3D打印技术在重度僵硬性脊柱侧后凸畸形截骨矫形治疗中的辅助作用

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.0550

中国组织工程研究 ›› 2018, Vol. 22 ›› Issue (31): 4959-4964.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.0550

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3D打印技术在重度僵硬性脊柱侧后凸畸形截骨矫形治疗中的辅助作用

杨阳¹，刘林^1，2，薛文²，王增平²，钱耀文²，高学民²，范立真²，文杰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

出版日期:2018-11-08 发布日期:2018-11-08
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:杨阳，男，1991年生，甘肃省平凉市人，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科研项目(17GSSY3-3)

Ancillary effect of three-dimensional printing technology applied in the orthopedic surgery of severe rigid kyphoscoliosis

Yang Yang¹, Liu Lin^{1, 2}, Xue Wen², Wang Zeng-ping², Qian Yao-wen², Gao Xue-min², Fan Li-zhen², Wen Jie²

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

Online:2018-11-08 Published:2018-11-08
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:Yang Yang, Master candidate, Clinical Medical College of Gansu University of Chinese Medicine, Lanzhou 730000, Gansu Province, China
Supported by:
the Scientific Research Project of Gansu Provincial Hospital, No. 17GSSY3-3

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

3D打印技术：术前对患者进行全脊柱CT扫描，把扫描的数据保存至Mimics软件中，通过处理以STL格式导出，对此文件在专用三维打印机下按1∶1比例打印形成病变仿真椎体模型。术前结合相关影像学资料及3D打印模型进行术前虚拟内固定设计及截骨方案的设计，根据之前的设计及测量数据在3D打印模型上对需要固定的节段进行体外模拟内固定和虚拟截骨，并记录所有数据。3D打印技术为临床医师提供了更加直观的、立体的解剖学信息，并通过术前制定个体化的、更加精准的置钉及截骨矫形方案有效的提高手术安全性。

重度僵硬性脊柱侧后凸畸形：常由先天性半椎体患者未及时就诊，发展到后期侧屈X射线片柔韧性小于30%而形成，该类患者往往由于胸腔畸形导致心肺功能障碍，脊柱严重畸形导致不同程度的神经功能损害、截瘫等相应的症状，且病情随年龄持续性的进展，绝大多数患者需手术治疗，但由于该类患者脊柱畸形、解剖不规则、周围组粘连严重，其截骨矫形手术风险极高。因此，对重度僵硬性脊柱侧后凸患者术前制定个体化的、更加精准的置钉及截骨方案设计可以有效降低手术风险。

摘要

背景：脊柱严重畸形，解剖不规则，截骨矫形手术风险极高，重度僵硬性脊柱侧后凸患者需要术前制定个体化的、精准的置钉及截骨方案设计以降低手术风险。

目的：探讨3D 打印技术应用在重度僵硬性脊柱侧后凸畸形截骨矫形手术中的疗效。

方法：将2015年1月至2017年6月32例重度僵硬性脊柱侧后凸畸形患者纳入研究，其中16例在3D打印技术辅助下行截骨矫形手术的患者作为试验组，即术前利用3D打印技术重建脊柱模型，在此基础上精确设计合理的截骨方案。其余16例在X射线常规影像学检查指导下行截骨矫形的患者为对照组。记录所有患者围术期相关指标、术后侧后凸畸形矫正效果、椎弓根螺钉置钉准确率及手术并发症发生率等相关指标。

结果与结论：试验组患者的手术时间、术中出血量、术中透视次数、术后引流量、术后并发症发生率、术后侧凸及后凸Cobb角等7个指标均明显低于对照组，置钉准确率及侧凸和后凸矫形率明显高于对照组(P < 0.05)。说明3D打印技术，为重度僵硬性脊柱侧后凸畸形患者截骨矫形术前制定了个体化的、更加精准的置钉及截骨矫形方案，可提高手术安全性，减小手术创伤，临床效果满意。

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: 0000-0002-5879-9789(杨阳)

关键词: 重度僵硬性脊柱畸形, 3D打印技术, 截骨术, 侧后凸畸形, 术前设计, 安全性, 置钉, 螺钉固定

Abstract:

BACKGROUND: For severe rigid kyphoscoliosis patients, due to severe spinal deformity, and high risk for orthopedic surgery, designing an individualized and precise placement and osteotomy scheme preoperatively is needed to reduce surgery risk.

