3D打印在脊柱外科中的应用进展

孙泽豪 李天佐 王炳武

【摘 要】3D打印（3D printing）出现于20世纪80年代，是快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。被引入医学领域后更是展现了广阔的应用前景，为医学领域带来了新的发展方向。现阶段，它在脊柱外科中临床的诊断与治疗、手术的精准化带来很大的帮助。本文就3D打印技术目前在脊柱外科中的临床应用情况作一综述。

【关键词】3D打印;脊柱;外科手术;置钉;脊柱侧弯;植入物

1 3D打印导板在脊柱辅助置钉中的应用

1.1在颈椎辅助置钉的应用

由于上颈椎弓根的解剖特点[1]，后路椎弓根螺钉固定是困难和危险的，如果手术失败或者螺钉固定不良，后果往往是极其严重的。术中确定椎弓根螺钉钉道时，如果不能很好地掌握螺钉固定方向，就会损伤脊髓或椎动脉，内固定强度可能下降或完全失效。上颈椎弓根螺钉固定常用的方法有：徒手置钉技术、影像透视固定法、三维CT导航定位法和三维打印导航模板固定方法。徒手技术是最古老的技术，其在螺钉固定并发症的风险是与手术的经验有关的，不合格率为3%至55%。影像透视固定方法以发育中的骨骼解剖为参考点，确定入口位置并进行调整术中针刺角度。这种方法需要有丰富经验的外科医生，准确地结合放射图像。而上颈畸形患者的组织结构混乱，螺钉固定困难。为了确保螺钉的安全放置，这种方法需要频繁移动C臂机，反复进出操作，增加手术时间，增加手术出血，增加病人和手术人员的辐射量，也可能增加外科感染的机率。三维CT导航定位方法不能获得三维图像数据和实时计算机重建数据。而且，该系统费用昂贵，需要更多的人员参与。而个性化3D打印导航模板用于颈椎椎弓根螺钉固定操作相比较而言就显得简单、安全。

胡等[2]在其研究中的10例不稳定寰椎骨折患者均采用3D打印导向模板辅助下单纯后路寰椎椎弓根螺钉固定治疗，螺钉位置均位于骨性钉道内，无脊髓损伤、硬 膜破裂及椎动脉损伤等并发症，置钉的准确性得到显著提高。Fei Guo[3]等在其研究中采用图像透视固定法和导航模板法放置37枚上颈椎螺钉，其中3D打印导航模板法的合格率为94.60%，而影像透视固定法的合格率为70.27%。使用导航模板的螺钉固定只需要在置钉的开始和结束透视。这大大降低了外科医生和病人的X射线曝光率。其研究表明，导航模板法的操作时间为：X射线曝光时间是成像透视法的一半以上，X射线曝光时间约为成像法的四分之一，对医生和病人都更安全。

1.2在胸椎辅助置钉的应用

中上胸段脊柱损伤（T1-T10）并不常见[4]，约占普通脊柱外伤病例的10%-20%。这段由于受外力大，经常造成严重创伤合并多发伤，常导致预后不良[5， 6]。传统的胸椎后路入路中，在椎弓根置钉过程中，即便是在开放定位技术和术中二维透视下来确定，但仍有较高的椎弓根螺钉误差率。在Wei Xu[7]等的研究中，对7位病人进行3D打印导板辅助置钉，平均手术时间为2h±30 min。Wei Xu的研究中共置钉56枚椎弓根螺钉，其中0级34枚，一级18枚，2级4枚（侧壁穿孔），3级1枚（侧壁压迫，无不良后果），螺钉定位优良率为91.0%，无术后感染及其他并发症发生

1.3在腰椎辅助置钉的应用

在陈[8]等的研究中通过3D打印导航模板，在31例患者的50 个节段共植入 162 枚螺钉。 手术时间 65～147 min，平均 102.23 min;术中出血量 50～116 mL，平均 78.20 mL;术中辐射暴露时间为 8～54s，平均 42s。术后3～7d行 CT三维重建，将术后腰椎三维模型与术前模型重叠配准，置钉符合率为 98.15%（159/162）。术后4周 VAS 评分为（2.24 ± 0.80）分，ODI 评分为（29.17 ± 2.50）分，JOA 评分为（23.43 ± 1.14）分， 31 例患者均获随访，术后切口均Ⅰ期愈合，无手术并发症发生。随访期间复查腰椎 X 线片及 CT显示椎弓根螺钉准确在位，无松动、断裂，椎间植骨融合良好。

