3D打印技术在脊柱外科中的应用

张 裕，潘 建，刘午阳

(赣南医学院 1.2016级硕士研究生；2.2017级硕士研究生；3.第一附属医院，江西 赣州 341000)

1 3D打印技术

3D打印(three-dimensional printing，3DP)又称为增材制造，是快速成形技术的一种，是以人体解剖为基础，使用各种制作材料，从而精准的制造人体物理模型的技术[1]，于20世纪80年代首先应用于工程方面，由美国科学家Chuck Hull等首次完成通过计算机建模打印出3D实体[2]。在医学领域的应用是在1990年开发者通过CT扫描，后打印出颅骨解剖模型[3]。目前3D打印已在骨科、口腔科、神经外科、颌面部外科及临床教学、医患沟通等方面起着重要的作用[4]。3D打印的主要流程包括：数据采集、数据处理及3D打印这3个流程，在骨科领域，首先获得高分辨CT的3维成像资料，然后将其导入minics的图像处理软件中进行数据的处理，再将其以STL格式导出，最终以“分层制造、逐层叠加”的方式完成制造。3D打印技术在脊柱外科主要应用于以下几个方面：临床辅助教学、医患沟通、复杂疾病诊断、治疗方案制定、术前规划及手术模拟训练、骨组织工程等方面。

2 3D打印在脊柱外科中的应用

2.1临床教学与医患沟通脊柱的解剖较其他骨骼更为复杂，且无法在浅表触及全貌，传统的教学是通过尸体标本，但目前尸体来源少，且涉及伦理方面问题，故脊柱的教学多是采用一种平面教学，比较抽象。3D打印技术可以重现人体脊柱解剖结构，从而提高学生对脊柱解剖的理解和记忆，有学者研究[5-6]显示：通过3D打印出脊柱的模型用于临床教学不仅可以帮助学生记忆脊柱解剖结构，同时也可以通过病理脊柱模型掌握疾病的发病机制及病理改变，从而提高教学质量。尹思等[7]采用移动APP结合3D打印的方式为住培学员授课取得了较好的效果。

3D打印疾病模型可以更直观地表现出脊柱疾病的部位及病理改变，当临床医师与患者及家属沟通时可以参照患者本身的脊柱模型诠释病情状况，能够清楚的向患者及家属交代手术的注意事项、风险及并发症等，得到患者及家属的信任，减少不必要的纠纷。

2.2脊柱外科复杂疾病的诊断及治疗方案制定脊柱的解剖复杂且周围有血管神经等重要结构，对于一些较为复杂的脊柱疾病，例如：脊柱结核、脊柱肿瘤及脊柱畸形等。传统的影像学检查并不能提供直观的三维解剖，所以有时临床医师可能得出较为片面的结论，会影响疾病的诊断，误诊、漏诊的比率升高，而3D打印实物模型可以提供更为详细及立体的疾病模型，具有精确性和前瞻性，可以增加医师对脊柱疾病的理解，从而做出更精确的诊断，例如脊柱骨折分型、脊柱肿瘤及脊柱侧弯等，可以更好的明确疾病的预后，同时术者可以根据三维模型对患者进行术前评估、手术部位及路径的精确、制定详细的手术计划及术后康复计划等治疗方案。

2.3模拟手术临床医师可以根据3D打印出的患者脊柱模型进行术前规划，模拟手术操练，在这个过程中明确钉道的角度及深度，选择合适的内固定物，同时也有助于医师在手术过程中避开重要的神经、血管等，从而提高了手术的安全性并且可以减少手术时间及出血量、术中透视次数及暴露时间。赵波等[8]对该院青年医师利用3D打印模型进行模拟手术训练进行相关研究，培训2～3个月后青年医师在模型上操作的置钉准确率可达93.75%，培训6个月后，所有青年医师可以独立进行椎弓根钉的置入手术，大大减少了培养时间。李浩等[9]对通过3D打印技术制作了22例患者的颈椎畸形三维模型，在模型上进行模拟手术操作，得到准确的置钉路线及角度，一期完成后路颈椎矫形手术，所有的手术成功，并且较好的保护了椎动脉，提高了手术的准确率及安全性。

