3D打印技术在脊柱外科中的地位与作用

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2017.07.026

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

3D打印技术：是一种快速成型技术，通过运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，将扫描的三维数字图形逐层打印成所构造的物体，是一种增材制造技术；利用3D打印技术可以打印脊柱实物模型，辅助脊柱外科医生进行手术治疗，以及为患者制定个性化的内置物。

个体化内置物：脊柱结构复杂，患者之间存在一定的变异性，内置物的定制往往需要满足快速性、复杂性和多向性，而利用3D打印技术，将CT、MRI扫描得到的患者脊柱数据进行3D打印，为患者制作符合自己需求的内置物，经济省时，可以切实做到个体化。

摘要

背景：人体脊柱的形态结构多样，解剖结构和位置毗邻也十分复杂，脊柱出现的复杂病变常是外科手术的难点，而3D打印技术可以将三维数字模型转化为实物模型，在医学领域已经得到广泛的应用，在脊柱外科的应用也逐渐深入。

目的：归纳总结3D打印技术在脊柱外科中的应用及现状，并对其在脊柱外科的前景做出展望。

方法：第一作者以“3D打印技术，脊柱外科，定位导向模板，脊柱实物模型，椎弓根置钉，个体化内置物，临床教学，3D printing technology，spine surgery，navigation template，spine physical model，pedicle screw fixation，individual implant”为检索词，在中国知网、百度学术、谷歌学术、万方数据库、PubMed数据库中进行检索，检索时间范围为“2010至2016年”，并按照制定的纳入及排除标准进行数据提取，选取29篇文献进行归纳总结。

结果与结论：3D打印技术已深入脊柱外科，在术前诊断、术中导航、医患沟通、教学、支具制作、内置物定制、骨组织工程等方面发展迅速；随着社会的发展，医学影像的进步，3D打印技术在医学领域，特别是在脊柱外科方面的应用将更加广泛。

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: 0000-0002-2613-2138(刘建坤)

关键词: 骨科植入物, 脊柱植入物, 脊柱外科, 3D打印技术, 定位导向模板, 脊柱实物模型, 椎弓根置钉, 个体化内置物, 临床教学

Abstract:

BACKGROUND: Spine has a variety of morphological structures and complicated adjacent location, so the surgery to treat spinal abnormality is a difficult. Three-dimensional (3D) printing technology can transform 3D digital model into physical model, which has been widely used in the field of medicine, even popularized gradually in spine surgery.

OBJECTIVE: To summarize the application and status of 3D printing technology in spine surgery, and to make a prospect.

METHODS: The first author retrieved CNKI, Baidu Xueshu, Google Scholar, WanFang and PubMed databases for the articles published from 2010 to 2016 using the keywords of “3D printing technology, spine surgery, navigation template, spine physical model, pedicle screw, individualized implants, clinical teaching” in Chinese and English, respectively. Finally 29 eligible literatures were enrolled for further analysis in accordance with the inclusion and exclusion criteria.

RESULTS AND CONCLUSION: 3D printing technology has been extensively applied in spine surgery, and shows rapid development in preoperative diagnosis, intraoperative navigation, communication, teaching, graft production, implant customization, bone tissue engineering and other aspects. With the development of society, and medical imaging, 3D printing technology will be more promising in the field of medicine, especially in spine surgery.

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: Spine, Prostheses and Implants, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

刘建坤，邓树才. 3D打印技术在脊柱外科中的地位与作用[J]. 中国组织工程研究, 2017, 21(7): 1131-1136.

Liu Jian-kun, Deng Shu-cai. Status and role of three-dimensional printing technology in spine surgery [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2017, 21(7): 1131-1136.

