周馳雨，張瑩，初同偉

陸軍軍醫(yī)大學(xué)第二附屬醫(yī)院（新橋醫(yī)院）骨科，重慶400037

前言

在復(fù)雜脊柱畸形的外科治療中，由于畸形情況和手術(shù)方式的復(fù)雜與多變性，外科醫(yī)生需要針對病變進(jìn)行精確測定，因此術(shù)前制定針對不同脊柱畸形患者的精確化手術(shù)方案非常必要。脊柱嚴(yán)重側(cè)凸、后凸可引起脊椎前后柱結(jié)構(gòu)廣泛僵硬，發(fā)生脊柱三維畸形，導(dǎo)致脊柱穩(wěn)定性嚴(yán)重失衡，同時患者出現(xiàn)心肺發(fā)育異常，呼吸循環(huán)障礙，自卑心理等嚴(yán)重伴發(fā)癥狀，甚至出現(xiàn)遲發(fā)型癱瘓，嚴(yán)重影響生存、生活質(zhì)量［1］。外科干預(yù)是治療重度脊柱畸形的有效手段［2］，而由于脊柱畸形嚴(yán)重，解剖學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此，術(shù)前針對不同的畸形類別及程度制定精確化的手術(shù)方案顯得尤為重要［3］。以往脊柱外科手術(shù)只能采用二維圖像資料如X線片、CT、MRI等進(jìn)行手術(shù)設(shè)計(jì)，這些二維資料在反映脊柱病變嚴(yán)重程度、病變位置和畸形情況等信息不全面而且缺少直觀性，往往需要臨床醫(yī)生術(shù)中探查、通過觸摸感覺病變情況，憑借豐富的臨床經(jīng)驗(yàn)和手術(shù)技巧來完成手術(shù)，術(shù)中有可能會對病變部位、病變情況等判斷不準(zhǔn)確甚至出現(xiàn)錯誤，影響手術(shù)的安全性和精確性［4］。

隨著影像技術(shù)的發(fā)展及快速成型技術(shù)（Rapid Prototyping,RP）的成熟，個體化設(shè)計(jì)及制造的生產(chǎn)效率有望顯著提高，從而彌補(bǔ)傳統(tǒng)個體化治療效率上的不足?？焖俪尚图夹g(shù)又叫3D打印技術(shù)，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。由于RP技術(shù)可以將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（ComputerAssisted Design,CAD）的模型快速、準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)化為具有一定功能的實(shí)物模型并可對實(shí)物模型進(jìn)行評價、試驗(yàn)，因而得到了迅速的發(fā)展和應(yīng)用［5-7］。

筆者計(jì)劃利用3D打印技術(shù)對脊柱畸形患者進(jìn)行三維重建，并根據(jù)計(jì)算機(jī)模型，制定手術(shù)計(jì)劃及模擬術(shù)后效果，打印出實(shí)體模型用以指導(dǎo)手術(shù)。術(shù)后行CT三維重建，比較術(shù)前矯正模型設(shè)計(jì)效果與術(shù)后實(shí)際結(jié)果在冠狀位、矢狀位Cobb角恢復(fù)、頂椎偏距(Apical Vertebra Translation,AVT)、脊柱矢狀位軸(Sagittal Vertebral Axis,SVA)以及冠狀位平衡（C7 Plumb Line-Center Sacral Vertical Line,C7PL-CSVL）有無差異，以期為3D打印技術(shù)在脊柱畸形的深入應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

1 資料與方法

1.1 病例納入及排除標(biāo)準(zhǔn)

納入標(biāo)準(zhǔn)：①青少年先天性、特發(fā)性脊柱側(cè)彎，經(jīng)保守治療無效，一般情況良好，能耐受手術(shù)者；②脊柱結(jié)核、強(qiáng)直性脊柱炎等后天獲得性脊柱畸形（主彎Cobb角＞50°）；③退變性脊柱側(cè)彎（胸椎側(cè)凸角＞50°、腰椎側(cè)凸角＞40°、SVA＞4.5 cm）。

排除標(biāo)準(zhǔn)：①各種病因造成的輕度脊柱畸形（主彎Cobb角＜40°，無結(jié)構(gòu)性雙彎、三彎等）；②間質(zhì)病變所致脊柱側(cè)凸，如馬方綜合征、先天性多關(guān)節(jié)攣縮癥；③由代謝性、營養(yǎng)性等原因造成的脊柱側(cè)突；④有嚴(yán)重基礎(chǔ)疾病、不能耐受麻醉及手術(shù)者。

