3D打印截面模型在腰椎全椎板減壓中的應用

張文璽 周金華 劉杰

3D打印模型的臨床應用日益廣泛。利用病變區(qū)域1∶1模型或健側鏡像模型，可以很方便地進行術前規(guī)劃及演練，在脊柱外科與神經(jīng)外科手術中可指導腫瘤切除[1-2]。常規(guī)3D打印模型是基于CT的整體模型，難以反應內(nèi)部結構變化，對骨內(nèi)部形態(tài)或病變只能通過查閱二維CT資料才能獲取細節(jié)，而這種二維圖像有時使醫(yī)生難以在腦海中形成立體對應關系。腰椎管狹窄癥手術并發(fā)癥時有發(fā)生，其中由于減壓操作不當導致的硬膜撕裂占比例達4.6%，這不得不令人關注[3]。我們在實踐中發(fā)現(xiàn)，利用3D打印截面模型可以很好地了解椎管局部細節(jié)并解決空間定位問題，可提高椎管及根管減壓的安全性。

資料與方法

一、資料

1.病例納入與排除標準：(1)病例納入標準：45歲以上腰椎退行性變患者；間歇性跛行為主要癥狀者；影像學資料(CT與MRI)顯示為單節(jié)段腰椎管狹窄者。(2)病例排除標準：既往有腰椎手術史者；雙側峽部裂者；存在嚴重心、肺疾患，可能影響手術進程者；無法配合隨訪者。

2.一般臨床資料：納入2018年10月至2020年10月在溧陽市人民醫(yī)院骨科因腰椎退行性變致單節(jié)段腰椎管狹窄接受全椎板減壓患者38例。其中男16例，女22例，年齡(63.21±9.37)(47～83)歲；病變椎體包括L3-4 6例，L4-5 17例，L5S1 15例；其中6例合并退行性滑脫。依治療方法分為模型組(采用3D打印截面模型結合導板輔助腰椎全椎板減壓手術)和徒手組(僅參考影像資料行傳統(tǒng)減壓手術)。模型組包括患者20例，其中男8例，女12例，年齡(61.50±9.25)(47～76)歲；徒手組包括患者18例，其中男8例，女10例，年齡(65.11±9.38)(49～83)歲。

本研究通過我院倫理委員會批準(LL2019017)。所有患者均簽署知情同意書。

二、方法

1.截面模型設計與制作：術前進行病變區(qū)域CT掃描(Philips iCT 128排256層螺旋CT，Philips公司，荷蘭)，層厚1 mm。提取CT掃描的原始Dicom數(shù)據(jù)，導入Mimics 19.0軟件(Materialise公司，比利時)，選取所需區(qū)域并生成三維原始圖像。將脊柱三維模型旋轉至側位，使用“Cut”工具經(jīng)椎弓根截取椎體并隱藏；旋轉至正位，再用“Cut”工具進行全椎板切除，隱藏切除的椎板與棘突，觀察截骨寬度是否合適，以去除內(nèi)聚的關節(jié)突和有效擴大側隱窩為準，符合要求后，測量截骨厚度(圖1A～C)；采用“Boolean”運算的“Unit”，合并椎體與已切除椎板的中后柱，生成脊柱截骨截面模型(圖1D)，并進行3D打印(圖1E)與術前模擬(圖1F)。

2.3D導航模板的設計與制作：將Dicom數(shù)據(jù)導入Mimics軟件后，通過閾值分割選取所需區(qū)域，生成三維圖像；使三維模型透明化，畫出多根椎弓根內(nèi)圓棒，設置長度與直徑，調整至定位所需位置；復制圓棒，改變直徑與長度，利用軟件中“Boolean”運算“Minus”后生成空心導桿；將Mimics中生成的三維模型與導桿導入3-Matic，先利用“Wrap”功能消除小孔隙，通過“Curve”功能繪出非平坦區(qū)域，選取表面生成“Base”；通過“Boolean”運算去除多余部分，獲得帶導向孔的獨立導板(圖1G)；建立“Spline”線， 利用“Extrude”功能生成跨棘突連接臂，同時增加鎖定孔道(圖1H)；利用“Quick Label”功能打出節(jié)段標志，使用“Boolean”運算的“Unit”拼合各部件，生成STL文件并進行3D打印(圖1I)。

