3D打印技術在退行性脊柱側凸矯形中的運用

黃飛強，馮華龍，何升華

(1.廣州中醫藥大學第四臨床醫學院，廣東 深圳 518033；2深圳市中醫院骨三科，廣東 深圳 518033)

退行性脊柱側凸畸形的手術矯正一直是脊柱骨科的重點和難點，被稱為脊柱的皇冠手術。脊柱畸形患者的脊柱形態千差萬別，凹側椎弓根常變短變細，椎板寬度變小，椎管形態不對稱，這些畸形給術中椎弓根置釘帶來了非常大的難度，風險更是比非脊柱畸形患者高[1-2]。目前臨床上運用的置釘技術主要有Lenke提出的徒手置釘技術、C型臂透視下置釘技術、球形探針引導置釘技術、機器人輔助置釘技術、計算機導航輔助置釘技術[3]。徒手置釘及球形引導置釘技術對術者解剖知識及手術技巧要求較高，學習曲線陡峭，C型臂透視下置釘對于患者及醫護射線暴露量較高，機器人或計算機導航輔助置釘因設備昂貴，大部分醫院仍未配備。3D打印技術的出現為術前模擬置釘提供了一種新的方法。本研究使用術前3D打印模擬置釘方法治療退行性脊柱側凸畸形患者30例，取得良好療效，現報道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料 本研究選取2014年10月至2015年11月在我院住院并確診的30例退行性脊柱側凸畸形患者，其中男10例，女20例，年齡45～65歲，平均(55.2±6.8)歲；頂椎為L1有6例，頂椎為L2有12例，頂椎為L3有10例，頂椎為L4有2例；左側凸畸形有18例，右側凸畸形有12例；Cobb角為22°～30°者16例，30°～50°者10例，大于50°者4例；單純腰痛者10例，單純腿痛者6例，腰痛合并腿痛者14例；VAS評分3～6分者4例，6～8分者22例，8～10分者4例。Schwab分型(2007年版)Ⅳ型10例，Ⅴ型20例。Simmons分型Ⅰ型2例，Ⅱ型28例。納入標準：a)經X線、CT、MRI檢查明確診斷為退行性脊柱側凸畸形患者；MRI提示患者有神經根或者脊髓受壓；經測量冠狀面Cobb角大于10°者；b)女性患者為非月經期者；c)腰痛、腿痛或腰腿痛患者經系統保守治療6個月未見明顯緩解者；d)患者無基礎疾病或經系統評估能夠耐受手術者；e)患者及家屬主觀要求手術治療并能積極配合手術者。排除標準：a)先天性、特發性、神經肌肉性脊柱側彎者；b)患者經影像學診斷確定為退行性脊柱側凸畸形但無癥狀體征者；c)患者腰腿痛尚能忍受經保守治療后緩解者；d)患者一般情況較差，不能耐受手術者；e)患者無手術意愿或家屬嚴重反對手術不能配合手術者。

1.2 材料 3D打印材料：通過Mimics 14.0軟件(比利時Materialise公司)讀取斷層圖像，對每張斷層圖像進行選擇性編輯并去除冗余數據，重建三維模型(Calculate 3D)。在3D打印機器中導入數據，采用熔融沉積成型方法打印模型，本方法采用熱熔噴頭，使得熔融狀態的聚碳酸酯按計算機控制的路徑擠出、沉積，并凝固成型，經過逐層沉積、凝固，最后除去支撐材料，得到所需的三維產品。植入材料：椎弓根螺釘內固定矯形系統(CD HORIZON SEXTANT)：美國樞法模公司生產，內植物由鎳鉻制成的棒，鈦合金制成的螺塞、中空M8萬向及固定螺釘、連接頭、連接環、橫梁和骨鉤等組成，具有很好的硬度及韌性，且與機體具有很好的生物相容性，通過旋棒彎棒對脊柱進行矯形及固定。

1.3 術前規劃及手術方法

1.3.1 術前規劃 根據術前3D打印模型直接觀察病變區域的椎體三維結構，特別是端椎凹側椎弓根的粗細及長短，測量各椎弓根的最窄直徑，術前對各椎弓根進行模擬置釘，確定進針點及進針角度，觀察置釘后椎弓根各壁是否完整，從而評估椎弓根是否具備可置釘條件，提高手術置釘準確率，節約手術時間，減少術中出血及術后并發癥的發生。模擬置釘后量棒上棒后對椎體進行旋轉矯形，預估矯形效果，測量棒的長度，術前提前剪棒，節約術中量棒剪棒時間。對于椎弓根過細或缺如不適宜置釘的椎體，術中應放棄置釘，避免不必要的手術時間和置釘失敗率。

