512 pxl 以刻錄DVD 光盤的形式輸出保存。以CT 掃描圖像通過軟件建立DS 有限元模型。

在DS 有限元模型上建立椎弓根螺釘和連接棒的幾何模型，生成四面體單元，螺釘直徑為4.5 mm，連接棒的直徑為5.5 mm。螺釘、連接棒采用各向同性鈦質(zhì)，彈性模量100 000 MPa，泊松比0.3。螺釘與骨界面采用面-面接觸，摩擦系統(tǒng)為0.8。根據(jù)臨床椎弓根螺釘置入方法（關(guān)節(jié)突外緣垂線與橫突中點水平線的交點為進釘點）置入螺釘。對不同手術(shù)方案的DS 有限元模型施加相同的邊界固定條件和加載條件：約束S1椎體和棘突底面上所有節(jié)點平移和轉(zhuǎn)動共六個自由度，將各方向完全約束固定，在T12椎體上面連接一個鈦質(zhì)十字架，以方便進行力矩形式的工況加載，分前屈、后伸、左側(cè)彎、右側(cè)彎、左旋轉(zhuǎn)、右旋轉(zhuǎn)6 種工況分別以節(jié)點載荷的形式分10 個子步加載力矩載荷10 N·m。比較不同手術(shù)方案（包括有限固定減壓融合及選擇性減壓側(cè)彎節(jié)段固定融合等方案）模型在各種工況下椎間盤、椎體及相鄰節(jié)段關(guān)節(jié)突等效應(yīng)力分布。通過上述結(jié)果的比較分析，確定最佳手術(shù)方案，明確上下端椎的選擇（圖1d）。

將DS 原始三維模型和最佳手術(shù)方案三維模型分別進行3D 打印，在3D 打印出的物理實體模型上，進行手術(shù)規(guī)劃和術(shù)前準備（圖1e，1f）。按照最佳手術(shù)方案選擇上下端椎、設(shè)計螺釘置入方案、預(yù)制連接棒，以指導(dǎo)現(xiàn)實手術(shù)（圖1g，1h）。

圖1 患者，女，55 歲，因“腰痛伴間歇性跛行半年余”入院 1a, 1b: 術(shù)前腰椎正側(cè)位X 線片示L1-5 退變性脊柱側(cè)彎，冠狀面Cobb 角10.8°，L4 椎體向前滑移 1c: 術(shù)前MRI 示L4 椎體向前滑移，L4/5 椎間盤突出、椎管狹窄，L3/4 椎間盤突出，L1-3、L5S1 椎間盤退變 1d: 術(shù)前建立有限元模型，經(jīng)有限元應(yīng)力分布測試結(jié)果確定L4/5 椎管減壓椎體復(fù)位矯形椎間植骨融合內(nèi)固定為該患者最佳手術(shù)方案 1e, 1f: 根據(jù)有限元模型打印出3D 實體模型，術(shù)前設(shè)計螺釘置入位置、預(yù)制連接棒、手術(shù)預(yù)演等操作 1g, 1h: 末次隨訪腰椎正側(cè)位X 線片示脊柱側(cè)彎及椎體滑移矯形滿意，冠狀面Cobb 角4.9°，手術(shù)節(jié)段見骨性融合

1.3.2 常規(guī)組

術(shù)前常規(guī)進行全脊椎正側(cè)位X 線片檢查，側(cè)彎節(jié)段CT 三維重建以及MRI 檢查，結(jié)合臨床癥狀、體征及影像學(xué)，術(shù)前規(guī)劃設(shè)計手術(shù)方案，術(shù)中根據(jù)術(shù)前規(guī)劃及術(shù)者經(jīng)驗進行置釘、減壓、彎棒及矯形治療。

1.4 評價指標

記錄圍手術(shù)期資料及并發(fā)癥。采用疼痛視覺模擬評分（visual analogue scale,VAS）、Oswestry 功能障礙指數(shù)（Oswestry disability index, ODI）和日本骨科協(xié)會胸腰椎評分（Japanese Orthopaedic Association,JOA）評價臨床效果。行影像學(xué)檢查，測量相關(guān)參數(shù)。螺釘置入準確率=（總螺釘個數(shù)-螺釘誤置個數(shù)）/總螺釘個數(shù)×100%，其中螺釘誤置包括內(nèi)側(cè)皮質(zhì)穿透、外側(cè)皮質(zhì)穿透、上方皮質(zhì)穿透、終板穿透、椎間孔穿透。測量冠狀面Cobb 角、冠狀位平衡偏移距離（coronal balance distance,CBD）、矢狀位平衡偏移距離（sagittal vertical axis, SVA）、胸椎后凸（tho?racic kyphosis, TK） 和 腰 椎 前 凸（lumbar lordosis,LL）。