3.手術：模型組利用3D打印截面模型進行術前模擬操作。為了術中截骨位置準確，術前結合椎弓根定位導板進行標記：在截面模型上放置導板，在截骨邊緣與導板交界處畫出標記線，始終保留該標記；采用等離子或環(huán)氧乙烷滅菌對導板進行處理；術中放置導板，通過椎弓根導向孔鉆入克氏針(圖1J)，再根據(jù)導板上的標記，在椎板相應位置用電刀燙出痕跡，作為截骨定位標志；置入椎弓根螺釘，依照截骨模型椎板厚度數(shù)據(jù)，使用帶刻度骨刀進行深度控制下的椎板截骨，完整撬撥并取下全椎板，或采用槍式咬骨鉗咬除減壓區(qū)域；清理黃韌帶，暴露脊髓(圖1K)；處理椎間盤及終板，填入碎骨粒，斜行打入融合器，透視確認置釘及融合器位置(圖1L)。徒手組參照CT，依據(jù)經(jīng)驗行全椎板減壓，憑手感以骨刀鑿除下關節(jié)突及椎板，根據(jù)壓迫范圍，使用槍鉗進一步咬除內(nèi)聚的上關節(jié)突，擴大神經(jīng)根管，植入融合器方法同模型組。

圖1 患者，女，76歲，間歇性跛行1年半。診斷為L4-5腰椎管狹窄癥。采用3D打印截面模型結合3D打印導航模板輔助全椎板減壓手術治療 A 在Mimics軟件中分割椎體與椎板 B 隱藏椎體，以“Cut”工具行全椎板切除 C 隱藏椎板并測量截骨面厚度 D 拼合隱藏的椎體，形成截骨截面模型 E 實際測量3D打印的截面模型截面參數(shù) F 截面模型背側放置導航模板，在截骨邊緣與導板交界處標記截骨線，便于術中截骨線定位 G 在3-Matic軟件中設計并生成獨立椎弓根定位導板 H 連接兩側獨立導板，形成單節(jié)段導板 I 術前手術模擬測試 J 術中在導板引導下經(jīng)椎弓根導向孔鉆入克氏針并置釘 K 根據(jù)截面模型所示截骨深度，行全椎板減壓 L 透視確定螺釘與融合器位置良好

4.術后處理：對全部患者均采用踝泵運動及抬腿鍛煉等物理方法預防深靜脈栓塞，不使用抗凝藥物。使用抗生素48 h預防感染。常規(guī)放置引流，引流量低于30 ml/24 h拔除引流管。拔除引流管后在支具保護下下床活動。術后1周出院。

5.隨訪：術后1,3,6,12個月進行門診復查并隨訪。行X線檢查；對患者功能恢復進行觀察與評價。

6.療效評價：記錄2組患者椎板減壓耗時、術中出血量、并發(fā)癥發(fā)生情況；采用疼痛視覺模擬評分(visual analogue scale，VAS)對患者術前與術后疼痛程度進行評估；采用Oswestry功能障礙指數(shù)(Oswestry disability index，ODI)和日本骨科學會(Japanese Orthopaedic Association，JOA)評分29分法(包括主觀癥狀、客觀體征及膀胱功能)對患者腰椎功能進行評價[4-5]。

結 果

模型組采用截面模型進行手術規(guī)劃；徒手組依據(jù)影像資料進行手術規(guī)劃。2組患者術前基線資料差異無統(tǒng)計學意義(均P>0.05)(表1)。2組術中椎板減壓耗時和出血量差異均有統(tǒng)計學意義(均P<0.05)(表2)。術后X線示滑脫復位良好，植入物在位。術后隨訪時間為(9.10±5.34)(3～24)個月。2組術后3個月VAS、ODI及JOA評分差異無統(tǒng)計學意義(均P>0.05)(表2)。2組手術前后VAS、ODI及JOA評分差異均有統(tǒng)計學意義(均P<0.05)(表3)。

表1 模型組與徒手組術前基線資料的比較

表2 模型組與徒手組術中椎板減壓耗時、術中出血量和并發(fā)癥及術后3個月VAS、ODI和JOA評分的比較

表3 模型組與徒手組術前與術后VAS、ODI和JOA評分的比較(分，

出現(xiàn)并發(fā)癥5例(模型組3例，徒手組2例)，包括硬膜損傷致腦脊液漏1例、切口感染1例、肺動脈栓塞1例和脂肪液化2例，均經(jīng)治療后痊愈。

討 論

一、截面模型的起源

3D打印技術的發(fā)展為臨床教學、醫(yī)患溝通、術前規(guī)劃和手術導航等方面帶來了幫助。隨著3D 打印技術在臨床應用的不斷進展，骨科醫(yī)生應該將其融入自己的臨床實踐中，更好地服務于特定患者[6]。

