3D打印在青少年特發性脊柱側彎中的應用進展

徐昌超，鄒強,，孫紅,，藍奉軍，周江湖，吳鴻斌，楊華

1. 貴州醫科大學 臨床醫學院，貴州 貴陽 550004；2. 貴州醫科大學附屬醫院 骨科，貴州 貴陽 550004；3. 福建省晉江市人民醫院 骨科，福建 晉江 362200

引言

3D打印技術又稱作快速成型技術[1]，其原理是利用CT、MRI獲取資料，傳入計算機并創建3D模型，3D打印機讀取計算機文件后，使用金屬、陶瓷、樹脂等材料，以熔融沉積模型、選擇性激光燒結、立體光刻法等打印方法精準制造出1∶1的實物解剖模型[2-3]。隨著醫學技術的飛速發展，目前3D打印已廣泛應用于神經外科、骨科手術中[3-4]。青少年特發性脊柱側彎（Adolescent Idiopathic Scoliosis，AIS）是指發生在11～18歲年齡段的脊柱側方彎曲、椎體附件旋轉及矢狀面上脊柱三維畸形，其Cobb角大于10°，并伴有脊柱前后凸角度改變[5]，AIS患者表現為脊柱畸形、胸部變形、形體不對稱、運動失平衡等異常。對于Cobb角小于20°患者，必須每隔6個月進行X線片或臨床檢查，直到骨骼成熟；Cobb角在25°～40°的患者，應予以支具支撐、特殊運動、鍛煉呼吸、手法理療等治療；Cobb角大于45°～50°或側彎畸形發展迅速，則應選擇矯形手術治療[5-7]。AIS患者常存在脊椎椎弓根發育異常的現象[8]，如椎弓根髓腔變細和硬化，以及椎弓根弧形樣改變、不規則畸形變，甚至缺如，特別是凹側椎弓根，其中大部分位于上胸椎區域，使得椎弓根置釘變得困難，隨著3D打印技術的出現及在脊柱側彎矯形中的廣泛運用，AIS的診治效果較以往有了明顯提升。本文旨在綜述3D打印在AIS中的應用及研究進展，以期為3D打印診治AIS提供理論依據。

1 3D打印與AIS患者的醫學教育

脊柱解剖是脊柱外科醫生診療的基礎，由于AIS常為復雜的三維畸形[9]，在學習過程中，以往疾病的圖譜講解、影像學圖片識別等不能全面顯示脊柱三維立體情況，而尸體解剖制作工藝復雜，傳統的石膏模型精準性較差，且模型較為單一，不能很好地顯示AIS患者的差異性，并且AIS患者遺體來源有限，存在倫理學和法律方面的顧慮，因此難以滿足實際教學需求[10-12]。目前依據患者影像學數據，通過3D打印技術可真實地還原患者脊柱畸形特征，對于AIS認識更加清晰、直觀。McMenamin等[13]報道3D打印模型的準確性與尸體一致，且較塑化優勢明顯，可作為解剖學精確復制品的替代方法，其可以快速生產任何尺寸規模的任何解剖標本的多個1∶1解剖模型，同時避免了一些文化和倫理問題。李曙明等[14]發現，相比傳統教學，在教學中運用3D打印技術能明顯增強學生的疾病及影像診斷能力，從而顯著提高教學效果和效率。Wu等[15]發現3D打印模型輔助教學相比傳統影像教學，可使醫學生對骨解剖和一些復雜部位骨折的認識更加深刻。李彥等[16]研究表明，與僅接受常規成像數據的學生相比，醫學生通過3D脊柱骨折模型對脊柱的解剖結構的識別能力更強。在手術學習方面，既往青年醫生常依據解剖圖譜、手術視頻進行學習，而后在尸體標本上進行模擬手術，現在通過3D打印的AIS患者脊柱模型進行訓練或模擬手術，可以有效減少訓練時間，縮短學習曲線，盡早掌握相關手術技巧[17]。Park等[18]通過新手外科醫生對3D腰椎模型在徒手椎弓根螺釘內固定訓練中的應用發現，后10個脊柱模型的置釘時間明顯少于前10個模型，并且后10個脊柱模型螺釘導致椎弓根皮質穿孔率明顯少于前10個模型。教學中結合3D打印技術可使學生動手能力更強，有助于學生臨床思維的培養，提高教學水平。

