3D打印人工椎體在脊柱轉移瘤整塊切除后脊柱穩定性重建中的應用

王林 高嵩濤 劉繼軍 羅建平 張俊娟 鐘楚楠 張瑜哲 牛科潤

河南省人民醫院骨科（鄭州450003）

脊柱轉移瘤是脊柱最常見的腫瘤，約有30%～70%的惡性腫瘤會出現脊柱轉移［1］。脊柱轉移瘤可造成嚴重的骨質破壞，影響脊柱穩定性和脊髓的神經功能［2］。據研究［3］顯示，5% ～10%的脊柱轉移患者會出現脊髓及神經根的壓迫癥狀，嚴重者可導致截癱，大大影響患者的生存質量。

手術仍然是切除腫瘤組織、解除神經壓迫最有效、最直接的方式。隨著外科技術的不斷提高，多數脊柱轉移瘤病灶均能夠有效切除邊界，其有利于降低腫瘤局部復發率并延長患者的遠期生存時間［4］。然而整塊切除創傷大，切除了脊柱的骨性結構、小關節、韌帶、椎間盤等，脊柱徹底失穩，需要對脊柱連續性、穩定性進行重建。傳統的重建材料有自體髂骨塊、人造骨柱、鈦網等，但存在著融合率低、界面吸收、塌陷、移位等問題［5］。

隨著3D 打印技術的發展，3D 打印植入物在骨科的應用范圍不斷拓展。3D 打印人工椎體具有與人體自身椎體相似的彈性模量、良好的組織相容性和機械強度、適合骨長入的微孔結構，這些均使個體化人工椎體重建脊柱轉移瘤術后骨質缺損成為可能［6］。國內外對于脊柱轉移瘤整塊切除后使用鈦網和3D 打印人工椎體重建其穩定性的對比研究鮮有報道，本研究回顧性分析我科2016年5月至2020年5月脊柱轉移性腫瘤整塊切除術后行3D 打印人工椎體材料和鈦網材料重建患者的資料，并對兩種重建材料術后療效、并發癥情況進行對比，現報告如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料根據納入與排除標準，選取自2016年5月至2020年5月于我院行脊柱轉移性腫瘤整塊切除手術的患者。納入標準：（1）病理結果明確為脊柱轉移性腫瘤；（2）出現病理性骨折或有明確脊髓壓迫癥狀；（3）脊柱轉移病灶僅累及單個椎體；（4）于我院行椎體整塊切除手術治療，并接受3D 打印人工椎體或鈦網重建脊柱。排除標準：（1）臨床評估患者預期壽命較短，小于6 個月［7］；（2）合并其他臟器多發轉移患者；（3）脊柱轉移為復發病灶或累及多個椎體；（4）一般情況較差，合并嚴重糖尿病、腎病、心血管系統（如高血壓、心梗、心律失常）、免疫系統及血液系統疾病無法耐受手術。

根據術中使用的重建材料分為兩組。使用3D打印人工椎體材料重建的為觀察組，共24 例患者，男14 例，女10 例，年齡45 ～72 歲，平均（55.2 ±5.3）歲；使用鈦網材料重建的為對照組，共24 例患者，男13 例，女11 例，年齡42 ～75 歲，平均（52.4 ±6.2）歲。手術前對所有患者均進行了預后評估，包括Tomita 評分［8］和Tokuhashi 評分［9］。兩組一般資料差異無統計學意義（P＞0.05，表1）。

表1 兩組患者一般資料對比Tab.1 Comparison of general data between the two groups例

1.2 植入材料 3D 打印人工椎體：由北京愛康宜誠醫療器材有限公司提供，材料為多孔型鈦合金（金鈦-6 鋁-4 釩），孔隙率為80%左右，孔隙結構為（800 ± 200）μm，楊氏模量為（2.5 ± 0.2）GPa，前凸角為0/4/8 度。規格：頸椎人工椎體直徑12/14 mm，高度12 ～90 mm（2 mm 遞增）；胸腰椎人工椎體直徑12×18 mm～18×24 mm，高度25 ～120 mm（5/10 mm 遞增）。鈦網：由北京理貝爾生物工程研究所有限公司提供，材料為鈦合金，圓柱形狀，直徑為12/14 mm，厚度1 mm，最大高度為100 mm。頸前路鈦板螺釘系統：由北京理貝爾生物工程研究所有限公司提供，材料為鈦合金，鈦板長度為22 ～88 mm，螺釘直徑為4/4.5 mm，長度為12 ～18 mm。胸腰椎釘棒系統：由上海銳植醫療器械有限公司提供，材料為鈦合金，螺釘長度30 ～50 mm，直徑為3.5 ～7.5 mm。