OBJECTIVE: To evaluate the clinical effect of three-dimensional (3D) printing applied in the orthopedic surgery for severe rigid kyphoscoliosis.

METHODS: Thirty-two patients with severe rigid kyphoscoliosis from January 2015 to June 2017 were included. Sixteen cases underwent 3D-assisted osteotomy (preoperative spinal reconstruction by 3D printing, and designing rational osteotomy scheme, trial group), and other 16 cases received orthopedic surgery under X-ray (control group). The perioperative indexes, postoperative correction effect, accuracy of pedicle screw placement and incidence of complications were recorded.

RESULTS AND CONCLUSION: The operation time, intraoperative blood loss, intraoperative fluoroscopy time, postoperative drainage, postoperative incidence of complications, postoperative scoliosis and kyphosis Cobb angle in the trial group were significantly lower than those in the control group, but the accuracy of pedicle screw placement, scoliosis and kyphosis corrective rate were significantly higher than those in the control group (P < 0.05). To conclude, based on 3D printing, an individualized and precise placement and osteotomy scheme is designed for severe rigid kyphoscoliosis, can improve the operation safety, reduce the trauma, and obtain satisfactory clinical outcomes.

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: Imaging, Three-Dimensional, Scoliosis, Osteotomy, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

杨阳，刘林，薛文，王增平，钱耀文，高学民，范立真，文杰. 3D打印技术在重度僵硬性脊柱侧后凸畸形截骨矫形治疗中的辅助作用[J]. 中国组织工程研究, 2018, 22(31): 4959-4964.

Yang Yang, Liu Lin, Xue Wen, Wang Zeng-ping, Qian Yao-wen, Gao Xue-min, Fan Li-zhen, Wen Jie. Ancillary effect of three-dimensional printing technology applied in the orthopedic surgery of severe rigid kyphoscoliosis [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2018, 22(31): 4959-4964.

图/表（结果） 3

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引言

材料方法

1.1 设计 前瞻性、非随机临床研究。

1.2 时间及地点 于2015年1月至2017年6月在甘肃省人民医院脊柱骨科完成。

1.3 对象 选择2015年1月至2017年6月甘肃省人民医院收治的重度僵硬性脊柱侧后凸畸形患者作为研究对象。

纳入标准：①行全脊柱X射线片、左右侧屈X射线片及CT检查，符合重度僵硬性脊柱侧后凸畸形矫形手术指征者(即CT冠状面Cobb角>80°，侧屈 X射线片柔韧性<30%的脊柱畸形患者)；②实验室检查及其他相关检查结果正常，经心内科、呼吸科和麻醉科等相关科室综合会诊后能耐受手术者；③有腰背部疼痛、心肺功能不全导致的活动受限、双下肢活动障碍及相应神经症状等，且经过严格保守治疗3个月以上无效者；④自愿接受手术风险者；⑤对整个治疗方案知情同意者。

排除标准：①患有脊柱恶性肿瘤；②有明显的骨质疏松及严重的内科疾病；③无症状或症状不明显者，以及脊柱侧后凸畸形不重、手术意愿不强者；④存在其他手术禁忌证者。

共纳入重度僵硬性脊柱侧后凸畸形患者32例，依据治疗方法将其分为2组，试验组16例，对照组16例。手术方式均为同一种截骨矫形融合内固定术，均使用同一品牌器械，手术均由同一主任医师主刀完成，评估方法均为盲法。

1.4 材料 手术器械均为富乐Ⅱ-6810-4矫形(骨科)外科用手术器械；所采用的医学专用3D打印设备为麦递途医疗科技(上海)有限公司提供。

1.5 方法

1.5.1 试验组术前准备

术前利用3D打印技术重建脊柱模型：对患者进行全脊柱0.5 mm薄层CT(西门子公司，德国)扫描，把扫描的数据以DICOM格式保存至Mimics软件中，然后通过Mimics图像处理软件以STL文件格式将其导出，导出的文件在专用三维打印机下采用选择性激光烧结技术按1∶1比例打印形成病变仿真椎体模型。