图/表（结果） 2

2.1 术前准备 人体脊柱的形态结构多样，位置毗邻也十分复杂，导致手术的难度高，风险大，对手术医生的知识及心理素质要求也相应增高。术前有效的规划设计可以显著提高手术成功率，而运用3D打印技术可以地打印出立体的实物模型，更直观的观察手术部位的解剖特点，帮助医生精确了解手术的复杂程度，从而制定出最有效的手术方针。并可在实物模型上进行手术操作手法练习，增加医生的手术熟练度，缩短手术时间，提高成功率。而且医生也可通过3D打印的实物模型与患者和家属沟通，让其认识到此次手术的操作方式和内容，了解危险因素和并发症，争取家属的配合，使手术的规划设计让患者和家属满意，又能有效的消除患者心理负担。

2.1.1 脊柱疾病的精确诊断脊柱结构复杂，有神经、脊髓等重要而又复杂的组织结构毗邻，面对因椎间盘退化、创伤、先天性等原因引起的复杂性脊柱病，如压迫神经、脊髓畸形等，传统的影像学无法令医生更直观、精确的了解其解剖位置关系，以至于可能因为传统影像学资料导致对疾病的认识不足，得出片面的结论，从而影响对疾病的治疗及预后。而3D打印技术通过提取患者脊柱的CT、MRI资料信息，将重建患者脊柱的三维解剖结构，得到的实体疾病模型可以提供更直观、清晰、立体的内部结构，更详细的解剖信息可以帮助医生更好的认识疾病，做出正确的诊断，降低疾病漏诊率和误诊率，显著提高医生对患者疾病诊断的精确度，为后期制定合理的手术方针做准备，并可以对手术方式进行直观的探讨并对手术进行模拟，使手术更加精确，缩短手术时间，提高手术成功率，达到对疾病良好的治疗效果和预后^[4-6]。

2.1.2 协助医患沟通目前医疗行业中，医患关系一直让人担忧，患者对医生的不理解、不信任，常常导致临床治疗无法顺利的进行。医患关系差一方面是现在医疗体系的大环境所决定的，另一方面是由于患者对医疗知识的缺乏，对疾病不能正确的认识，因此滋生出对医生的各种不理解。而3D打印技术的出现，医生可以将脊柱复杂的解剖结构及病变的结构清晰的呈现在患者面前，让患者及家属更好地认识疾病，了解治疗方案，并借助模型让患者及家属清楚的认识到医生术前所讲的手术风险和术后可能出现的并发症。在临床中对疾病的预防往往比治疗更具有意义，在解决患者对医疗知识缺乏这一方面，通过3D打印出来的脊柱疾病模型可以作为良好的宣教工具，使患者及家属听得懂、看得懂，确实提高医患之间的有效交流量，增加医患之间的相互信任，减少纠纷发生。

2.2 3D个体化定位导向模板的应用

2.2.1 辅助椎弓根精确置钉椎弓根毗邻神经、脊髓等重要结构，如果置钉位置有所偏移，将造成螺钉置入时伤及这些重要的解剖结构，有可能造成瘫痪、大出血，甚至危及生命。个体化定位导向模板是新兴的个体化辅助置钉工具，并且在脊柱外科的应用已经由实验阶段逐渐进入临床阶段^[7](图1)。首先，对患者需要手术的部位进行CT扫描，将所需要的数据输入计算机辅助设计软件中，对脊柱三维模型的重建，然后在三维模型上规划出椎弓根的最佳进针点、进针方向和进针深度，同时建立与脊柱解剖形态相匹配的反向模板，最后将最佳进针通道与反向模板相结合，随之将数据传输到3D打印机中，即可制定出个体化定位导向模板。手术中将个体化定位导向模板紧贴于相应的椎体后部骨性结构，根据导板定位导向孔就可以准确的对椎弓根进行置钉。它操作简单，能够在手术中让医生准确地进行椎弓根置钉，并可在手术前为患者设计出个体化的螺钉，即提高置钉的准确定，又能确保手术的成功率^[8-9]。

在颈椎手术中的应用：颈椎解剖结构复杂，手术风险高，很容易出现血管神经并发症，所以对手术医生的水平要求很高。近几年学者们对颈椎导板的应用越来越重视，并表明颈椎导板辅助置钉将有效地提高颈椎手术的安全性和准确定。Fu等^[10]应用其治疗多节段创伤性颈椎不稳，并成功验证其可行性；Hu等^[11]应用其辅助颈二椎板关节突螺丝内固定和应用于颈1/2经关节螺钉内固定治疗寰枢椎不稳，并验证其辅助置钉后的螺钉位置均在允许误差范围内；胡勇等^[12]成功对寰枢椎不稳患者行寰枢椎后路螺钉内固定术；陈宣煌等^[13]应用其在齿状突骨折经前路空心螺钉内固定，后经CT扫描成功验证其螺钉位置良好。对于复杂的、变异程度高的寰枢椎，定位导向模板可提供更多的后路组合螺钉导板设计形式，并提高其置钉的准确性。

