術前3D打印與三維CT重建對腰椎滑脫癥手術中的輔助應用效果

黃海翔，伍紹成，何榮龍，陳大樂，鄒信明

(廣東省陽春市中醫院脊柱外科，廣東陽春 529600)

椎弓根釘復位內固定是治療腰椎滑脫癥的常用方法，可獲得良好的生物力學穩定性，但最終手術效果受椎弓根釘置入準確性的影響[1-2]。若術中椎弓根釘位置不佳或置釘發生偏差，可引起椎弓根、神經、周圍血管損傷[3]。近年來，隨著骨科影像學、數字骨科高速發展，三維CT重建圖像、3D打印技術得以在脊椎外科研究應用，但兩種技術在腰椎滑脫癥手術中的對比研究較少?；诖耍狙芯糠治鰧Ρ?D打印技術與三維CT重建圖像在腰椎滑脫癥手術中的療效，旨在為臨床提供參考依據，報告如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取本院2017年1月～2018年9月收治的腰椎滑脫癥患者78例，簡單隨機化分為兩組各39例。兩組性別、體質量指數、年齡、滑脫節段、病程、Meyerding椎體滑移程度、腰椎滑脫分型、合并疾病等資料均衡可比(P>0.05)，見表1。納入標準：Ⅰ、Ⅱ度單節段腰椎滑脫癥患者；自愿簽署知情同意書；在正規醫院保守治療>3個月未獲滿意效果，下腰部疼痛癥狀加劇或伴頑固性下腰部疼痛等。排除標準：腰椎結核；無癥狀性腰椎滑脫；腰椎急性感染者；合并肺心嚴重功能障礙，不能耐受手術者；合并先天性、特發性脊柱側凸者；存在嚴重骨質疏松者；有凝血功能障礙者。

表1 兩組臨床資料對比

1.2 手術方法

3D打印組：術前采用3D打印技術制定手術方案。采用美國通用電器公司(GE)生產的ProSpeedⅡ型CT掃描腰椎，層厚0.625 mm，像素為512×512，條件為130 kV，21.6 mA/s，掃描數據保存格式為DICOM，導入Mimics 17.0軟件中，三維重建患者所需固定節段腰骶椎，將模塊模型以.stl的格式導出到美國MakerBot公司3D打印機，使用MakerWare 2.4及相配套的軟件、聚乳酸材料批量打印。在此三維模型上測量鄰近椎間隙前后緣高度，應用移動工具糾正三維模型椎體脫位，輔助旋轉工具，以椎關節突為中心，在矢狀面旋轉脫位的椎體，最終旋轉的角度以上、下鄰近椎間隙的前、后緣高度平均值為脫位椎體椎間隙前、后緣高度。完成模擬手術后，測量患者脫位椎體及其尾側鄰近椎體上終板的垂直夾角，即正常的矢狀位夾角。根據模擬手術，設計最佳的椎體椎弓根釘進釘點、方向?；颊呷椋┡P位，腹部懸空，以病變椎體為中心作正中切口，暴露病變椎體棘突、椎板、關節突。以病變椎體為準，C臂機透視定位。根據術前模擬手術與設計的手術方法，在正側位透視引導下，建立釘道，置入螺釘，保證螺釘置入方向嚴格平行于椎體上終板，并進行減壓、復位、椎間植骨，置入椎間融合器。

三維CT組：術前采用傳統三維CT重建圖像制定手術方案。CT掃描腰椎后，行CT三維重建，預測量置釘的直徑、長度、角度、方向，設計手術方案?；颊呷?，俯臥位，腹部懸空，以病變椎體為中心作正中切口，暴露病變椎體棘突、椎板、關節突。根據術前三維CT重建圖像，結合Magerl法定位，確定椎弓根釘置入位點，置入椎弓根釘、棒后，撐開椎間隙，切除滑脫的腰椎椎間盤，行椎管減壓，復位，C臂機透視，觀察滑脫椎體復位情況，滿意后，行椎間隙位置植骨，置入椎間融合器。

1.3 觀察指標

(1)手術情況。(2)炎性應激反應指標：血清腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、白細胞介素-1α(Interleukin-1α,IL-1α)水平，均通過上海潤裕生物科技有限公司酶聯免疫吸附法試劑盒檢測。(3)腰椎骨性結構參數：骨盆入射角(pelvic incidence ，PI)、骶骨傾斜角(sacral slope ,SS)、骨盆傾斜角(pelvic tilt ,PT)、腰椎前凸角(lumbar lordosis ,LL)、腰骶角(lumbosacral angle,LSA)、滑脫角(slip angle,SA)、L1鉛垂線與S1距離( L1axis S1distance,LASD)。(4)固定節段矢狀曲度恢復率。(5)疼痛VAS評分、Oswestry功能障礙指數(Oswestry disability index,ODI)。(6)并發癥發生情況。

1.4 統計學方法

2 結果

2.1 手術情況

3D打印組手術時間、單枚螺釘置入時間短于三維CT組，術中失血量、X線透視次數少于三維CT組，差異均有統計學意義(P<0.05)，見表2。

表2 兩組手術情況比較

2.2 炎性應激反應因子

兩組術前血清TNF-α、IL-1α水平無明顯差異(P>0.05)；術后1 d、3 d的血清TNF-α、IL-1α水平較術前明顯升高，但3D打印組低于三維CT組，差異均有統計學意義(P<0.05)，見表3。