3D打印模型通常為1∶1模型，其最大優(yōu)點是真實反應骨折或病變的原始面貌。但是，對于一些骨結構內(nèi)部的情況，常規(guī)模型無法顯現(xiàn)。截面模型的提出源自我院一次失敗的病例模型的打印。由于打印過程中噴頭堵塞，打印的模型僅完成了一半，只能重新打印模型。然而，在進行模擬手術時意外發(fā)現(xiàn)，利用這個打印失敗的模型更易于觀察病變位置，導板模擬效果遠遠優(yōu)于常規(guī)模型。其緣由是該病例骨囊腫的病灶正好位于股骨轉子內(nèi)部中央?yún)^(qū)域，利用常規(guī)3D模型無法觀察病變。對該例股骨轉子區(qū)骨囊腫患者，術中結合截面模型和導航模板進行開窗，定位準確，病灶切除效果良好(圖2)。

圖2 患者，男，56歲，左股骨轉子區(qū)骨囊腫。行手術治療 A 術前CT示骨囊腫位置居于骨干中央 B 在Mimics軟件中通過透明化三維模型設計定位導向孔位置及角度 C 在3-Matic軟件中設計導航模板 D 在3D打印截面模型上測試導航模板 E 術中顯露股骨轉子外側壁，放置導板，置入定位克氏針 F 透視下確認定位針位置與術前模擬一致由于管狀骨表面光滑，導板有時難以準確放置，這可能導致醫(yī)生誤判。截面模型的出現(xiàn)，為準確定位帶來了新的希望，針對截面模型顯示的瘤體位置，導板設置多個定位孔引導邊界，通過術前模擬確認的導針位置，與術中透視導針位置對比，兩者符合后便可進行精確截骨。

二、截面模型臨床應用的優(yōu)勢與適用范圍

通常，骨腫瘤切除范圍的界定是術者面臨的一大挑戰(zhàn)。盡管可以通過CT和MRI 等影像學檢查確定腫瘤邊界，但在手術實施過程中，對解剖部位復雜或微小腫瘤依然難以直接確定腫瘤的切除范圍。3D打印技術的出現(xiàn)很好地解決了這些問題。通過計算機完成個體化手術和導板設計，可以術前完成腫瘤切除設計。3D打印個性化手術導航模板能夠滿足骨腫瘤手術的個體化需求，在術中能夠準確還原術前設計，提高了腫瘤切除的精確性[7-8]。然而，當腫瘤位于骨皮質內(nèi)部時，腫瘤范圍的界定相對困難。

截面模型在創(chuàng)傷骨科也有用武之地。對Pilon骨折患者，因其周圍組織結構復雜、軟組織薄，如果治療不當，術后易出現(xiàn)皮膚壞死、傷口感染、鋼板外露、關節(jié)功能障礙及長期疼痛等后遺癥[9]；通過術前研究1∶1的3D打印模型，可使手術程序化規(guī)范化，并預判術中可能出現(xiàn)的問題，使復雜手術簡單化，進而節(jié)省手術時間，提高復位質量。由于骨折的復雜性及存在塌陷、扦插的可能，在制定手術規(guī)劃時進行常規(guī)分割骨塊拼合已不現(xiàn)實，理想的方法是采用健側鏡像模型，通過標記骨折線，進行鋼板預彎及手術模擬[10]。最為棘手的操作是關節(jié)面的復位，利用常規(guī)模型無法得知塌陷骨塊的形態(tài)、大小以及扦插的邊界，使術中操作較為盲目，截面模型的出現(xiàn)巧妙地解決了這一問題。由于有了冠狀面、失狀面截面模型，術者可以清晰看到塌陷骨塊的形態(tài)，明確撬撥位置及角度，使復雜問題簡單化。

