計算機輔助術前矯正模型設計結合3D打印技術在脊柱畸形治療中的應用

周馳雨，張瑩，初同偉

陸軍軍醫大學第二附屬醫院（新橋醫院）骨科，重慶400037

前言

在復雜脊柱畸形的外科治療中，由于畸形情況和手術方式的復雜與多變性，外科醫生需要針對病變進行精確測定，因此術前制定針對不同脊柱畸形患者的精確化手術方案非常必要。脊柱嚴重側凸、后凸可引起脊椎前后柱結構廣泛僵硬，發生脊柱三維畸形，導致脊柱穩定性嚴重失衡，同時患者出現心肺發育異常，呼吸循環障礙，自卑心理等嚴重伴發癥狀，甚至出現遲發型癱瘓，嚴重影響生存、生活質量［1］。外科干預是治療重度脊柱畸形的有效手段［2］，而由于脊柱畸形嚴重，解剖學結構復雜，因此，術前針對不同的畸形類別及程度制定精確化的手術方案顯得尤為重要［3］。以往脊柱外科手術只能采用二維圖像資料如X線片、CT、MRI等進行手術設計，這些二維資料在反映脊柱病變嚴重程度、病變位置和畸形情況等信息不全面而且缺少直觀性，往往需要臨床醫生術中探查、通過觸摸感覺病變情況，憑借豐富的臨床經驗和手術技巧來完成手術，術中有可能會對病變部位、病變情況等判斷不準確甚至出現錯誤，影響手術的安全性和精確性［4］。

隨著影像技術的發展及快速成型技術（Rapid Prototyping,RP）的成熟，個體化設計及制造的生產效率有望顯著提高，從而彌補傳統個體化治療效率上的不足?？焖俪尚图夹g又叫3D打印技術，它是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。由于RP技術可以將計算機輔助設計（ComputerAssisted Design,CAD）的模型快速、準確地轉化為具有一定功能的實物模型并可對實物模型進行評價、試驗，因而得到了迅速的發展和應用［5-7］。

筆者計劃利用3D打印技術對脊柱畸形患者進行三維重建，并根據計算機模型，制定手術計劃及模擬術后效果，打印出實體模型用以指導手術。術后行CT三維重建，比較術前矯正模型設計效果與術后實際結果在冠狀位、矢狀位Cobb角恢復、頂椎偏距(Apical Vertebra Translation,AVT)、脊柱矢狀位軸(Sagittal Vertebral Axis,SVA)以及冠狀位平衡（C7 Plumb Line-Center Sacral Vertical Line,C7PL-CSVL）有無差異，以期為3D打印技術在脊柱畸形的深入應用打下基礎。

1 資料與方法

1.1 病例納入及排除標準

納入標準：①青少年先天性、特發性脊柱側彎，經保守治療無效，一般情況良好，能耐受手術者；②脊柱結核、強直性脊柱炎等后天獲得性脊柱畸形（主彎Cobb角＞50°）；③退變性脊柱側彎（胸椎側凸角＞50°、腰椎側凸角＞40°、SVA＞4.5 cm）。

排除標準：①各種病因造成的輕度脊柱畸形（主彎Cobb角＜40°，無結構性雙彎、三彎等）；②間質病變所致脊柱側凸，如馬方綜合征、先天性多關節攣縮癥；③由代謝性、營養性等原因造成的脊柱側突；④有嚴重基礎疾病、不能耐受麻醉及手術者。

1.2 病例資料

選自2016年1月～2018年3月符合上述條件的陸軍軍醫大學第二附屬醫院（新橋醫院）住院治療患者。共納入病例26例，男性5例，女性21例；年齡11～65歲，平均26歲；青少年特發性脊柱側彎12例，退變性側彎2例，脊柱側后凸畸形7例，神經纖維瘤病伴脊柱畸形3例，脊柱半椎體2例。采集患者術前脊柱全長正側位及左、右屈曲位片，以評估脊柱畸形情況、柔韌度以及椎體旋轉情況；術后以及隨訪時行脊柱全長正側位片以評估脊柱畸形改善情況。手術方式選擇經后路脊柱畸形矯正截骨（必要時）融合內固定術，手術均由同一位主任醫師主刀，由患者決定使用山東威高公司或者美國強生公司的內固定器械。

