3D打印精确穿刺椎体成形在新发椎体压缩性骨折中的应用

doi:10.12307/2021.257

中国组织工程研究 ›› 2021, Vol. 25 ›› Issue (30): 4757-4761.doi: 10.12307/2021.257

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3D打印精确穿刺椎体成形在新发椎体压缩性骨折中的应用

袁伶俐，徐文弟，白建中，张仲传，朱勋兵，耿春辉

蚌埠医学院第二附属医院骨科，安徽省蚌埠市 233000

收稿日期:2020-09-21 修回日期:2020-09-23 接受日期:2020-11-11 出版日期:2021-10-28 发布日期:2021-07-29
通讯作者: 袁伶俐，蚌埠医学院第二附属医院骨科，安徽省蚌埠市 233000
作者简介:袁伶俐，男，1981年生，安徽省灵璧县人，汉族，2006年于蚌埠医学院毕业，硕士，副主任医师，副教授
基金资助:
2019年蚌埠医学院自然科学重点课题(BYKY2019134ZD)，项目负责人：袁伶俐

Application of three-dimensional printing in accurate puncture vertebroplasty in fresh vertebral compression fractures

Yuan Lingli, Xu Wendi, Bai Jianzhong, Zhang Zhongchuan, Zhu Xunbing, Geng Chunhui #br#

#br#

Department of Orthopedics, Second Affiliated Hospital of Bengbu Medical College, Bengbu 233000, Anhui Province, China

Received:2020-09-21 Revised:2020-09-23 Accepted:2020-11-11 Online:2021-10-28 Published:2021-07-29
Contact: Yuan Lingli, Department of Orthopedics, Second Affiliated Hospital of Bengbu Medical College, Bengbu 233000, Anhui Province, China
About author:Yuan Lingli, Master, Associate chief physician, Associate professor, Department of Orthopedics, Second Affiliated Hospital of Bengbu Medical College, Bengbu 233000, Anhui Province, China
Supported by:
the Key Natural Science Project of Bengbu Medical College in 2019, No. BYKY2019134ZD (to YLL)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
3D打印技术：是利用计算机辅助设计、数控技术及三维CT等技术，建立数据立体化模块，将粉末状的金属或塑料黏合起来逐层融合叠加，最终打出三维实物模型，这是一种“分层制造，逐层叠加”的增材制造过程，与传统的减材制造过程完全相反。
经皮穿刺椎体成形：是近代发展的椎体骨折微创的手术技术，主要是通过经皮的方法将骨水泥注入到骨折的椎体内，来稳定骨折之间微动，从而减轻患者后背部疼痛。
背景：目前临床医生在采用经皮椎体成形修复椎体压缩性骨折时，如何精准操作并使骨水泥均匀分布于伤椎骨折块间，从而减轻腰背部疼痛症状，对于椎体压缩性骨折患者的术后康复至关重要。近年来发展的3D打印伤椎椎体技术可为临床外科医生提供伤椎解剖学参考依据。
目的：探讨3D打印伤椎骨折模型和精确穿刺椎体成形在新发椎体压缩性骨折中的应用效果。
方法：采用蚌埠医学院第二附属医院2019年2月至2020年8月新发椎体压缩性骨折患者60例，随机分成3D打印组和对照组，分别进行3D打印伤椎模型和精确穿刺骨折部位的经皮椎体成形和传统的经皮椎体成形修复。比较两组术中手术时间、透视次数、穿刺针更换穿刺点次数(简称穿刺次数)、骨水泥量，术后第1天、1周、4周、3个月目测类比评分的差异。
结果与结论：①与对照组相比，3D打印组术后1 d、1周的目测类比评分均降低(P < 0.05)；②与对照组相比，3D打印组穿刺次数、X射线暴露次数和手术时间均减少(P < 0.05)，术中骨水泥注入量增加(P < 0.05)；③两组各有2例椎体局部骨水泥渗漏，术后无临床症状，随访期间两组均未见相邻椎体骨折病例出现；④结果证实，3D打印伤椎模型与椎体成形相结合，能够精确微创穿刺至骨折部位，在增加骨水泥注入量的同时还可有效避免骨水泥的渗漏，并在术后短时间内缓解患者术后腰背部疼痛。
https://orcid.org/0000-0002-3182-4454 (袁伶俐)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 骨, 骨折, 椎体, 压缩性骨折, 3D打印, 椎体成形, 骨水泥, 模型