1.4在脊柱侧弯的应用

Bhavuk Garg[9]等在脊柱侧弯的研究中采用三维打印的实验组与采用徒手技术的对照组相比，无论是置钉数、手术时间还是失血量都有更大优势。尽管3D打印导向模板技术需要较长的术前准备时间，但却可以减少术中置钉时间，提高置钉准确性[10]，增加手术安全性，术者学习曲线短，符合个体化置钉原则[8]。相比计算机导航技术，3D打印导向模板技术对患者体位要求不高，手术过程简化，同时还能保证较高的置钉准确性。三维打印技术是一种直观有效的椎弓根螺钉内固定治疗中上胸椎的辅助技术，提高了裸手置钉的准确性。

2 3D打印辅助穿刺

经皮椎体成形术（PVP）被认为是治疗急性骨质疏松性椎体压缩骨折所致疼痛的有效方法。在J. Li等[11]的研究中，通过将3D打印导航模板与患者背部皮肤匹配，使得骨水泥穿刺针插入方向和深度易于确定。在手术过程中，只有14次C臂透视检查（总暴露剂量为4.5mSv）。操作时间为17分钟，无任何穿刺相关并发症，术后疼痛明显减轻。这种新的精确的三维打印导航模板系统允许骨折椎体和个人手术计划的综合可视化，皮肤表层与导向模板之间的密切对接，除此之外，对3D打印的个体化等比例椎体模型进行穿刺练习，能够避免穿刺的盲目性，有效缩短手术时间，减少射线的暴露次数，减少穿刺失误，提高了手术的安全性，并保证骨水泥更好地分布于椎体受损区域[12]。

3 生物模型

对于风险高难度大的手术，术前规划十分重要。传统上，通过CT、核磁共振（MRI）等影像设备获取患者的数据，是医生进行手术规划的基础，但由于得到的影像资料是二维的，所以术前进行的规划，并不是特别理想，往往需要手术医生在手术过程中根据实际情况结合自己的经验。而3D打印机却可以將个体的三维模型直接打印出来，既可辅助医生进行精准的手术规划、提升手术的成功率，又方便医生与患者就手术方案进行直观的沟通。此外，即使在治疗失败，3D打印也可以为医患双方提供可溯源的依据。

最近几年新兴的椎间孔镜辅助经椎弓根髓核切除术是一种提高安全性的手术方法。三维规划可以清晰地显示形态、空间分布，主要解剖结构与邻近关系，便于术前计划和手术处理[13] ，达到以微小创伤获得满意疗效的目的。

4 3D打印植入物

现在的植入物主要还是通过铸造或传统的金属加工方法来制造的，对于只需要一件或者少量植入物的个体来说，工厂单件生产的成本十分昂贵。再加上具有生物相容性的植入物材料本身的高价格，骨科植入物的总制造成本是十分昂贵的。对于结构复杂的特殊植入物，使用从传统技术也难以实现。而3D打印技术应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，并可以制造出更多结构复杂的植入物，有着巨大的发展前景。

结果与展望：

3D打印技术在脊柱外科的应用正在迅速发展，包括它在增强微创脊柱手术领域的新兴应用，生物模型、导航模板和植入物。其中生物模型可以协助术前规划，减少学习的周期，提高患者的理解和满意度。3D打印导板辅助脊柱手术置钉技术可以提高硬件放置的准确性和特异性[14]。同时，3D打印植入物具有良好的贴合性和骨感应性。尽管目前较短的发展时间和相对专业化的市场阻碍了3D打印技术的广泛应用，但它还是一个值得继续研究的宝贵领域。相信在不久的将来，3D打印技术将会作为一种常规的技术而得到广泛推广和应用，为患者带来更大的医疗保证。

参考文献

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