3D打印模型在颈椎肿瘤手术切除与重建中的应用

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.3759

中国组织工程研究 ›› 2021, Vol. 25 ›› Issue (9): 1335-1339.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.3759

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3D打印模型在颈椎肿瘤手术切除与重建中的应用

张同同1，王中华1，文杰1，宋玉鑫2，刘林1，2

1甘肃中医药大学临床医学院，甘肃省兰州市 730000；2甘肃省人民医院骨二科，甘肃省兰州市 730000

收稿日期:2020-02-10 修回日期:2020-02-14 接受日期:2020-05-22 出版日期:2021-03-28 发布日期:2020-12-15
通讯作者: 刘林，主任医师，硕士生导师，甘肃中医药大学临床医学院，甘肃省兰州市 730000；甘肃省人民医院骨二科，甘肃省兰州市 730000
作者简介:张同同，男，1994年生，甘肃省陇南市人，甘肃中医药大学在读硕士，主要从事脊柱外科方面的研究。
基金资助:
甘肃省人民医院院内多学科联合科研项目(18GSSY3-9)

Application of three-dimensional printing model in surgical resection and reconstruction of cervical tumor

Zhang Tongtong1, Wang Zhonghua1, Wen Jie1, Song Yuxin2, Liu Lin1, 2

1Clinical Medical College of Gansu University of Chinese Medicine, Lanzhou 730000, Gansu Province, China; 2Second Department of Orthopedics, Gansu Provincial Hospital, Lanzhou 730000, Gansu Province, China

Received:2020-02-10 Revised:2020-02-14 Accepted:2020-05-22 Online:2021-03-28 Published:2020-12-15
Contact: Liu Lin, Chief physician, Master’s supervisor, Clinical Medical College of Gansu University of Chinese Medicine, Lanzhou 730000, Gansu Province, China; Second Department of Orthopedics, Gansu Provincial Hospital, Lanzhou 730000, Gansu Province, China
About author:Zhang Tongtong, Master candidate, Clinical Medical College of Gansu University of Chinese Medicine, Lanzhou 730000, Gansu Province, China
Supported by:
the Joint Multi-Disciplinary Scientific Research Project of Gansu Provincial Hospital, No. 18GSSY3-9

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
3D打印模型：对目标区域进行螺旋CT扫描，将CT得到的图像信息保存为DICOM格式，接着将数据导入Mimics三维建模软件，重建出三维模型。最后将重建的结果以STL格式导入3D打印机，按照三维模型逐层叠加打印出1∶1解剖模型。在3D打印模型辅助下，临床医师能够获得直观的、立体的三维解剖学信息，并且能够依据术前设计的手术入路、置钉的角度及深度，选择合适螺钉，能够提高置钉成功率，降低手术风险。

背景：颈椎解剖结构复杂，肿瘤周围毗邻重要的血管、神经、食管及气管等重要结构，手术难度大。
目的：探讨3D打印模型在颈椎肿瘤手术切除与重建中的应用。
方法：选择2016年9月至2018年12月甘肃省人民医院收治的颈椎肿瘤患者11例，其中男7例，女4例，年龄35-68岁，术前均行颈椎CT扫描，将CT得到的图像信息保存为DICOM格式，接着将数据导入Mimics三维建模软件，重建出三维模型。最后将重建的结果以STL格式导入3D打印机，按照三维模型逐层叠加打印出1∶1解剖模型。参照3D打印模型，制定颈椎肿瘤手术切除与钢板内固定融合重建计划。术后随访6-12个月，对比手术前后的目测类比评分与Oswestry功能障碍指数。试验获得甘肃省人民医院伦理委员会批准。
结果与结论：①11例均手术成功，无脊髓、神经根、椎动脉损伤等严重并发症的发生；术后复查X射线片，显示病变部位完整切除，植入物位置良好，无松动；②11例患者术后1周、1个月及3个月的目测类比评分与Oswestryg功能障碍指数均较术前明显改善(P < 0.05)；③结果表明，应用3D打印模型能术前制定完整的切除重建计划，包括具体的切除范围、固定节段、螺钉、钢板的大小，熟悉病灶与周围组织的解剖关系，术中避免重要神经、血管的损伤，可降低手术风险低，提高临床疗效。
https://orcid.org/0000-0002-3827-0634 (张同同)

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, 内固定, 3D打印, 颈椎肿瘤, 重建, 颈椎, 肿瘤, 组织工程

