3D打印技術在腰椎滑脫手術中的應用價值

陳嘉華，鄧 燁，羅立鎮，黃 凱，譚明生，董 亮，姜良海，謝大志

·臨床論著·

3D打印技術在腰椎滑脫手術中的應用價值

陳嘉華1，鄧 燁1，羅立鎮1，黃 凱1，譚明生2，董 亮2，姜良海2，謝大志1

目的 探討3D打印技術在腰椎滑脫手術中的應用價值。方法 將87例擇期行腰椎滑脫手術患者隨機分為觀察組(45例)和對照組(42例)，對照組患者采用傳統椎間融合術治療，觀察組患者術前使用3D打印技術打印個體化矢狀曲度模棒行椎間融合術。比較兩組術中情況和療效。結果 術中出血量、術中透視次數及手術時間觀察組均顯著低于對照組(P<0.05)。術后椎體滑脫率兩組均較術前顯著降低(P<0.05)，且觀察組顯著低于對照組(P<0.05)。術后即刻、術后12個月固定節段矢狀曲度恢復率觀察組顯著高于對照組(P<0.05)。置釘準確率觀察組顯著優于對照組(P<0.05)。JOA評分優良率觀察組顯著高于對照組(P<0.05)；ODI術后兩組與術前比較均顯著降低(P<0.05)，且觀察組術后顯著低于對照組(P<0.05)。結論 術前3D打印制作個性化的腰椎矢狀曲度模棒，有助于腰椎椎弓根釘準確置入性，更好地恢復患者正常矢狀曲度。近期療效優于傳統手術。

3D打印技術；腰椎滑脫；手術導航

椎弓根螺釘內固定治療脊柱骨折、脊柱不穩定是一種有效的術式，由于椎弓根結構多變，給椎弓根螺釘準確置入帶來一定的挑戰[1]。傳統的漏斗法以及徒手置釘法主要依賴于手術醫師的臨床經驗，其置釘的準確率均不高；近年來發展的導航法雖然能夠有效提高椎弓根螺釘置入的準確性，但是由于需要購置昂貴的導航設備，且增加手術時間，目前仍然難以推廣應用[2]。C臂機輔助置釘是目前最為常見的置釘方式，置釘的準確率較高，但是術中需要反復進行X線透視，對醫患均造成一定的輻射危害[3]。通過數字模型文件打印出3D實物，能有效提高置釘準確率，本研究探討3D打印技術在腰椎滑脫手術中的應用價值，報道如下。

1 材料與方法

1.1 病例選擇 選擇2014年1月～2015年3月在佛山市禪城區中心醫院擇期行腰椎滑脫手術的87例患者。納入標準：① 經保守治療3個月以上無效者；② Meyerding腰椎滑脫分度為Ⅰ度或者Ⅱ度的單節段腰椎滑脫者；③ 存在長期神經根性疼痛或長期腰痛且與影像學定位相符合者；④ 隨訪時間達12個月者。排除標準：① 椎間盤退變需要進行多節段手術者；② 伴有2節段及以上腰椎滑脫者；③ 合并有嚴重骨質疏松者；④ 合并有其他內科疾病不能夠耐受手術者；⑤ 合并精神性疾病者。

1.2 病例資料 本組87例，男51例，女36例，年齡25～78(55.12±9.83)歲。病程6個月～9年(4.19±1.24)年。腰椎滑脫分型：峽部裂型59例，退變型28例。滑脫節段：L4～556例，L5～S131例。Meyerding椎體滑移程度：Ⅰ度63例，Ⅱ度24例。按照隨機數字表法將87例患者分為兩組：觀察組(45例)術前使用3D打印技術打印個體化矢狀曲度模棒行椎間融合術，對照組(42例)采用傳統椎間融合術，兩組一般資料比較差異均無統計學意義(P>0.05)，見表1。

表1 兩組患者術前一般資料

1.3 模擬手術及3D打印模板制作 為了幫助患者更好地恢復矢狀曲度，術前需要獲得患者正常矢狀曲度的相關數據，使用Mimics 15.0軟件進行手術模擬操作，以模擬手術恢復患者脫位及正常矢狀曲度的重建。① 術前采用63層螺旋CT進行腰椎掃描，獲取數據并將其導入Mimics 15.0軟件當中，對患者所需固定節段腰骶椎進行三維模型重建，并在此三維模型上測量患者鄰近椎間隙的前、后緣高度。② 在上述建立的三維模型上，使用移動工具(Move)糾正椎體的脫位，然后再使用旋轉工具(Rotate)使脫位的椎體在矢狀面進行旋轉，旋轉時以椎關節突作為旋轉中心，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。模擬手術完成后，測量患者的正常的矢狀曲度(即患者脫位椎體及其尾側鄰近椎體上終板的垂直夾角)。③ 將上述模擬手術復位作為基礎，設計最佳的椎體椎弓根螺釘的進釘點以及方向；采用Geomagic Studio 2013軟件，制作一個 ? 6 mm的三維模型，保存為.stl格式并傳入FORMIGA P 110激光快速成型機，進行3D實物打印，實物打印使用PA 2200型光敏樹脂材料。見圖1～3。