在胸椎手术中的应用：相对颈椎、腰椎而言，胸椎的椎弓根相对细小，椎弓根置钉更容易伤及周围的主动脉、脊髓、神经等重要解剖结构，如果患者存在椎体畸形，将显著提高手术的风险。而胸椎个体化导板的使用可以提高胸椎置钉的准确定，并且已经得到国内外学者的证实。宁金沛等^[14]运用个性化导板为患者成功置入23枚椎弓根螺钉，1枚螺钉穿破椎弓根骨皮质，且术中未出现神经血管的损伤；陈玉兵等^[15]利用胸椎个体化导板辅助胸椎椎弓根置钉成功率达到95.3%，所有螺钉均穿破椎弓根骨皮质。为个体化定位导向模板在胸椎手术中的应用奠定了基础，证实了个体化定位导向模板在胸椎手术中的应用价值及重要性。

在腰骶椎手术中的应用：由于腰椎的椎弓根相对粗大，所以个体化定位导向模板在腰椎的应用较颈椎、胸椎少。但是有学者证明个体化定位导向模板在腰椎手术中的应用将提高椎弓根的准确性，减少穿破椎弓根骨皮质的风险，并明显缩短置钉时间。Merc等^[16]将20例腰椎患者随机分为2组，一组为传统治疗组，另一组为导板辅助组，结果表明导板辅助组的置钉精确度更高，置钉时间低于传统组；陈宣煌等^[17]应用3D个体化定位导向模板进行腰椎椎弓根辅助置钉，术后经X射线、CT复查，所有螺钉位置满意。穆卫庐等^[18]在骶髂螺钉置钉，术后CT扫描复查，发现螺钉位置良好，未穿破骨皮质。

2.2.2 精确划定截骨减压的范围在临床中复杂的脊柱畸形、脊柱后路减压等手术中，经常需要进行截骨；而脊柱神经分布密集，对术者的准确性要求很高，如有不慎就可能造成患者失血过多甚至瘫痪。因此，精确划定截骨的范围是确认手术是否成功的前提。首先对截骨线的确定需要手术医生对各种因素进行综合的考虑，如脊柱矢状位及冠状位的平衡、椎前血管的顺应性、脏器功能的影响程度等。如果截骨范围过大，很容易破坏脊柱的稳定性以及神经功能的损伤；而截骨范围过小，患者脊柱畸形得不到有效改善、脊柱平衡无法恢复、神经和脏器的压迫无法得到缓解。

以往在需要截骨的这类手术中，对截骨范围的术前规划设计大多都是通过影像学资料确定的，截骨线的定位基本依靠医生的经验和肉眼判断，而患者脊柱本身结构复杂，个体差异性大，脊柱畸形更是导致解剖标志严重变异，手术医生很难获得患者脊柱的三维解剖信息。因此术者对截骨线设计的精确性较差，导致截骨的范围并不是十分精准，风险相对较高。

3D打印技术打印的实物模型还原了患者的脊柱形态，让截骨线的设计更加科学、精确。在为患者定制个体化的截骨导板上有施刀口，手术中将导板卡在需要截取的脊柱骨上，引导骨刀沿着刀口进入，可以确保手术的精准、微创。与传统的截骨方式相比，3D打印截骨导板应用在脊柱截骨减压中，可以减少患者出血、缩短手术时间、降低手术费用等^[19]。

