3D打印技术在老年退变性腰椎侧弯手术中的应用

赵 晖，邹 明，胡 伟，刘向阳，吴建明

亳州市人民医院脊柱外科 安徽亳州 236803

3D打印技术又称快速成型技术，是一种以计算机数字化模型为基础，在其控制下利用光敏材料逐层黏合打印的逆向增材工程技术[1]。近年来3D打印技术迅猛发展，在医学领域的应用也更为广泛[2-4]。2016年1月至2018年5月，我院有20例老年退变性腰椎侧弯患者接受联合3D打印腰椎模型和术中椎弓根定位-定向导板的腰椎后路减压植骨融合椎弓根螺钉内固定侧弯纠正术，20例接受常规手术治疗，本研究比较了两组患者的疗效及手术相关指标，评价3D打印技术在老年退变性腰椎侧弯手术中的临床价值。

1 对象与方法

1.1研究对象40例老年退变性腰椎侧弯患者均符合以下标准:①年龄60～80岁。②术前行脊柱全长Bending位X线片，腰椎CT、MRI检查，查体确认症状、体征与影像学表现相符合，明确诊断为退变性腰椎侧弯。③术前完善相关检查，必要时由相关科室会诊，综合评估为可耐受手术和麻醉者；术前充分沟通，手术意愿强烈，可以接受手术风险的患者。20例采取常规腰椎后路减压植骨融合椎弓根螺钉内固定侧弯纠正术(对照组)，男11例，女9例，61～80岁。另外20例采取联合3D打印腰椎模型和术中椎弓根定位-定向导板的后路减压植骨融合椎弓根螺钉内固定侧弯纠正术(研究组)，男12例，女8例，60～80岁。两组年龄、性别分布及术前疼痛视觉模拟评分(visual analogue scale，VAS)、腰椎功能障碍指数(Oswestry disability index,ODI[5])等一般资料比较差异无统计学意义(P>0.05)。

1.23D打印腰椎模型和导板的制作研究组采用西门子64排CT薄层扫描患者腰椎，扫描层厚0.6 mm，扫描图像以Dicom格式保存后通过处理软件Mimics17.0(比利时Materialise公司)导入3D图像生成及编辑处，设计出卡在双侧关节突关节处的椎弓根定位-定向导板(图1A)，导板直径为3.5 mm。椎弓根螺钉走行设计平行于椎弓根，横截面上沿椎弓根方向进针。术前计算机上初步模拟观察直径6.5 mm(视实际椎弓根螺钉直径调整)椎弓根置钉的矢状位(图1B)、轴状位钉道(图1C)与椎弓根的位置关系，并作出相应精细调整，设计出满意的定位-定向导板数据，以STL格式导入上海麦递途公司生产的盘古4.0系3D打印机，打印出1∶1的腰椎椎体和模型导板，同时也为椎弓根螺钉大小的选择提供参考。

1.3手术方法和术后处理研究组：麻醉后取俯卧位，腹部悬空，常规消毒铺巾，以侧弯顶点为中心纵行逐层切开皮肤、皮下及浅深筋膜，骨膜下剥离骶棘肌，显露需要置钉固定的椎体棘突、椎板、关节突关节及横突；彻底去除关节突关节的软组织，充分暴露；取出低温消毒后的3D打印椎体，观察和患者椎体是否完全一致；将消毒后的定点-定向导板卡在相应椎体的关节突关节上，固定牢靠，避免导板移位。根据预先在1∶1腰椎模型上测量的椎弓根螺钉长度，在导板引导下使用电钻，安装直径3.0 mm、相应长度的限深钻头，缓慢钻孔(图1D)，钻孔成功后球探探查四壁均为骨道，插入定位针。透视见定位针位置良好，攻丝，再次探查四壁均为骨质，置入椎弓根螺钉。需要减压椎体，咬骨钳咬除相应椎体棘突、双侧椎板及部分增生内聚的关节突关节，扩大狭窄的侧隐窝，彻底减压。切开狭窄椎体间椎间盘，撑开器逐步撑开，刮刀刮除腰椎间软骨板，将咬除的骨质塞入合适的融合器中。置入预弯钛棒，适当撑开，拧紧螺塞。再次透视见椎弓根螺钉及融合器位置良好，生理弧度恢复佳，侧弯得到矫正。再次探查见硬膜搏动良好，神经根松弛。超声磨钻打磨固定椎体关节突关节及椎板，将减压碎骨置入双侧腰椎横突间、关节突关节及椎板后方。清点器械敷料无误后，内置引流管1根，逐层缝合伤口，无菌敷料包扎。术后送麻醉恢复室，患者苏醒后，送入脊柱外科病房，髓核送病理。

对照组手术方法：按照常规的“人”字棘顶点进针，通过术前阅片和手术经验调整头、尾倾和外展角度置钉，余手术步骤同研究组。

术后处理：术后患者均采用平卧位休息，轴向翻身；观察手术切口负压引流管引流量，24 h引流量<50 mL、无脑脊液漏的患者拔出引流管。术后使用头孢呋辛钠24～48 h，激素3～5 d，脱水药、质子泵抑制剂3～5 d，有神经症状的患者加用神经营养药物。

