基于3D打印技术选择性椎弓根螺钉治疗青少年特发性脊柱侧凸

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.48.012

中国组织工程研究 ›› 2016, Vol. 20 ›› Issue (48): 7225-7231.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2016.48.012

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基于3D打印技术选择性椎弓根螺钉治疗青少年特发性脊柱侧凸

张树芳，陈荣春，郭朝阳，叶书熙，钟红发，游辉

南昌大学附属赣州医院脊柱外科，江西省赣州市 341000

修回日期:2016-09-08 出版日期:2016-11-25 发布日期:2016-11-25
通讯作者: 郭朝阳，副主任医师，南昌大学附属赣州医院脊柱外科，江西省赣州市 341000
作者简介:张树芳，男，1983年生，江西省赣州市人，2012年南方医科大学毕业，博士，主治医师，主要从事脊柱外科工作。
基金资助:
江西省卫计委课题(20157172)

Three-dimensional printing-assisted selective segmental pedjcle screws for adolescent idiopathic scoliosis

Zhang Shu-fang, Chen Rong-chun, Guo Chao-yang, Ye Shu-xi, Zhong Hong-fa, You Hui

Department of Spine Surgery, Ganzhou Hospital Affiliated to Nanchang University, Ganzhou 341000, Jiangxi Province, China

Revised:2016-09-08 Online:2016-11-25 Published:2016-11-25
Contact: Guo Chao-yang, Associate chief physician, Department of Spine Surgery, Ganzhou Hospital Affiliated to Nanchang University, Ganzhou 341000, Jiangxi Province, China
About author:Zhang Shu-fang, M.D., Attending physician, Department of Spine Surgery, Ganzhou Hospital Affiliated to Nanchang University, Ganzhou 341000, Jiangxi Province, China
Supported by:
the Project of the Health and Family Planning Commission of Jiangxi Province, No. 20157172

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

3D 打印：内固定前对患者进行CT扫描，获得相关数据，通过可以“打印”出真实物体的3D 打印机，打印出脊柱侧凸模型。在传统的脊柱侧凸矫形术中，脊柱外科医师是通过内固定前X射线进行规划，术中是通过C臂X射线及手感来进行椎弓根螺钉置入和矫形。但这种手术方案的质量高低主要依赖于医师个体的手术临经验和技能，而且这种方式无法被参与操作的的每一位成员共享。通过3D打印技术，脊柱外科医师可以通过模拟真实的环境中进行模拟矫形手术及矫形后结果预测，从而减少手术时间和手术创伤。

选择性椎弓根螺钉：青少年特发性脊柱侧凸椎弓根钉置入增多同样也增加脊髓、神经损伤的风险，特别是上胸椎，一旦发生，其后果十分严重，选择关键椎置钉明显降低了手术风险及患者的医疗费用。

摘要

背景：目前外科手术前通过3D打印技术进行规划和手术设计已经成为一种发展趋势，并且应用于骨盆骨折、肿瘤切除并取得了良好的效果，但应用于青少年特发性脊柱侧凸的术前规划的报道还很少。

目的：探讨青少年特发性脊柱侧凸患者内固定前采用3D打印仿真脊柱侧凸型体外模拟手内固定后应用选择性椎弓根螺钉治疗的临床疗效。

方法：回顾性分析2014年6月至2015年6月青少年特发性脊柱侧凸患者70例，内固定前先将患者CT薄层扫描数据用DICOM格式导入Mimics软件进行三维重建、虚拟内固定设计，采用3D技术打印出患者虚拟复位后的仿真脊柱侧凸模型，并按照虚拟内固定设计方案进行椎弓根螺钉最佳位置设计、螺钉长度测量、螺钉进入途径设计等一系列内固定前模拟内固定，然后现实手术行选择性节段椎弓根螺钉内固定三维矫形。

结果与结论：与内固定前相比，患者内固定后冠状面主胸弯Cobb角、顶椎偏距明显改善，且未出现神经、血管和内脏损伤等并发症，同时椎弓根螺钉置入良好。说明3D打印技术可使手术更加精准、安全、完美及脊柱矫正率提高。内固定前模拟螺钉置入、螺钉数据测量缩短了手术时间。

