周馳雨，初同偉

陸軍軍醫大學第二附屬醫院新橋醫院，重慶400037

前言

近年來，高速發展的3D打印應用已經引起了醫學界高度的關注。在外科領域中，這項技術對于提高手術的精準度以及改進治療效果等方面有著巨大的潛力，特別是在脊柱外科，許多手術步驟復雜，術區牽涉許多重要的脊髓、神經根、椎旁血管等解剖結構，而傳統影像學二維平面資料難以全面反映病情。

在實際應用中，通過高分辨率CT和MRI的原始數據，醫生可以在3D軟件中重新構建個體化的人體組織，并將其打印成實際物體。這種實物與傳統的平面影像學圖像相比，除了精確度、分辨率都優于后者外，其立體感與可觸摸感更是傳統影像學資料所不具備的。除此之外，還可以依據打印出來的實物進行手術模擬，制作個體化手術導板以及作為植入物的塑形模具，較高級的3D打印技術則可以打印出個體化的植入物替代通用的器材，以達到更好的術后效果。同時，由于打印物真實地還原了病變組織，可以用于教育患者，使患者理解疾病情況及手術方式，以達到改善醫患溝通的效果。

目前已經有文獻報道3D打印技術在醫學中的優點［1］。本文目的在于分析納入文獻中提到的在脊柱疾病中使用3D打印技術應用的方法以及優缺點，重點關注3D打印技術的成本效益。

1 方法

電子檢索已正式發表的國內外文獻，時間限定于2000年1月～2018年3月，使用“脊柱外科、3D打印技術、增材制造、快速成型、脊柱畸形、脊柱腫瘤”作為主題詞（英文主題詞為：“Spine、Scoliosis、Spinal Tumor、3D printing、Additive manufacturing、Rapid prototyping”）搜索，以盡量涵蓋所有脊柱外科使用3D打印技術的文章。納入標準為：脊柱外科，3D打印技術，增材制造，快速成型，臨床研究。排除標準為：非3D打印，非脊柱外科學，非臨床用途，教學用途。國內使用中國知網數據庫搜索，國外文獻使用PubMed與Web of Science數據庫。入選文獻由第一作者獨立嚴格篩選，文獻語言使用中文及英語。對納入的文獻進行全文分析，進行應用分類，重點關注文獻提到的具體方法、臨床預后和效益成本。

2 結果

搜索結果顯示，中文文獻共計72篇，英文文獻共計44篇。對文獻進行篩選后，共納入中文文獻15篇，英文文獻20篇。文獻篩選策略見圖1。納入的文獻中占比最高的是關于解剖模型的應用，占據總數的44%，這表明3D打印的解剖學模型是這項技術在脊柱外科中最重要的使用方法。其次是有關使用3D打印導板的文獻，占文獻數量的35%，這一類的文獻大多是隨機對照或者隊列研究，具體分析在臨床中使用3D打印導板后給患者帶來的好處。打印個體化植入物的文獻較少，僅占21%，這表明在人體植入物這一類的應用中，3D打印技術處于發展的前期，這可能是由于個體化的打印物難以設立統一的標準進行臨床應用，但涉及植入的文獻都表明3D打印的植入物能較好地滿足人的形態學需求，固定牢固、性能可靠，值得進一步大規模的臨床實驗。

圖1 檢索策略和研究選擇流程圖Fig.1 Search strategy and reasons for exclusion proportion

2.1 形態模型

使用3D打印技術制作形態模型是該技術在外科領域中最主要的應用方式。依據患者影像學數據可以精確地打印個體化的模型，用作手術計劃制定和手術模擬，以便更好地了解術區變異情況，避免損傷重要結構［2］。Wang等［3］認為該技術的應用可以減少手術時間、術中透視次數以及出血量，同時有利于增加患者對疾病的了解，以達到更好的醫患溝通效果。袁峰等［4］認為在頸椎后縱韌帶骨化病例中，3D打印模型能清晰全面反映椎管內骨化占位情況，對手術前、后路方式的選擇有一定指導意義。

目前3D打印機制作的模型已經從單一白色、單一骨性模型發展到能打印出全彩、全組織模型。Goel等［5］報道在先天性斜頸、短頸的患者治療中，使用3D打印技術制作顱骨交界區彩色模型，除骨性結構外，還可添加神經、血管等重要毗鄰結構，其研究結果顯示，精確的3D模型為術區提供了明確的解剖學評估，尤其是在確定椎弓根螺釘置釘位置方面有傳統透視無法匹敵的精確度。