Abstract: BACKGROUND: The anatomical structure of cervical spine is complex, and the important structures of blood vessels, nerves, esophagus and trachea are adjacent to the tumor. The operation is difficult.
OBJECTIVE: To explore the application of three-dimensional (3D) printing model in surgical resection and reconstruction of cervical tumor.
METHODS: Eleven patients with cervical tumors, who were treated in the Gansu Provincial Hospital from September 2016 to December 2018, were selected, including 7 males and 4 females, at the age of 35-68 years. Eleven patients were scanned by cervical CT before operation. The image information obtained by CT was saved in DICOM format, and then the data were imported into Mimics 3D modeling software to reconstruct the 3D model. Finally, the reconstruction results were imported into the 3D printer in STL format, and the 1∶1 anatomical model was printed layer by layer according to the 3D model. According to the 3D printed model, the surgical resection and reconstruction plan of cervical tumor was made. After 6-12 months of follow-up, the visual analogue scale score and Oswestry dysfunction index were compared before and after surgery. This study was approved by the Ethics Committee of Gansu Provincial Hospital.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) Eleven cases were operated successfully, and no serious complications such as spinal cord, nerve root and vertebral artery injury occurred; postoperative X-ray reexamination showed that the lesion site was completely removed, and the implant was in a good position without loosening. (2) The visual analogue scale score and Oswestry dysfunction index of eleven patients were significantly improved in 1 week, 1 and 3 months after operation (P < 0.05). (3) The results showed that 3D printing model could make a complete resection and reconstruction plan before operation, including the specific resection scope, fixed segment, screw and steel plate size, familiar with the anatomical relationship between the focus and the surrounding tissue, avoid the injury of important nerves and blood vessels during operation, reduce the risk of operation and improve the clinical effect.

Key words: bone, internal fixation, 3D printing technique, cervical tumor, reconstruction, cervical spine, tumor, tissue engineering

中图分类号:

张同同, 王中华, 文杰, 宋玉鑫, 刘林. 3D打印模型在颈椎肿瘤手术切除与重建中的应用[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1335-1339.

Zhang Tongtong, Wang Zhonghua, Wen Jie, Song Yuxin, Liu Lin. Application of three-dimensional printing model in surgical resection and reconstruction of cervical tumor[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2021, 25(9): 1335-1339.

图/表（结果） 4

参考文献

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引言

材料方法

1.1 设计回顾性病例分析。
1.2 时间及地点试验于2016年9月至2018年12月在甘肃省人民医院脊柱外科完成。
1.3 对象纳入11例颈椎肿瘤患者，其中男7例，女4例；年龄35-68岁，平均(51±3.84)岁；骨转移瘤7例(甲状腺癌3例、膀胱癌2例、乳腺癌1例、直肠癌1例)，原发肿瘤4例(神经鞘瘤1例、骨巨细胞瘤2例、脊膜瘤1例)；C2-3 2例，C4 3例，C4-5 4例，C5-6 2例；4例原发肿瘤按Enneking分期S3期4例；7例转移性颈椎肿瘤按Tomita评分，2.0-3.0分2例，4.0-5.0分4例，5.0-6.0分1例；2例全脊椎切除，9例单纯肿瘤切除；转移癌患者中1例膀胱癌患者Tomita评分6分，行术后化疗。该试验获得甘肃省人民医院伦理委员会批准。
纳入标准：局限性颈椎转移肿瘤或单发颈椎肿瘤；伴有不同程度的局部疼痛，肢体神经功能障碍等表现；临床资料完整；患者对治疗知情同意。
排除标准：原发病灶广泛转移；既往有颈椎外伤史或者颈椎手术史；严重的心肺功能不全者等。
1.4 材料颈椎后路钉板系统介绍见表1。

