3D打印技術(shù)在頸椎手術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)展

莊皓翔，費(fèi)琦，楊雍

(首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京友誼醫(yī)院骨科，北京 100050)

近年來(lái)，隨著3D打印技術(shù)的進(jìn)步，3D打印開(kāi)始應(yīng)用于骨科各個(gè)領(lǐng)域，包括各類手術(shù)如關(guān)節(jié)置換、畸形的治療、骨腫瘤的手術(shù)治療等，人們基于逆向工程技術(shù)，利用CT或MRI等設(shè)備采集患者骨骼、關(guān)節(jié)等部位的外形數(shù)據(jù)，重建三維數(shù)字化模型，然后用3D打印方式制造教學(xué)和手術(shù)參考用的模型，常用于幫助制造個(gè)體化假肢、假體、手術(shù)導(dǎo)板或進(jìn)行骨修復(fù)等。本文回顧了國(guó)內(nèi)外的相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)3D打印技術(shù)在頸椎手術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)展綜述如下。

1 3D打印技術(shù)在頸椎椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)中的應(yīng)用

1.1 3D打印技術(shù)在頸椎椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)中的應(yīng)用的背景

椎弓根螺釘因具有優(yōu)良的生物力學(xué)特性，是臨床上最堅(jiān)固和最常用的內(nèi)固定技術(shù)，目前椎弓根螺釘技術(shù)主要分為寰樞椎螺釘固定和下頸椎螺釘固定，適應(yīng)證主要有頸椎的創(chuàng)傷、畸形、腫瘤和退行性疾病[1]。但是頸椎椎弓根的直徑細(xì)小、毗鄰結(jié)構(gòu)復(fù)雜而重要，且具有個(gè)體解剖的差異，故徒手置釘手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)很高。目前，多數(shù)脊柱外科醫(yī)生是根據(jù)解剖標(biāo)志、術(shù)前X線、CT影像學(xué)資料及術(shù)中X線透視觀察定位進(jìn)行徒手置釘，但有研究表明，C1-C7徒手置釘誤置率可達(dá)18.3%[2]，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重的并發(fā)癥如脊髓損傷、椎動(dòng)脈損傷等。為了提高置釘精度，2001年Goffin首次報(bào)道了利用3D打印輔助置釘，術(shù)前通過(guò)CT采集數(shù)據(jù)，將其導(dǎo)入MIMICS軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)導(dǎo)板(材料為醫(yī)用級(jí)丙烯酸樹(shù)脂)，之后利用立體光刻快速成型技術(shù)打印出來(lái)，隨后他們?cè)谑w上進(jìn)行試驗(yàn)，在第一組尸體置釘(C1-C2)準(zhǔn)確率為60%，總結(jié)原因發(fā)現(xiàn)這是因?yàn)閷?dǎo)板的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性不足導(dǎo)致的，隨后在第二組尸體標(biāo)本上輔助置釘(C1-C2)，準(zhǔn)確率為100%，說(shuō)明利用3D打印導(dǎo)板能夠提高置釘精度。