在頸椎腫瘤的治療中，En Bloc是最理想的手術方式，而傳統資料難以全面反映病情。Xiao等［6］認為3D打印彩色模型可以更好地區分正常組織與腫瘤組織，從而使外科醫生可以更好地制定手術計劃。王琪等［7］報道脊柱腫瘤術前模型的建立可以指導術中更精確、完整地切除病變區域。而在脊柱畸形的治療中，李彥明等［8］認為打印的模型有助在術前了解各椎體畸變情況，能有效地避免在發育嚴重狹窄的椎弓根中置釘。王虹等［9］使用計算機輔助設計確定畸形矯形棒形態，并結合3D打印技術制作實物用于指導手術，研究結果認為打印組手術時間、出血量、平均X線照射次數均明顯少于對照組，同時打印組的Cobb角糾正率以及置釘優良率也優于對照組。

脊柱椎弓根螺釘的置入是脊柱手術中常用的操作，而3D打印技術也能顯著提高置釘的成功率。陳勤等［10］報道在40例腰椎滑脫患者的治療中，以隨機對照的方式分為打印輔助置釘組及徒手置釘組，結果顯示打印組置釘時間、穿刺次數以及置釘準確率等指標較對照組均有明顯改善。楊泗華等［11］研究表明，在強直性脊柱炎合并胸腰段椎體骨折的病例中使用3D打印技術制作椎體1:1模型，術前確定椎弓根螺釘置放位置并用于術中用于指導手術，結果顯示實驗組出血量、手術時間及術后引流量較對照組均有明顯改善。

在脊柱的微創治療方面，賴居易等［12］認為3D打印的模型能幫助術前確定經皮椎間盤鏡的入路點及工作通道角度等，研究的結果顯示打印模擬組在手術時間、出血量及穿刺次數等方面均優于對照組。而Li等［13］認為3D打印技術的確能減少腰椎間盤切除術后再次翻修手術的時間與出血量，但隨訪的結果顯示打印組與對照組在ODI、JOA、VAS評分和圍手術區并發癥發生率與對照組相比無明顯差異。

在兒童脊柱疾病治療方面，也有學者認為重建的模型能有效地增加手術的安全性并改善預后［14］。Karlin等［15］采用回顧性分析研究17例兒童脊柱畸形的治療，其中7例使用3D打印制作模型，10例使用傳統二維影像學資料，研究結果顯示打印組在術中透視次數、出血量以及畸形矯正率等方面均優于對照組。而在輕中度青少年特發性脊柱側彎（主彎小于30°）的保守治療中，Raux等［16］使用光學三維掃描系統采集患者體表數據，并使用3D打印機制作支具，其產品與傳統支具相比，無論是在制作速度、外形合適度、舒適感還是在矯形效果上都有很大的提高。

2.2 手術導板

作為3D打印在脊柱外科領域中的第二大類應用，手術導板主要用于椎弓根螺釘輔助置釘導板，其次為截骨導板。依據椎體表面形態數據結合工程設計能制作出完美貼合骨性表面的導板，能有效地在術中輔助外科醫生進行操作。Kaneyama等［17］在20例頸椎手術患者中使用3D打印技術制作的置釘導板輔助置釘，通過術前CT采集數據，使用3D打印機以非溶性丙烯酸酯為材料打印導板，等離子體消毒后用于手術中，共置釘80顆，術后CT復查顯示，所有螺釘都精確放置于預期位置，97.5%的螺釘完全放置于椎弓根皮質內，無一例并發癥出現，并且減少術中的透視次數，同時報道每個導板價格平均為30美元，醫療支出的增幅并不明顯。Chen等［18］在43例腰椎后路固定術中使用3D打印的導板輔助置釘，與對照組相比，縮短手術時間、減少出血量、減少透視次數，但置釘準確度與對照組無差異，兩組均未發生圍手術期并發癥。Liu等［19］在重度脊柱畸形患者中使用3D打印技術制作置釘導板，共打入48枚椎弓根螺釘，置釘準確率達到93.8%，高于徒手置釘78.8%的準確率。

國內也有較多學者認為3D打印技術制作的導板可以有效提高置釘成功率。陳宣煌等［20］在脊柱外科手術中使用3D打印技術制作個體化導板輔助放置椎弓根螺釘253枚，245枚達到理想效果，準確率高達96.84%。盧騰等［21］在治療頸椎畸形患者時制作了個體化的導板輔助置釘，明顯減少了手術時間且術中未使用透視儀，消除了電離輻射的傷害，術后復查顯示置釘優良率達97.1%，無并發癥發生。吳超等［22］以隨機對照方式研究18例胸腰椎骨折的患者，結果顯示打印導板組的出血量、手術時間、術中透視次數均少于對照組，同時置釘成功率及預后改善程度也均優于對照組；而且認為3D打印輔助置釘導板與計算機導航系統比較，前者的手術時間及出血量較后者明顯減少，而置釘的準確率相同［23］。

3D打印技術制作的導板是基于骨性組織表面形態，若導板位置放置不佳則依然有可能導致置釘失敗。于海龍等［24］在胸椎腫瘤術中用打印導板輔助置釘14枚，12枚位置良好，有2枚穿破椎弓根壁，但最終位置也在可接受范圍內。因此，寧金沛等［25］提出導板的使用需要清除骨表面的軟組織才能獲得較好的精度。而姜良海等［26］則認為使用3D打印技術制作的標桿型導板能有效克服傳統通道型導板使用時因軟組織條件不好而造成的導板無法與骨面嚴密貼服而帶來的誤差。