1.4观察指标采用Kawaguchi等[6]的方法评价置钉精准度。0级：螺钉完全在椎弓根内；1级：螺钉穿出椎弓壁不超过2 mm，未出现并发症；2级：螺钉穿出椎弓根壁超过2 mm，未出现并发症；3级：出现临床并发症，如神经刺激或损伤症状。记录两组病例的手术时间、术中出血量、术中C臂机透视次数；术后6个月随访，再次行VAS、ODI评价。

A：术前设计的定位-定向导板；B:术前模拟椎弓根置钉矢状位的位置；C:术前模拟椎弓根置钉轴状位的位置；D:术中电钻安装直径3.0 mm的钻头穿刺

图1术前设计

1.5统计学处理采用SPSS 19.0处理数据。采用两独立样本t检验比较两组手术时间、术中出血量、术中C臂机透视次数，术后6个月与术前VAS及ODI差值的差异，采用χ2检验比较两组椎弓根螺钉置钉0级率，检验水准α=0.05。

2 结果

研究组典型病例术前术后影像见图2。与对照组相比，研究组手术时间缩短，术中出血量及术中C臂机透视次数减少；但两组术后6个月与术前VAS评分及ODI评分的差值差异均无统计学意义，见表1。对照组置钉0级率为91.9%(193/210)，研究组为98.1%(212/216), 差异有统计学意义(χ2=8.856，P=0.003)。两组病例均获骨性融合，均未出现神经症状，也未见内固定装置松动、断裂等并发症。

A:患者术前腰椎侧凸Cobb角60°；B：术后腰椎侧凸完全矫正，Cobb角0°

图2 研究组典型病例术前术后影像

3 讨论

3.1应用3D打印腰椎椎体及椎弓根导板在老年退变性腰椎侧弯手术中的优势退变性腰椎侧弯是老年人常见的疾病，随着社会老龄化的加剧，发病率逐年增高[7]。术前即3D打印出1∶1的老年退变性腰椎侧弯椎体模型和椎弓根导板，方便和患者及家属沟通[8]，可以让患者及家属直观地感受手术操作步骤，理解手术可能会出现的风险；可以在计算机上预先设计出手术方式、减压和固定范围，判断术后侧弯矫正的满意度，“个性化”地模拟手术[9]，甚至遇到较大解剖变异的患者，手术内固定器材可以“私人定制”。老年性退变性腰椎侧弯畸形，椎体左、右侧高度不对称且伴有旋转畸形，椎弓根同样随着椎体的变异而变异较大，关节突关节内聚明显，这些均给椎弓根螺钉的置入带来困难。据Mason等[10]报道腰椎传统置钉方法存在30%～40%的误置率。对于老年性退变性腰椎侧弯畸形患者，使用普遍性的理论指导个体化的置钉是误置发生的根本原因[11]；且老年人椎弓根骨质疏松，置钉要求较高，多次穿刺后椎弓根把持力较差，凸侧抱紧和凹侧撑开时易导致椎弓根爆裂，失去原本的固定作用，因此椎弓根螺钉穿刺要求最好一次性成功，避免反复调整。使用3D打印技术，可于术前在椎体上进行模拟置钉，保证螺钉均在椎弓根内，几乎无偏差，基本上可以做到一次穿刺成功。这样不仅减少创伤、出血，同时可以节约手术时间。我们的研究证实使用3D打印导板的研究组手术时间为(240.5±40.1) min、术中出血量为(910.1±92.3) mL，和对照组比较，手术时间和术中出血均减少。此外，由于3D打印的椎弓根导板精确度较高，可以减少术中透视次数，从而减少患者和医务人员的术中辐射量。

3.2应用3D打印腰椎椎体及椎弓根导板的注意事项术前所获取的CT平扫数据要以Dicom格式保存，且平扫厚度至少要小于1 mm，层厚越小越精确。我们所使用的西门子公司生产的64排双源CT，层厚为0.6 mm。术前一定在计算机上反复测试椎弓根螺钉的直径和长度及螺钉在轴状位、矢状位的位置，确保螺钉大小、位置完全合适，方可逆向设计相应导板，确保导板精确无误。术中要解剖清楚，尤其是椎弓根导板所要卡的关节突部位，彻底剔除软组织，避免导板放置偏差影响椎弓根螺钉置入的准确性。在放置好椎弓根导板后，要固定牢靠，防止导板在使用过程中发生移位。

3.3本研究的局限性本研究打印腰椎椎体和椎弓根导板所使用的医用光敏树脂是否可以进行低温消毒，消毒时是否会发生化学变化，消毒后的光敏树脂导板接触人体是否有害，均有待进一步长期研究。另外，本研究样本量较小，随访时间较短，远期效果有待进一步观察。

总之，3D打印技术可以个性化设计和制作腰椎模型及椎弓根导板，提高老年退变性腰椎侧弯手术椎弓根螺钉置入的精确性，节约手术时间，减少术中出血，减少术中C臂机透视次数，值得推荐应用。