3D打印在脊柱外科中的應用進展

孫澤豪 李天佐 王炳武

【摘 要】3D打印（3D printing）出現于20世紀80年代，是快速成型技術的一種，它是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。被引入醫學領域后更是展現了廣闊的應用前景，為醫學領域帶來了新的發展方向。現階段，它在脊柱外科中臨床的診斷與治療、手術的精準化帶來很大的幫助。本文就3D打印技術目前在脊柱外科中的臨床應用情況作一綜述。

【關鍵詞】3D打印;脊柱;外科手術;置釘;脊柱側彎;植入物

1 3D打印導板在脊柱輔助置釘中的應用

1.1在頸椎輔助置釘的應用

由于上頸椎弓根的解剖特點[1]，后路椎弓根螺釘固定是困難和危險的，如果手術失敗或者螺釘固定不良，后果往往是極其嚴重的。術中確定椎弓根螺釘釘道時，如果不能很好地掌握螺釘固定方向，就會損傷脊髓或椎動脈，內固定強度可能下降或完全失效。上頸椎弓根螺釘固定常用的方法有：徒手置釘技術、影像透視固定法、三維CT導航定位法和三維打印導航模板固定方法。徒手技術是最古老的技術，其在螺釘固定并發癥的風險是與手術的經驗有關的，不合格率為3%至55%。影像透視固定方法以發育中的骨骼解剖為參考點，確定入口位置并進行調整術中針刺角度。這種方法需要有豐富經驗的外科醫生，準確地結合放射圖像。而上頸畸形患者的組織結構混亂，螺釘固定困難。為了確保螺釘的安全放置，這種方法需要頻繁移動C臂機，反復進出操作，增加手術時間，增加手術出血，增加病人和手術人員的輻射量，也可能增加外科感染的機率。三維CT導航定位方法不能獲得三維圖像數據和實時計算機重建數據。而且，該系統費用昂貴，需要更多的人員參與。而個性化3D打印導航模板用于頸椎椎弓根螺釘固定操作相比較而言就顯得簡單、安全。

胡等[2]在其研究中的10例不穩定寰椎骨折患者均采用3D打印導向模板輔助下單純后路寰椎椎弓根螺釘固定治療，螺釘位置均位于骨性釘道內，無脊髓損傷、硬 膜破裂及椎動脈損傷等并發癥，置釘的準確性得到顯著提高。Fei Guo[3]等在其研究中采用圖像透視固定法和導航模板法放置37枚上頸椎螺釘，其中3D打印導航模板法的合格率為94.60%，而影像透視固定法的合格率為70.27%。使用導航模板的螺釘固定只需要在置釘的開始和結束透視。這大大降低了外科醫生和病人的X射線曝光率。其研究表明，導航模板法的操作時間為：X射線曝光時間是成像透視法的一半以上，X射線曝光時間約為成像法的四分之一，對醫生和病人都更安全。

1.2在胸椎輔助置釘的應用

中上胸段脊柱損傷（T1-T10）并不常見[4]，約占普通脊柱外傷病例的10%-20%。這段由于受外力大，經常造成嚴重創傷合并多發傷，常導致預后不良[5， 6]。傳統的胸椎后路入路中，在椎弓根置釘過程中，即便是在開放定位技術和術中二維透視下來確定，但仍有較高的椎弓根螺釘誤差率。在Wei Xu[7]等的研究中，對7位病人進行3D打印導板輔助置釘，平均手術時間為2h±30 min。Wei Xu的研究中共置釘56枚椎弓根螺釘，其中0級34枚，一級18枚，2級4枚（側壁穿孔），3級1枚（側壁壓迫，無不良后果），螺釘定位優良率為91.0%，無術后感染及其他并發癥發生

1.3在腰椎輔助置釘的應用

在陳[8]等的研究中通過3D打印導航模板，在31例患者的50 個節段共植入 162 枚螺釘。 手術時間 65～147 min，平均 102.23 min;術中出血量 50～116 mL，平均 78.20 mL;術中輻射暴露時間為 8～54s，平均 42s。術后3～7d行 CT三維重建，將術后腰椎三維模型與術前模型重疊配準，置釘符合率為 98.15%（159/162）。術后4周 VAS 評分為（2.24 ± 0.80）分，ODI 評分為（29.17 ± 2.50）分，JOA 評分為（23.43 ± 1.14）分， 31 例患者均獲隨訪，術后切口均Ⅰ期愈合，無手術并發癥發生。隨訪期間復查腰椎 X 線片及 CT顯示椎弓根螺釘準確在位，無松動、斷裂，椎間植骨融合良好。