Abstract: BACKGROUND: At present, when clinicians use percutaneous vertebroplasty to repair vertebral compression fractures, how do they accurately operate and evenly distribute the bone cement between the injured vertebral fractures, thereby reducing the symptoms of lower back pain, for patients with vertebral compression fractures, is essential for postoperative recovery. The technology of three-dimensional (3D) printed injured vertebral body developed in recent years can provide clinical surgeons with reference for the anatomy of injured vertebra.
OBJECTIVE: To explore the clinical effect of 3D printed model of injured vertebral fracture and vertebroplasty by accurately puncturing in fresh vertebral compression fracture.
METHODS: Sixty patients with vertebroplasty in the Second Affiliated Hospital of Bengbu Medical College from February 2019 to August 2020 were randomly divided into 3D printing group and control group. The accurately punctured vertebroplasty instructed by 3D printing model of the injured vertebra and the traditional vertebroplasty was performed respectively. The operation time, the times of fluoroscopy, the times of changing the puncture point, the amount of bone cement, and Visual Analogue Scale scores at 1 day, 1, 4 weeks and 3 months after operation were compared between the two groups.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) Visual Analogue Scale scores were lower in the 3D printing group than in the control group at 1 day and 1 week (P < 0.05). (2) The operation time, the times of fluoroscopy, and the times of changing the puncture point were reduced (P < 0.05); the amount of bone cement was increased (P < 0.05) in the 3D printing group compared with the control group. (3) There were two cases of local vertebral cement leakage in both groups, and there were no clinical symptoms after operation. There was no case of adjacent vertebral fractures in both groups during the follow-up. (4) The results show that the combination of 3D printing model of the injured vertebra and vertebroplasty can guide the accurate puncture of pedicle, make it easier for the puncture needle to enter the fracture area, and increase the amount of bone cement injected into the fracture area, and effectively avoid bone cement leakage, and relieve patients’ low back pain in a short time after operation.

Key words: bone, fracture, vertebral body, compression fracture, 3D printing, vertebroplasty, bone cement, model

中图分类号:

袁伶俐, 徐文弟, 白建中, 张仲传, 朱勋兵, 耿春辉. 3D打印精确穿刺椎体成形在新发椎体压缩性骨折中的应用[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(30): 4757-4761.

Yuan Lingli, Xu Wendi, Bai Jianzhong, Zhang Zhongchuan, Zhu Xunbing, Geng Chunhui . Application of three-dimensional printing in accurate puncture vertebroplasty in fresh vertebral compression fractures[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2021, 25(30): 4757-4761.

图/表（结果） 5

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引言

材料方法

1.1 设计随机对照临床试验，重复测量方差分析。
1.2 时间及地点于2019年2月至2020年8月在蚌埠医学院第二附属医院3D打印试验室和中心手术室完成。
1.3 对象选择2019年2月至2020年8月于蚌埠医学院第二附属医院骨科住院新发椎体压缩性骨折患者60例，采用抛硬币法随机分成3D打印组和对照组，每组30例。试验经蚌埠医学院理论委员会同意，伦理批准号：伦科批字[2020]第259号，患者试验前均签署了知情同意书。
纳入标准：①X射线片可见椎体压缩性骨折，MRI可见新鲜信号改变，或陈旧性骨折MRI示新鲜骨不连信号；②首次行椎体成形修复；③仅选择T11，T12，L1，L2单个椎体骨折患者；④年龄大于60岁；⑤椎体压缩小于2/3；⑥症状、体征、影像学特征3者均相符。
排除标准：①陈旧性骨折，MRI未见明显信号改变；②穿刺部位存在感染灶患者；③病理性骨折；④多发性骨折；⑤多次行椎体成形患者；⑥身体情况差而不能耐受手术者；⑦不能完成随访者。
3D打印材料信息见表1。

1.4 试验方法
1.4.1 3D打印机打印伤椎及术前计划两组患者均术前常规检查X射线片、三维CT及MRI，见图1A-C。3D打印组将三维CT数据采用Mimics软件进行重建处理，并将数据导入3D打印机(Raise 3D，上海复志信息技术有限公司)按1∶1打印伤椎模型，见图1D，了解伤椎具体损伤部位，在伤椎模型进行预手术，见图1E，F，明确穿刺部位、头尾倾角度、外展角度，并做好记录，便于术中进行操作。

