3D打印技術在老年退變性腰椎側彎手術中的應用

趙 暉，鄒 明，胡 偉，劉向陽，吳建明

亳州市人民醫院脊柱外科 安徽亳州 236803

3D打印技術又稱快速成型技術，是一種以計算機數字化模型為基礎，在其控制下利用光敏材料逐層黏合打印的逆向增材工程技術[1]。近年來3D打印技術迅猛發展，在醫學領域的應用也更為廣泛[2-4]。2016年1月至2018年5月，我院有20例老年退變性腰椎側彎患者接受聯合3D打印腰椎模型和術中椎弓根定位-定向導板的腰椎后路減壓植骨融合椎弓根螺釘內固定側彎糾正術，20例接受常規手術治療，本研究比較了兩組患者的療效及手術相關指標，評價3D打印技術在老年退變性腰椎側彎手術中的臨床價值。

1 對象與方法

1.1研究對象40例老年退變性腰椎側彎患者均符合以下標準:①年齡60～80歲。②術前行脊柱全長Bending位X線片，腰椎CT、MRI檢查，查體確認癥狀、體征與影像學表現相符合，明確診斷為退變性腰椎側彎。③術前完善相關檢查，必要時由相關科室會診，綜合評估為可耐受手術和麻醉者；術前充分溝通，手術意愿強烈，可以接受手術風險的患者。20例采取常規腰椎后路減壓植骨融合椎弓根螺釘內固定側彎糾正術(對照組)，男11例，女9例，61～80歲。另外20例采取聯合3D打印腰椎模型和術中椎弓根定位-定向導板的后路減壓植骨融合椎弓根螺釘內固定側彎糾正術(研究組)，男12例，女8例，60～80歲。兩組年齡、性別分布及術前疼痛視覺模擬評分(visual analogue scale，VAS)、腰椎功能障礙指數(Oswestry disability index,ODI[5])等一般資料比較差異無統計學意義(P>0.05)。

1.23D打印腰椎模型和導板的制作研究組采用西門子64排CT薄層掃描患者腰椎，掃描層厚0.6 mm，掃描圖像以Dicom格式保存后通過處理軟件Mimics17.0(比利時Materialise公司)導入3D圖像生成及編輯處，設計出卡在雙側關節突關節處的椎弓根定位-定向導板(圖1A)，導板直徑為3.5 mm。椎弓根螺釘走行設計平行于椎弓根，橫截面上沿椎弓根方向進針。術前計算機上初步模擬觀察直徑6.5 mm(視實際椎弓根螺釘直徑調整)椎弓根置釘的矢狀位(圖1B)、軸狀位釘道(圖1C)與椎弓根的位置關系，并作出相應精細調整，設計出滿意的定位-定向導板數據，以STL格式導入上海麥遞途公司生產的盤古4.0系3D打印機，打印出1∶1的腰椎椎體和模型導板，同時也為椎弓根螺釘大小的選擇提供參考。

1.3手術方法和術后處理研究組：麻醉后取俯臥位，腹部懸空，常規消毒鋪巾，以側彎頂點為中心縱行逐層切開皮膚、皮下及淺深筋膜，骨膜下剝離骶棘肌，顯露需要置釘固定的椎體棘突、椎板、關節突關節及橫突；徹底去除關節突關節的軟組織，充分暴露；取出低溫消毒后的3D打印椎體，觀察和患者椎體是否完全一致；將消毒后的定點-定向導板卡在相應椎體的關節突關節上，固定牢靠，避免導板移位。根據預先在1∶1腰椎模型上測量的椎弓根螺釘長度，在導板引導下使用電鉆，安裝直徑3.0 mm、相應長度的限深鉆頭，緩慢鉆孔(圖1D)，鉆孔成功后球探探查四壁均為骨道，插入定位針。透視見定位針位置良好，攻絲，再次探查四壁均為骨質，置入椎弓根螺釘。需要減壓椎體，咬骨鉗咬除相應椎體棘突、雙側椎板及部分增生內聚的關節突關節，擴大狹窄的側隱窩，徹底減壓。切開狹窄椎體間椎間盤，撐開器逐步撐開，刮刀刮除腰椎間軟骨板，將咬除的骨質塞入合適的融合器中。置入預彎鈦棒，適當撐開，擰緊螺塞。再次透視見椎弓根螺釘及融合器位置良好，生理弧度恢復佳，側彎得到矯正。再次探查見硬膜搏動良好，神經根松弛。超聲磨鉆打磨固定椎體關節突關節及椎板，將減壓碎骨置入雙側腰椎橫突間、關節突關節及椎板后方。清點器械敷料無誤后，內置引流管1根，逐層縫合傷口，無菌敷料包扎。術后送麻醉恢復室，患者蘇醒后，送入脊柱外科病房，髓核送病理。

對照組手術方法：按照常規的“人”字棘頂點進針，通過術前閱片和手術經驗調整頭、尾傾和外展角度置釘，余手術步驟同研究組。

術后處理：術后患者均采用平臥位休息，軸向翻身；觀察手術切口負壓引流管引流量，24 h引流量<50 mL、無腦脊液漏的患者拔出引流管。術后使用頭孢呋辛鈉24～48 h，激素3～5 d，脫水藥、質子泵抑制劑3～5 d，有神經癥狀的患者加用神經營養藥物。