1.2 3D打印在寰樞椎椎椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)中的應(yīng)用

上頸椎解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，椎弓根較小，徒手操作更易造成椎動(dòng)脈、神經(jīng)損傷。據(jù)報(bào)道，徒手放置C2螺釘?shù)恼`置率為17.3%[4]。Leary等[4]將60名II型齒骨突骨折(Grauer 分型)(240顆螺釘)患者分為A、B兩組，A組接受徒手置釘治療，B組接受3D打印導(dǎo)板輔助置釘治療，結(jié)果發(fā)現(xiàn)A組120顆螺釘有98顆是安全的，22顆不安全；B組有118顆螺釘是安全的，僅2顆螺釘是不安全的，說(shuō)明3D打印技術(shù)輔助置釘，可以顯著提高置釘?shù)木_性。Wu等[6]利用3D打印導(dǎo)板輔助置釘技術(shù)治療20例C1-2骨折，共置入80枚螺釘，術(shù)后CT示，C1、C2螺釘?shù)闹冕斏疃扰c理想軌跡高度相近，證實(shí)了3D打印技術(shù)對(duì)置釘精確性的提高作用。Guo等[6]發(fā)現(xiàn)，3D打印導(dǎo)板輔助置釘?shù)穆葆斂山邮芏让黠@高于徒手置釘，且手術(shù)時(shí)間和術(shù)中透視次數(shù)也明顯減少。以上研究表明，3D打印導(dǎo)板輔助置釘技術(shù)可顯著提高樞寰椎置釘?shù)木?，減少手術(shù)時(shí)間和術(shù)中透視次數(shù)。此外，人們還一直研究新型的3D打印導(dǎo)板，以進(jìn)一步提高置釘?shù)木取hen等[7]設(shè)計(jì)了一種用PLA(聚乳酸)材料打印的3D打印導(dǎo)板，取消了原有的螺釘導(dǎo)向通道的設(shè)計(jì)，只保留了螺釘孔的位置，用一個(gè)向內(nèi)移動(dòng)的導(dǎo)航桿取代了雙側(cè)的螺釘導(dǎo)向通道，他們?cè)?2個(gè)尸體標(biāo)本中放置了48顆螺釘，術(shù)后拍攝CT，根據(jù)kawaguchi標(biāo)準(zhǔn)對(duì)螺釘精度進(jìn)行評(píng)估，除1例為1級(jí)外，其余皆為0級(jí)，證明該新型模板對(duì)寰椎椎弓根螺釘輔助置入效果有效且精準(zhǔn)。

1.3 3D打印技術(shù)在中、下頸椎椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)中的應(yīng)用

自1994年Abumi首次報(bào)道應(yīng)用于臨床之后，因其具有良好的生物力學(xué)特性，椎弓根螺釘固定技術(shù)一直是下頸椎固定的有效方法。但下頸椎椎弓根細(xì)小，毗鄰結(jié)構(gòu)復(fù)雜，置釘不準(zhǔn)確會(huì)造成嚴(yán)重的后果。Kaneyama等[8]對(duì)20例患者利用3D打印導(dǎo)板輔助放置了80顆螺釘(C3-C6)，術(shù)后CT顯示，78顆螺釘(97.5%)完全置于椎弓根的皮質(zhì)內(nèi)，2顆(2.5%)突破了椎弓根內(nèi)壁，露出不到一半的螺釘直徑，所有螺釘與計(jì)劃軌跡的平均偏差為(0.29±0.31)mm。郝申申等[9]運(yùn)用3D打印導(dǎo)板輔助置釘132枚(C3-C5)，根據(jù)術(shù)后CT Kawaguchi標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估，其中0級(jí)125枚 (94.7%) , 1級(jí)3枚 (2.3%) , 2級(jí)4枚 (3.0%) , 無(wú)3級(jí)螺釘。為了進(jìn)一步提升置釘?shù)臏?zhǔn)確性，Pijpker等[10]設(shè)計(jì)了一種新型的導(dǎo)板模型，他們?cè)谛g(shù)前對(duì)5名尸體標(biāo)本拍攝CT采集頸椎信息，之后用聚酰胺打印出來(lái)，該導(dǎo)板的特點(diǎn)為增加了尾部定位的鉤子、交聯(lián)支撐結(jié)構(gòu)和金屬嵌體，將該模板應(yīng)用于4具尸體標(biāo)本，置入86顆螺釘(C1-T2)，15顆用傳統(tǒng)導(dǎo)板輔助置釘，71顆用新導(dǎo)板輔助置釘，術(shù)后CT發(fā)現(xiàn)新導(dǎo)板輔助置釘入點(diǎn)偏移平均為0.66 mm，而傳統(tǒng)導(dǎo)板為1.20 mm，說(shuō)明該新導(dǎo)板較傳統(tǒng)導(dǎo)板具有更好的輔助置釘精度。當(dāng)然，3D打印導(dǎo)板技術(shù)輔助置釘技術(shù)也有一些缺點(diǎn)，例如，增加患者的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，要求術(shù)者具備應(yīng)用設(shè)計(jì)軟件的能力，不能用于急癥等。