2 3D打印與AIS患者及家屬溝通

AIS是一種有脊柱冠狀面側方彎曲、椎體及附件旋轉及矢狀面上畸形的脊柱三維畸形，缺乏專業醫學知識的患者及家屬難以理解患者目前的病情。個體化3D打印模型能1∶1的還原AIS畸形的形態，使AIS患者及家屬更為清晰、直觀地認識AIS，進而理解疾病情況和治療方案，促進醫患溝通[19]。林鋼等[20]在術前使用3D打印模型與患者及其家屬積極溝通并模擬手術過程，提高了患者對手術過程的理解。有學者發現[21]，使用3D打印模型與患者溝通病情，可減少患者焦慮感，促進了醫患溝通。

3 3D打印與AIS患者的術前規劃

對需要手術治療的AIS患者，隨著脊柱內固定的發展，固定方式包括了Harrington內固定系統[22]、椎弓根螺釘[23-24]以及矯形棒。目前釘棒系統可以同時對脊椎的前、中、后柱進行有效固定，固定強度高，抗拔出能力強，AIS矯形術中會大量使用椎弓根螺釘[25]。然而，AIS患者常存在椎體的旋轉、椎弓根缺失或畸形、置釘點的破壞等解剖變異，以及周圍有血管、神經等重要毗鄰組織，徒手置入椎弓根螺釘具有較高的難度及神經血管損傷的風險[26]。目前術前可通過3D打印模型充分了解患者的脊柱病變特點和脊柱畸形的情況，觀察椎體間的解剖關系，進一步確認術前診斷，術前確定置釘最佳的置入點、角度和深度，設計截骨部位和角度，確認術中置入內植物的以及術中使用的手術器械種類型號，確定手術區域，降低神經損傷風險，預測術中可能遇到的技術挑戰，提供更精準個體化治療[27]。

Bohl等[28]研究證明，術前3D打印脊柱模型矯正的作用，不僅預測了術中曲線校正的程度，且有助于主刀醫生在術前根據每個模型校正相應地調整手術計劃。Yang等[29]在一項涉及126例Lenke1型AIS患者的后路矯正手術的研究表明，使用3D打印模型進行完善術前準備可以更準確置釘，減少手術時間和術中出血量，但在并發癥發生率、住院時間或影像學結果等方面沒有顯著差異。楊陽等[30]研究表明，相比于傳統的手術治療，在3D打印技術的輔助下，AIS患者的手術時間、術中出血量明顯降低，術中透視次數、術后引流管引流量顯著減少，術后并發癥發生率更低，并且置釘更準確，脊柱矯正率更高。在一項復雜脊柱畸形患者的回顧性研究中發現，23例術前使用3D打印模型進行手術計劃評估的患者，其螺釘正確率可達96.3%，3D打印技術可以在嚴重脊柱畸形病例中使徒手椎弓根螺釘置入更加安全、準確，且未發生神經或血管并發癥[31]。以上研究表明，術前使用3D打印模型可以使外科醫生更全面地了解脊柱的解剖結構，規劃插入螺釘的軌跡，截骨術所需的骨重建和矯正程度，提高手術的準確性，縮短手術時間，減少手術的時間及失血量，提升整體手術效果。