1.4.2 操作方法两组均采用基础麻醉即体积分数1%利多卡因局部浸润麻醉，由同一组医师完成手术，均采用胸部及双髋抬高，腹部悬空俯卧位进行。术者及患者均采用铅衣保护[8]。C臂机采用同一台机器，成像透视条件不变。
3D打印组：采用3D打印伤椎模型和精确穿刺骨折部位的经皮椎体成形修复。术前常规打印3D骨折椎体模型，并进行预手术，将穿刺点穿好，见图2A，便于术中对比穿刺、找到外展和头尾倾角度。患者俯卧位后，X射线定位标记后，预手术后将穿刺好的模型低温消毒后包入器械包，便于术中观察各种角度。常规消毒铺巾。术中再次定位，要求正侧位片上下终板都在一条线上即要求上下终板为一线影[9]。患者经体积分数1%利多卡因局部浸润麻醉后，常规采用双侧入路[10]，于正位片椎弓根影左侧9至10点，右侧2至3点进针[11]，入针点在模型横断面为左侧9点和10点之间，右侧2点和3点之间进针，见图2B，C。根据3D打印骨折模型确定骨折部位，调整外展头尾倾角度，精确穿刺到骨折区域内，一般单侧要求一两次定位后穿入到骨折区域内，穿入过程中有“沙沙”的穿刺感。当出现发硬的感觉难以进入时，一定要再次拍摄此单个椎体的正侧位片，判断穿刺针针尖是否进入椎弓根内侧壁，若出现穿刺针针尖进入椎弓根内侧壁要重新调整穿刺位置。穿刺过程中当外展、头尾倾确定好后一般在正位片穿刺针顶点到达椎弓根影内侧壁时侧位片应该到达椎弓根后侧缘，见图2D，E，在模型横断面为椎弓根后内缘，见图2F，再进一步将穿刺针进入0.5 cm，插入导针，更换外套管，硬质钻扩髓到椎体前1/3，搅拌骨水泥，于拉丝后期两侧在透视下缓慢推入，一般为6-8 mL，伤口给予缝合或不缝合，敷料包扎固定。患者俯卧10-20 min后过床返回病房。

对照组：采用传统的经皮椎体成形修复，患者采用同样俯卧位，术中再次定位，穿刺时采用传统穿刺方法，反复透视反复定位确定穿刺点，其他步骤与3D打印组相同，骨水泥量一般为注入5-7 mL。
1.4.3 术后处理术后不应用抗生素，对症止痛支持处理，常规进行抗骨质疏松治疗。术后患者返回病房后即刻要求进行床上翻身活动。术后第1天要求患者下床正常活动，复查X射线片，见图3。术后第2天更换敷料，根据切口情况决定患者出院。要求患者术后1，2，3，4周及3，6个月门诊随访。常规抗骨质疏松治疗3-6个月，要求术后间断终身服用抗骨质疏松药物。

1.5 主要观察指标术中观察两组手术时间(min)、透视次数(次)、穿刺针更换穿刺点次数(简称穿刺次数)和骨水泥注入量(mL)。于术后第1天、1周、4周及3，6个月进行目测类比评分评测，评分标准：0分表示无痛，10分表示剧痛，嘱患者按主观感受进行评估[12]。
1.6 统计学分析采用SPSS 22.0进行统计学分析，计量资料采用x±s表示，两组间数据差异比较采用两样本t检验。术后各时间点目测类比评分数据经正态性验证符合正态分布，采用重复测量方差分析模型进行两组样本整体水平的假设检验。P < 0.05为差异有显著性意义。