2 3D打印技術(shù)在頸椎側(cè)塊螺釘中的應(yīng)用

目前頸椎側(cè)塊螺釘?shù)闹萌牖径际峭绞种冕?，徒手置釘?huì)造成臨近結(jié)構(gòu)(椎動(dòng)脈、神經(jīng)根等)的損傷[11]，且頻繁使用X線透視，給術(shù)者和患者帶來(lái)高輻射暴露的風(fēng)險(xiǎn)[12]。3D打印導(dǎo)板技術(shù)作為一項(xiàng)新興的輔助技術(shù)，對(duì)置釘精準(zhǔn)性提升、減少置釘相關(guān)并發(fā)癥等方面有重要意義。

北京友誼醫(yī)院楊雍和費(fèi)琦團(tuán)隊(duì)[13]將12例脊髓型頸椎病和發(fā)育性頸椎椎管狹窄的患者(C4-6雙側(cè)，共72顆螺釘)隨機(jī)分為A、B兩組， A組在3D打印導(dǎo)板的引導(dǎo)下輔助置釘手術(shù)(C4-C6)，B組進(jìn)行徒手置釘手術(shù)(C4-C6)，術(shù)后發(fā)現(xiàn)兩組螺釘?shù)目山邮苈屎蛢?yōu)良率存在顯著差別。這表明，3D打印導(dǎo)向板可以提高側(cè)塊螺釘置入的精度，增加螺釘置入的準(zhǔn)確性。目前關(guān)于3D打印輔助置側(cè)塊螺釘?shù)难芯枯^少，未來(lái)還需更多的研究來(lái)證明其有效性和安全性。

3 3D打印在頸椎腫瘤手術(shù)中的應(yīng)用

雖然頸椎腫瘤的發(fā)生率很低，但頸椎及鄰近的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故手術(shù)切除的難度大。傳統(tǒng)上主要用X線、CT和MR在二維平面上獲得腫瘤模型，難以準(zhǔn)確預(yù)估病灶區(qū)域，術(shù)者難以較好地把握腫瘤及病灶周圍情況，造成手術(shù)時(shí)間延長(zhǎng)，術(shù)中出血量增多，瘤體切除不完整等情況。而3D打印技術(shù)的應(yīng)用，利用三維重建技術(shù)為復(fù)雜的頸椎腫瘤病灶制作仿真模型，提高了醫(yī)生對(duì)腫瘤及其周圍解剖結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，便于術(shù)前制定詳細(xì)的手術(shù)方案。

3.1 術(shù)前快速成型模型制定手術(shù)方案的臨床應(yīng)用

馬立敏等[14]對(duì)2例頸椎高位脊索瘤患者術(shù)前行CT掃描采集圖像數(shù)據(jù)，進(jìn)行三維重建，制作出與實(shí)體1:1大小的頸椎模型，進(jìn)行術(shù)前模擬手術(shù)、置釘手術(shù)方案，顯著縮短了手術(shù)時(shí)間，減少了術(shù)中出血量，并且能夠指導(dǎo)術(shù)中精確置釘和腫瘤的準(zhǔn)確切除，減少了腫瘤復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移的風(fēng)險(xiǎn)。陳雍君等[15]將20例上頸椎啞鈴型腫瘤患者隨機(jī)分為2組，A組為3D打印模型術(shù)前模擬組，B組為常規(guī)手術(shù)組，結(jié)果發(fā)現(xiàn)A組的手術(shù)時(shí)間、術(shù)中出血量和住院時(shí)間均顯著少于B組(P<0.05),說(shuō)明利用3D打印模型進(jìn)行術(shù)前模擬具有良好的臨床應(yīng)用價(jià)值。張同同等[16]納入了11例頸椎腫瘤患者，術(shù)前CT采集數(shù)據(jù)，之后逐層打印出1:1解剖模型進(jìn)行術(shù)前手術(shù)模擬、制定手術(shù)方案，術(shù)后復(fù)查發(fā)現(xiàn)11例患者癥狀明顯改善，X線顯示病變部位完整切除，植入物位置良好，未見(jiàn)松動(dòng)。以上研究表明,利用3D打印技術(shù)進(jìn)行術(shù)前模擬能夠取得良好的臨床效果，但仍有一些不足需改正，例如模型的的打印精度不夠高，一些小血管神經(jīng)等軟組織不能很好的重建等。