1.4觀察指標采用Kawaguchi等[6]的方法評價置釘精準度。0級：螺釘完全在椎弓根內；1級：螺釘穿出椎弓壁不超過2 mm，未出現并發癥；2級：螺釘穿出椎弓根壁超過2 mm，未出現并發癥；3級：出現臨床并發癥，如神經刺激或損傷癥狀。記錄兩組病例的手術時間、術中出血量、術中C臂機透視次數；術后6個月隨訪，再次行VAS、ODI評價。

A：術前設計的定位-定向導板；B:術前模擬椎弓根置釘矢狀位的位置；C:術前模擬椎弓根置釘軸狀位的位置；D:術中電鉆安裝直徑3.0 mm的鉆頭穿刺

圖1術前設計

1.5統計學處理采用SPSS 19.0處理數據。采用兩獨立樣本t檢驗比較兩組手術時間、術中出血量、術中C臂機透視次數，術后6個月與術前VAS及ODI差值的差異，采用χ2檢驗比較兩組椎弓根螺釘置釘0級率，檢驗水準α=0.05。

2 結果

研究組典型病例術前術后影像見圖2。與對照組相比，研究組手術時間縮短，術中出血量及術中C臂機透視次數減少；但兩組術后6個月與術前VAS評分及ODI評分的差值差異均無統計學意義，見表1。對照組置釘0級率為91.9%(193/210)，研究組為98.1%(212/216), 差異有統計學意義(χ2=8.856，P=0.003)。兩組病例均獲骨性融合，均未出現神經癥狀，也未見內固定裝置松動、斷裂等并發癥。

A:患者術前腰椎側凸Cobb角60°；B：術后腰椎側凸完全矯正，Cobb角0°

圖2 研究組典型病例術前術后影像

3 討論

3.1應用3D打印腰椎椎體及椎弓根導板在老年退變性腰椎側彎手術中的優勢退變性腰椎側彎是老年人常見的疾病，隨著社會老齡化的加劇，發病率逐年增高[7]。術前即3D打印出1∶1的老年退變性腰椎側彎椎體模型和椎弓根導板，方便和患者及家屬溝通[8]，可以讓患者及家屬直觀地感受手術操作步驟，理解手術可能會出現的風險；可以在計算機上預先設計出手術方式、減壓和固定范圍，判斷術后側彎矯正的滿意度，“個性化”地模擬手術[9]，甚至遇到較大解剖變異的患者，手術內固定器材可以“私人定制”。老年性退變性腰椎側彎畸形，椎體左、右側高度不對稱且伴有旋轉畸形，椎弓根同樣隨著椎體的變異而變異較大，關節突關節內聚明顯，這些均給椎弓根螺釘的置入帶來困難。據Mason等[10]報道腰椎傳統置釘方法存在30%～40%的誤置率。對于老年性退變性腰椎側彎畸形患者，使用普遍性的理論指導個體化的置釘是誤置發生的根本原因[11]；且老年人椎弓根骨質疏松，置釘要求較高，多次穿刺后椎弓根把持力較差，凸側抱緊和凹側撐開時易導致椎弓根爆裂，失去原本的固定作用，因此椎弓根螺釘穿刺要求最好一次性成功，避免反復調整。使用3D打印技術，可于術前在椎體上進行模擬置釘，保證螺釘均在椎弓根內，幾乎無偏差，基本上可以做到一次穿刺成功。這樣不僅減少創傷、出血，同時可以節約手術時間。我們的研究證實使用3D打印導板的研究組手術時間為(240.5±40.1) min、術中出血量為(910.1±92.3) mL，和對照組比較，手術時間和術中出血均減少。此外，由于3D打印的椎弓根導板精確度較高，可以減少術中透視次數，從而減少患者和醫務人員的術中輻射量。

3.2應用3D打印腰椎椎體及椎弓根導板的注意事項術前所獲取的CT平掃數據要以Dicom格式保存，且平掃厚度至少要小于1 mm，層厚越小越精確。我們所使用的西門子公司生產的64排雙源CT，層厚為0.6 mm。術前一定在計算機上反復測試椎弓根螺釘的直徑和長度及螺釘在軸狀位、矢狀位的位置，確保螺釘大小、位置完全合適，方可逆向設計相應導板，確保導板精確無誤。術中要解剖清楚，尤其是椎弓根導板所要卡的關節突部位，徹底剔除軟組織，避免導板放置偏差影響椎弓根螺釘置入的準確性。在放置好椎弓根導板后，要固定牢靠，防止導板在使用過程中發生移位。

3.3本研究的局限性本研究打印腰椎椎體和椎弓根導板所使用的醫用光敏樹脂是否可以進行低溫消毒，消毒時是否會發生化學變化，消毒后的光敏樹脂導板接觸人體是否有害，均有待進一步長期研究。另外，本研究樣本量較小，隨訪時間較短，遠期效果有待進一步觀察。

總之，3D打印技術可以個性化設計和制作腰椎模型及椎弓根導板，提高老年退變性腰椎側彎手術椎弓根螺釘置入的精確性，節約手術時間，減少術中出血，減少術中C臂機透視次數，值得推薦應用。