2.3 个体化定制

2.3.1 个体化内置物的定制 3D打印技术初期主要应用于手术方案的制定、模拟手术、打印实物模型和个体化定位导向模板的应用，但随着3D打印技术与材料学的发展，利用3D打印个体化内置物已经逐渐进入临床应用阶段^[20]。脊柱形态复杂，存在一定的变异性，病变也多种多样。如椎间隙过宽或者过窄，造成内置物的大小不匹配，则需要制定个体化内置物。个体化内置物的定制往往需要满足快速性、复杂性和多向性，而已有学者证实应用3D打印技术可以根据患者的实际情况进行个体化内置物的定制，以满足患者需求，从而实现更好、更精确的手术。钱文彬等^[21]应用3D打印技术打印椎体，并置入实验猪体内，术后影像学显示，置入的椎体位置正常，且术后猪的后腿活动、感觉均良好。个体化内置物也将满足解剖学、生物力学以及形态等不同方面的需求。郭卫教授用3D打印技术制造出人工全骶骨假体，成功为1例骶骨索瘤患者完成了骶骨恶性肿瘤术后的骨缺损修复^[22]。虽然目前3D打印个体化内置物的病例较少，但是3D打印个体化内置物已经进入临床商用阶段，国外已有多家公司利用3D打印技术制造出了脊柱内置物。

2.3.2 个体化支具的定制 3D打印技术可以根据患者对支具需求，联合生物力学分析，制定出舒适而适宜患者的个体化支具，患者也可以根据自己的要求及治疗目的选择不同的制作材料，即材料多样性(图2)。生物力学和3D打印技术的联合让制作更加简单、快速，并且符合人体特点和疾病的需求。舒适的支具对患者的日常生活和康复锻炼是必不可少的，它可以改善患者的生活能力、步行能力以及对心理负担的调解也有一定的意义，从而更好的帮助患者早日康复^[23]。

2.4 骨组织工程中的应用 由于3D打印技术对材料的选择具有多样性，在骨组织工程的应用主要集中在骨组织工程支架、人工骨骼和椎体。3D打印技术操作简便，具有高孔隙率，原料应用范围广泛，支架表面光滑，细胞可直接黏附，因此可根据需要设定孔隙率、交联，为细胞生长提供条件，并完美匹配支架的降解速度与成骨速度，满足患者的个体化制定需求。3D打印技术也可通过改良内部结构，增强支架的机械性能，并且具备满足细胞长入，与缺损骨组织结构相匹配的多孔结构^[24-25]。虽然 3D打印技术在骨组织工程中已有应用，但是技术缺点还需要进一步改善，比如印刷延迟对支架的抗压强度的影响、组合黏合剂的比例和烧结温度、打印机器的精度性能、支架强度、原材料的研发等等，以及3D打印骨组织工程支架的最适降解速度、孔隙率、力学性能尚无确切的定论^[26]。在随着3D打印技术和材料学的发展，在组织工程中打印活细胞也将作为打印材料的一部分，在制备组织工程支架时被一起打印出来，实现细胞打印骨组织来修复脊柱的骨组织缺损将成为可能。

2.5 脊柱实物模型的构建及应用 利用3D打印技术打印脊柱实物模型首先要对需要建模的脊柱进行连续的CT扫描，然后将获得的数据导入到三维重建软件中，构建出三维脊柱模型，最后将三维脊柱模型导入到3D打印机中，打印出患者的脊柱实物模型。

2.5.1 在临床中的应用 3D打印技术打印的脊柱实物模型可以直观地反映患者脊柱病变的情况，指导术前评估和手术计划的制定，并提高手术中的操作精度，缩短手术时间，降低并发症的出现，提高手术成功率。在脊柱畸形的病例中，脊柱实物模型可以清晰地显示畸形椎体的畸形情况，在手术前通过对实物模型的研究可以获得MRI和CT等影像学资料无法获取得解剖学资料，通过对畸形脊柱解剖学形态的了解，为临床医生制定手术方案做必要的参考，并在实物模型上进行手术模拟，以及验证手术方案的可行性。在脊柱肿瘤中也可通过实物模型确定需要切除病变的部位和范围，明确椎体、神经、血管与肿瘤之间的关系，确保手术的成功及良好的预后。在脊柱骨折脱位中通过3D打印的脊柱实物模型可以进行术前观察、手术模拟，制定更佳的手术方案，同时实物模型也可确保术中椎弓根的置钉的准确性。Yang等^[27]将脊柱实物模型应用于LenkeⅠ型青少年特发性脊柱侧突手术中，3D模型组比传统组所用时间短，术中出血少。Li等^[28]将3D打印的脊柱实物模型应用于腰椎间盘摘除术中，结果证明3D打印组较普通组术中出血少，所用手术时间短，在并发症发生率等方面差异无显著性意义。