1.3 手術方法

1.3.1 術前栓塞術前1 周內，患者在局麻下由介入科醫師行血管造影術以明確腫瘤供血情況，為減少術中出血，選擇性地給予血管栓塞。為避免栓塞物脫落入顱，一般頸椎腫瘤血管不栓塞。

1.3.2 腫瘤椎體的切除以胸腰椎腫瘤為例，全身麻醉后采取俯臥位，以病椎為中心做后正中切口，長度范圍包括病椎上下各兩個階段椎體，依次切開皮膚、皮下、筋膜，分離椎旁肌肉并向兩側牽開，分離軟組織時注意避免進入腫瘤組織。于病椎上下兩個椎體分別置入椎弓根螺釘，切除腫瘤椎體時交替連接兩側連接桿，整塊切除腫瘤椎體，徹底減壓脊髓及神經根，蒸餾水、化療藥物交替浸泡滅活術區，處理殘留椎間盤組織，刮除上位椎體下終板軟骨和下位椎體上終板軟骨以準備融合界面，注意保護脊髓、神經根及椎體前方血管，嚴密止血。頸椎腫瘤采用平臥位，頸前路入路切除腫瘤組織。

1.3.3 重建觀察組：測量缺損高度，試模安裝，選擇合適規格3D 打印人工椎體，制備異體骨顆粒填塞于中央植骨管道內，將人工椎體放置于缺損區并調整位置，適當加壓相鄰椎體保證骨-人工椎體界面緊密貼合，透視確認假體位置良好。胸腰椎腫瘤病例連接椎弓根螺釘連接桿及橫聯，頸椎腫瘤病例安裝頸前路鈦板螺釘固定（圖1）；對照組：取異體骨顆粒緊密填塞于修剪后的鈦網內，其余步驟同觀察組（圖2）。

圖1 胸椎轉移瘤整塊切除并3D 打印人工椎體重建Fig.1 Thoracic metastases were resected en bloc and reconstructed with 3D printing artificial vertebral body

圖2 胸椎轉移瘤整塊切除并鈦網重建Fig.2 Thoracic metastases were resected and reconstructed with titanium mesh

1.4 術后處理腫瘤標本送常規病理，明確原發腫瘤類型。術后常規臥床，指導雙下肢功能鍛煉，給予預防感染、消腫、止痛等藥物應用，術后1 周內給予甲潑尼龍靜脈輸液以減輕脊髓、神經根水腫。引流量24 h 少于20 mL 時拔除引流管。切口愈合并拆線2 周后開始原發腫瘤的內科治療。

1.5 療效評價標準

1.5.1 一般指標記錄患者手術時間（從皮膚切開到皮膚縫合完畢）、出血量（紗布估計出血量+吸引器瓶內液體量-術區沖洗量）。

1.5.2 疼痛評價采用疼痛視覺模擬評分（visual analogue scale，VAS）系統于患者術前、術后1 周對疼痛程度進行評估，并計算緩解度，緩解度=（術后1 周評分-術前評分）/術前評分×100%［10］。

1.5.3 神經功能評價采用JOA（Japanese Orthopaedic Association Scores）評分系統對患者脊髓功能評分，并計算術后1 周、3 個月、6 個月、末次隨訪時的改善率，改善率=（隨訪時評分-術前評分）/（17-術前評分）×100%［11］。

1.5.4 術后椎體融合情況6個月后行脊柱X線及

CT 檢查，評估人工椎體或鈦網與相鄰椎體整合情況，具體評估標準如下：（1）確定融合，影像學檢查觀察到骨重塑，人工椎體或鈦網與上下臨近終板骨界面處有骨小梁穿過；（2）可能融合，人工椎體或鈦網完整，但與鄰近椎體未完全重塑和整合，無明顯放射透亮帶；（3）可能不融合，人工椎體或鈦網完整，但與鄰近椎體間有明顯放射透亮帶；（4）確定不融合，人工椎體或鈦網斷裂、移位或下陷［12］。