讨论

3D打印技术是利用计算机辅助设计、数控技术、三维CT等技术，建立数据立体化模块，将粉末状的金属或塑料黏合起来逐层融合叠加，最终打出三维实物模型[13]，这是一种“分层制造，逐层叠加”的增材制造过程[14]，与传统的减材制造过程完全相反。3D打印技术在骨科领域的应用近年来逐渐增多[15]，成为精准治疗的一种有效辅助手段[16]。3D打印组首先将伤椎进行薄层CT扫描，最薄层可达0.3 mm，将其DICOM数据输入电脑后采用Mimics软件进行三维重建处理，导出STL文件，连接3D打印机按1∶1打印出伤椎模型。3D打印伤椎骨折模型后，可对骨折的诊断更明确、更形象化、更个体化、更具体化[17]。在伤椎骨折模型上更能明确骨折线的具体部位，减少骨水泥在具体骨折线部位的漏诊，可以观察到骨折线与上下终板的位置和特点，尤其在鉴别Kummell病、陈旧性骨折骨不连区域的确定等[18]。可在手术前进行预习手术，做到对骨折部位术前就心中有计划，易精确穿刺到骨折部位，精确地把骨水泥打入到骨折区域内，减少非骨折区域骨水泥盲目的注入量，更好地防范骨水泥渗漏。当椎体骨折为陈旧性骨折骨不连时，往往存在骨质硬化，只有将穿刺针穿刺到骨折区域内，骨水泥精确注射到骨折线内，临床才有效果，否则临床效果差，易产生医疗纠纷。
经皮椎体成形风险中最主要步骤是椎弓根穿刺和注入骨水泥[19]。椎弓根穿刺是手术成功的前提，也是最容易出现其他损伤的一步。目前不同学者报道的椎弓根高度、宽度、外展角度和头尾倾角度均有所不同[20]，不能达到椎体及椎弓根的个体化及具体化，对主刀医生的解剖知识、手术经验和手感等要求均较高[21]。穿刺时对穿刺针的外展、头尾倾和深度等不易确定[22]，致使注入骨水泥的范围不确定，易出现骨水泥外漏和骨水泥注射不到骨折区域等。医生为增加骨水泥到达骨折区域可能，只有增加注入骨水泥的量，这反而形成恶性循环，更易出现骨水泥外漏。传统定位和穿刺方式术中要反复挪动穿刺针、反复穿刺，可能致椎弓根、横突、椎弓根内侧壁和椎后多裂肌等损伤，致使患者术后腰背部疼痛加重；术中反复挪动穿刺针、反复穿刺能够增加患者、医师的X射线暴露次数、增加手术时间而增加手术风险[23]。3D打印伤椎椎体技术可为临床提供解剖学依据[24]，了解穿刺针进针点，进针的外展、头尾倾和进针深度。根据骨折区域情况确定个体化穿刺位置，更能精确将穿刺针穿刺到骨折区域内。3D打印伤椎骨折模型出来后一般要进行术前预手术，根据骨折区域确定穿刺方向，完成整个穿刺过程，可将穿刺针植入椎体内，确定个体化的进针点、外展、头尾倾和进针深度，为实际手术提供导向作用，术中一般两三次定位穿刺即可进入椎弓根，避免反复穿刺，减少对椎后软组织、椎弓根和横突等损伤，减少手术时间，减少X射线暴露次数。试验中两组在手术时间、透视次数和穿刺次数的对比可直接体现3D打印伤椎技术和经皮椎体成形结合的优势，可明显减少手术时间、透视次数、穿刺次数，减少各种副损伤的发生。术后不同时间目测类比评分的变化体现患者的恢复程度，3D打印组恢复时间较早，间接体现3D打印伤椎技术和经皮椎体成形结合的优势。
目前在经皮椎体成形中对骨水泥的注射量并没有统一的标准，术后效果常与骨水泥分布范围有关[25]，骨水泥分布于骨折块间，减少微动，能够减少对末梢神经的刺激[26]，改善腰背部疼痛症状。有文献报道骨水泥填充率达到15%，椎体硬度即可恢复到术前水平[27]。作者曾经研究椎体骨折区域内精确穿刺小剂量骨水泥注射行椎体成形，结果术后患者治疗效果良好[28]。文献也有报道骨水泥在椎体上下终板之间充分弥散，有利于防止远期椎体骨折再塌陷[29]。要使骨水泥能够在椎体上下终板之间充分弥散填充，传统的手术方式只有增加骨水泥注入量。增加骨水泥注入量的优点是增加椎体硬度和增加椎体高度[30]，但易出现骨水泥渗漏，包括椎体局部渗漏和脏器的骨水泥栓塞，骨水泥的渗漏与骨水泥注入量呈正相关[31]。
试验结果发现，3D打印容易精确穿刺到骨折区域，注入骨水泥量相对传统经皮椎体成形骨水泥注射量多，但作者不提倡越多越好，提倡注入到骨折区域内适量骨水泥为佳。该试验定义适量骨水泥的标准是：①骨水泥拉丝后期，由前向后边退边推时，达到椎体中后1/3时推杆推入时费劲即刻停止；②C臂机透视时，椎体骨水泥扩散呈云雾状，到达上下终板或MRI显示的骨折上下范围内；③不一定要求双侧椎体穿刺点注入骨水泥完全汇入到一起；④骨水泥出现局部渗漏时可以停止休息两三分钟，待骨水泥在椎体渗漏处固化和推杆内骨水泥牙膏期再次推注，但禁止再次强行推注。试验在骨水泥量两组比较发现，3D打印伤椎技术和经皮椎体成形结合可使骨水泥在骨折区域注入量增加，但建议骨水泥注入量以适量为宜。
综上所述，3D打印伤椎模型与椎体成形相结合，能够指导椎弓根精确穿刺，使穿刺针进入骨折区域较容易，使骨水泥在骨折区域注入量增加，减少穿刺次数、X射线暴露次数和手术时间，更有利于患者恢复。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

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