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

ORCID: 0000-0002-7437-1264(郭朝阳)

关键词: 骨科植入物, 脊柱植入物, 青少年特发性脊柱侧凸, 脊柱植入物, 腰椎, 外科手术, 椎弓根螺钉, 数字化设计, 3D 打印, 准确性

Abstract:

BACKGROUND: Three-dimensional (3D) printing has been popular for preoperative planning, and has been extensively used in bone tumor resection and pelvic fractures achieving satisfactory treatment outcomes. However, seldom used in adolescent idiopathic scoliosis.

OBJECTIVE: To evaluate the clinical effect of 3D printing-assisted selective segmental pedicle screws for adolescent idiopathic scoliosis.

METHODS: Seventy adolescent patients with idiopathic scoliosis from June 2014 to June 2015 were enrolled for retrospective analysis. Thin-layer computed tomography scan data of the patients were input into Mimics software in DICOM format for 3D editing and virtual surgery before surgery. The scoliosis model was created by 3D printing. Simulated operation was performed to design the optimum location of the plate screw, screw length measurement and screwing approach, and then real selective segmental pedicle screws were conducted.

RESULTS AND CONCLUSION: Cobb angle of major thoracic curve in standing comnal plane and the distance of apical vertebra shift after operation were significantly improved compared with pre-operation (P < 0.05), without nerve, blood vessel or visceral injuries. The placement site, direction and length of pedicle screws were consistent with those in 3D printing model. These results suggest that 3D printing-assisted selective segmental pedicle screws can obtain accurate, safe and perfect outcomes in the treatment of adolescent idiopathic scoliosis through improving the correction rate and shortening the operation time.

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

Key words: Scoliosis, Computer-Aided Design, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

张树芳，陈荣春，郭朝阳，叶书熙，钟红发，游辉. 基于3D打印技术选择性椎弓根螺钉治疗青少年特发性脊柱侧凸[J]. 中国组织工程研究, 2016, 20(48): 7225-7231.

Zhang Shu-fang, Chen Rong-chun, Guo Chao-yang, Ye Shu-xi, Zhong Hong-fa, You Hui. Three-dimensional printing-assisted selective segmental pedjcle screws for adolescent idiopathic scoliosis[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2016, 20(48): 7225-7231.