2.4个体化支具的定制青少年特发性脊柱侧凸目前是脊柱侧凸中最为常见，其主要的非手术治疗手段是佩戴矫形支具，然而传统的石膏外固定或其他材料治疗在治疗过程中除了固定治疗部位外，还会影响其他肢体的活动，舒适感差，患者不易接受。与之相比3D打印材料可以依据患者自身定制的个体化的支具，这种支具不仅制作简单、节省时间，最主要它可以很好的贴合人体起到固定的作用，提高患者的舒适度，也有利于患者进行相关功能锻炼。Visser等[10]和Desbiens-Blais等[11]利用CAD软件对脊柱侧凸患者躯干进行三维模型建立及生物力学实验，制作出个体化矫形支具，取得满意的治疗效果。

2.5个体化导向导板的使用椎弓根钉(pedicle screw, PS)技术最早是由Roy-Camille教授发明的，是脊柱外科疾病治疗中最常用的内固定技术。经过几十年的改进，在脊柱疾病中有着广泛的应用，然而现在在椎弓根钉置入过程中还是有可能损伤周围神经或血管可能，据Upendra报道[12]，在徒手置入椎弓根螺钉的过程中，椎弓根螺钉发生错位的风险为20%～30%，同时可能有2%的患者出现严重的神经与血管的并发症，如瘫痪死亡。所以在脊柱手术过程中，提高置钉的准确率是至关重要的。3D打印技术可以术前定制患者脊柱个体化的置钉导向模板，该项技术在1998年Radermacher等[13]应用于腰椎置钉手术中，后经改良目前用于颈椎、胸椎、脊柱侧凸等手术中。

Ryken等[14]在4个颈椎标本上进行单侧导向模板置入20枚椎弓根钉，经检测发现19枚椎弓根钉完全在椎弓根内。之后改良出双侧导向模板，Lu等[15]根据grade分级对椎弓根钉进行评价(0级：螺钉完全在椎弓根内；1级：螺钉穿出椎弓根壁在小于2 mm，或不到螺钉直径的一半；2级：螺钉穿出椎弓根壁超过了2 mm且不足4 mm，或超过螺钉直径的一半；3级：螺钉穿出椎弓根壁超过了4 mm，或完全穿出)在颈椎模型中置钉84枚，结果显示只有2枚1级，无2、3级。Kawaguchi等[16]采用置钉导板系统进行C2～C7椎体进行椎弓根钉及Margel钉的置入，取得了较高的置钉准确率。胸椎手术中发现，胸椎体积小，相比之下更容易损伤神经、血管，所以它对置钉准确有更高的要求。Ma等[17]就20例胸椎标本模拟椎弓根钉置入手术，将其随机分为传统置钉组与3D打印导板组，结果显示3D打印导板组置钉准确率优于传统组。林益军等[18]采用3D打印技术进行胸椎后路椎弓根钉置入模块的设计，发现模块能够较好的贴合胸椎模型，置钉效果好。Lu等[19]应用3D打印个体化导板对6例患者置入腰椎钉棒，术中置钉后只透视一次，所有钉棒位置均准确，并且置钉时间较传统置钉短。Liu等[20]就胸腰椎压缩性骨折手术前是否采用3D打印技术进行分组，结果发现观察组的置钉准确率达94.4%高于对照组74.5%(P<0.05)。戎帅等[21]就一多节段椎弓峡部裂患者采用3D打印技术订制了个体化置钉导航模板，结果发现术中情况与术前模型测量结果完全一致，手术顺利，术后检测椎弓根钉位置良好，无并发症，术后骨折愈合良好，提示3D打印技术可以辅助脊柱精准化治疗，提高了治疗的安全性。还有寰枢椎这一难度大的手术区域，Lu等[22]先就患者制作寰枢椎椎体模型及导板，模拟手术操作，后对9例患者行手术治疗，术后恢复良好，置钉位置准确。吴超等[23]采用逐级扩大的3D打印导板系统进行辅助寰枢椎的椎弓根钉的置入，试验组采用逐级扩大导板置钉准确性达100%，对照组则采用初级3D打印导板准确性为91.1%。

除上述部位置钉，另有脊柱侧凸疾病需多节段钉棒固定治疗，Mao等[24]对16例重度脊柱侧凸患者采用3D打印技术建立脊柱模型，模拟手术操作，得到准确的置钉角度及深度，术后发现脊柱侧凸平均角度由118°降至42°，患者无并发症及不适。李彦明等[25]将53例脊柱侧凸患者随机分为对照组和3D打印组，术后两组患者均未出现血管、神经损伤等并发症，下肢活动良好，统计数据显示3D打印组手术时间、置钉准确率均优于对照组。