术前虚拟内固定设计及截骨方案的设计：首先，在3D打印模型上直观的测量、评估患者脊柱畸形的情况，包括测量半椎体的具体高度及宽度，观察相邻节段椎体的解剖空间关系、临近节段椎体后柱解剖形态等，寻找并标记术中指导置钉的骨性标志点，并精确设计椎弓根钉的最佳进钉位置和角度以及需要固定的节段，精确设计合理的截骨方案。根据之前的标记及测量数据在3D打印模型上对需要固定的节段进行体外模拟内固定，并依次记录每个螺钉的最佳置入方向、直径及长度和置入棒的长度与直径等相关数据。

设计多节段截骨方案：在3D模型病变节段上选择不同的截骨部位和截骨角度进行虚拟截骨，比较不同设计方案的矫形效果，最终确定一套理想的截骨方案，包括截骨范围、截骨部位和角度及度截骨的数量，并测量记录截骨节段在椎板和椎体后缘的截骨宽度以及相应钛网的大小，指导手术中的截骨。

1.5.2 试验组手术方式患者气管插管全麻后，取俯卧位，调整脊柱手术床弯曲程度以适应个体化脊柱畸形，胸、髂部垫多块软垫使腹部悬空。术中参考3D打印模型，按照术前内固定规划，行相应长度后正中切口，依次剥离组织直至显露双侧横突，按术前虚拟内固定设计方案于相应畸形椎体两端暴露术前拟定的置钉骨性标志点，插入定位针后行C臂机透视辅助定位，定位针位置满意后，精确置入理想椎弓根螺钉。然后以顶椎为中心对相应节段切开椎板减压，暴露硬膜和椎弓根，术中直视参考3D打印模型指示找到后凸顶椎的椎弓根，保护硬膜及神经根后，使用磨钻经椎弓根向椎体内楔形截骨，按术前设计的截骨角度及基底宽度做闭合截骨，严格按照3D打印模型将畸形椎体前缘皮质截为合页状，保留椎体后方薄层皮质，应用反向刮匙从硬膜腹侧预留的薄层皮质骨压入截骨间隙内，通过对双侧交替加压闭合截骨间隙矫正畸形，置入合适大小的钛网，置连接棒锁紧，椎板表面植松质骨，放置伤口引流条，关闭切口。术中持续下肢神经监测，术后唤醒试验以确保无脊髓损伤的发生。术后常规给予抗生素预防感染、营养支持等对症治疗，术后24 h后给予低分子肝素钙预防血栓，随时记录术后引流量，观察切口恢复情况，待引流液少于 100 mL后拔出引流管。术后患者在支具保护下进行康复锻炼3-6个月，术后常规拍摄X射线片观察螺钉内固定是否稳定，是否发生断裂。

1.5.3 对照组治疗方法术前常规通过全脊柱X射线片等影像学检查进行脊柱侧后凸畸形的测量及评估，在影像片上大致设计固定截骨矫形方案，手术方式同试验组，只是在手术中无3D打印模型的参考及术前模拟内固定、截骨方案的设计，是根据切开后的椎体形态、术中多次透视实施内固定及截骨矫形。

1.6 主要观察指标

1.6.1 一般情况记录患者手术时间、术中出血量、术中X射线暴露次数、术后引流量。

1.6.2 椎弓根螺钉置钉准确率术后1周对固定椎体进行CT扫描，将椎弓根螺钉分为完全在椎弓根内和传出椎弓根皮质两种；椎弓根螺钉置钉准确率(%)=完全在椎弓根内螺钉数量/椎弓根螺钉总数量×100%；

1.6.3 并发症发生情况统计术后1周及术后1，6，12个月的并发症发生率，即内固定装置障碍、神经软组织等损伤、脑脊液漏、伤口感染等；

1.6.4 侧凸和后凸Cobb角记录手术前及术后1周及1年侧凸和后凸Cobb角，计算畸形矫正率，矫正率(%)=(术后1年Cobb角-术前Cobb角)/术前Cobb角×100%。

1.7 统计学分析 采用SPSS 22.0统计学软件进行数据分析，计量资料用x(_)±s表示，其中计量资料组间比较采用t检验，计数资料组间率(%)比较采用χ²检验，以P < 0.05为差异有显著性意义。