图/表（结果） 3

参考文献

[1] Qiu XS, Wang ZW, Qiu Y, et al. Preoperative pelvic axial rotation: a possible predictor for postoperative coronal decompensation in thoracolumbar/lumbar adolescent idiopathic scoliosis. Eur Spine J. 2013;22(6):1264-1272.
[2] 胡宗杉,邱勇,刘臻,等.单平面椎弓根螺钉联合椎体去旋转技术治疗Lenke 5C型特发性脊柱侧凸[J].中华骨科杂志, 2015,35(11):1151-1158.
[3] 赵志,刘泉.青少年特发性脊柱侧凸的最新研究进展[J].中华全科医学,2013,11(12):1939-1941.
[4] 关永林,何万庆,李盛华,等.全脊柱椎弓根螺钉技术治疗脊柱侧凸疗效观察[J].颈腰痛杂志, 2016, 37(3):238-241.
[5] Vernacchio L, Trudell EK, Hresko MT, et al. A quality improvement program to reduce unnecessary referrals for adolescent scoliosis. Pediatrics. 2013;131(3):e912-920.
[6] Crawford AH, Lykissas MG, Gao X, et al. All-pedicle screw versus hybrid instrumentation in adolescent idiopathic scoliosis surgery: a comparative radiographical study with a minimum 2-Year follow-up. Spine (Phila Pa 1976). 2013;38(14):1199-1208.
[7] Min K, Sdzuy C, Farshad M. Posterior correction of thoracic adolescent idiopathic scoliosis with pedicle screw instrumentation: results of 48 patients with minimal 10-year follow-up. Eur Spine J. 2013;22(2):345-354.
[8] Liang W, Yu B, Wang Y, et al. Comparison of posterior correction results between Marfan syndrome scoliosis and adolescent idiopathic scoliosis-a retrospective case-series study. J Orthop Surg Res. 2015;10:73.
[9] Zaina F, Donzelli S, Lusini M, et al. Adolescent idiopathic scoliosis and eating disorders: is there a relation? Results of a cross-sectional study. Res Dev Disabil. 2013;34(4):1119-1124.
[10] Lonner B, Yoo A, Terran JS, et al. Effect of spinal deformity on adolescent quality of life: comparison of operative scheuermann kyphosis, adolescent idiopathic scoliosis, and normal controls. Spine (Phila Pa 1976). 2013;38(12):1049-1055.
[11] Okada E, Watanabe K, Pang L, et al. Posterior correction and fusion surgery using pedicle-screw constructs for Lenke type 5C adolescent idiopathic scoliosis: a preliminary report. Spine (Phila Pa 1976). 2015;40(1):25-30.
[12] Salmingo RA, Tadano S, Fujisaki K, et al. Relationship of forces acting on implant rods and degree of scoliosis correction. Clin Biomech (Bristol, Avon). 2013;28(2): 122-128.
[13] Grauers A, Danielsson A, Karlsson M, et al. Family history and its association to curve size and treatment in 1,463 patients with idiopathic scoliosis. Eur Spine J. 2013;22(11):2421-2426.
[14] Li M, Fang X, Sun Y, et al. Thoracic curve correction after posterior fusion and instrumentation of structural lumbar curves in patients with adolescent idiopathic scoliosis. Arch Orthop Trauma Surg. 2011;131(10): 1375-1381.
[15] Demura S, Yaszay B, Bastrom TP, et al. Is decompensation preoperatively a risk in Lenke 1C curves? Spine (Phila Pa 1976). 2013;38(11):E649-655.
[16] 于海泉,沈建雄.脊柱侧凸后路矫形融合术后深部感染的治疗[J].中国骨与关节外科,2013,6(z1):39-43.
[17] 钱邦平,毛赛虎,孙旭,等.后路矫形手术对青少年特发性脊柱侧凸患者脊柱高度的影响[J].中国脊柱脊髓杂志,2013, 23(8):694-699.
[18] Hwang SW, Samdani AF, Lonner BS, et al. A multicenter analysis of factors associated with change in height after adolescent idiopathic scoliosis deformity surgery in 447 patients. J Neurosurg Spine. 2013;18(3):298-302.
[19] Hicks JM, Singla A, Shen FH, et al. Complications of pedicle screw fixation in scoliosis surgery: a systematic review. Spine (Phila Pa 1976). 2010;35(11):E465-470.
[20] Coe JD, Arlet V, Donaldson W, et al. Complications in spinal fusion for adolescent idiopathic scoliosis in the new millennium. A report of the Scoliosis Research Society Morbidity and Mortality Committee. Spine (Phila Pa 1976). 2006;31(3):345-349.