1.5 方法
1.5.1 3D打印1∶1解剖模型对目标区域进行螺旋CT扫描，将CT得到的图像信息保存为DICOM格式，接着将数据导入Mimics三维建模软件，重建出三维模型。最后将重建的结果以STL格式导入3D打印机[麦递途医疗科技 (上海) 有限公司提供]，按照三维模型逐层叠加打印出1∶1解剖模型[5]。
1.5.2 制定颈椎肿瘤手术切除重建方案及模拟手术仔细观察3D打印1∶1解剖实体模型，熟悉肿瘤的大小、位置及其与周围组织的关系。依据患者情况制定颈椎肿瘤手术切除与重建方案：①评估患者一般状况，依据Tomita评分、Enneking分期及肿瘤侵袭范围的大小确定要全脊椎切除或者单纯肿瘤切除；②观察肿瘤血运情况和病椎周围结构的解剖关系，确定手术方式，前路、后路还是前后联合手术入路，病变椎体部分切除+后路椎弓根钉内固定或者椎体完全切除+钛网支撑内固定手术。模拟手术过程：①熟悉病变部位的局部解剖，避免损伤重要的血管神经；②选择合适的螺钉直径、种类，提前处理钛板、钛棒的弯曲度及长度，确定需要固定的椎体；③病变部位周围的的关节突、椎板等骨性结构有助于维持颈椎的稳定，因此在完整切除肿瘤的前提下要尽可能的保留，以达到肿瘤完整切除且重建颈椎稳定性的目的；④总结在模拟手术中出现的问题，做到心中有数。实际手术中需要依据术中的实际情况加以调整，保护重要神经血管不受损伤，准确完整地切除肿瘤，合理植入内固定物，达到最佳生物力学效应，重建颈椎的稳定性。
1.5.3 手术方法依据病灶侵袭范围选择合适的手术方式及手术入路，术中尽可能完整的切除肿瘤，减少肿瘤复发，重建颈椎的稳定性。
全脊椎切除：暴露病变椎体、椎板、棘突等组织，游离椎体周围组织，小心周围的神经、血管，依据3D模型设计的置钉点及角度在椎体相应部位选取适宜的螺钉植入，锯开双侧椎弓根及病椎上下椎间盘，将颈椎的切除分为前方椎体的整块切除和后方附件的整块切除[6]。
单纯肿瘤切除：依据病变部位选择适宜的手术路径，术前依据模型明确解剖结构和血管、神经走向，暴露病椎，按照术前规划及手术计划，术中完整地切除肿瘤。
上颈椎手术入路：①经口腔入路：用于寰椎前弓、侧块、齿突及枢椎椎体肿瘤；②经口腔下颌入路：术野大，病变部位显示清楚，便于肿瘤的切除；③前后联合入路：该入路对多数上颈椎肿瘤患者而言，可达到肿瘤切除和颈椎重建。
中下颈椎(C3-6)肿瘤切除：①前路手术采用常规颈侧前入路,取纵切口或横斜切口；②下颈椎后路适用于下颈椎附件切除、侧块钢板固定融合[7]。
1.6 主要观察指标随访至术后6-12个月。记录手术时间、术中出血量、输血量、住院天数及术后并发症。术前及术后1周、3个月、6个月的目测类比评分评分及Oswestry功能障碍指数评分。
目测类比评分范围0-10分，它采用一条10 cm的直线，两端标有0和10的字样，然后让患者在直线上标出自己疼痛的相应的位置，0端为无痛，10端为最剧烈疼痛。
Oswestry功能障碍指数评分范围0-50，该评分共有10项，每项共有6个备选答案，分值0-5分，0分表示无任何功能障碍，5分表示功能障碍最明显，累计得分越高则说明功能障碍越严重。
1.7 统计学分析应用SPSS 25.0软件对所有数据进行统计学分析，计量资料采用x±s，手术前后目测类比评分及Oswestry功能障碍指数评分采用配对t检验，检验水准α取值0.05，以P < 0.05为差异有显著性意义。所有输出检验值为0.000……时，文中用0.001表示。