1.4在脊柱側彎的應用

Bhavuk Garg[9]等在脊柱側彎的研究中采用三維打印的實驗組與采用徒手技術的對照組相比，無論是置釘數、手術時間還是失血量都有更大優勢。盡管3D打印導向模板技術需要較長的術前準備時間，但卻可以減少術中置釘時間，提高置釘準確性[10]，增加手術安全性，術者學習曲線短，符合個體化置釘原則[8]。相比計算機導航技術，3D打印導向模板技術對患者體位要求不高，手術過程簡化，同時還能保證較高的置釘準確性。三維打印技術是一種直觀有效的椎弓根螺釘內固定治療中上胸椎的輔助技術，提高了裸手置釘的準確性。

2 3D打印輔助穿刺

經皮椎體成形術（PVP）被認為是治療急性骨質疏松性椎體壓縮骨折所致疼痛的有效方法。在J. Li等[11]的研究中，通過將3D打印導航模板與患者背部皮膚匹配，使得骨水泥穿刺針插入方向和深度易于確定。在手術過程中，只有14次C臂透視檢查（總暴露劑量為4.5mSv）。操作時間為17分鐘，無任何穿刺相關并發癥，術后疼痛明顯減輕。這種新的精確的三維打印導航模板系統允許骨折椎體和個人手術計劃的綜合可視化，皮膚表層與導向模板之間的密切對接，除此之外，對3D打印的個體化等比例椎體模型進行穿刺練習，能夠避免穿刺的盲目性，有效縮短手術時間，減少射線的暴露次數，減少穿刺失誤，提高了手術的安全性，并保證骨水泥更好地分布于椎體受損區域[12]。

3 生物模型

對于風險高難度大的手術，術前規劃十分重要。傳統上，通過CT、核磁共振（MRI）等影像設備獲取患者的數據，是醫生進行手術規劃的基礎，但由于得到的影像資料是二維的，所以術前進行的規劃，并不是特別理想，往往需要手術醫生在手術過程中根據實際情況結合自己的經驗。而3D打印機卻可以將個體的三維模型直接打印出來，既可輔助醫生進行精準的手術規劃、提升手術的成功率，又方便醫生與患者就手術方案進行直觀的溝通。此外，即使在治療失敗，3D打印也可以為醫患雙方提供可溯源的依據。

最近幾年新興的椎間孔鏡輔助經椎弓根髓核切除術是一種提高安全性的手術方法。三維規劃可以清晰地顯示形態、空間分布，主要解剖結構與鄰近關系，便于術前計劃和手術處理[13] ，達到以微小創傷獲得滿意療效的目的。

4 3D打印植入物

現在的植入物主要還是通過鑄造或傳統的金屬加工方法來制造的，對于只需要一件或者少量植入物的個體來說，工廠單件生產的成本十分昂貴。再加上具有生物相容性的植入物材料本身的高價格，骨科植入物的總制造成本是十分昂貴的。對于結構復雜的特殊植入物，使用從傳統技術也難以實現。而3D打印技術應用于制造骨科植入物，可以有效降低定制化、小批量植入物的制造成本，并可以制造出更多結構復雜的植入物，有著巨大的發展前景。

結果與展望：

3D打印技術在脊柱外科的應用正在迅速發展，包括它在增強微創脊柱手術領域的新興應用，生物模型、導航模板和植入物。其中生物模型可以協助術前規劃，減少學習的周期，提高患者的理解和滿意度。3D打印導板輔助脊柱手術置釘技術可以提高硬件放置的準確性和特異性[14]。同時，3D打印植入物具有良好的貼合性和骨感應性。盡管目前較短的發展時間和相對專業化的市場阻礙了3D打印技術的廣泛應用，但它還是一個值得繼續研究的寶貴領域。相信在不久的將來，3D打印技術將會作為一種常規的技術而得到廣泛推廣和應用，為患者帶來更大的醫療保證。

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