[21] 王星,张少杰,史君,等.个体化导航模板辅助儿童腰椎椎弓根螺钉置钉准确性实验研究[J].中华临床医师杂志(电子版),2013,7(23):10784-10787.
[22] 师继红,陆声,张元智,等.数字化脊柱椎弓根导航模板在胸腰椎骨折中的应用[J].中华创伤骨科杂志,2008,10(2): 138-141.
[23] 高方友,王曲,刘窗溪,等.个体化3D打印模型辅助后路螺钉内固定治疗颅颈交界区畸形[J].中华神经外科杂志, 2013,29(9):896-901.
[24] 马立敏,张余,周烨,等.3D打印技术在股骨远端骨肿瘤的应用[J].中国数字医学2013,8(8):70-72.
[25] Wasinpongwanich K, Paholpak P, Tuamsuk P, et al. Morphological study of subaxial cervical pedicles by using three-dimensional computed tomography reconstruction image. Neurol Med Chir (Tokyo). 2014;54(9):736-745.
[26] Lee JY, Lee JW, Pang KM, et al. Biomechanical evaluation of magnesium-based resorbable metallic screw system in a bilateral sagittal split ramus osteotomy model using three-dimensional finite element analysis. J Oral Maxillofac Surg. 2014;72(2):402.e1-13.
[27] Yang M, Zeng C, Guo S, et al. Digitalized design of extraforaminal lumbar interbody fusion: a computer-based simulation and cadaveric study. PLoS One. 2014;9(8):e105646.
[28] Dankowski R, Baszko A, Sutherland M, et al. 3D heart model printing for preparation of percutaneous structural interventions: description of the technology and case report. Kardiol Pol. 2014;72(6):546-551.
[29] 严斌,张国栋,吴章林,等. 3D打印导航模块辅助腰椎椎弓根螺钉精确植入的实验研究[J].中国临床解剖学杂志, 2014,32(3):252-255.
[30] Illés T, Somoskeöy S. Comparison of scoliosis measurements based on three-dimensional vertebra vectors and conventional two-dimensional measurements: advantages in evaluation of prognosis and surgical results. Eur Spine J. 2013;22(6):1255-1263.
[31] Fu J, Liu C, Zhang YG, et al. Three-dimensional computed tomography for assessing lung morphology in adolescent idiopathic scoliosis following posterior spinal fusion surgery. Orthop Surg. 2015;7(1):43-49.
[32] Lenke LG, Betz RR, Harms J, et al. Adolescent idiopathic scoliosis: a new classification to determine extent of spinal arthrodesis. J Bone Joint Surg Am. 2001;83-A(8):1169-1181.
[33] Namikawa T, Matsumura A, Kato M, et al. Radiological assessment of shoulder balance following posterior spinal fusion for thoracic adolescent idiopathic scoliosis. Scoliosis. 2015;10(Suppl 2):S18.
[34] 周恒才,朱锋,邱勇,等.Bending片在预测退变性脊柱侧凸矫形效果中的作用[J].中国矫形外科杂志,2015,23(3): 197-201.
[35] 邢文华,霍洪军,杨学军,等.胸椎椎弓根肋骨复合体应用于脊柱侧弯椎弓根螺钉内固定矫形的影像学评价[J].中国医药科学,2015,4(8):167-169.
[36] Tamai K, Terai H, Toyoda H, et al. Which is the best schedule of autologous blood storage for preoperative adolescent idiopathic scoliosis patients? Scoliosis. 2015;10(Suppl 2):S11.
[37] 周松,朱泽章,邱勇,等.青少年特发性胸椎侧凸顶椎区椎弓根及椎管的形态学特征[J].中国脊柱脊髓杂志, 2013, 23(2):113-118.
[38] 叶斌,孟祥龙,刘玉增,等.徒手置钉技术在脊柱畸形矫正中的准确性与安全性研究[J].脊柱外科杂志,2014,12(1):25-34.
[39] Dede O, Ward WT, Bosch P, et al. Using the freehand pedicle screw placement technique in adolescent idiopathic scoliosis surgery: what is the incidence of neurological symptoms secondary to misplaced screws? Spine (Phila Pa 1976). 2014;39(4):286-290.
[40] Mason A, Paulsen R, Babuska JM, et al. The accuracy of pedicle screw placement using intraoperative image guidance systems. J Neurosurg Spine. 2014;20(2): 196-203.
[41] Marcus HJ, Cundy TP, Nandi D, et al. Robot-assisted and fluoroscopy-guided pedicle screw placement: a systematic review. Eur Spine J. 2014;23(2):291-297.
[42] 张强,赵昌松,袁征,等.导板导航在复杂腰椎椎弓根螺钉置入手术中的初步应用[J].中华临床医师杂志(电子版), 2013, 7(24):11574-11577.
[43] 李明,赵颖川,朱晓东,等.后路全椎弓根螺钉系统治疗青少年特发性脊柱侧凸疗效分析[J].中华外科杂志,2010, 48(6):410-414.
[44] 林必贵,张永刚,张雪松,等.全节段与选择性节段椎弓根螺钉固定治疗重度僵硬型青少年特发性脊柱侧凸比较[J].中华骨科杂志,2010,30(4):330-335.

