3D打印技術在脊柱手術中的過去、現在和將來

邱佳藝，寧旭，鄒強

1. 貴州醫科大學 臨床醫學院，貴州 貴陽 550004；2. 貴州醫科大學附屬醫院 a. 骨科一病區；b. 骨科二病區，貴州 貴陽 550004

引言

在科技創新呈井噴式爆發的今天，新型醫療技術、設備的應用及研發層出疊現。“三維（3D）打印”技術的問世，引領著一種快速成型技術的潮流，即運用3D打印技術將預先構建的計算機數字模型利用紙層疊和光固化技術實現快速成型，從而打印出三維可黏合材料模型[1-4]，這在當代醫療領域中蘊含著極大的應用潛質[5]。在脊柱外科領域中，可通過術前提取CT及MRI等影像數據重建骨骼三維打印模型，以此輔助對疾病的診斷、優化手術方案、模擬術中操作，從而降低疾病的誤診率和漏診率，增加手術的精準度和安全性[6-8]。為此筆者簡述了3D打印技術的發展及流程，通過對近年來關于3D打印技術應用于脊柱手術方面的最新文獻進行提煉總結，闡述了該技術現階段在脊柱手術中的應用現況，并對其發展趨勢予以展望。

1 發展歷程簡述

3D打印學術名為“快速成型技術”，又稱增量制造，它是將計算機設計出的三維數字模型分解成若干層平面切片，然后由 3D 打印機將粉末狀、液狀或塑料、金屬等可黏合材料按照切片圖形逐層疊印，最終堆積成為一個整體的技術。其最早可以追溯到玉秀夫名等人在古屋市工業研究所發表了一份關于快速原型系統的報告，這引起了Charles Hull等人的高度關注，直到Charles Hull完成標準鑲嵌語言（Standard Tessellation Language，STL）程序的制作，即STL文件格式的首創[4]，STL文件格式支持計算機模擬3D對象，將計算機識別出的數據進行數字化分層，通過紫外線固化的光聚合物依次疊印并覆蓋上一層，最終其所疊印堆積出的物理對象與STL文件所呈現的對象完全相同，并以此開創了全球第一代3D打印技術的先河。緊隨其后的是1988年，Stratasys公司制造的熔融沉積模型打印機，該打印機通過將這些塑料聚合物經過加熱并逐層擠壓到打印床上，疊層打印，得出理想的三維聚合物合成體[2-3]。

2 基本流程：數據獲取、建模及打印

數據圖像采集是3D打印流程的首要一步，在醫療領域常用數字剪影血管造影、多普勒超聲、多層螺旋CT、核磁共振等成像方式進行數據采集，其不同采集方式的特點及優勢都各有千秋。近年來，核磁共振因為具備無輻射、組織高分辨率等優勢，其在3D打印領域的運用價值得到進一步的挖掘[10]。以上收集的數據需要保存在源文件里，除了上述醫學數字成像和通信文件來建立源文件的方式以外，還可通過3D掃描儀對現有的對象進行掃描，并將其轉換為可打印文件；再者還可用計算機輔助設計軟件進行有效創建。以上方法生成的文件都將被轉換并保存為STL標準文件格式，使其能被大多數3D打印機識別。建立的STL文件需要被切割成一系列2D平面，由3D打印機依照順序疊加打印[11-12]，由于STL文件是通過曲面三角測量語言來描述打印對象的三維空間結構[5,10]，故可通過縮小三角形面這些三角形的尺寸，來提高3D模型表面的精細度。除了建立STL文件以外，常需要使用外界相關軟件程序對其進行編輯和修改，目前許多支持STL文件建模的軟件程序已經得到廣泛運用，如Meshmixer、Blender等，它們可以糾正文件中的致命缺陷，直至完成整個打印過程[3-4]。另外，由于模型本身的復雜程度、打印機的速度、噴嘴直徑的大小以及打印機溫度不同，其打印模型的精細程度也不同。3D打印機還可根據所添加的材料層的不同，選擇不同的打印方法（如噴射、擠壓、噴墨、切割等），使得每一種材料在透明度、剛度、機械強度、彈性強度、彩色收益率等方面都各有不同[13-14]。打印流程如圖1所示。