3.2 3D打印替代內(nèi)植物的臨床應(yīng)用

傳統(tǒng)上一般使用鈦網(wǎng)做為頸椎椎體切除后的結(jié)構(gòu)支撐，但鈦網(wǎng)會(huì)下沉或移位，造成頸椎曲度的破壞，且使用鈦網(wǎng)需植骨，會(huì)對(duì)患者造成一定的痛苦。為了解決這些問(wèn)題，3D打印技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于重建椎體。Xu等[17]首次報(bào)告了1例利用3D打印椎體重建的因C2尤文肉瘤切除術(shù)的青少年患者，術(shù)后拍攝CT，顯示植入物骨結(jié)合，沒(méi)有下沉或移位。Yang等[18]報(bào)告了1例運(yùn)用3D打印人工椎體置入的6級(jí)復(fù)發(fā)性脊索瘤患者，通過(guò)術(shù)前CT采集數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了1個(gè)特定尺寸的3D打印人工椎體，同時(shí)還利用3D打印技術(shù)制造了1個(gè)多孔假體(材料為鈦合金)，術(shù)后患者恢復(fù)良好，右上肢疼痛和肌無(wú)力癥狀明顯減輕，9個(gè)月隨訪沒(méi)有發(fā)現(xiàn)局部復(fù)發(fā)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)假體沉降、移位或斷裂，說(shuō)明個(gè)性化3D打印假體具有良好的承重性，可抵御沉降或脫位，遠(yuǎn)期可降低翻修手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)。Li等[19]報(bào)告了1例轉(zhuǎn)移性甲狀腺乳頭狀癌利用3D打印人工椎體進(jìn)行頸椎重建的病例，術(shù)后患者的神經(jīng)功能明顯改善，12個(gè)月隨訪X線平片和CT掃描顯示植入物沒(méi)有移位或沉降。Li[20]等報(bào)告1例利用3D打印技術(shù)重建寰椎孤立性漿細(xì)胞瘤的患者，他們術(shù)前利用CT采集數(shù)據(jù)，通過(guò)3D打印技術(shù)制定鈦合金微孔個(gè)體化植入物，術(shù)后隨訪期內(nèi)，患者疼痛顯著減輕，CT檢查示植入物與周圍骨具有良好的匹配性，在術(shù)后7周時(shí)植入物仍處于良好的位置，且有骨融合的跡象。Mobbs等[21]報(bào)告了1例C1-2脊索瘤的患者，利用3D打印技術(shù)打印金屬鈦定制假體，通過(guò)前路手術(shù)植入，術(shù)后經(jīng)9個(gè)月的隨訪，假體屈伸位X線沒(méi)有顯示移位。Hunn等[22]報(bào)告了2例頸椎腫瘤性破壞的病例(轉(zhuǎn)移性甲狀腺髓樣癌，多發(fā)性骨髓瘤)，他們利用3D打印鈦金屬人工假體，術(shù)后隨訪14個(gè)月，患者的臨床癥狀得到明顯緩解，且影像學(xué)顯示假體位置穩(wěn)定，術(shù)后也未發(fā)生并發(fā)癥。以上研究表明，利用個(gè)性化3D打印人工椎體進(jìn)行椎體重建的初步臨床效果良好，但是未來(lái)還需要大樣本、多中心的臨床研究來(lái)證明其有效性和安全性。