引言

材料方法

1.1 设计 回顾性分析。

1.2 时间及地点 试验于2014年6月至2015年6月在南昌大学附属赣州医院脊柱外科完成。

1.3 对象 收集2014年6月至2015年6月在南昌大学附属赣州医院脊柱外科进行治疗的青少年特发性脊柱侧凸患者。

纳入标准：①女性患者均不在月经期，均无明显骨质疏松，无活动性出血，且不存在严重内科基础疾病及手术禁忌证；②在内固定前摄全脊柱站立位正位、侧位和Bending位X射线片，内固定后及终末随访时摄全脊柱站立位正侧位X射线片；③内固定前所有患者行悬吊牵引试验观察有无神经症状出现；④内固定前X射线检查评价患者侧弯类型；⑤患者所行三维重建和通过快速成型完成模型制作均在患者及监护人知情同意下完成。

排除标准：①先天性脊柱畸形脊髓内病变者；②具有手术禁忌证者。

共纳入患者70例，其中男33例，女37例，年龄13-18岁，平均16.5岁，其中LenkeⅠ型27例，LenkeⅡ型26例，LenkeⅢ型5例，Lenke Ⅳ型5例，LenkeⅤ型4例，LenkeⅥ型3例。手术方案的制定主要依据患者的Lenke分型进行^[32]。

1.4 方法

1.4.1 X射线观察所有患者均在内固定前摄全脊柱站立位正位、侧位和Bending位X射线片，内固定后及终末随访时摄全脊柱站立位正侧位X射线片。Cobb法测量冠状面、矢状面畸形角度^[33]：椎体旋转度按Nash-Moe分级^[33]；采用C₇椎体中点偏离骶骨中垂线的距离测量躯干偏移距离，评价躯干平衡程度^[34]；测量顶椎偏距(顶椎中点至骶骨正中线的垂线距离)^[35]；内固定前所有患者行悬吊牵引试验观察有无神经症状出现^[36]；内固定前X射线检查评价患者侧弯类型。

1.4.2 3D打印

CT扫描：对患者胸腰椎进行连续薄层CT扫描。扫描条件设置为130 kV，21.6 mA•s，层厚0.625 mm。采集Dicom格式图像，所有图像像素均为512×512 pxl。

三维重建：通过Mimics 14.0软件(比利时Materialise公司)读取胸腰椎薄层CT扫描Dicom格式断层图像，输入并组织图像(Import imgaes，Organize images)，然后设定阈值(Thresholding)，通过Mimics设定的Bone(CT) Scale，即226-1 448 Hu进行设定；进行区域增长，相邻椎骨进行图像分割，对每张断层图像经选择性编辑及去除冗余数据，重建三维模型(Calculate 3D)即可得到脊柱侧凸的初步三维模型(图1A)，可随时对Mask进行三维重建以了解进程并定位。

在脊柱侧凸的三维模型上确定要行椎弓根螺钉固定的椎体，设计虚拟钉道及支撑柱、分割可剥离骨面(图1B)：使用Mimics中的“MedCAD”功能，新建“Cylinder”，对其属性进行调整，把“Radius”设置成1.5 mm(大小可调整)，“Cylinder”就是模拟进钉通道的钉道杆，在透明视图下，选中CADObjects，可以任意角度旋转或扩大钉道杆直径，观察有无穿透钉道周围骨质，反复调整为预定的理想位置。以Measurements中测量工具(Measurement Distance)可确定钉道杆进钉点至理想深度的距离以及进钉轴线，得到合适长度、直径的螺钉数据，然后再测量出置入棒的长度与直径。

在每一个椎体椎板后部及棘突根部背侧建立与其解剖形状一致的反向模板，设计模拟螺钉置入重建模型上，确定螺钉进钉方向及长度、直径。将螺钉的最佳进钉通道和模板拟合为一体，形成带有双侧定位导向孔的单椎骨个体化导航模板，在三维重建脊柱侧凸模型上将各椎模板贴合于相应椎骨后部并在各个方向上转动模型，观察定位导向孔与椎弓根对应的准确性(图1C)，3D打印机(美国Makerbot replicator公司)实施打印，打印出患者虚拟复位后的脊柱侧凸模型(图1D)。