1.2 病例資料

選自2016年1月～2018年3月符合上述條件的陸軍軍醫(yī)大學(xué)第二附屬醫(yī)院（新橋醫(yī)院）住院治療患者。共納入病例26例，男性5例，女性21例；年齡11～65歲，平均26歲；青少年特發(fā)性脊柱側(cè)彎12例，退變性側(cè)彎2例，脊柱側(cè)后凸畸形7例，神經(jīng)纖維瘤病伴脊柱畸形3例，脊柱半椎體2例。采集患者術(shù)前脊柱全長正側(cè)位及左、右屈曲位片，以評估脊柱畸形情況、柔韌度以及椎體旋轉(zhuǎn)情況；術(shù)后以及隨訪時行脊柱全長正側(cè)位片以評估脊柱畸形改善情況。手術(shù)方式選擇經(jīng)后路脊柱畸形矯正截骨（必要時）融合內(nèi)固定術(shù)，手術(shù)均由同一位主任醫(yī)師主刀，由患者決定使用山東威高公司或者美國強(qiáng)生公司的內(nèi)固定器械。

1.3 矯正模型制備

所有患者均行脊柱全長CT（美國通用電氣公司64排雙源CT）掃描，掃描厚度設(shè)置為0.64 mm。所得影像數(shù)據(jù)以DICOM格式導(dǎo)入Mimics19.0軟件，重建出脊柱三維模型，由作者及主刀醫(yī)生共同評估模型，立體觀察脊柱畸形情況，并結(jié)合平片數(shù)據(jù)計(jì)算出的脊柱柔軟度，合理設(shè)計(jì)術(shù)后能矯正到的最佳形態(tài)。將矯正后的模型數(shù)據(jù)保存為STL（Surface Tesselation Language）格式，再導(dǎo)入3D打印機(jī)中制造出來，清潔消毒后帶入手術(shù)室中用以指導(dǎo)手術(shù)。

1.4 手術(shù)過程

麻醉成功后患者取俯臥位，常規(guī)消毒、鋪巾，取后正中切口，切開皮膚、皮下及深經(jīng)膜層，止血護(hù)皮。剝離兩側(cè)椎旁肌至顯露相應(yīng)椎體關(guān)節(jié)突，按術(shù)前計(jì)劃在擬固定椎體雙側(cè)逐一放置椎弓根螺釘，去除相應(yīng)節(jié)段椎體后方韌帶及棘突，在凸側(cè)區(qū)域行截骨（必要時），見脊柱松解良好后比照矯正模型的形態(tài)通過連接棒的提拉、加壓及去旋轉(zhuǎn)作用矯正脊柱形態(tài)。見矯形后脊柱外觀形態(tài)與模型基本一致后，將術(shù)區(qū)椎體表面骨質(zhì)用骨刀剃松，表面放置自體骨加部分異體骨行后路椎板間融合，如合并胸廓畸形則同時行胸廓成型術(shù)，切除部分突起的肋骨。常規(guī)放置引流管以及逐層關(guān)閉傷口。

1.5 觀察指標(biāo)以及治療效果評價

觀察指標(biāo)：①患者術(shù)前、術(shù)后即刻、以及隨訪時的脊柱冠狀位、矢狀位Cobb角度數(shù)、AVT、C7PLCSVL及SVA具體數(shù)值；②矯形設(shè)計(jì)模型的冠狀位、矢狀位Cobb角度數(shù)、AVT、C7PL-CSVL及SVA具體數(shù)值；③搜集患者可能出現(xiàn)的不良事件信息。

治療效果評價：①計(jì)算術(shù)后各期指標(biāo)較術(shù)前改善程度；②計(jì)算設(shè)計(jì)模型各指標(biāo)與術(shù)后各期指標(biāo)一致程度；③統(tǒng)計(jì)各種不良事件發(fā)生情況。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析。比較術(shù)前狀態(tài)，三維模型設(shè)計(jì)與術(shù)后結(jié)果及隨訪結(jié)果的差異性，病例計(jì)量資料用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，當(dāng)符合正態(tài)分布時采用配對t檢驗(yàn)，不符合正態(tài)分布時采用兩相關(guān)樣本秩和檢驗(yàn)。檢驗(yàn)水準(zhǔn)均為α=0.05。