1.4 手術方法 全身麻醉。患者俯臥位并懸空腹部。以患者滑脫椎體為中心后正中切口，暴露滑脫椎體棘突、關節突及椎板，兩組均采用GSS椎弓根釘以及椎間融合手術。① 對照組：將滑脫椎體的兩側關節突松解，以椎板邊緣對腰椎椎弓根進釘點個體定位法行椎弓根螺釘置入手術，根據醫師經驗選擇長度適合的連接棒并將其進行相應的預彎，然后進行撐開、旋棒等相應的復位。通過C臂機透視顯示復位情況基本滿意后則可鎖緊螺帽，斜向插入與撐開器同號、填充自體碎骨屑的插入型椎間融合器，安置負壓引流管。② 觀察組：將上述3D打印制作的矢狀曲度模棒術前進行等離子消毒備用。將固定參考架安置于需要固定節段頭側棘突，對所需固定節段進行正、側位透視，并在計算機工作站上，于正、側位透視圖上引導釘道的建立以及螺釘的置入，注意螺釘植入方向需要與椎體上終板嚴格平衡，椎間隙處理以及減壓操作同對照組。按照預先制作出的矢狀曲度模棒將連接棒進行預彎，并安置預彎后的連接棒，行提拉復位。最后使用實現制作的矢狀曲度模棒驗證患者矢狀曲度的恢復情況，置入椎間融合器以及患者術后處理均同對照組。

1.5 觀察指標及療效評價 ① 兩組患者均于術前、術后3 d行正、側位X線及CT檢查，并將CT資料錄入Mimics 15.0軟件當中，以測量各項指標。② 兩組術中出血量、術中透視次數以及手術時間。③ 兩組椎體滑脫率(上位椎體在下位椎體上前后或側方的相對脫位距離/上位椎體前后徑或冠狀面長徑×100%)、固定節段矢狀曲度恢復率(患者術后固定節段矢狀曲度/患者術前模擬手術所得到的固定節段正常矢狀曲度×100%)以及置釘準確率(通過CT圖像評估患者椎弓根皮質與螺釘的關系，分為3級：Ⅰ級：椎弓根釘完整在椎弓根內；Ⅱ級：椎弓根釘突破皮質≤2 mm；Ⅲ級：椎弓根釘突破皮質>2 mm)。④ 術后12個月采用JOA下腰痛評分系統對患者進行療效評定。⑤ 采用ODI對患者手術前后腰椎功能進行評分。

2 結果

兩組患者均獲得12個月隨訪。

2.1 手術指標 觀察組患者術中出血量、術中透視次數及手術時間均顯著少于對照組(P<0.05)，見表2。

表2 兩組術中出血量、術中透視次數及手術時間比較±s)

2.2 椎體滑脫率 兩組患者術前椎體滑脫率比較差異無統計學意義(P>0.05)，術后兩組椎體滑脫率較術前明顯降低(P<0.05)；觀察組術后椎體滑脫率顯著低于對照組(P<0.05)。見表3。

表3 兩組患者治療前后椎體滑脫率比較±s)

與術前比較：*P<0.05；與對照組比較：△P<0.05

2.3 固定節段矢狀曲度恢復率 觀察組患者術后即刻、術后12個月固定節段矢狀曲度恢復率顯著高于對照組(P<0.05)。兩組術后12個月恢復率與術后即刻比較均有丟失，但觀察組差異無統計學意義(P>0.05)，而對照組差異有統計學意義(P<0.05)。見表4。

表4 兩組患者固定節段矢狀曲度恢復率±s)

與術后即刻比較：*P<0.05

2.4 置釘準確率 觀察組Ⅰ級35例(77.78%)、Ⅱ級8例(17.78%)、Ⅲ級2例(4.44%)；對照組Ⅰ級25例(59.52%)、Ⅱ級10例(23.81%)、Ⅲ級7例(16.67%)。觀察組置釘準確率顯著優于對照組(Z=-1.989，P<0.05)。

2.5 JOA評分優良率 觀察組優30例，良12例，可3例，優良率93.33%；對照組優11例，良21例，可10例，優良率76.19%。觀察組治療優良率顯著高于對照組(χ2=5.023，P<0.05)。

2.6 腰椎功能改善情況 兩組術前ODI比較差異無統計學意義(P>0.05)，兩組術后ODI均較術前顯著降低(P<0.05)，觀察組術后ODI顯著低于對照組(P<0.05)。見表5。