1.4.3 内固定内固定前1周进行枕颌带重力悬吊牵引。快速攀登楼梯或吹气球等锻炼增加肺活量。

采用气管插管全麻，患者取俯卧位。根据内固定前拟定的融合范围．后正中切口，逐层切开皮肤和皮下组织，保留棘间韧带，用剥离器骨膜下剥离两侧骶棘肌等组织。椎板、上下关节突和横突：按三维矫形理论，依据内固定前分型基础拟定好的融合椎体，导航模板模拟椎弓根螺钉置入的最佳位置和螺钉置入的最佳方向(图1E)。确定螺钉置入的安全区或绝对和相对危险区，按虚拟模拟椎弓根螺钉置入方案进行操作，以避免螺钉穿入椎管(图1F)。根据内固定前根据3D打印模型将钛合金棒(北京富乐科技开发有限公司)预弯成正常的脊柱前凸或后凸，置入一侧，预拧入螺帽；先分别在凹侧不同的间区缓慢适当地撑开，平衡各固定点之间的应力，使凹侧畸形减小。再适当凸侧加压，利用双棒去旋转。直至矫形满意；用体内折弯器将钛合金棒折弯，进一步适应胸腰椎曲线，拧紧各螺帽融合节段较长的两端安置横向连接器；双侧椎板、横突去皮质。植入异体脱钙骨(北京大清生物技术有限公司)或和自体髂骨，留置引流管，逐层缝合切口。术中行神经诱发电位监测。术毕行唤醒试验。记录手术时间及术中出血量。

1.4.4 术后处理内固定后常规预防感染、支持、对症治疗。内固定后l周左右胸腰支具保护下下床活动，支具佩戴3-6个月。

1.4.5 术后随访所有患者出院后均行信访、门诊随访或电话随访。随访时间为内固定后1周、内固定后1个月及末次随访。

1.4.6 置钉效果评价螺钉置入后，观察螺钉的进钉点，螺钉走向及有无螺钉穿破骨皮质情况。通过X射线、CT扫描验证螺钉的进钉点、走向、长度、直径是否与Mimics软件中模拟的最佳参数一致(图2)。

1.4.7 置钉准确率内固定后采用CT扫描评价螺钉置入情况。采用Siemens64排螺旋CT 1mm间隔薄层扫描和三维重建图像来判断(图2)，2名放射科医师独立评价。椎弓根螺钉置钉准确情况分类标准见表1，统计时，将一类置钉情况均视为准确置钉，并计算置钉准确率，记录是否引起神经、血管及内脏损伤。

1.5 主要观察指标 畸形矫正效果。

1.6 统计学分析 采用SPSS 17.0统计软件包，数据以x(_)±s表示，数据比较采用两独立样本均数t 检验，P < 0.05为差异有显著性意义。

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

讨论

文章利用3D打印技术设计个性化的治疗方案，其结果为临床提供了参考数据。脊柱后路椎弓根螺钉固定技术因其具有三维固定等独特的优势，现已经广泛应用于脊柱畸形及退变等脊柱疾病，但由于脊柱侧凸存在多个椎体局部三维解剖结构变异，如椎体旋转椎管及椎弓根发育、不对称、半椎体等增加了手术风险和手术难度^[37]。3D打印技术中准确的内固定前规划和快速成型技术能够在术中进行指导，3D打印技术利用CT重建的三维数字模型，通过3D打印机打印出拟手术节段的脊柱模型，从而获得每个病变椎弓根的三维数据，明确该椎弓根的形态大小、是否适合置钉及螺钉的型号、直观地显示病变椎弓根的部位、范围及局部解剖情况，并且还可以实现内固定前在模型上模拟置钉以达到完善内固定前规划的目的。

内固定前的3D精确测量可以显著减少术中椎弓根螺钉植入时间从而缩短手术时间、减少术中出血量和降低感染并发症发生率。既往文献报道椎弓根钉置入失误率高达，其中多数没有症状，只有少数导致神经、血管损伤，而一旦出现神经、血管损伤，则会引起灾难性的后果，损伤神经可导致患者肢体功能障碍，损伤血管可导致大出血甚至危及生命^[16-19]。