圖1 基于醫學影像數據的3D打印基本制作流程圖

3 3D打印在脊柱手術中的應用

3.1 構建良好的醫患溝通平臺

在現階段醫療行業里，復雜的醫患關系一直讓人堪憂。由于患者及家屬對醫學知識的匱乏，僅通過X片、CT檢查等影像學資料，難以讓患者充分了解病情，也存在理解困難、溝通不直觀等缺陷。隨著3D打印模型的出現，醫生可將復雜的脊柱結構及病灶位置直觀地呈現在患者面前，讓其了解到手術的方式及風險，這無形中掃清了患者及家屬心里的疑惑和負擔，為醫患之間搭建了一個平等、有效、良好的溝通平臺，增加了醫患間彼此的信任，從而減少了不必要的糾紛。

3.2 教學培訓

如今我國住院醫師規范化培訓已在全國范圍內如火如荼地開展，旨在培訓臨床高層次醫師，提高醫療質量。然而外科住院醫師在實際手術操作中往往缺乏經驗。尤其對存在高風險、講求精操作的脊柱手術來說，每一種術式都有據可依、有規可循，術者的規范操作也顯得尤為重要。剛獲得初級職稱的脊柱外科醫師通常很難在手術臺上獲得手術操作的機會，這也是上級醫師出于對手術安全性的考量。目前，計算機輔助和基于虛擬現實的模擬器已被開發用于手術訓練當中[15-16]，但其擬真度及有效性仍待進一步優化。市面上也有少數的脊柱替代模型已被引入外科訓練中[17]。Tricot等[18]首先設計了一種3D打印脊柱模型，用于徒手技術椎弓根螺釘置釘的外科訓練，但是他們的研究并沒有考慮其觸覺真實性。Burkhard等[19]開發了一種可參數化的椎體模型，可模擬不同骨密度的骨質強度，是一種在解剖學和生物力學方面更接近真實椎骨的替代模型，其所帶來的教學體驗更加立體和真實，也為學生及住院醫師在脊柱手術訓練及培養方面打開了一扇窗。

3.3 個體化術前評估及規劃

脊柱解剖結構復雜，周圍毗鄰重要血管、神經，且脊柱外科病種廣泛，諸如脊柱骨折、結核、腫瘤及脊柱側彎畸形等，術前需做出準確的臨床分型、分期，才能擬定合適的手術方式，提升術后療效；臨床醫師利用傳統影像學檢查來評估顯得不夠直接，且要求醫師具備較好的空間想象力才能勝任。3D打印技術的應用，能夠直觀地顯露解剖結構、定位病灶位置，同時制定詳細的手術方案，以此讓脊柱手術更精確、更安全[20]，這些優勢是傳統X線片等影像學技術所不具備的[21]。

脊柱腫瘤術前的評估與分期對其術后療效來說相當重要[22-24]，現階段脊柱腫瘤的治療重在早期診斷、評估腫體范圍、切除足夠的邊緣及錐體的重建[25-26]。Ozyurk等[27]在3D模型輔助下完成了一例涉及胸腔大血管、肺臟、心臟和脊柱等組織的復雜腫瘤患者的個例手術，通過對參與該手術的10名臨床醫師進行一項詳細的生物模型效用調查得出，3D模型輔助術前規劃，可以極大程度提高手術的精確度，這展現了該技術在精準醫療時代的巨大應用潛力（圖2）。另外，3D打印在脊柱微創手術（Minimally Invasive Surgery of Spine，MISS）領域的應用也有報道[28]，其中Zhao等[29]報道了應用3D打印技術輔助MISS，治療了13例胸椎黃韌帶骨化的患者，術后恢復良好。與傳統術前規劃相比，該技術通過個體化模型的建立，為手術醫師術前在模型上觀察、測量病灶，甚至模擬手術操作創造了有利條件[30-31]，以此制定精準的個體化手術方案。

圖2 生物模型效用調查3D 模型輔助術前規劃[27]

3.4 3D打印截骨導板對截骨范圍的劃定

目前臨床醫師針對截骨范圍的考量，大多是通過術前影像學評估來實現的，其截骨范圍存在一定的個體差異，尤其面對脊柱畸形等解剖結構存在變異的情況，很難做到對截骨范圍的精確評估。而3D打印截骨導板能輔助醫師設計出直觀且嚴謹的截骨線，讓術者完成精確截骨[32-34]。湘雅第三醫院骨科團隊通過3D打印截骨導板的運用，成功為一位患有強直性脊柱炎伴嚴重脊柱后凸畸形的患者實施了脊柱截骨手術，術后恢復良好。這是我國首次將3D打印截骨導板運用于脊柱矯形手術的報道[35]。盧志軍等[36]的研究也指出3D打印截骨導板的運用，可明顯縮短手術時間、減少出血量，獲得良好的手術療效。