1.3 矯正模型制備

所有患者均行脊柱全長CT（美國通用電氣公司64排雙源CT）掃描，掃描厚度設置為0.64 mm。所得影像數據以DICOM格式導入Mimics19.0軟件，重建出脊柱三維模型，由作者及主刀醫生共同評估模型，立體觀察脊柱畸形情況，并結合平片數據計算出的脊柱柔軟度，合理設計術后能矯正到的最佳形態。將矯正后的模型數據保存為STL（Surface Tesselation Language）格式，再導入3D打印機中制造出來，清潔消毒后帶入手術室中用以指導手術。

1.4 手術過程

麻醉成功后患者取俯臥位，常規消毒、鋪巾，取后正中切口，切開皮膚、皮下及深經膜層，止血護皮。剝離兩側椎旁肌至顯露相應椎體關節突，按術前計劃在擬固定椎體雙側逐一放置椎弓根螺釘，去除相應節段椎體后方韌帶及棘突，在凸側區域行截骨（必要時），見脊柱松解良好后比照矯正模型的形態通過連接棒的提拉、加壓及去旋轉作用矯正脊柱形態。見矯形后脊柱外觀形態與模型基本一致后，將術區椎體表面骨質用骨刀剃松，表面放置自體骨加部分異體骨行后路椎板間融合，如合并胸廓畸形則同時行胸廓成型術，切除部分突起的肋骨。常規放置引流管以及逐層關閉傷口。

1.5 觀察指標以及治療效果評價

觀察指標：①患者術前、術后即刻、以及隨訪時的脊柱冠狀位、矢狀位Cobb角度數、AVT、C7PLCSVL及SVA具體數值；②矯形設計模型的冠狀位、矢狀位Cobb角度數、AVT、C7PL-CSVL及SVA具體數值；③搜集患者可能出現的不良事件信息。

治療效果評價：①計算術后各期指標較術前改善程度；②計算設計模型各指標與術后各期指標一致程度；③統計各種不良事件發生情況。

1.6 統計學方法

采用SPSS 19.0統計軟件進行分析。比較術前狀態，三維模型設計與術后結果及隨訪結果的差異性，病例計量資料用均數±標準差表示，當符合正態分布時采用配對t檢驗，不符合正態分布時采用兩相關樣本秩和檢驗。檢驗水準均為α=0.05。

2 結果

2.1 一般情況

所有病例全程隨訪，隨訪時間在3～24個月，平均隨訪9.5個月。26例患者平均手術時間220（135～3 300）min，平均出血量650（200～1 500）mL，平均術中透視次數3.7（2～6）次，平均住院日12.5（7～21）d。在26例納入患者中，1例出現術后切口滲液，皮緣紅腫情況，考慮皮下感染，予以二期清創后行真空封閉吸引（Vacuum Sealing Drainage,VSD），同時全身應用敏感抗生素治療，加強營養支持后切口逐漸好轉愈合。1例患者術后第3天出現下肢肌力下降情況，左下肢各肌群平均肌力2級，右下肢各肌群平均肌力3級，行影像學檢查未發現椎管內異常情況，考慮遲發型脊髓功能障礙。予以營養神經并行高壓氧治療，術后1月隨訪時，左下肢肌力恢復至4級，右下肢肌力恢復至5級，術后3月隨訪時，雙下肢肌力已基本恢復正常。其余患者未見任何不良事件發生。

2.2 術前脊柱畸形情況與術后矯正情況

患者術前及術后脊柱冠狀位、矢狀位Cobb角度數、AVT、C7PL-CSVL及SVA統計結果如表1所示。患者術前脊柱冠狀位、矢狀位Cobb角度數、AVT及SVA測值與模型設計、術后測值的差異具有統計學意義。患者模型設計、術后及隨訪測值之間的差異未見統計學意義。

表1 26例患者各時期5項影像學參數比較（±s）Tab.1 Comparison of 5 radiographic parameters for 26 patients in each time period(Mean±SD)