另一方面，椎弓根螺钉置入失误可使椎弓根结构破坏导致力学稳定性下，最终导致椎弓根钉松动、内固定失败^[16-19]。因此，提高手术精度和降低置钉失败率是脊柱外科医生必须面对的难题，而传统后路脊柱显露技术无法直视椎弓根全部，传统的椎弓根螺钉置入技术依赖于解剖标志的辨识和术者的经验，即使有经验的脊柱外科医生也有可能出现着置入螺钉位置不佳的可能。3D打印技术应用于青少年特发性脊柱侧凸治疗可达到精确治疗的目的，修复更精确、可靠、简便，疗效更佳，可有效预防骨椎弓根螺钉置入失误等主要并发症。试验中70例患者均应用三维重建技术制作脊柱的三维图像，帮助内固定前评估及手术设计，并进行模拟矫形和模拟置钉操作，术中发现与内固定前脊柱侧凸情况大致相同，手术均按计划顺利完成。患者内固定后冠状面主胸弯Cobb角、顶椎偏距与内固定前相比明显改善(P < 0.05)，所有患者症状明显缓解，内固定后矫形效果显著，置钉准确率为99%，内固定位置和方向也均无重大偏倚，未出现翻修病例。

3.1 3D打印技术的指导意义与徒手椎弓根螺钉置入技术相比，3D打印技术为术者提供了更加直观、立体、即时的影像资料，能够增加置钉准确率、缩短置钉时间、减少手术并发症，术中X射线监视技术虽然一定程度上能够提高置钉准确，但是由于术中反复透视、延长了手术时间，增加了患者及术者的射线摄入，并且术中X射线监视为二维图像、空间分辨率差，对于复杂的三维畸形来说效果不够确切^[38-40]，计算机导航技术延长了手术时间，增加了出血量和内固定后感染的发生^[41]，3D打印技术为快速成型技术的一种，快速成型技术制备的脊柱侧凸模型使手术操作更直观，并且操作简便，不需要计算机辅助导航系统等特殊设备。术者体外操练做到术中得心应手从而减少术中误差和降低术中风险，从而实现了椎弓根螺钉一次性成功植入，减少辐射伤害。按照计算机虚拟内固定优化的椎弓根螺钉最佳位置在3D打印模型上进行精确设计和测量，避免螺钉错误进入椎管内造成灾难性后果，模拟内固定记录了每颗螺钉的长度术中也节约了测量螺钉长度的时间，这样明显缩短了手术时间。3D打印仿真脊柱侧凸模型还有利于与患者进行沟通，降低医疗风险。

3.2 3D打印技术的优势与局限性近年来随着以椎弓根螺钉为基础的节段内固定系统的广泛应用，青少年特发性脊柱侧凸手术仅从后路即可完成三维矫形，从而避免了前路松解及融合而引起的并发症，全节段椎弓根内固定系统还可以维持正常的矢状面曲线，同时能有效矫正畸形，重建躯干平衡，而且能较持久地保持矫正效果^[42-44]。与全节段椎弓根螺钉固定相比，选择性节段椎弓根螺钉治疗青少年特发性脊柱侧凸可以取得相似的矫正效果，且能减少置钉的风险和手术创伤，并减少患者的经济负担^[44]。理想的脊柱侧凸矫治手术不仅要对畸形进行三维矫正，同时要为脊柱提供坚强内固定，并且要能尽量减少融合节段，保留患者的活动功能。试验结果显示，3D打印指导下的选择性节段椎弓根螺钉能有效矫正畸形，重建躯干平衡，而且能较持久地保持矫正效果，顶椎至C₇椎体中点偏离骶骨中垂线的距离明显减小，这些参数均表明内固定后躯干获得较好的冠状面平衡，说明3D打印指导下的选择性节段椎弓根螺钉治疗青少年特发性脊柱侧凸减少了术中出血量，同时降低了手术风险和手术费用。