3D打印截骨導板劃定截骨范圍具有以下幾個優點：① 在保證了錐體平衡、穩定的同時，獲得更高的脊柱矯正率；② 顯著降低患者的手術時間、術中出血量及住院費用；③ 對于患有嚴重骨質疏松癥的患者來說，截骨導板的運用在降低其術后再發錐體骨折風險方面可能具有積極意義。

隨著現代建筑需要的發展，天窗的形式越來越豐富多樣，在各類生活與公共空間的運用也越來越多，通過光影空間的變化形成一種獨特的美。當天窗融于生活空間的時候，帶來的不僅是采光效果，更是一條人與自然的紐帶，它減少了大面積的人工環境給人造成的壓抑感，形成了一個充滿活力的生活空間，能夠讓人在光影之中感受到建筑之美、生活之美。

3.5 3D打印螺釘導軌輔助置釘

椎弓根螺釘固定目前仍是脊柱外科最常用的內固定技術，其置釘的軌跡、角度等因素很大程度上決定了螺釘把持力[37]。現階段多數脊柱外科醫生仍然使用透視引導下的徒手技術，這對手術醫生的臨床經驗及手術修養要求極高，且術中輻射暴露的風險也不可避免。Upendra等[38]的研究表明，傳統徒手行錐體螺釘置入的錯位概率約為20%～30%，其中神經、血管損傷的概率約為2%，若螺釘的置入軌跡、角度發生了較大的偏移，不但降低了螺釘把持力，還會導致相鄰節段錐體周圍脊髓、神經及動脈的直接損傷，造成不可挽回的后果。2012年的一項系統性評估報告顯示，在徒手操作置釘的研究中，椎弓根螺釘完全包含率為69%～94%；在透視檢查的輔助下為28%～85%，CT導航下則為89%～100%，可見導航確實比徒手技術及透視技術顯示出更高的準確度。現階段在輔助椎弓根精確置釘的相關研究中，3D打印螺釘導軌與計算機輔助導航都是解決該難題的可行方案。相比之下，前者可在術前設計螺釘的長度及直徑[39-42]，能夠提高置釘的準確率，且具有低成本、低維護、簡便等特點，因此更易被大多數學者所推崇[43]。

如今通過創建目標椎體3D模型，逆向設計出的3D打印螺釘導軌技術已經得到實踐。Mao等[44]在該技術的輔助下治療了16例重度脊柱側凸畸形患者，術后脊柱側凸角度由平均的118°矯正后角度為42°，手術療效顯著。Garg 等[45]和Chen 等[46]也報道了在脊柱畸形矯形術及翻修手術中運用3D打印螺釘導軌輔助置釘具有縮短手術時間、減少出血、減少輻射照射等優勢。

3.6 個體化內置物定制

3D打印技術可應用于針對患者個體化內置物的定制，尤其面對脊柱畸形、脊柱腫瘤等復雜的手術時，3D打印內置物在解剖學、人體工程學、生物力學等方面都能更好的匹配，同時還可以減少內置物下沉和松動的概率[47]。臧全金等[48]設計了一種3D打印解剖型鈦籠，通過研究指出其運用于單節段頸椎前路椎體次全切除植骨融合術，能夠有效維持頸椎生理曲度，獲得較高的椎體貼合度，減少鈦籠下沉的概率。Xu等[49]完成了一例青少年頸椎（C2）的尤文肉瘤切除術，并應用3D打印軸位椎體重建上頸椎，其術后計算機斷層掃描研究顯示有置入體骨整合的證據，且沒有出現假體結構的下沉或移位。Phan等[50]使用定制的3D打印內置物對一位患有嚴重的小關節病變的中齡女性實施了C1/C2融合術，術后恢復良好。Choy等[51]及Mobbs等[52]的研究中同樣說明了運用3D打印內置物填補脊柱腫瘤被切除的部分，術后假體的位置、椎間高度、椎體序列都能得到良好的保持。

現階段已經可實現對金屬、陶瓷、聚合物和生物材料等材料的個體化內置物的打印。McGilvray等[53]設計了一種多孔鈦合金的椎間融合模型，可預設其剛度和孔隙度，旨在促進術后的骨質生長和骨融合率，最終通過動物實驗研究得出，這種鈦合金融合模型具有更高的骨量和更突出的穩定性。另外，還有像聚酯、聚內酯、聚原酸酯、聚酐等可降解生物材料的打印，它們更能夠貼合人體組織解剖特點進行分布，但其固定強度是否可靠仍待進一步研究[54]。