在截骨導板方面，Lin等［27］報道在骶骨神經鞘瘤的治療中，采集影像數據制作出骶骨模型，結合計算機輔助設計截骨導板（依托對側骶棘為接骨面），實現了外科醫生對術區解剖結構的精確認識，術中無損傷任何神經根及硬脊膜，術后未發現脊柱不穩的情況。付軍等［28］在31例骨腫瘤患者中使用3D技術建立病灶數字化模型，預先確定手術范圍及方式，并根據需要制作術區導板，結果顯示較同期對照組，手術時間明顯縮短，術中透視次數減少；但也提到由于存在術前3D建模設計和導板制作，大幅增加了術前時間，同時也出現了3例術中導板發生斷裂的情況。

2.3 個體化植入物

相較于傳統植入物的減材批量制造方式，3D打印技術逐層疊加的增材制造能定制出符合個體患者的特定植入物。Mroz等［29］用3D打印技術制作的人工腰椎間盤，結合有限元軟件分析處理假體應力、摩擦力及耐用性等問題，研究結果顯示制作的假體不僅能全面滿足腰椎活動的需要，還同時恢復了正常的椎間高度和腰段脊柱的生理曲度。而Knutsen等［30］認為目前3D打印制作的椎間盤融合器缺乏可靠的力學測試，也無統一的測試標準，需要做更多的研究來優化3D打印融合器的設計和制作。

在脊柱腫瘤的治療中，手術切除是目前最重要也是最有效的方法，以往鈦籠結合椎弓根螺釘植入的固定技術已能達到穩定病變節段的效果，但長期隨訪依然能發現不少斷釘、斷幫和鈦籠塌陷的病例。這往往是由于植入骨骨化不良、鈦籠末端較尖銳等造成的應力增大引起的。對此，3D打印技術則能根據患者的個體化數據進行制作，能更好地還原人體正常結構，植入物與相鄰椎體擬合度較好，可以獲得更好的外觀效果。此外，目前主流打印技術制作的鈦合金多孔結構能有效地讓自體組織細胞向內生長，以達到更好的結構穩定性。Mobbs［31］等在高位（C1-C2）脊索瘤的治療中，使用3D打印技術制作個體化帶釘道的鈦基假體來修復切除區域的缺損，術后9月隨訪無松動、移位等現象產生。同時也報道了在1例先天性半椎體患者中，根據患者病變椎體數據制作的個性化3D打印鈦籠，并進行后路融合。在12個月的隨訪中，患者腰椎活動度較術前明顯增加，VAS評分顯著下降，Oswestry指數從術前68%降至0%，術后1年隨訪X線復查顯示：鈦籠與鄰近骨組織融合成熟，無沉降移位現象。Xu等［32］在頸2椎體尤文肉瘤的治療中也認為用3D打印鈦合金植入物能有效地重建C2椎體。Choy等［33］在治療1例14歲女性胸9椎體腫瘤患者的治療中使用3D打印制作鈦合金椎體假體植入替代病椎，認為這項技術能基于個體制作定制化假體，為植入后的固定提供更好的生理契合度，同時通過預先制定手術計劃，顯著減少手術時間。Kim等［34］報道1例骶骨骨肉瘤患者全骶骨切除后使用3D打印鈦合金骶骨植入的臨床研究，術后病人僅出現了輕微的左下肢肌力下降，并于2周后恢復，1年隨訪顯示鈦合金植入物與周圍骨組織緊密融合，患者無需輔助裝置便能行走自如。Wei等［35］在骶骨腫瘤En Bloc術中使用3D打印假體重建腰骶髂部結構，認為有以下優點：（1）定制的3D打印植入物綜合SPF、PPRF及ASCF等術式的優點，提供了一個廣泛、穩定的重建結構；（2）多孔結構的打印假體有利于骨組織的長入，為遠期骨性融合創造良好的條件。

3 結論

3D打印技術作為一種新興科技，其醫學應用產品主要為形態模型、手術導板以及個體化植入物等，其三維可視性使得醫師在處理復雜脊柱手術上獲得了以前通過平面影像資料無法得到的精確數據，再通過合理的術前設計使得在手術中能有效地避免損傷術區重要結構，極大地降低手術風險，節省手術時間。在個體化植入物的制作中，3D打印技術展示了其優于傳統假體的個性化、多孔化等特點，但是在耐用性以及可靠性方面依然欠缺長期隨訪數據，同時3D技術制作模具所消耗的時間、設計軟件的專業性以及打印產生的額外費用等問題限制了該技術的通用性，所以在常見脊柱疾病中使用3D打印技術的意義和價值并不大，只有在較為復雜的病例中使用這項技術才能符合成本效益。