2.5.2 在临床教学中的应用由于脊柱的复杂解剖结构，使得对手术者的操作要求非常高，因此对年轻医师或实习同学的手术培训存在局限性。过去医生教学只能通过解剖图谱或者标本进行手术技巧讲解，然后年轻医师或实习同学上手术室观摩手术，最后由经验丰富的医生进行指导手术操作。这样不仅需要长时间的手术观摩，而且由于手术中指导医生要为患者负责，不可能使年轻医师或实习同学进行较为危险或者复杂的手术操作，不能做到短时间内的培训就能使年轻医师或实习同学掌握手术技巧和相关的专业知识。3D打印技术的出现，将很好地解决脊柱外科医生在教学和训练存在的问题，利用3D打印的脊柱实物模型可以将脊柱外科相关疾病的解剖结构立体、直观地展现出来，使学生对脊柱的解剖结构、病理、相关疾病分型及治疗方法更容易理解，并且可以在模型上对相关脊柱外科疾病手术进行更好的练习。特别是椎弓根置钉，手术中只能凭借有限的解剖标志进行进钉，凭经验去确定进钉的方向和深度，年轻医师或实习同学由于手术中观摩视野的限制，不能很好地掌握操作要领和技巧，而利用3D打印的脊柱实物模型进行置钉演示，可以让他们在实物模型上进行亲手操作，并打开模型分析钉道的情况，自我弥补不足。有研究表明3D打印的脊柱实物模型能帮助学生更好、更快的对复杂脊柱结构进行理解，牢记手术步骤和技巧，增加在实际手术中的自信，提高教学质量^[29]。

2.5.3 对脊柱实物模型的评价 3D打印脊柱制作的脊柱实物模型在临床中具有广泛的应用性，能让医生获得比影像学更加详细的解剖学信息，辅助医生制定手术方案、模拟手术、手术置钉等，尤其在复杂的脊柱手术中，应用脊柱实物模型可以更好的与患者和家属沟通，快速做到让患者知情选择手术，并缩短术中时间，减少术中出血，提高置钉的准确性，确保手术成功实施。

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引言

3D打印技术又称快速成型技术，通过CT、MRI扫描得到数据后，可以将三维的数字模型通过塑料或金属粉末等可黏性材料打印为实物模型，是通过数字技术材料打印机实现的一种增材制造技术^[1]。作为新的领域技术，自从1986年第一台3D打印机问世以来，3D打印技术已快速的应用于医疗、军工、航天、工业设计等行业，其在临床医学中更是发挥着越来越重要的作用，已被广泛地运用在医学的方方面面，如复杂的骨肿瘤切除、脊柱损伤及畸形、口腔下颌骨修复，支具制作、临床教学等等^[2-3]。

研究表明，脊柱退行性疾患发病在国内呈上升趋势，需要进行手术治疗的脊柱疾病患者也日益增多，而由于脊柱独特的解剖结构，使得手术医生必须拥有娴熟的技术，一旦手术中出现失误，轻者可能导致患者出血增加，重者可能导致瘫痪甚至危及生命，对患者造成不可挽回的损失。3D打印技术的问世，使得脊柱外科在脊柱病的手术治疗安全方面看到了曙光。它具有分层叠加、善于制作复杂和高精度的实物、无需产品模具和机械加工、节省时间、高效的生产效率、低成本等特点，受到脊柱外科医生的青睐，应用也越来越多。通过对近几年关于3D打印技术在脊柱外科应用的文献发现，3D打印技术主要应用在术前对手术方案的制定和导板辅助椎弓根精确置钉，并且在术前诊断、个体化支具的制定、骨组织的重建以及与患者沟通和临床教学方面均有涉及。

文章参考近几年3D打印技术在脊柱外科的前瞻性研究，对以上涉及的研究方向现状进行简要回顾，并对3D打印技术在脊柱外科的前景做出展望。

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