2 結(jié)果

2.1 一般情況

所有病例全程隨訪，隨訪時間在3～24個月，平均隨訪9.5個月。26例患者平均手術(shù)時間220（135～3 300）min，平均出血量650（200～1 500）mL，平均術(shù)中透視次數(shù)3.7（2～6）次，平均住院日12.5（7～21）d。在26例納入患者中，1例出現(xiàn)術(shù)后切口滲液，皮緣紅腫情況，考慮皮下感染，予以二期清創(chuàng)后行真空封閉吸引（Vacuum Sealing Drainage,VSD），同時全身應(yīng)用敏感抗生素治療，加強(qiáng)營養(yǎng)支持后切口逐漸好轉(zhuǎn)愈合。1例患者術(shù)后第3天出現(xiàn)下肢肌力下降情況，左下肢各肌群平均肌力2級，右下肢各肌群平均肌力3級，行影像學(xué)檢查未發(fā)現(xiàn)椎管內(nèi)異常情況，考慮遲發(fā)型脊髓功能障礙。予以營養(yǎng)神經(jīng)并行高壓氧治療，術(shù)后1月隨訪時，左下肢肌力恢復(fù)至4級，右下肢肌力恢復(fù)至5級，術(shù)后3月隨訪時，雙下肢肌力已基本恢復(fù)正常。其余患者未見任何不良事件發(fā)生。

2.2 術(shù)前脊柱畸形情況與術(shù)后矯正情況

患者術(shù)前及術(shù)后脊柱冠狀位、矢狀位Cobb角度數(shù)、AVT、C7PL-CSVL及SVA統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示?；颊咝g(shù)前脊柱冠狀位、矢狀位Cobb角度數(shù)、AVT及SVA測值與模型設(shè)計(jì)、術(shù)后測值的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。患者模型設(shè)計(jì)、術(shù)后及隨訪測值之間的差異未見統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表1 26例患者各時期5項(xiàng)影像學(xué)參數(shù)比較（±s）Tab.1 Comparison of 5 radiographic parameters for 26 patients in each time period(Mean±SD)

表1 26例患者各時期5項(xiàng)影像學(xué)參數(shù)比較（±s）Tab.1 Comparison of 5 radiographic parameters for 26 patients in each time period(Mean±SD)

△術(shù)前與模型比較；#模型與術(shù)后即刻比較；*術(shù)后即刻與術(shù)前比較；&末次隨訪與模型比較，z值是秩和檢驗(yàn)的結(jié)果，其中a為正秩，b為負(fù)秩

時期術(shù)前狀態(tài)模型設(shè)計(jì)術(shù)后即刻末次隨訪冠狀位Cobb角/°測量值61.7±18.1 22.1±7.7 23.3±9.1 23.5±8.8統(tǒng)計(jì)值z=-4.372a P=0.000△z=-1.871b P=0.061#z=-4.373a P=0.000*z=-1.857b P=0.063&頂椎偏距/mm測量值68.5±22.5 34.7±14.5 36.1±17.3 36.2±16.8統(tǒng)計(jì)值t=9.764 P=0.000△z=-1.131b P=0.258#z=-4.373a P=0.000*z=-1.319b P=0.187&冠狀位平衡/mm測量值8.9±9.1 9.7±7.0 11.2±7.5 11.4±7.3統(tǒng)計(jì)值z=-0.926a P=0.355△z=-1.643a P=0.100#z=-1.329a P=0.184*z=-1.915a P=0.055&矢狀位Cobb角/°測量值48.3±29.3 21.4±10.8 22.0±12.3 22.1±11.9統(tǒng)計(jì)值t=4.412 P=0.000△t=-1.006 2 P=0.301#t=4.250 P=0.000*t=-1.722 P=0.101&脊柱矢狀位軸/mm測量值37.7±25.8 17.6±12.4 17.1±13.0 17.4±12.5統(tǒng)計(jì)值z=-4.153a P=0.000△z=-0.737a P=0.355#z=-4.051a P=0.000*z=-0.025a P=0.980&