1.5.5 沉降情況及穩定性評價由融合節段的高度及曲度變化作為評價指標，通過脊柱X 線側位片測量術后1 周、3 個月、6 個月、末次隨訪時融合節段椎體前緣高度（height of anterior bone，HAB）、椎體后緣高度（height of posterior bone，HPB）和cobb 角數值，并計算其與術后1 周（等同于術后即刻）的差值［13］。

1.6 統計學方法采用SPSS 24.0（IBM，美國）統計軟件包進行統計分析，計量資料用均值±標準差表示，兩組間比較統計分析采用兩獨立樣本t檢驗，同一組內不同時間點間計量資料的比較采用配對樣本t檢驗；兩組間計數資料的統計分析采用卡方檢驗。P＜0.05 為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 一般指標手術時間：觀察組（322±42）min，對照組（355 ± 30）min，觀察組手術用時少于對照組，差異有統計學意義（P= 0.003）；術中出血量：觀察組（2 229±231）mL，對照組（2 420±273）mL，觀察組術中出血量少于對照組，差異有統計學意義（P=0.012）。

2.2 疼痛評價VAS 評分：觀察組由術前（7.4 ±1.4）分降至術后（2.2±0.8）分，對照組由術前（6.8±1.1）分降至術后（2.4 ± 1.0）分，兩組患者術后VAS評分均較術前明顯下降（P＜0.001）。觀察組疼痛緩解度（70.4 ± 11.5）%，對照組疼痛緩解度（65.8 ±11.2）%，差異無統計學意義（P=0.164）。

2.3 神經功能評價兩組患者術前JOA、術后1 周JOA 評分及改善率差異無統計學意義，術后3、6 個月、末次隨訪JOA 評分及改善率觀察組均高于對照組，差異有統計學意義（P＜0.05）。見表2。

表2 兩組患者JOA 評分及改善率Tab.2 JOA score and improvement rate of two groups x±s

2.4 術后并發癥48例患者隨訪時間為10 ～45個月（平均20.4 個月），所有患者術中無脊髓或大血管損傷或排異反應出現。觀察組與對照組術后出現腦脊液漏各2 例，改變體位、延遲拔管后均順利愈合；觀察組1 例胸7 椎體轉移瘤患者術后出現切口淺表感染，加強換藥、延長敏感抗生素應用后順利愈合，對照組1 例肺癌并胸4 椎體轉移瘤患者術中出現胸膜破裂，術后肺部感染，轉ICU 治療后感染得到有效控制。

2.5 術后椎體融合情況兩組患者植入物與相鄰椎體融合情況見表3，兩組融合情況差異有統計學意義（P=0.020）。

表3 兩組患者植入物與相鄰椎體融合情況Tab.3 Fusion of implants and adjacent vertebral bodies in two groups 例（%）

2.6 沉降情況及穩定性評價術后3、6 個月及末次隨訪時，觀察組HAB、HPB 及cobb 角度的減小值均小于對照組，差異有統計學意義（表4）。

表4 兩組患者沉降高度及曲度變化Tab.4 Changes of settlement height and curvature in two groups ±s

表4 兩組患者沉降高度及曲度變化Tab.4 Changes of settlement height and curvature in two groups ±s

注：減小值均為與術后1 周的差值

術后3個月術后6個月末次隨訪HAB減小值（mm）HPB減小值（mm）cobb角減小值HAB減小值（mm）HPB減小值（mm）cobb角減小值HAB減小值（mm）HPB減小值（mm）cobb角減小值觀察組1.10±0.29 1.00±0.23（0.5±0.4）°1.38±0.31 1.27±0.30（0.7±0.5）°1.57±0.42 1.51±0.46（0.9±0.6）°對照組2.11±0.45 2.00±0.34（1.4±0.2）°2.46±0.48 2.30±0.37（1.9±0.4）°2.64±0.49 2.49±0.44（2.2±0.6）°P值＜0.001＜0.001＜0.001＜0.001＜0.001＜0.001＜0.001＜0.001＜0.001