表3 兩組炎性應激反應因子比較

2.3 腰椎骨性結構參數

兩組手術前后PI、SS、PT、LSA無明顯差異(P>0.05)；兩組術后6個月、12個月的LL、SA、LASD較術前顯著改善，且3D打印組顯著優于三維CT組，差異均有統計學意義(P<0.05)，見表4。

表4 兩組腰椎骨性結構參數比較

2.4 固定節段矢狀曲度恢復率

3D打印組術后即刻、術后6個月、12個月的固定節段矢狀曲度恢復率顯著高于三維CT組(P<0.05)，見表5。

表5 兩組固定節段矢狀曲度恢復率比較

2.5 VAS評分和ODI指數

兩組術前VAS評分和ODI指數無明顯差異(P>0.05)；兩組術后6個月、12個月VAS評分和ODI指數較術前顯著降低，且3D打印組顯著低于三維CT組(P<0.05)，見表6。

表6 兩組VAS評分和ODI指數比較分)

2.6 并發癥發生情況

3D打印組并發癥發生率與三維CT組相比，無顯著差異(P>0.05)，見表7。

表7 兩組并發癥發生情況比較[n(%)]

3 討論

術中椎弓根釘精準置入是腰椎滑脫癥手術中關鍵步驟之一。本研究顯示，與三維CT重建圖像相比，術前應用3D打印技術可縮短手術時間、單枚螺釘置入時間，減少術中失血量、X線透視次數，提高術后固定節段矢狀曲度恢復率，減輕患者疼痛，改善腰椎功能，與陳嘉華等[4]報道相近，體現了較高的應用價值。

三維CT重建圖像是應用最大密度投影、多層面重建、曲面重建等技術獲得組織或器官直觀圖的一種方法，能通過任意角度觀察腰椎病變情況，從而為臨床醫師設計手術提供信息，但無法進行模擬手術，術者常輔助系統測量工具、空間想象，并結合臨床經驗對手術進行預估，但受患者體位變化、相鄰椎體間相對移動等影響，易出現與患者實際情況不符的現象，影響了定位的準確性[5-6]。而3D打印能1:1打印出椎體滑脫模型，通過模型進行模擬手術，直觀形象，且模板均為單椎體設計，在模型上測量可實現實體測量的效果，符合椎弓根個體化置釘的原則，故置釘準確率高，可避免反復定位延長手術操作時間，降低了術中出血量，明顯減少了術中X線暴露次數與時間[7-8]。同時，3D打印通過模型制定精確的手術方案，手術操作準確性增加，有利于改善術后固定節段的矢狀曲度恢復率，減輕患者疼痛，改善腰椎骨性結構與功能。

腰骶段尤其是腰骶椎彎曲的交界位置，承受著脊柱等多種應力、負荷，易發生退行性變化與急慢性損傷。根據閆倫春等[9]報道指出，腰椎骨性結構參數與腰椎滑脫癥發病有關。本研究發現，術前應用3D打印技術對PI、SS、PT、LSA的改善效果優于三維CT重建。從解剖學角度而言，腰椎連接相鄰椎體的椎間關節、椎間盤和兩側上下椎小關節，組成三關節復合體，與韌帶、肌肉共同對抗椎體滑脫，當腰椎骨性結構參數異常時，可影響三關節復合體的作用，增加腰椎不穩，導致腰椎小關節的應力分布不均勻，加速腰椎退變[10]。因此，3D打印技術改善腰椎骨性結構參數，有利于患者病情的改善，其機制可能與3D打印技術操作的精確度較高有關。但由于相關報道較少，仍有待進一步分析。

外科手術作為一種應激源，可引起不同程度的炎癥應激反應。TNF-α、IL-1α均為炎性因子，可參與炎性反應，并能介導IL-6等炎性因子的合成釋放，加重炎癥反應[11-12]?，F階段關于3D打印技術與三維CT重建圖像在腰椎滑脫癥椎弓根釘置入術中炎癥應激反應的對比研究較少，本研究中，3D打印組患者能降低術后1 d、術后3 d血清TNF-α、IL-1α水平，改善患者炎癥應激反應。分析其原因可能為：3D打印術前對椎弓根釘入路、位置、方向等進行模擬，可保證術中操作的準確性，減少或避免不必要的穿刺，因此對機體的創傷減少，從而有利于減輕應激反應。值得注意的是，CT成像的質量可影響3D打印的效果，故應盡可能選用分辨率較高的CT，且術中仍需輔助X線進行監視，以提高置釘的準確率。

綜上所述，與三維CT重建圖像相比，術前應用3D打印技術治療腰椎滑脫癥，可縮短手術時間、單枚螺釘置入時間，減少術中失血量、X線透視次數，提高術后固定節段矢狀曲度恢復率，減輕患者疼痛，改善腰椎骨性結構與功能，安全性高，并能減輕術后早期的炎癥應激反應。本研究不足之處在于：納入實驗的樣本量較小，仍需后續擴大病例數，進行深入的分析，同時3D打印費用較高，應用前應向患者說明。