1.5 統(tǒng)計學(xué)方法

采用SPSS 20.0 軟件進行統(tǒng)計學(xué)分析。計量數(shù)據(jù)采用±s表示，資料呈正態(tài)分布時，兩組間比較采用獨立樣本t檢驗，組內(nèi)時間點間比較采用單因素方差分析或配對T檢驗；資料呈非正態(tài)分布時，采用秩和檢驗。計數(shù)資料采用x2檢驗或Fisher精確檢驗。P<0.05 為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2.1 圍手術(shù)期情況

所有患者均順利完成手術(shù)。兩組患者圍手術(shù)期資料見表1。3D 打印組手術(shù)時間、術(shù)中出血量、異體輸血量均顯著低于常規(guī)組（P<0.05），術(shù)后2 d 血紅蛋白水平顯著高于常規(guī)組（P<0.05），但是，兩組患者住院時間差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P>0.05）。3D 打印組患者術(shù)后切口淺表感染1 例，給予換藥、抗感染治療后痊愈；脂肪液化滲出1 例，予加強換藥、對癥處理后痊愈。常規(guī)組患者術(shù)后切口淺表感染2 例，腦脊液漏2 例，給予換藥、抗感染治療后痊愈；脂肪液化滲出2 例，予加強換藥、對癥處理后痊愈；神經(jīng)損傷1例，予營養(yǎng)神經(jīng)治療后痊愈。兩組并發(fā)癥發(fā)生率差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.445）。

表1 兩組患者圍手術(shù)期資料（±s）與比較

表1 兩組患者圍手術(shù)期資料（±s）與比較

指標P 值手術(shù)時間（min）術(shù)中出血量（ml）異體輸血量（ml）術(shù)后2 d 血紅蛋白（g/L）住院時間（d）3D 打印組（n=15）156.26±10.47 720.83±30.40 153.54±26.84 106.2±10.53 6.78±0.59常規(guī)組（n=26）243.07±28.61 1 488.64±156.94 425.24±54.70 73.71±9.01 7.05±0.58<0.001<0.001<0.001<0.001 0.153

2.2 隨訪結(jié)果

兩組患者隨訪23～31 個月，平均（26.8±2.3）個月。隨訪期間均無腰背疼痛持續(xù)加重，無翻修手術(shù)等嚴重不良事件。

兩組隨訪結(jié)果見表2，隨時間推移，兩組患者VAS 和ODI 評分顯著下降（P<0.05），而JOA 評分顯著增加（P<0.05）。相應(yīng)時間點，兩組間VAS、ODI和JOA 評分的差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P>0.05）。

表2 兩組患者隨訪結(jié)果（±s）與比較

表2 兩組患者隨訪結(jié)果（±s）與比較

指標VAS 評分（分）P 值0.831 0.220 0.222 ODI 評分（%）0.648 0.441 0.159 JOA 評分（分）0.372 0.472 0.387時間段術(shù)前術(shù)后3 個月末次隨訪P 值術(shù)前術(shù)后3 個月末次隨訪P 值術(shù)前術(shù)后3 個月末次隨訪P 值3D 打印組（n=15）6.01±1.76 2.77±0.97 1.77±0.99<0.001 82.27±5.56 40.47±5.24 6.93±1.22<0.001 7.33±3.89 16.67±3.98 25.73±2.22<0.001常規(guī)組（n=26）6.16±2.31 3.23±1.22 2.18±1.04<0.001 81.46±5.31 39.23±4.7 6.19±1.77<0.001 6.31±3.27 17.81±5.28 25.01±2.78<0.001

2.3 影像評估

兩組影像學(xué)測量結(jié)果見表3。3D 打印組的螺釘置入準確率顯著高于常規(guī)組（P<0.05）。與術(shù)前相比，末次隨訪兩組患者側(cè)彎Cobb 角、CBD、SVA、LL 較術(shù)前均顯著改善（P<0.05），但TK 較術(shù)前無顯著變化（P>0.05）。相應(yīng)時間點，兩組間各參數(shù)的差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P>0.05）。