表5 兩組患者ODI比較(分，

與術前比較：*P<0.05

2.7 兩組典型病例 見圖4、5。

3 討論

腰椎滑脫手術治療目的為恢復患者腰椎的正常序列、解除椎間盤以及滑脫腰椎對于患者神經的壓迫，并穩定脊柱預防滑脫進展[4]，進行椎弓根螺釘內固定手術以糾正滑脫的腰椎并回復腰椎的正常矢狀曲度。對于腰椎滑脫手術是否需要進行復位目前仍然存在一定的爭議，大部分學者認為[5-6]，椎體的滑移不穩是導致腰椎滑脫的病理基礎，對滑脫椎體不復位則不能夠有效解除患者椎管狹窄等癥狀，同時椎間融合接觸面也有所減少，不利于椎間植骨融合，因此椎體復位仍然是腰椎滑脫手術的常規項目之一。對于患者腰椎矢狀曲度的恢復，學者的意見較為統一[7]：即若矢狀角度未恢復，其相鄰節段的矢狀曲度將會發生代償性改變，引起術后相鄰節段腰椎活動度增大、椎間隙不穩、應力增加，從而導致鄰近節段的退行性病變，術后遠期可能發生內固定斷裂、松動，進而導致手術失敗。因此，腰椎滑脫內固定手術的一個重要步驟即為恢復腰椎的正常矢狀曲度。但是由于不同患者其腰椎正常矢狀曲度變化范圍較大，目前尚無統一的曲度標準。本研究中，術前對不同患者進行個性化的三維模型重建，從而準確獲得患者需固定節段的正常矢狀曲度數據，并通過3D打印技術打印出相應的矢狀曲度模棒，并將其運用于術中患者矢狀曲度的恢復指導當中。

圖1 術前3D打印模型 圖2 術前3D打印導板 圖3 術前模擬置釘 圖4 觀察組患者，女，56歲，L4椎體Ⅰ度滑脫 A．術前正、側位X線片，顯示L4Ⅰ度滑脫；B．術后正、側位X線片，顯示L4滑脫復位，內固定位置良好 圖5 觀察組患者，男，68歲，L5椎體Ⅱ度滑脫 A.術前正、側位X線片，顯示L5Ⅱ度滑脫；B.術后正、側位X線片，顯示L5滑脫復位，內固定位置良好

本研究結果顯示，觀察組患者術中出血量、術中透視次數、手術時間、術后椎體滑脫率、固定節段矢狀曲度恢復率以及置釘準確率均顯著優于對照組(P<0.05)，提示將快速成型導向模板技術應用于脊柱螺釘的置釘手術中，能夠提高置釘的準確性，從而獲得較為良好的手術效果。3D打印技術可制備出個性化的模版，具有著簡單、直觀的臨床特點，減少對術者臨床經驗的依賴，對于初學內固定置釘的術者尤為適用。

本研究術后12個月隨訪，結果顯示，觀察組治療優良率顯著高于對照組(P<0.05)，且觀察組患者腰椎功能恢復情況顯著優于對照組(P<0.05)，提示3D打印技術應用于腰椎滑脫手術有助于患者腰椎功能的恢復，臨床療效良好。但是本研究隨訪時間不長，尚需延長隨訪，進一步分析遠期療效。

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(接收日期：2016-12-08)

Application value of 3D printing technique in the operation of lumbar spondylolisthesis

CHENJia-hua,DENGYe,LUOLi-zhen,HUANGKai,TANMing-sheng,DONGLiang,JIANGLiang-hai,XIEDa-zhi

(DeptofSpinalSurgery,FoshanChanchengDistrictCentralHospital,Foshan,Guangdong528000,China)

Objective To investigate the application value of 3D printing technique in the operation of lumbar spondylolisthesis.Methods Eighty-seven cases underwent surgery of lumbar spondylolisthesis patients, which were randomly divided into observation group (45 cases) and control group (42 cases), control group was treated by traditional lumbar interbody fusion and the observation group was treated with 3D printing technique to print individual sagittal curvature mode rods for intervertebral fusion, intraoperative situation and effect were compared between the two groups of patients. Results In the observation group, the volume of bleeding during operation, the perspective times of operation and the operation time were significantly lower than those of the control group (P<0.05). The spondylolisthesis rate was lower postoperative than preoperative in both groups(P<0.05), the rate of spondylolisthesis in the observation group was significantly lower than that in the control group (P<0.05). The observation group patients immediately after surgery and postoperative 12 months fixed segment sagittal curvature recovery rate was significantly higher than the control group (P<0.05). The accuracy rate of the observation group was significantly higher than that of the control group (P<0.05); the JOA score system was used to evaluate the effect of the patients, and the excellent and good rate of the observation group was significantly higher than that in the control group (P<0.05). The Oswestry index of the two groups were significantly lower than that of the preoperative (P<0.05), and the index was significantly lower in the observation group than that in the control group (P<0.05). Conclusions Using 3D printing technique of making personalized lumbar sagittal curvature mode rod guide pedicle screw internal fixation, contribute to the lumbar pedicle nail placement accuracy improve, better recovery in patients with normal sagittal curvature and has a good curative effect, less complications and other clinical advantages, is conducive to the recovery of the patients with lumbar function.

3D printing technique;lumbar spondylolisthesis;surgical navigation

10.3969/j.issn.1008-0287.2017.01.003

2015年佛山市醫學類科技攻關項目(編號：2015 AB001621)

1佛山市禪城區中心醫院脊柱外科，廣東 佛山 5280002中日友好醫院脊柱外科，北京 100029

陳嘉華，男，副主任醫師，主要從事脊柱外科研究，E-mail：chenjiahua@medmail.com.cn

R 681.5；R 687.3

A

1008-0287(2017)01-0005-04