讨论

3.1 颈椎肿瘤手术治疗现状颈椎肿瘤包括原发性颈椎肿瘤和继发性颈椎肿瘤，前者以脊膜瘤、神经纤维瘤、骨巨细胞瘤等多见，后者以肺癌、乳腺癌、前列腺癌转移多见[7]。研究表明，在骨骼中最常见的转移部位是脊柱[1]，其中颈椎、胸椎、腰椎的转移比例约为1∶4∶6。对于颈椎肿瘤而言，早期发现及时手术，对于保护神经功能、维持颈椎稳定、提高患者生存质量等具有重要意义[8]。颈椎肿瘤的手术治疗仅占所有颈椎肿瘤治疗中的2%-28%，以往因颈椎解剖结构复杂，邻近重要的神经、血管及脊髓，颈椎被称为手术的禁区[9-10]。常规的二维影像学资料如X射线片、CT及MRI无法以三维视角去观察瘤体，术者较难把握瘤体及其周围各组织的血运情况，常规的手术存在出血量大、手术时间长、瘤体可能切除不完整等缺点。所以，骨科医生一直以来的关注点就是如何在术中尽最大可能地切除肿瘤，避免损伤邻近的神经、血管，减少肿瘤复发率，减轻患者的癌性疼痛及提高生活质量等。近几年科学技术飞速发展，3D打印技术应用而生，在临床医学中得到了广泛应用，例如将3D打印解剖模型用以术前规划、个性化导向模板、提高椎弓根螺钉置钉的安全性及成功率、打印制定个体化内置物及3D生物打印等[11-14]。
3.2 3D打印技术在颈椎肿瘤诊治中的应用 3D打印技术的蓬勃发展，为医生对于疾病的诊治提供了新思路、新方法。在颈椎肿瘤诊治中应用3D打印技术具有以下优点：①颈椎解剖复杂，颈椎肿瘤与周围众多的血管、神经毗邻，因此颈椎肿瘤的诊断也有一定难度。以往颈椎肿瘤的诊断依赖X射线片、CT、MRI等，要求术者具备丰富三维空间想象力及临床经验。由图片“D”观察可知，3D打印技术可依据病灶的大小、形状及患者颈椎解剖打印出3D模型，医生可参考该模型更加直观、清晰地认识颈椎肿瘤并作出诊断，了解肿瘤的分期，以指导下一步的治疗[15-16]。②3D打印模型可全面、直观地显示颈椎病变部位的解剖毗邻关系，手术医生能够提前了解、熟悉病灶，进而制定颈椎肿瘤的切除与重建手术方案，还可以模拟手术操作过程，选择最佳的手术入路。ZHOU等[17]术前应用3D打印技术制作3D模型，在术中经口腔内镜联合入路切除患者颈椎良性肿瘤，术后随访1年，寰枢椎椎体骨基本修复，肿瘤未见复发。马立敏等[18]等探讨了3D打印技术辅助颈椎高位多节段脊膜瘤手术切除的临床价值，结果表明3D打印模型能够全面、精确地显示颈椎肿瘤各部位的解剖结构空间关系，使得手术更精确、可靠。XIAO等[19]探讨了运用3D打印技术辅助颈椎肿瘤全脊椎切除的可行性与安全性，结果表明3D打印模型可更好地从解剖上了解肿瘤与颈椎之间的关系，有助于颈椎肿瘤完整的切除及颈椎稳定性的重建。③对于颈椎肿瘤而言，手术部位邻近重要血管、神经，置钉过程中存在极大的风险，徒手置钉存在钉道偏离、穿透椎弓根、损伤脊髓及多次透视等不足之处。3D打印技术可以制造出个性化的手术导板，3D打印手术导板可辅助椎弓根螺钉的植入，能够将钢板长短、螺钉的大小、置钉角度及深度在手术之前得到预算，从而在术中有效避免对重要血管神经的损伤[20-21]。LI等[22]在3D打印技术辅助下对1例甲状腺乳头状癌并颈椎(C2-4)转移性病变患者行颈椎肿瘤的切除与重建，术后随访1年未发现内植物移位、松动。章玉冰等[23]运用3D打印技术辅助治疗脊柱肿瘤，研究发现使用3D打印技术能够清晰直观地显示脊柱解剖，术中完整地切除病椎，能够避免重要血管、神经的损伤，缩短手术时间，减少术中出血。④3D打印材料聚甲基丙烯甲酯骨水泥可作为抗肿瘤药物的良好载体，将化疗药物盐酸表柔比星或者甲氨蝶呤与3D打印材料聚甲基丙烯甲酯骨水泥混合产生的长时间高温环境对药物活性没有明显影响，可以较长期地抑制肿瘤细胞增殖[24]。KOTO等[25]研究发现，将唑来膦酸盐装入羟基磷灰石和聚甲基丙烯甲酯骨水泥中能够减少肿瘤细胞的生存时间。因此，将3D打印技术与抗肿瘤药物结合应用，可将这些3D打印材料当作药物载体持续释放药物，利于颈椎肿瘤的治疗和预后[26-27]。⑤颈椎手术复杂，风险高，在医患沟通过程中应用3D打印模型解决医患双方专业信息不对称的难题，有助于避免医患矛盾，此外还可增强医学生、年轻医生的学习效率[28-29]。
3.3 3D打印模型在颈椎肿瘤手术切除重建中的优势术前应用3D打印模型可直观地了解病变部位与周围血管、神经的关系，熟悉血管神经的走行及受压情况，国内外已有相关报道[30]。此次研究的11例颈椎肿瘤患者术前应用3D打印模型制定颈椎肿瘤手术切除重建规划及手术模拟预演，术中术者能更加从容地切除肿瘤，重建颈椎的稳定性。虽然术中实际测量的数据与3D模型数据之间依旧存在较小的误差，且模型会增加患者的住院费用，但是在手术过程中肿瘤精确完整的切除，连接棒、螺钉均一次性置入，并且固定良好，重建了颈椎的稳定性，术后也未见植入物松动、移位，这是传统手术所无法比拟的。
综上所述，应用3D打印模型详细地在术前观察毗邻结构，术中能够精准、完整地切除病变部位，避免重要血管、神经的损伤及并发症的发生，因此3D打印模型在颈椎肿瘤手术切除重建中安全有效。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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