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讨论

重度僵硬性脊柱侧后凸畸形为冠状面Cobb角大于80°，侧屈X射线片柔韧性小于30%，常由先天性半椎体患者未及时就诊，发展到后期脊柱的柔韧性减小而形成^[19-22]。当前研究入选病例均为符合上述定义的重度僵硬性柱侧后凸患者。该类患者往往由于胸腔畸形导致心肺功能障碍，脊柱严重畸形导致不同程度的神经功能损害、截瘫等相应的症状，且病情随年龄持续性的进展^[23-27]。手术治疗重度僵硬性脊柱侧后凸畸形患者的主要目的于矫正畸形、椎间融合以恢复躯干的平衡性，改善神经症状，使心肺功能障碍不再加重^[28-29]。但由于该类患者脊柱畸形时间长，解剖不规则，周围组织相互粘连严重，因此在截骨矫形手术过程中出现损伤脊髓、神经根导致瘫痪以及其他并发症的风险极高^[30-35]。如何有效降低手术风险，同时矫正脊柱畸形是目前治疗重度僵硬性脊柱侧后凸畸形的重要课题^[36]。为此，试验通过术前3D打印模型，提供更加直观的、立体的解剖学信息，从而提高临床医师对脊柱畸形的理解，制定更加精准的个性化矫形方案。

传统的重度僵硬性脊柱侧后凸畸形进行手术矫形主要根据术前X射线、CT及MRI等二维影像信息作出诊断并制定手术方案，包括在术中椎弓根螺钉的置入、截骨的范围及钛网大小的选择均需进行反复的尝试才能取得较好的临床效果，进而延长手术时间^[37-38]。3D打印技术的出现彻底转变了这种传统治疗理念，为实现个体化和精准化治疗带来了曙光，现已成为精准医疗领域最有效的手段之一。

3D打印的立体模型可以从不同角度更好地观察畸形节段的解剖特点，制定更加精准的个体化手术方案。3D打印技术能为复杂的重度僵硬性脊柱侧后凸畸形患者提供仿真模型，提高术者对不规则脊柱解剖结构的认知，便于术前制定详细的手术方案，关键还可以在模型上术前模拟演练手术操作，测量记录椎弓根螺钉大小、进钉点、进置钉方向、截骨具体范围、钛网大小等。当前研究结果显示应用3D打印技术通过一系列精确的术前设计、模拟手术的重度僵硬性脊柱侧后凸畸形患者术中内固定置钉更加精确，置钉时间更短、创伤更小、术中放射线暴露时间更短、术后并发症发生率更低。同时，在3D打印技术辅助下经椎弓根椎体截骨的操作也更加直观，根据术前规划及模拟手术，在术中根据特殊骨性标志可以及时了解椎体截骨范围，以确保截骨面对合良好，放置合适钛网，充分闭合松质骨床，提高融合率，并且成功避免了术中一些反复的、盲目的操作引起的风险，减少了手术并发症。

该研究也具有一定的局限性，如研究病例数较少，随访时间不够长，后期仍需大样本长期随访的随机对照研究，很多潜在优势还需要大量的病例和足够的时间进行更深入的研究与验证。同时，术中体位的改变，会对脊柱侧后凸畸形在冠状面、矢状面及轴位旋转上有一定程度的影响，增加了手术难度。术前在3D打印模型上进行理想状态下截骨矫形，而手术中往往由于周围组织的粘连很难达到与术前设计的矫正度数一致，这往往需要手术医师进一步提高手术技巧。此外，3D打印技术相比普通的影像学检查，增加了患者的诊疗费用。尽管存在一定的局限性，但是3D打印技术在重度僵硬性脊柱侧后凸畸形患者矫形手术中优势明显，为实现个体化精准治疗提供了巨大帮助，具有广阔的应用前景。

综上所述，在3D打印技术的辅助下，对重度僵硬性脊柱侧后凸畸形患者截骨矫形术前制定个体化的、更加精准的置钉及截骨矫形方案有效的提高手术安全性，缩短了手术时间，减小了手术创伤，临床效果满意。

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