表1 26例患者各時期5項影像學參數比較（±s）Tab.1 Comparison of 5 radiographic parameters for 26 patients in each time period(Mean±SD)

△術前與模型比較；#模型與術后即刻比較；*術后即刻與術前比較；&末次隨訪與模型比較，z值是秩和檢驗的結果，其中a為正秩，b為負秩

時期術前狀態模型設計術后即刻末次隨訪冠狀位Cobb角/°測量值61.7±18.1 22.1±7.7 23.3±9.1 23.5±8.8統計值z=-4.372a P=0.000△z=-1.871b P=0.061#z=-4.373a P=0.000*z=-1.857b P=0.063&頂椎偏距/mm測量值68.5±22.5 34.7±14.5 36.1±17.3 36.2±16.8統計值t=9.764 P=0.000△z=-1.131b P=0.258#z=-4.373a P=0.000*z=-1.319b P=0.187&冠狀位平衡/mm測量值8.9±9.1 9.7±7.0 11.2±7.5 11.4±7.3統計值z=-0.926a P=0.355△z=-1.643a P=0.100#z=-1.329a P=0.184*z=-1.915a P=0.055&矢狀位Cobb角/°測量值48.3±29.3 21.4±10.8 22.0±12.3 22.1±11.9統計值t=4.412 P=0.000△t=-1.006 2 P=0.301#t=4.250 P=0.000*t=-1.722 P=0.101&脊柱矢狀位軸/mm測量值37.7±25.8 17.6±12.4 17.1±13.0 17.4±12.5統計值z=-4.153a P=0.000△z=-0.737a P=0.355#z=-4.051a P=0.000*z=-0.025a P=0.980&

2.3 典型病例

中年女性患者，45歲，主要臨床癥狀為下腰部區域疼痛（VAS 7分），術前腰椎平片顯示胸腰段脊柱側后凸畸形，選取上端椎為胸12，下端椎為腰4，冠狀位Cobb角度為53.4°，AVT為66.2 mm，C7PL-CSVL為13.4 mm，矢狀位后凸角度（T11-L3）為84.9°，SVA為77.2 mm；設計模型擬矯正數據為：冠狀位Cobb角度為25°，AVT為45 mm，C7PL-CSVL為10 mm，T11-L3為40°，SVA為10 mm；術后即刻測量數據為：冠狀位Cobb角度為26.1°，AVT為48.5mm，C7PL-CSVL為11.2mm，T11-L3為38.7°，SVA為3.5 mm；術后6月復查數據：冠狀位Cobb角度為23.6°，AVT 為43.3 mm，C7PL-CSVL為14.4mm，T11-L3為34.9°，SVA為7.4mm。見圖1。

3 討論

脊柱畸形疾病主要分為先天性脊柱發育畸形、特發性脊柱側彎、綜合征性脊柱側彎等。先天性脊柱側凸是指由脊柱發育異常形成引起的脊柱畸形，綜合征性脊柱側彎與神經肌肉、骨骼或者結締組織的功能紊亂有關，而特發性側彎則認為是有遺傳易感性的多因素疾?。?］。目前有觀點［9-10］認為脊柱側彎Cobb角小于50°時可采用形體功能鍛煉，佩戴矯形支具，定期物理牽引等方式予以保守治療［11］。當側彎Cobb角大于50°時?？紤]行脊柱內固定術矯正畸形，恢復脊柱正常曲度［12-13］。當畸形角度超過90°時認為是重度脊柱畸形，這類脊柱疾病常常由于畸形嚴重，脊柱側凸的同時伴有后凸和椎體的旋轉，導致脊柱在三維結構上皆有異常的曲率，而且脊柱僵硬嚴重，Bending像柔韌度較低。而往往由于嚴重的脊柱畸形導致患者脊髓不同程度地受壓，所以重度以上的脊柱畸形患者常常伴有脊髓神經功能的障礙，例如肌力下降，皮膚感覺異常以及大小便功能喪失等，同時也可能引起胸廓的發育不良，進而影響呼吸和肺功能［14］。手術干預是治療此類疾病的唯一選擇。

圖1 脊柱畸形患者接受設計矯正模型輔助手術過程Fig.1 The process of surgery assisted by designed correction model for patients with spinal deformities.