2.3 典型病例

中年女性患者，45歲，主要臨床癥狀為下腰部區(qū)域疼痛（VAS 7分），術(shù)前腰椎平片顯示胸腰段脊柱側(cè)后凸畸形，選取上端椎為胸12，下端椎為腰4，冠狀位Cobb角度為53.4°，AVT為66.2 mm，C7PL-CSVL為13.4 mm，矢狀位后凸角度（T11-L3）為84.9°，SVA為77.2 mm；設(shè)計(jì)模型擬矯正數(shù)據(jù)為：冠狀位Cobb角度為25°，AVT為45 mm，C7PL-CSVL為10 mm，T11-L3為40°，SVA為10 mm；術(shù)后即刻測量數(shù)據(jù)為：冠狀位Cobb角度為26.1°，AVT為48.5mm，C7PL-CSVL為11.2mm，T11-L3為38.7°，SVA為3.5 mm；術(shù)后6月復(fù)查數(shù)據(jù)：冠狀位Cobb角度為23.6°，AVT 為43.3 mm，C7PL-CSVL為14.4mm，T11-L3為34.9°，SVA為7.4mm。見圖1。

3 討論

脊柱畸形疾病主要分為先天性脊柱發(fā)育畸形、特發(fā)性脊柱側(cè)彎、綜合征性脊柱側(cè)彎等。先天性脊柱側(cè)凸是指由脊柱發(fā)育異常形成引起的脊柱畸形，綜合征性脊柱側(cè)彎與神經(jīng)肌肉、骨骼或者結(jié)締組織的功能紊亂有關(guān)，而特發(fā)性側(cè)彎則認(rèn)為是有遺傳易感性的多因素疾病［8］。目前有觀點(diǎn)［9-10］認(rèn)為脊柱側(cè)彎Cobb角小于50°時可采用形體功能鍛煉，佩戴矯形支具，定期物理牽引等方式予以保守治療［11］。當(dāng)側(cè)彎Cobb角大于50°時?？紤]行脊柱內(nèi)固定術(shù)矯正畸形，恢復(fù)脊柱正常曲度［12-13］。當(dāng)畸形角度超過90°時認(rèn)為是重度脊柱畸形，這類脊柱疾病常常由于畸形嚴(yán)重，脊柱側(cè)凸的同時伴有后凸和椎體的旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致脊柱在三維結(jié)構(gòu)上皆有異常的曲率，而且脊柱僵硬嚴(yán)重，Bending像柔韌度較低。而往往由于嚴(yán)重的脊柱畸形導(dǎo)致患者脊髓不同程度地受壓，所以重度以上的脊柱畸形患者常常伴有脊髓神經(jīng)功能的障礙，例如肌力下降，皮膚感覺異常以及大小便功能喪失等，同時也可能引起胸廓的發(fā)育不良，進(jìn)而影響呼吸和肺功能［14］。手術(shù)干預(yù)是治療此類疾病的唯一選擇。

圖1 脊柱畸形患者接受設(shè)計(jì)矯正模型輔助手術(shù)過程Fig.1 The process of surgery assisted by designed correction model for patients with spinal deformities.

醫(yī)師在術(shù)前通過閱片來了解患者脊柱畸形情況，難以獲得立體的觀感和實(shí)際觸摸感。此外，嚴(yán)重畸形的脊椎不僅表面骨性結(jié)構(gòu)標(biāo)志不清，還有異常增生的骨質(zhì)，同時椎弓根也可能存在著變異。這些因素疊加在一起，使得脊柱畸形矯正術(shù)是脊柱外科中風(fēng)險程度最高的術(shù)式之一，且手術(shù)不良事件的發(fā)生率隨著脊柱畸形程度的加深而加大。Berry等［15］報道慢性呼吸衰竭，膀胱功能障礙以及癲癇是重度青少年脊柱側(cè)彎患者行脊柱固定術(shù)后最嚴(yán)重的并發(fā)癥。所以醫(yī)師在術(shù)前對脊柱畸形情況的掌握程度決定了手術(shù)的成功率，而傳統(tǒng)影像技術(shù)平面圖像的局限使得醫(yī)師，尤其是青年醫(yī)師很難全面掌握畸形脊柱的三維立體結(jié)構(gòu)；對于高年資醫(yī)師而言，重度脊柱畸形的截骨區(qū)域設(shè)計(jì)，椎弓根釘?shù)赖拇_定，椎管的結(jié)構(gòu)等信息也是極為重要的［16］。