1.3.2 手術方法 患者全麻成功后俯臥于手術床上，予安置術中肌電監護裝置，消毒鋪巾。取頂椎棘突間隙為中心，做正中切口，逐層切開皮膚、皮下、從椎板間隙進入，顯露棘突，徹底電凝止血。保留棘上、棘間韌帶，分別用電刀在正中兩旁切開背筋膜，使用cobb骨膜剝離器及電刀在骨膜下剝離軟組織，顯露雙側椎板間隙及關節突。按照術前擬定的設計方案，分別于需要矯正畸形椎體雙側椎弓根使用咬骨鉗咬除骨皮質，開路器開路，手椎鉆入椎弓根，椎弓根探子確認通道各壁完整后，予分別絲攻攻絲，后按計劃擰入大小、長短合適的固定或萬向椎弓根釘各1枚。經過C型臂反復確認均位置良好，螺釘穩固牢靠。如有神經癥狀，則在雙側采用椎板咬骨鉗減壓，并徹底松解周圍所有黏連，徹底止血，大量生理鹽水沖洗。運用髓核鉗、鉸刀、刮勺等工具清除相關椎間盤組織，予椎管減壓、神經根管及神經根徹底松解，予以椎體周圍、椎間孔徹底松解。再分別予雙側椎弓根置入原設計好、預彎好的長度合適的鈦棒。根據術前計劃以及模擬3D手術的方案，運用體內旋棒、彎棒、撐開、壓縮、撬撥等技術進行畸形的三維矯形、矯正。經C型臂透視脊柱畸形矯正滿意，力線良好。再次探查椎體復位矯形良好，周圍組織松解明顯，于椎間接近正中位置放置好已經植骨的cage，經C型臂確認位置良好后予雙側分別加壓椎間隙松緊度合適。C型臂透視腰椎生理弧度及各椎間高度良好，各釘、棒位置、長短均良好，脊柱側彎旋轉畸形矯正良好。放置大清生物紙、明膠海綿防黏連、填塞止血。放置橫連接，加固內固定。切口留置負壓引流球，逐層縫合，消毒切口，清潔包扎，手術結束。

1.4 術后處理 術后常規使用頭孢呋辛鈉2 g，每天兩次3 d后改用口服抗生素抗感染；術后即刻使用氟比洛芬酯注射液100 mg，每天兩次，術后6 h聯合塞來昔布膠囊口服鎮痛，控制患者術后疼痛，VAS評分低于3分。術后軸線翻身，常規換藥，引流量低于50 mL/d時拔除引流管，定制胸腰椎支具到貨后在醫護人員或家屬陪同下下地活動。術后指導患者行功能鍛煉，如立式俯臥撐、拱橋、飛燕等，循序漸進。

1.5 評價指標 術中計算置釘時間，術后通過CT三維重建計算置釘準確率[2]。采用日本骨科學會下腰痛JOA評分、腰腿痛視覺模擬評分法(VAS)、Oswestry功能障礙指數(Oswestry disability index，ODI)、SF-36(v2)健康調查量表進行臨床療效評價[3]；術前術后通過影像學測量主胸腰彎Cobb角、頂椎偏距進行影像學評價[3]。

2 結 果

置釘時間與置釘準確率：3D打印組患者的置釘時間為(2.0±0.2)min，回顧文獻非3D打印徒手置釘時間為(3.5±0.4)min。3D打印組30例患者置釘356枚，準確率95.2%(339/356)，回顧文獻非3D打印徒手置釘準確率約為88%。與既往文獻相比置釘時間及置釘準確率都有明顯提高。

術后1、6、12個月患者VAS評分、JOA評分、ODI指數、SF-36評分與術前相比均明顯改善，P<0.05，差異具有統計學意義。術前與術后1、6、12個月相比較Cobb角及頂椎偏距均有明顯改善，P<0.05，差異有統計學意義。術后1、6、12個月相比較，VAS評分、JOA評分、ODI指數、SF-36評分、Cobb角及頂椎偏距均無明顯差異，P>0.05，差異無統計學意義(見表1)。

典型病例為一56歲女性患者，因“腰部疼痛10年余，加重10 d”、由門診擬“腰椎間盤突出癥”入院。入院診斷為“退行性脊柱側凸畸形(Schwab Ⅴ，Simmons Ⅱ型)”。腰椎向左側彎，雙側腰背肌稍緊張，L2～4椎體棘突叩擊痛，棘突旁壓痛，無明顯雙下肢放射痛，左側臀部及左下肢坐骨神經走行區壓痛；左下肢直腿抬高試驗50°(+)，加強試驗(+)，雙側4字征(-)，挺腹試驗(-)，雙側股神經牽拉試驗(+)，雙下肢小腿感覺減退，肌張力正常。生理反射存在，病理反射未引出。手術前后影像學資料見圖1～4。