4 3D打印在頸椎畸形矯正方面的應(yīng)用

頸椎畸形可繼發(fā)于頸椎外傷、頸椎先天性發(fā)育障礙、脊柱結(jié)核、風(fēng)濕性疾病等多種疾病，常涉及到多種解剖結(jié)構(gòu)的變異，且周圍毗鄰脊髓，椎動(dòng)脈、神經(jīng)等重要結(jié)構(gòu)，手術(shù)難度及風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于非頸椎畸形。近年來(lái)，由于3D打印技術(shù)在脊柱外科的廣泛應(yīng)用，可以通過(guò)患者影像學(xué)資料制作脊柱模型，制作個(gè)體化導(dǎo)板，在術(shù)前規(guī)劃、術(shù)中置釘、植入物個(gè)性化設(shè)計(jì)、醫(yī)患溝通等方面有著其獨(dú)特的價(jià)值。

4.1 3D打印在頸椎畸形矯正術(shù)前規(guī)劃方面的應(yīng)用

于崇龍等[23]利用3D打印技術(shù)治療了9例先天性頸椎畸形患者，7例術(shù)后癥狀明顯改善，部分改善1例，死亡1例，死亡的患者主要與病情嚴(yán)重程度相關(guān)，其結(jié)論認(rèn)為，3D打印技術(shù)在頸椎畸形的應(yīng)用可幫助術(shù)前了解畸形的解剖特點(diǎn)，提高置釘精度，且有利于與患者家屬溝通。李浩等[24]利用3D打印模型進(jìn)行術(shù)前模擬，確定最佳手術(shù)方案，術(shù)中均按術(shù)前規(guī)劃完成，術(shù)后隨訪CT、X線示矯形效果滿意，內(nèi)固定位置良好。

4.2 3D打印在頸椎畸形矯正植入個(gè)性化人工椎體方面的應(yīng)用

夏天等[25]報(bào)告了7例先天性頸椎側(cè)凸患者，通過(guò)術(shù)前CT采集數(shù)據(jù)，制作了3D打印的個(gè)性化定制鈦合金融合器，術(shù)中采用短節(jié)段凹側(cè)撐開(kāi)技術(shù)進(jìn)行矯形，術(shù)后隨訪行CT，發(fā)現(xiàn)平均矯正率為64.45% ，且3D打印定制鈦合金融合器與軟骨下皮質(zhì)骨緊密接觸，未見(jiàn)透亮帶，融合器無(wú)位移和下沉，獲得了較滿意的矯正效果。Niu等[26]告了1例上頸椎畸形合并寰樞關(guān)節(jié)脫位的患者，術(shù)前行CT采集數(shù)據(jù)，以鈦粉為材料制作了帶有定位和定向孔的個(gè)性化枕頸椎后路融合器，術(shù)后行CT示內(nèi)固定良好，寰樞椎完全復(fù)位，術(shù)后6個(gè)月融合器和骨質(zhì)已經(jīng)融合。3D打印技術(shù)為上頸椎畸形手術(shù)提供了一種新的手術(shù)思路，具有良好的安全性和準(zhǔn)確性。

5 總結(jié)與展望

由于頸椎解剖復(fù)雜，鄰近結(jié)構(gòu)重要，造就了頸椎手術(shù)的復(fù)雜性。目前，3D打印技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在頸椎置釘、腫瘤切除和畸形矯正等方面，初步研究表明可有效提高置釘?shù)木龋瑤椭g(shù)者進(jìn)行術(shù)前模擬和脊柱重建，增加了手術(shù)的安全性和準(zhǔn)確性。但是，3D打印技術(shù)在頸椎手術(shù)中的應(yīng)用還處于初步階段， 還有很多問(wèn)題需要解決，比如簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)軟件的操作步驟，讓更多醫(yī)生能學(xué)會(huì)其操作方法；提高術(shù)前模擬模型打印精度，為術(shù)者制定更加精確的手術(shù)方案；改善打印材料和降低打印材料的費(fèi)用，讓更多的患者能夠享受這一技術(shù)。為了解決這些問(wèn)題，還需要進(jìn)一步的基礎(chǔ)和臨床研究驗(yàn)證其安全性和有效性，以及更大樣本和更長(zhǎng)隨訪時(shí)間的報(bào)道。相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，3D打印技術(shù)會(huì)廣泛應(yīng)用于頸椎手術(shù)的各個(gè)方面。