得益于3D打印技術(shù)的進(jìn)步，使得快速精確地制作個體化物體成為可能。依據(jù)患者自身的高分辨率影像數(shù)據(jù)，可以在計(jì)算機(jī)上還原成三維結(jié)構(gòu)，全方位觀察脊柱形態(tài)，尤其椎管和椎弓根畸形情況，并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行有目的的設(shè)計(jì)，確定釘?shù)婪轿?，設(shè)計(jì)截骨區(qū)域，模擬術(shù)后矯形效果等，再將最終數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D打印機(jī)中制作出實(shí)體模型，帶入手術(shù)室用于術(shù)中參照，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)手術(shù)［17］。有研究認(rèn)為該技術(shù)的應(yīng)用可以減少手術(shù)時間、術(shù)中透視次數(shù)以及出血量，同時有利于增加患者對疾病的了解，以達(dá)到更好的醫(yī)患溝通效果［18-19］。Karlin等［20］采用回顧性分析研究17例兒童脊柱畸形的治療，其中7例使用3D打印制作模型，10例使用傳統(tǒng)二維影像學(xué)資料，研究結(jié)果顯示打印組在術(shù)中透視次數(shù)、出血量以及畸形矯正率等方面均優(yōu)于對照組。

根據(jù)筆者的結(jié)果：主彎Cobb角、AVT和SVA這3項(xiàng)指標(biāo)在術(shù)前和術(shù)后具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，術(shù)前和模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，而模型和術(shù)后差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，表明術(shù)前模型設(shè)計(jì)和術(shù)后結(jié)果之間的取得了較好的一致性，而反應(yīng)構(gòu)成冠狀位平衡的C7PL-CSVL術(shù)前、術(shù)后以及模型均無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，考慮多數(shù)患者脊柱畸形后自發(fā)代償構(gòu)成了平衡，而術(shù)后依然追求的是平衡效果，故而差異不大?？偠灾?，筆者3D打印技術(shù)在脊柱畸形的外科治療應(yīng)用中有如下意義：（1）在效率上滿足個體化設(shè)計(jì)、制造的要求。3D打印技術(shù)能使計(jì)算機(jī)屏幕上的數(shù)字化模型在數(shù)小時內(nèi)成為醫(yī)生可以拿在手上作任意角度觀察的實(shí)體模型，這有助于臨床醫(yī)師對復(fù)雜的三維解剖結(jié)構(gòu)做出最真實(shí)、準(zhǔn)確的評估；（2）便于手術(shù)團(tuán)隊(duì)之間的交流溝通，最大限度地減少分歧和失誤，制定出個性化手術(shù)方案；（3）在計(jì)算機(jī)建模上進(jìn)行模擬手術(shù)，能夠發(fā)現(xiàn)手術(shù)設(shè)計(jì)不完善之處以及了解術(shù)中可能會碰到的一些困難，并及時對手術(shù)方案進(jìn)行調(diào)整，能大大提高手術(shù)的準(zhǔn)確性及安全性；（4）外科醫(yī)生可以通過精確測量，選擇手術(shù)中進(jìn)釘點(diǎn)、螺釘直徑和長度，從而減少組織的過度分離、降低術(shù)中出血量、節(jié)省手術(shù)時間；（5）通過應(yīng)用脊柱實(shí)物模型有利于向患者解釋、交流病情和治療方案；（6）通過模型可以更好地評估外科手術(shù)預(yù)后；（7）模型上模擬手術(shù)可以為缺少經(jīng)驗(yàn)的外科醫(yī)師提供操作經(jīng)驗(yàn)。

本研究的不足首先在于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為患者自身前后對照試驗(yàn)，缺乏隨機(jī)性和盲法，所以在詢證醫(yī)學(xué)證據(jù)水平分級里較低。其次，受制于打印機(jī)精度和患者客觀條件，模擬效果和術(shù)后實(shí)際效果間仍有小幅差異；另外，打印模型也僅為術(shù)中參考，而主刀醫(yī)生從中能獲益多少，患者能獲益多少等還缺乏具體評價指標(biāo)；最后是3D打印所需費(fèi)用平均每個模型在1 000元左右，對患者而言也是一筆額外支出。

4 結(jié)論

通過合理的術(shù)前設(shè)計(jì)結(jié)合高精度3D打印技術(shù)制作的模型能很好的為脊柱外科醫(yī)生提供術(shù)中指導(dǎo)，研究納入的26例患者，術(shù)后的各期測量數(shù)據(jù)與術(shù)前設(shè)計(jì)模型一致性較好，可靠地反映了該技術(shù)的有效性，3D打印技術(shù)在骨科中的應(yīng)用值得進(jìn)一步深入研究和應(yīng)用推廣。