3 討 論

3.1 退行性脊柱側凸畸形的定義和臨床表現 退行性脊柱側凸畸形多發于中老年人，脊柱的一個或數個節段在冠狀面上偏離中線向側方彎曲，形成帶有弧度的脊柱畸形，通常伴有脊柱的旋轉以及矢狀面上前凸和后凸的增加或減少，是Cobb角大于10°的一種疾病綜合征[4]。退變型脊柱側凸畸形多發生在腰段，由老年性的骨質疏松、椎間盤退行性改變、椎間關節骨關節炎、關節突增生肥大、局限性終板骨折或椎體非對稱性壓縮骨折以及退行性的脊柱滑移等因素導致[3-4]。退行性脊柱側凸畸形一般以腰背酸痛及雙下肢根性癥狀為主，手術目的跟青少年特發性脊柱側凸有很大不同，應以緩解腰背部疼痛及預防畸形進一步加重為主，有根性癥狀的患者術中加以根管減壓，矯形以矢狀位平衡、恢復脊柱力學平衡為主，區別于特發性脊柱側凸以美觀為目的的矯形[5-9]。

表1 手術前后各觀察指標比較

圖1 術前X線片示患者側凸畸形Cobb角為64.16°，后凸畸形Cobb角38.25°，T12～L5椎體周圍嚴重骨質增生

圖2 術前CT顯示頂椎為L3，L2～3向左側移位滑脫伴椎體旋轉，L3凹側椎弓根細小而短，經測量直徑8 mm，長度12 mm，側凸畸形Cobb角為64.16°，根據CT掃描數據進行1︰1 3D打印

圖3 術后即刻X線片顯示釘棒位置良好，側凸畸形基本矯正，Cobb角6.8°，矢狀位平衡矯正良好，Cobb角18.38° 圖4 術后12個月X線片顯示矢狀位Cobb角7.1°，后凸Cobb角18.54°

3.2 3D打印技術在脊柱側凸畸形上的療效及并發癥分析 本研究中患者術后各階段VAS、JOA、ODI、SF-36評分均較術前明顯改善，且術后12個月各評分仍未明顯變差，生活質量較術前得到明顯改善。朱曉東等[10]對21例伴有下腰痛和椎管狹窄的患者進行脊柱側凸矯形，隨訪1年，發現所有患者在冠狀面及矢狀面上均得到很好的改善，90%患者對手術療效滿意。白朝暉等對306例原發性退行性脊柱側凸手術并發癥及危險因素多中心研究發現，其總并發癥發生率為39%，初次手術后6年內再次手術的風險為44%[11]。本研究中患者影像學提示術后脊柱側凸、后凸畸形得到明顯改善，Cobb角明顯降低，矢狀面恢復平衡。但是部分患者術后下地行走時出現跛行步態，床邊測量雙下肢發現不等長，相差5 cm，拍攝雙下肢全長X線片發現雙下肢等長。對此我們查閱關于并發癥的相關文獻中并未發現有跛行步態的相關報道。經過科室討論，我們認為這是患者術前因脊柱畸形導致的習慣性跛行步態，術后脊柱畸形雖然已矯正，但患者未能完全適應，所以依然遺留跛行步態。為此，經研究我們給患者定制不同高度的增高鞋，讓患者逐漸適應，直到跛行步態消失。隨訪3個月后患者行走自如，跛行步態消失。

3.3 3D打印技術能夠明顯提高置釘準確率 本研究術中置釘準確率高達95.2%，經過術前3D打印技術的運用，術前進行置釘規劃，對凹側椎弓根粗細有了更加直觀的認識，對術中哪些椎體可以置釘了然于胸，避免釘道穿破骨皮質甚至進入椎管等置釘失敗的風險，為手術安全性提供了有效的保障[12-14]。在增加置釘準確率的同時，術前3D打印技術的運用也可以避免損傷神經血管及內臟[15-17]。盧琪等[18]認為3D打印技術可為患者提供個體化定制的脊柱內植物，使脊柱外科手術更精準、更安全。張樹芳等[19]認為3D打印技術可使手術更加精準、安全、完美，提高脊柱矯形率，術前模擬螺釘置入、螺釘數據測量大大縮短了手術時間。姜良海等[9]研究發現3D打印導板輔助置釘技術能夠取得較高的置釘準確率，減少螺釘穿破骨皮質的風險，比傳統徒手置釘更加準確，在取得相似置釘精確度的同時，比計算機導航技術更加簡單易操作。陳昱霖等[20]認為3D打印技術輔助脊柱手術置釘，特別是在脊柱畸形矯形以及上頸椎置釘方面有著極大的研究意義和發展空間。李彥明等[21]認為術前利用患者CT薄層掃描數據、通過3D打印技術制作患者病變相關節段脊柱模型，可為術者制定手術計劃和術前置釘提供參考，不僅可以縮短置釘時間，還能提高置釘準確率[22]。

3D打印技術制作相關病變節段的脊柱模型不僅方便術者術前進行手術規劃，同時規避了大部分術中可能出現的風險，提高了置釘準確率，保證了術后療效[23]。相比于計算機導航系統或機器人手術，達到相似效果的基礎上為患者節省了住院費用，在臨床上值得推廣運用。但是本研究中患者均希望術者使用3D打印行術前規劃、沒有對照組，同時病例樣本量不足，還有待于在今后臨床工作中收集更多的病例后再進行報道。