2.6个体化内植入物应用在脊柱手术过程中诸多疾病需置入椎间融合器或进行椎体置换治疗，这就要求内置入物能够与患者骨骼有良好的贴合，分散局部应力，与骨骼有充分的接触面促进骨愈合。然而有时候厂家提供器械有时难以做到以上几点，有时还会出现植入物移动可能。3D打印技术可以根据患者脊柱解剖特点订制合适的内植入物，做到“量体裁衣”，同时还可以打印出模拟骨小梁微孔用来促进骨长入及愈合。钱文彬等[26]模拟全脊柱切除+人工椎体置换手术，切除土猪脊柱椎体，并打印出合适的椎体进行植入，术后检测椎体位置良好、无移位，土猪四肢活动正常。刘忠军等[27]采用3D打印技术制造一超长人工椎体用以治疗脊索瘤，手术跨越5个椎体，长达19 cm，术后患者恢复良好。

2.7骨组织工程应用骨组织工程主要是通过3D打印技术制作生物支架，后在支架内填充活性细胞及细胞因子，从而制作出有活性的人造组织或器官用于治疗疾病，也称之为生物3D打印，目前此项技术是3D打印技术最前沿的研究。Rosenzweig等[28]融合ABS(丙烯腈丁二烯苯乙烯)与PLA(聚乳酸)制成生物支架，在其中植入髓核细胞，观察细胞在支架内生长分化良好，日后可用于椎间盘置换手术。Whatley等[29]用可降解聚氨酯作为3D打印椎间盘支架的材料，其良好的宏观和微观结构对细胞黏附、增殖和排列具有重要影响。Cui等[30]应用3D打印技术在聚乙二醇-二甲基丙烯酸酯中植入软骨细胞，可以发现细胞在该生物支架内精确分布且成活率很高，支架与周围组织很好匹配且能修复损伤软骨。袁伟等[31]采用Ti6Al4V及CoCrMo合金材料作为3D打印人工椎间盘的材料，发现其抗压缩及抗疲劳可以满足人体需求。

3 总结与展望

综上所述，3D打印技术在脊柱外科的应用主要为两大类：一是模型及个体化植入物的打印；二是3D生物打印。在临床治疗中3D打印技术贯穿了疾病诊断、术前规划、术中导航、个体化内植入物定制的各个过程，可以提高脊柱外科疾病治疗的精准性和安全性。具有以下几个优势：(1)可以通过3D打印技术了解手术部位的解剖结构及位置关系；(2)可以使手术更加微创化尤其是采用3D打印个性化导板；(3)可以使用3D打印模型进行手术演练及操作，减少手术医生的学习曲线，同时可以提高临床教学的效率；(4)术中准确率提高可以减少C臂透视次数。目前3D打印技术还在处于发展阶段，存在一定的局限性：(1)该技术对仪器及材料要求比较高，难以在基层医院推广；(2)增加患者住院治疗费用，加重患者经济负担；(3)打印材料要求高，尤其是手术内植入物必须要有很好的生物相容性，避免免疫排斥，同时在体内还需具备一定的刚度及韧性，目前许多材料并不具备；(4)虽然3D打印技术被称为“快速成型技术”，也是相对于传统而言，从数据采集到模型打印到临床应用需要一定的时间，这就限制了3D打印技术应用于急诊手术治疗；(5)3D打印目前主要还是应用于脊柱外科术前规划较多，3D打印导板的研究深度不够，因为3D打印导板的制作忽略了脊柱后的软组织，因此在手术中若不能充分剥离和暴露术区，则会出现导板不能完美的贴合导致置钉的误差；(6)3D打印技术中的数据分析若是交由临床医生处理，也需要一定的学习时间，增加学习周期。

虽然3D打印技术在脊柱手术应用中有以上不足之处，但是随着科技的进步，3D打印技术的进一步研究及临床医生的不断学习，一定能够克服以上不足，做到更大的进步，尤其是在3D生物打印方面，将来必定实现打印出的人工组织取代缺损组织，做到更为精准化的医疗。