3 討論

隨著惡性腫瘤臨床治療效果的提高，大約有70%的惡性腫瘤患者會出現脊柱轉移［14］。脊柱轉移性腫瘤手術成功的關鍵在于周密的術前規劃、術中徹底切除腫瘤以及重建脊柱的穩定性［15］。手術切除脊柱轉移瘤后能否有效重建，其中一個重要因素就是重建材料的選擇。傳統的重建材料包括自體髂骨塊、異體骨或人造骨柱，以及各種金屬重建材料如鈦網、人工椎體等。自體髂骨取材方便、價格低、融合率高，但自體髂骨取材后可導致供區感染、血腫、疼痛和感覺障礙等并發癥［16］。異體骨或人造骨柱同樣存在排異、融合率低、彈性模量不匹配等缺點［17］。鈦合金由于其良好的生物相容性、高強度和耐腐蝕的特點已經被廣泛應用于椎體切除后的重建。然而，鈦網由于其與相鄰椎體接觸面積較小，彈性模量較高，其術后并發癥如鈦網沉降、移位以及不融合等并不罕見［18］。

近年來隨著數字化技術在骨科的廣泛應用，3D 打印為脊柱轉移瘤切除術后重建帶來了新的選擇方案，其具有更好的個體化設計，與相鄰椎體解剖形態匹配良好，生物穩定性強，但有關其與鈦網在脊柱轉移瘤切除術后重建的對比研究較少。本研究對脊柱轉移性腫瘤切除術后行3D 打印人工椎體材料和鈦網材料重建患者的臨床資料進行了對比分析，發現3D 打印人工椎體組手術時間和術中出血量均小于鈦網組（P= 0.003 和P= 0.012）。手術操作中需要經歷撐開相鄰椎體-測量高度-植入重建物-加壓的過程，因此手工截取相應長度鈦網存在因測量導致的誤差，而3D 打印人工椎體可以根據術前測量預先制備相應高度的假體，與真實缺損高度誤差較小；且鈦網和3D 打印人工椎體生產工藝存在區別，鈦網需要反復修剪并測試與相鄰終板的契合度，3D 打印椎體上下緣的弧形或斜坡形設計能更好地與鄰近終板吻合，大大降低了安裝的難度和時間［19］，同時減少了術中的出血量。

為了評估3D 打印人工椎體和鈦網在脊柱轉移瘤術后解剖和功能重建的差異，本研究對兩組術后椎體融合情況、沉降情況及穩定性評價進行了評估。結果顯示，術后6 個月，3D 打印人工椎體組總體融合率為87.5%，鈦網組總體融合率為62.5%，兩組融合情況差異有統計學意義（P= 0.020）。術后3、6 個月及末次隨訪3D 打印人工椎體組塌陷速度均小于鈦網組，生理曲度恢復速度大于鈦網組，差異有統計學意義（P＜0.05）。YOSHIOKA 等［20］對47 例食管癌脊柱轉移患者行全椎體切除術并鈦網植骨重建，其研究發現30 例患者（63.8%）發生下陷，其中22例術后1個月CT即發現下陷。鈦網與終板因無法完全契合易導致應力不均、局部點狀壓強過大，不僅容易高度丟失且延長愈合時間。3D 打印人工椎體與相鄰終板吻合度高、接觸面積大，有利于分散承重力量，進而降低塌陷率。且3D 打印人工椎體的海綿狀微孔結構更接近于人體骨組織中的哈氏管，更易于骨長入，有利于提高愈合率、降低愈合時間［21］。而術后脊髓神經功能的恢復有賴于椎體高度的維持和曲度的恢復，這也解釋了本研究中雖然術后1 周JOA 評分及緩解率兩組無明顯差異，但是術后3、6 個月及末次隨訪時3D 打印人工椎體組JOA 評分及改善率均高于鈦網組。

本研究仍存在一定的不足：（1）隨訪時間較短，未對患者術后腫瘤控制率、生存時間和預后影響因素進行相關統計；（2）隨訪病例較少且僅為單中心研究，之后需要擴充樣本量并聯合多中心研究；（3）影像學檢查中因存在金屬偽影導致測量存在一定偏差，因此尚需要優化影像技術及測量精度。

綜上所述，3D 打印人工椎體作為脊柱轉移瘤切除術后重建材料，能降低手術時間、減少術中出血，且不易出現假體下沉并發癥，能更好地維持脊柱高度和曲度，提高總體融合率，在脊柱轉移瘤的手術治療中有較好的臨床效果。