表3 兩組患者影像測量結(jié)果（±s）與比較

表3 兩組患者影像測量結(jié)果（±s）與比較

指標螺釘置入準確率（%）側(cè)彎Cobb 角（°）P 值<0.001 0.594 0.528 CBD（mm）0.144 0.923 SVA（mm）0.346 0.081 TK（°）0.345 0.352 LL（°）0.339 0.210術(shù)前末次隨訪P 值術(shù)前末次隨訪P 值術(shù)前末次隨訪P 值術(shù)前末次隨訪P 值術(shù)前末次隨訪P 值3D 打印組（n=15）95.94±3.50 22.15±3.71 8.03±1.23<0.001 5.19±0.94 1.88±0.7<0.001 4.30±0.49 1.35±0.33<0.001 10.46±2.71 9.53±2.01 0.298 11.49±2.56 20.83±4.24<0.001常規(guī)組（n=26）80.47±6.48 21.49±3.84 8.59±3.29<0.001 5.70±1.10 1.90±0.98<0.001 4.61±1.19 1.76±0.86<0.001 9.61±2.73 9.01±1.51 0.331 10.49±3.52 19.27±3.49<0.001

3 討 論

DS 是脊柱的三維畸形，脊柱僵硬、退變，患者經(jīng)保守治療效果不佳，須采取手術(shù)治療［7］。目前對于DS 的手術(shù)治療，主流的手術(shù)方案是按照Lenke-Silva分型的分級手術(shù)［8］。在臨床中作者發(fā)現(xiàn)，DS 中Len?ke-SilvaⅡ～Ⅲ型比較多見，對于這些患者可以通過后路選擇性椎管減壓+椎間植骨融合+側(cè)彎節(jié)段椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)或有限固定減壓融合術(shù)即可獲得良好的療效。但固定融合節(jié)段的選擇及矯形程度的界定存在諸多爭議。在本研究3D 打印組中，將患者側(cè)彎段脊柱進行有限元模型的重建，在模型上設(shè)計不同的手術(shù)方案，通過有限元測試結(jié)果找到最適合的手術(shù)方案，做到個性化設(shè)計，使融合節(jié)段的選擇及矯形程度的界定有據(jù)可依。

因DS 患者脊柱退變嚴重、畸形復(fù)雜多變，術(shù)中常出現(xiàn)置釘區(qū)域暴露不充分、解剖標志無法順利辨識等情況。傳統(tǒng)椎弓根螺釘置釘時即使術(shù)者經(jīng)驗豐富，仍有置釘不佳可能，置釘失誤可直接導(dǎo)致椎弓根結(jié)構(gòu)破壞、力學(xué)穩(wěn)定性下降，預(yù)后不良［9］。術(shù)者只能憑借既往經(jīng)驗、延長X 線透視及置釘時間、增加置釘修改次數(shù)來提高置釘準確率，增加了手術(shù)創(chuàng)傷及術(shù)中出血量，置釘?shù)亩啻涡薷膭t會降低椎弓根螺釘?shù)姆€(wěn)定性，影響預(yù)后。在本研究3D 打印組中，將三維有限元模型進行3D 打印，在物理模型上設(shè)計椎弓根螺釘?shù)臉藴手萌胛恢?，預(yù)制連接棒等內(nèi)固定器械，于模型上進行多次手術(shù)預(yù)演，形成感官及肌肉記憶，可有效降低置釘難度、提高置釘準確率、縮短手術(shù)時間，減少創(chuàng)傷和并發(fā)癥發(fā)生概率。本研究3D 打印組的手術(shù)時間、術(shù)中出血量、輸血量均少于常規(guī)組，術(shù)后血紅蛋白水平高于常規(guī)組。

此外，與傳統(tǒng)的CT、MRI 等影像數(shù)據(jù)相比，3D打印模型可體外精確復(fù)刻病椎的解剖結(jié)構(gòu)，使術(shù)前醫(yī)患溝通更加直觀化、具體化。借助3D 打印模型向患者及家屬介紹疾病特點、病變區(qū)域、手術(shù)過程、手術(shù)相關(guān)風險及預(yù)后，加深患者及家屬對自身疾病的理解、提升溝通效率，增加醫(yī)患互信，降低醫(yī)療糾紛的發(fā)生風險。

綜上所述，與傳統(tǒng)手術(shù)相比，3D 打印技術(shù)輔助下的后路減壓植骨內(nèi)固定手術(shù)治療DS，具有手術(shù)時間短、出血量及輸血量少、螺釘置入準確率高的優(yōu)勢，臨床療效滿意。本研究的不足之處是本組納入的是Lenke-Silva 分型為Ⅱ～Ⅲ型的DS 患者，而Ⅳ～Ⅵ型畸形更加嚴重，需要前后路或截骨矯形，應(yīng)用3D打印更能體現(xiàn)其優(yōu)勢，可在今后的臨床工作中推廣應(yīng)用。