试验的局限性在于，体位、麻醉以及术中对竖脊肌剥离等因素会对脊柱侧凸在冠状面、矢状面及轴位旋转上有一定程度的影响，因此内固定前CT检查数据并不能完全反映术中椎体三维畸形情况，从而导致3D模型不能完全充分地反映术中脊柱畸形；3D打印的成本随着技术的发展已经得到了很大的降低，但是相对普通的X射线、CT扫描、MRI等影像学检查，价格仍稍显昂贵。同时作者纳入的病例数量偏少且随访时间偏短，因而有待多中心大样本量的前瞻性随机对照研究进一步验证。

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

基于3D打印技术选择性椎弓根螺钉治疗青少年特发性脊柱侧凸

Three-dimensional printing-assisted selective segmental pedjcle screws for adolescent idiopathic scoliosis

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[1]	徐峰, 康辉, 魏坦军, 席金涛. 椎弓根螺钉不同固定方法治疗胸腰椎骨折的生物力学分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1313-1317.
[2]	姚汝斌, 王仕永, 杨开舜. 微创经椎间孔椎间融合治疗单节段腰椎管狭窄症对腰椎-骨盆平衡的改善作用[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1387-1392.
[3]	王海莹, 吕冰, 李辉, 王顺义. 减压植骨融合内固定治疗退变性腰椎滑脱：基于脊柱骨盆参数预测患者的功能预后[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1393-1397.
[4]	吕振, 白金柱. 基于McKenzie技术的腰椎运动链训练应用于腰椎间孔镜术后分期康复的前瞻性研究[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1398-1403.
[5]	梁彦, 赵永飞, 徐帅, 朱震奇, 王凯丰, 刘海鹰, 毛克亚. 影像学评估高选择性神经根封闭辅助退行性脊柱侧凸短节段固定融合的效果[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1423-1427.
[6]	高燕, 赵力聪, 赵洪增, 朱园园, 李杰, 桑德恩. 慢性椎间盘源性下腰痛患者脑静息态低频振幅的改变[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(8): 1160-1165.
[7]	侯广原, 张继学, 张志军, 孟祥晖, 段文, 高维陆. 骨水泥强化椎弓根螺钉内固定治疗伴骨质疏松腰椎退行性疾病的1年随访[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 878-883.
[8]	宋成杰, 常恒瑞, 石明鑫, 孟宪中. 侧方入路腰椎融合治疗后的生物力学稳定性的研究与进展[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 923-928.
[9]	杨洋, 姚羽, 沈孝天, 刘佳佳, 薛建华. 退变腰椎间盘中白细胞介素21的表达及意义[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(5): 690-694.
[10]	付拴虎, 秦凯, 卢大汉, 覃海飚, 谷金, 陈勇喜, 覃浩然, 韦家鼎, 伍亮, 宋泉生. 载链霉素硫酸钙人工骨椎间孔镜下植入联合经皮置钉治疗腰椎结核[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(4): 493-498.
[11]	解志锋, 刘清, 刘冰, 张涛, 李琨, 张春秋, 孙艳芳. 腰椎间盘疲劳损伤的生物力学特性[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(3): 339-343.
[12]	梁彦, 赵永飞, 朱震奇, 刘海鹰, 毛克亚. 微创经椎间孔腰椎椎体间融合固定治疗椎间盘源性脊柱侧凸：冠状面和矢状面平衡的2年随访[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(3): 409-413.
[13]	田洋, 唐超, 廖烨晖, 唐强, 马飞, 钟德君. CT和MRI在腰椎管狭窄症中测量椎管面积的一致性和可重复性[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(24): 3882-3887.
[14]	钱选昆, 黄合飞, 武成聪, 刘克廷, 欧华, 张金鹏, 任静, 万建杉. 计算机导航微创经椎间孔腰椎椎间融合治疗腰椎滑脱[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(24): 3790-3795.
[15]	江丽红, 吴晓锋, 欧阳林, 罗爱芳, 黄丽. 基于代谢组学腰椎间盘退变的计算机辅助诊断[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(24): 3796-3803.