4 3D打印與AIS矯形術中導航模板

在AIS矯形術中通過置入椎弓根螺釘矯形是目前常用的手術方法，但由于AIS椎弓根常發生變異，伴有多個脊椎解剖結構嚴重變異導致置釘標志變異，進而導致置釘時間過長，術中需要剝離軟組織及多次透視驗證螺釘位置，椎弓根毗鄰結構的復雜性及差異性更進一步加大了置釘的難度，增加手術風險[32]。據統計，胸椎椎弓根螺釘置入失敗的概率為21.1%～54.7%[33]。3D打印在AIS矯形術中的一個主要臨床應用是創建用于插入椎弓根螺釘的鉆孔引導板。術前利用患者脊柱CT薄片數據，計算機軟件設計的椎弓根螺釘固定導航模板，術中根據3D打印螺釘置入導航模板置入螺釘，降低了螺釘偏移突破椎弓根壁以及血管、胸膜、神經等毗鄰組織損傷的風險[34]。同時縮短手術時間，減少術中出血，或避免術中X射線透視，進而降低手術過程中的輻射量，并且與傳統徒手置釘在脊柱矯正率方面無顯著性差異[35]。Yang等[36]研究發現，在AIS矯形中，與術中傳統徒手置釘相比，使用3D打印技術導航置釘可明顯減少手術時間、圍手術期失血量和輸血量，在并發癥發生率、住院時間、脊柱矯形效果無明顯差異，但會增加患者的住院費用。Vissarionov等[37]研究表明，術中使用3D打印置釘模板進行螺釘插入比使用徒手技術更準確。Luo等[38]對Cobb角≥90°的嚴重的脊柱側彎患者研究表明，術中使用3D打印置釘導航模板進行置釘比徒手置入螺釘準確性更高，放置所有螺釘的時間和放置每顆螺釘的平均時間更短，術中可以不使用CT或O臂。Cecchinato等[39]研究表明，個體化AIS患者的3D打印置釘模板進行置釘比徒手置釘更準確，矯形更安全，同時降低了患者透視總劑量和時間。Liu等[40]通過對10個重度僵硬型的脊柱側彎（Cobb角大于70°，側彎柔韌性小于30%）患者的研究表明，3D打印置釘模板進行置釘相比于徒手置釘更準確，椎弓根皮質穿孔率更低。Tan等[41]研究也發現，術中使用3D打印置釘模型置釘比徒手椎弓根螺釘置入更安全、準確，可降低血管、神經損傷的風險。在脊柱側彎矯形術中采用3D打印導航模板輔助置釘可降低置釘難度、置釘風險，優化置釘操作、置釘效果，是一種較好脊柱側彎的置釘方法，值得臨床推廣。

5 3D打印與AIS患者的個性化支具

3D打印矯形器是指部分或全部由3D打印技術制作，用于改變神經肌肉和骨骼系統結構及功能的外固定器具[42]。對Cobb角20°～45°，功能鍛煉或物理治療無效，骨骼未發育成熟的AIS患者，可以嘗試支具治療[43]。研究表明，接受支具治療的AIS患者的生活質量更高[44-45]。傳統支具的制作過程復雜，制作時間長，隨著患者的生長發育需要多次調整，增加了患者的經濟成本。同時傳統支具不能保證矯形器貼合患者身體，需要定期調整，必要時應重新制作，從而影響支具治療的效果[46]。張玉芳等[47]通過力學分析表明，3D打印可以通過根據脊柱側彎患者的脊柱畸形特點、形體特征從而個性化設計并快速制造獲得最適合患者的個性化支具，可避免由于長時間佩戴不恰當的支具從而壓迫患者側彎部位，進而引起疼痛、壓瘡等問題，避免影響支具矯形效果。

6 總結與展望

3D打印為脊柱外科醫生在進行AIS的診斷、教學、醫患溝通、術前規劃、個體化治療等方面提供了新的思路，醫生可借助3D打印技術獲得以前普通影像學資料無法獲取的重要信息，能更好地與患者及家屬溝通，提高教學水平，3D打印導航模板輔助置釘簡化了脊柱外科醫生的置釘操作過程，減少術中出血量及手術時間，提高了螺釘置入的準確性和安全性，個體化內固定使得內置物與患者術區的完美匹配，更滿足側彎患者的手術需要。但該技術對儀器和材料的要求比較高，加重患者的經濟負擔，未來仍需要大量的研究證明3D打印的可行性和安全性。