本研究使用的脊柱截面模型有助于提高手術的安全性。由于椎體旋轉、滑移及局部骨贅和瘢痕增生等因素，脊柱的解剖變異可能性較大，對椎弓根進釘點及進釘角度往往難以判斷，即便是對于臨床經(jīng)驗較豐富的骨科醫(yī)生來說，準確置釘仍充滿著挑戰(zhàn)。通過使用3D打印椎弓根定位導航模板，可以實現(xiàn)個體化置釘，提高置釘準確率[11]。有研究結果表明，3D打印技術在脊柱畸形、脊柱腫瘤以及上頸椎、胸椎和腰椎復雜疾病治療中的應用均具有獨特的優(yōu)勢[12-13]。截面模型的提出，為脊柱復雜結構的局部剖析和提高臨床手術的安全性提供了新的思路。常規(guī)的影像資料缺乏3D模型的直觀性，對于年輕缺乏經(jīng)驗的醫(yī)生來說是難以理解的。部分腰椎退行性病變患者存在骨質疏松和退行性側彎，術中置釘機會只有一次，反復置釘會導致固定強度下降；在利用輔助截面模型與導板后，手術門檻降低，一次性置釘及椎管減壓成功率高，術后患者可早期戴支具下地。事實上，截面模型并非僅包括冠狀面和矢狀面這類平面截面。為了更好地觀察所需結構，可以采用異型截面，如脊柱截骨截面模型，采用的是矩形椎板截骨后產(chǎn)生的3D模型，便于了解截骨區(qū)域的椎板厚度以及骨贅或黃韌帶骨化引起的壓迫點，從而規(guī)避手術風險。通過這種方式進行腰椎椎板去除和根管減壓，效率高且安全，避免了以往因不了解椎管壁邊界情況導致脊髓擠壓和硬膜撕裂的風險。本研究模型組1例患者出現(xiàn)了腦脊液漏，是在更換融合器過程中不慎刮傷硬膜導致；所有病例在減壓過程均未出現(xiàn)脊髓、硬膜及神經(jīng)根損傷。目前，越來越多的骨科醫(yī)生采用磨鉆和超聲骨刀進行全椎板截骨減壓，其臨床使用也較為安全[14]。然而，在很多基層醫(yī)院，槍式咬骨鉗和骨刀依舊是主要手術工具。利用截面模型幫助對局部厚度及邊界壓迫范圍進行判斷，對于減壓深度和重點減壓區(qū)域可做到心中有數(shù)。需要注意的是，采用導板置釘，雖然可提高準確性，但需要更為廣泛的暴露，顯露時間可能延長，為了避免2組置釘及椎間融合耗時差異帶來離散性，本研究未采用全程手術時間進行評估。本研究中模型組手術減壓耗時低于徒手組，顯然是由于在了解椎板厚度后進行截骨更有把握。減壓時間的縮短，帶來的直接益處是出血的減少，這在本研究結果中得以體現(xiàn)。骨刀截骨效率比槍鉗更高，磨鉆、超聲骨刀與傳統(tǒng)器械的結合應用是發(fā)展的趨勢，可以使手術有更好的安全性。但是，槍鉗依舊有用武之地，如神經(jīng)根管的擴大和頸、胸椎的減壓。不同器械的使用效率與醫(yī)生個人習慣相關。

三、截面模型與常規(guī)模型和導板的差異

3D打印截面模型與常規(guī)3D模型存在顯著差別。常規(guī)模型通常為整體打印，1∶1顯示對象的原始形態(tài)，包括鏡像模型和分割模型在內(nèi)，均為大體形態(tài)體現(xiàn)；3D打印截面模型更為靈活，可以依照臨床的關注點進行切割，切割的截面形式不受約束。帶椎弓根通道的脊柱模型也屬于截面模型，這樣更便于術前印證椎弓根定位導航模板的準確性，可避免模擬操作鉆孔時出現(xiàn)導板損傷。3D打印截面模型易與3D打印截骨導板混淆。3D打印截骨導板常用于多平面畸形矯正等復雜情形的截骨定位，3D打印截骨導板輔助下的截骨矯形術具有截骨平面定位準確、截骨精準、手術時間短等優(yōu)點[15]；而3D打印截面模型的主要優(yōu)勢是在于體現(xiàn)骨形態(tài)的內(nèi)部細節(jié)。未來組織器官的3D打印截面模型可能逐步被發(fā)掘和利用，如在泌尿外科對腎囊腫和腫瘤等的定位過程中，使用大體模型無法了解病灶位置，而采用截面模型則可清晰顯示腫瘤位置和大小以及最優(yōu)手術路徑。

總之，脊柱3D打印截面模型的應用是對常規(guī)3D打印模型的補充，使內(nèi)聚的關節(jié)突、狹窄的側隱窩及神經(jīng)根管變得清晰可見，更利于截骨范圍的精確定位，使截骨寬度及深度更明確，節(jié)省手術時間，減少術中出血，同時為精準化治療帶來了新的啟發(fā)。截面模型應用的相關研究在我國尚未見報道，對其適用范圍仍在探索中。本研究病例數(shù)較少，還無法對其進行更深層次的研究與分析。