3.7 在組織工程中的運用

在骨組織工程領域，3D打印的材料選擇面已變得十分廣泛，以組織工程生物降解支架為基礎的人造椎間盤已經被創造出來，它能夠做到最大限度地符合人體椎間盤的彈性特性[55-56]，這在不久的將來會徹底改變椎間盤退變性疾病的治療。另外，關于3D打印給藥系統的研究也在不斷地進行，3D打印機已經可以打印如:介孔生物活性玻璃支架、抗生素打印微模式和多層藥物給藥系統等裝置[57]。Dong等[58]在他們的實驗中設計了一種用于脊柱結核的新型藥物給藥系統，將抗結核藥物與聚乳酸和納米羥基磷灰石混合，利用3D打印技術構建一種獨特的多孔三維支架置入抗結核藥物的裝置。盡管其對于脊柱結核患者的治療療效仍待進一步研究，但我們可以猜測，如果該實驗后期被證明可行，這將開啟脊柱結核治療領域的新紀元。

隨著3D打印技術在組織工程領域的應用不斷加深，利用3D打印技術創建復雜的中樞神經系統結構，用于脊髓再生醫學的相關研究已經得到開展。Koラer 等[59]使用3D打印技術設計出了一種三維仿生支架，該支架可刺激、引導并調整神經軸突傳遞，改善神經功能，恢復中樞神經系統的再生。這對于脊柱脊髓損傷的病患來說，是一個福音。

4 討論與總結

本文首先簡要介紹了3D打印技術的發展歷程及基本打印流程，相信可以為初學者提供一定的參考。同時，作者以一名臨床骨科醫師的角度，充分闡述了3D打印技術在醫患溝通和臨床教學等方面的優勢。在患者眼里，對自身所患疾病的認識變得更直觀、透徹；在醫師看來，醫患溝通也變得更加有效；而對于剛接觸臨床的脊柱外科醫師來說，3D打印模擬教學對提升自己的專業手術技能也是不可或缺的。另外，本文以一例3D模型輔助下完成的涉及心、肺和脊柱等組織的腫瘤手術患者為例，總結了3D打印技術輔助個體化術前評估及規劃的優點所在；充分歸納了3D打印技術在劃定截骨范圍、導軌輔助置釘、個體化內置物定制及骨組織工程領域的相關應用。總的來說，3D打印技術的實現使得現階段的脊柱手術成功邁向了微創化、精細化的新高度，精準醫療將得以實現。

眼下各國學者對3D打印技術的研究熱情十分高漲，但是3D打印技術現階段仍舊面臨一些困難與挑戰，可概況為以下幾點：

（1）費用較高，操作復雜，普及率低。3D打印需要集軟件、設備、材料于一體，相互間緊密配合，其所涉及的器械費用高昂，且對操作者專業性要求較高。從軟件、硬件及人員配伍的角度來看都需傾注較高的資金，這使得該技術難以實現更大范圍的普及[60]。

（2）打印精度較低，結構單一。人體脊柱錐體構造復雜，受打印材料及工藝所限，難以打印出符合人體特殊解剖結構的高精度模型。另外，3D打印技術目前仍不能打印出涵蓋多種材料的復合模組。

（3）時間成本較高。從術前成像、建模到個體化打印的過程來說，患者和醫院都需花費較長時間來完成，這無疑會增加患者住院時長，降低醫院周轉率，尤其面對急癥患者時，該技術的運用更是望洋興嘆。

5 展望

3D打印技術目前在脊柱外科的運用已十分廣泛，就其繁瑣的打印流程來說，未來應該得到優化，通過對整套打印設備軟硬件的升級，降低打印設備本身的復雜性。另外，隨著材料學、影像學及材料制造工藝的不斷拔高，3D打印技術將進一步向個體化、精準化方向發展，以實現對脊柱復雜模型的精確打印；隨著組織工程學、細胞培養技術的不斷加持，3D打印將使脊柱骨組織缺損修復及再生成為可能。總的來說，3D打印技術在脊柱外科領域的應用前景十分可觀，盡管現階段3D打印技術仍面對許多發展瓶頸，但隨著未來多學科、多領域的不斷進步，3D打印技術在脊柱外科領域的運用將被進一步挖掘。