醫師在術前通過閱片來了解患者脊柱畸形情況，難以獲得立體的觀感和實際觸摸感。此外，嚴重畸形的脊椎不僅表面骨性結構標志不清，還有異常增生的骨質，同時椎弓根也可能存在著變異。這些因素疊加在一起，使得脊柱畸形矯正術是脊柱外科中風險程度最高的術式之一，且手術不良事件的發生率隨著脊柱畸形程度的加深而加大。Berry等［15］報道慢性呼吸衰竭，膀胱功能障礙以及癲癇是重度青少年脊柱側彎患者行脊柱固定術后最嚴重的并發癥。所以醫師在術前對脊柱畸形情況的掌握程度決定了手術的成功率，而傳統影像技術平面圖像的局限使得醫師，尤其是青年醫師很難全面掌握畸形脊柱的三維立體結構；對于高年資醫師而言，重度脊柱畸形的截骨區域設計，椎弓根釘道的確定，椎管的結構等信息也是極為重要的［16］。

得益于3D打印技術的進步，使得快速精確地制作個體化物體成為可能。依據患者自身的高分辨率影像數據，可以在計算機上還原成三維結構，全方位觀察脊柱形態，尤其椎管和椎弓根畸形情況，并對結構進行有目的的設計，確定釘道方位，設計截骨區域，模擬術后矯形效果等，再將最終數據導入3D打印機中制作出實體模型，帶入手術室用于術中參照，實現精準手術［17］。有研究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［18-19］。Karlin等［20］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。

根據筆者的結果：主彎Cobb角、AVT和SVA這3項指標在術前和術后具有統計學差異，術前和模型具有統計學差異，而模型和術后差異無統計學意義，表明術前模型設計和術后結果之間的取得了較好的一致性，而反應構成冠狀位平衡的C7PL-CSVL術前、術后以及模型均無統計學差異，考慮多數患者脊柱畸形后自發代償構成了平衡，而術后依然追求的是平衡效果，故而差異不大。總而言之，筆者3D打印技術在脊柱畸形的外科治療應用中有如下意義：（1）在效率上滿足個體化設計、制造的要求。3D打印技術能使計算機屏幕上的數字化模型在數小時內成為醫生可以拿在手上作任意角度觀察的實體模型，這有助于臨床醫師對復雜的三維解剖結構做出最真實、準確的評估；（2）便于手術團隊之間的交流溝通，最大限度地減少分歧和失誤，制定出個性化手術方案；（3）在計算機建模上進行模擬手術，能夠發現手術設計不完善之處以及了解術中可能會碰到的一些困難，并及時對手術方案進行調整，能大大提高手術的準確性及安全性；（4）外科醫生可以通過精確測量，選擇手術中進釘點、螺釘直徑和長度，從而減少組織的過度分離、降低術中出血量、節省手術時間；（5）通過應用脊柱實物模型有利于向患者解釋、交流病情和治療方案；（6）通過模型可以更好地評估外科手術預后；（7）模型上模擬手術可以為缺少經驗的外科醫師提供操作經驗。

本研究的不足首先在于實驗設計為患者自身前后對照試驗，缺乏隨機性和盲法，所以在詢證醫學證據水平分級里較低。其次，受制于打印機精度和患者客觀條件，模擬效果和術后實際效果間仍有小幅差異；另外，打印模型也僅為術中參考，而主刀醫生從中能獲益多少，患者能獲益多少等還缺乏具體評價指標；最后是3D打印所需費用平均每個模型在1 000元左右，對患者而言也是一筆額外支出。

4 結論

通過合理的術前設計結合高精度3D打印技術制作的模型能很好的為脊柱外科醫生提供術中指導，研究納入的26例患者，術后的各期測量數據與術前設計模型一致性較好，可靠地反映了該技術的有效性，3D打印技術在骨科中的應用值得進一步深入研究和應用推廣。