張文璽 周金華 劉杰

3D打印模型的臨床應(yīng)用日益廣泛。利用病變區(qū)域1∶1模型或健側(cè)鏡像模型，可以很方便地進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃及演練，在脊柱外科與神經(jīng)外科手術(shù)中可指導(dǎo)腫瘤切除[1-2]。常規(guī)3D打印模型是基于CT的整體模型，難以反應(yīng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，對(duì)骨內(nèi)部形態(tài)或病變只能通過(guò)查閱二維CT資料才能獲取細(xì)節(jié)，而這種二維圖像有時(shí)使醫(yī)生難以在腦海中形成立體對(duì)應(yīng)關(guān)系。腰椎管狹窄癥手術(shù)并發(fā)癥時(shí)有發(fā)生，其中由于減壓操作不當(dāng)導(dǎo)致的硬膜撕裂占比例達(dá)4.6%，這不得不令人關(guān)注[3]。我們?cè)趯?shí)踐中發(fā)現(xiàn)，利用3D打印截面模型可以很好地了解椎管局部細(xì)節(jié)并解決空間定位問(wèn)題，可提高椎管及根管減壓的安全性。

資料與方法

一、資料

1.病例納入與排除標(biāo)準(zhǔn)：(1)病例納入標(biāo)準(zhǔn)：45歲以上腰椎退行性變患者；間歇性跛行為主要癥狀者；影像學(xué)資料(CT與MRI)顯示為單節(jié)段腰椎管狹窄者。(2)病例排除標(biāo)準(zhǔn)：既往有腰椎手術(shù)史者；雙側(cè)峽部裂者；存在嚴(yán)重心、肺疾患，可能影響手術(shù)進(jìn)程者；無(wú)法配合隨訪者。

2.一般臨床資料：納入2018年10月至2020年10月在溧陽(yáng)市人民醫(yī)院骨科因腰椎退行性變致單節(jié)段腰椎管狹窄接受全椎板減壓患者38例。其中男16例，女22例，年齡(63.21±9.37)(47～83)歲；病變椎體包括L3-4 6例，L4-5 17例，L5S1 15例；其中6例合并退行性滑脫。依治療方法分為模型組(采用3D打印截面模型結(jié)合導(dǎo)板輔助腰椎全椎板減壓手術(shù))和徒手組(僅參考影像資料行傳統(tǒng)減壓手術(shù))。模型組包括患者20例，其中男8例，女12例，年齡(61.50±9.25)(47～76)歲；徒手組包括患者18例，其中男8例，女10例，年齡(65.11±9.38)(49～83)歲。

本研究通過(guò)我院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(LL2019017)。所有患者均簽署知情同意書。

二、方法

1.截面模型設(shè)計(jì)與制作：術(shù)前進(jìn)行病變區(qū)域CT掃描(Philips iCT 128排256層螺旋CT，Philips公司，荷蘭)，層厚1 mm。提取CT掃描的原始Dicom數(shù)據(jù)，導(dǎo)入Mimics 19.0軟件(Materialise公司，比利時(shí))，選取所需區(qū)域并生成三維原始圖像。將脊柱三維模型旋轉(zhuǎn)至側(cè)位，使用“Cut”工具經(jīng)椎弓根截取椎體并隱藏；旋轉(zhuǎn)至正位，再用“Cut”工具進(jìn)行全椎板切除，隱藏切除的椎板與棘突，觀察截骨寬度是否合適，以去除內(nèi)聚的關(guān)節(jié)突和有效擴(kuò)大側(cè)隱窩為準(zhǔn)，符合要求后，測(cè)量截骨厚度(圖1A～C)；采用“Boolean”運(yùn)算的“Unit”，合并椎體與已切除椎板的中后柱，生成脊柱截骨截面模型(圖1D)，并進(jìn)行3D打印(圖1E)與術(shù)前模擬(圖1F)。

2.3D導(dǎo)航模板的設(shè)計(jì)與制作：將Dicom數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics軟件后，通過(guò)閾值分割選取所需區(qū)域，生成三維圖像；使三維模型透明化，畫出多根椎弓根內(nèi)圓棒，設(shè)置長(zhǎng)度與直徑，調(diào)整至定位所需位置；復(fù)制圓棒，改變直徑與長(zhǎng)度，利用軟件中“Boolean”運(yùn)算“Minus”后生成空心導(dǎo)桿；將Mimics中生成的三維模型與導(dǎo)桿導(dǎo)入3-Matic，先利用“Wrap”功能消除小孔隙，通過(guò)“Curve”功能繪出非平坦區(qū)域，選取表面生成“Base”；通過(guò)“Boolean”運(yùn)算去除多余部分，獲得帶導(dǎo)向孔的獨(dú)立導(dǎo)板(圖1G)；建立“Spline”線， 利用“Extrude”功能生成跨棘突連接臂，同時(shí)增加鎖定孔道(圖1H)；利用“Quick Label”功能打出節(jié)段標(biāo)志，使用“Boolean”運(yùn)算的“Unit”拼合各部件，生成STL文件并進(jìn)行3D打印(圖1I)。

3.手術(shù)：模型組利用3D打印截面模型進(jìn)行術(shù)前模擬操作。為了術(shù)中截骨位置準(zhǔn)確，術(shù)前結(jié)合椎弓根定位導(dǎo)板進(jìn)行標(biāo)記：在截面模型上放置導(dǎo)板，在截骨邊緣與導(dǎo)板交界處畫出標(biāo)記線，始終保留該標(biāo)記；采用等離子或環(huán)氧乙烷滅菌對(duì)導(dǎo)板進(jìn)行處理；術(shù)中放置導(dǎo)板，通過(guò)椎弓根導(dǎo)向孔鉆入克氏針(圖1J)，再根據(jù)導(dǎo)板上的標(biāo)記，在椎板相應(yīng)位置用電刀燙出痕跡，作為截骨定位標(biāo)志；置入椎弓根螺釘，依照截骨模型椎板厚度數(shù)據(jù)，使用帶刻度骨刀進(jìn)行深度控制下的椎板截骨，完整撬撥并取下全椎板，或采用槍式咬骨鉗咬除減壓區(qū)域；清理黃韌帶，暴露脊髓(圖1K)；處理椎間盤及終板，填入碎骨粒，斜行打入融合器，透視確認(rèn)置釘及融合器位置(圖1L)。徒手組參照CT，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)行全椎板減壓，憑手感以骨刀鑿除下關(guān)節(jié)突及椎板，根據(jù)壓迫范圍，使用槍鉗進(jìn)一步咬除內(nèi)聚的上關(guān)節(jié)突，擴(kuò)大神經(jīng)根管，植入融合器方法同模型組。

圖1 患者，女，76歲，間歇性跛行1年半。診斷為L(zhǎng)4-5腰椎管狹窄癥。采用3D打印截面模型結(jié)合3D打印導(dǎo)航模板輔助全椎板減壓手術(shù)治療 A 在Mimics軟件中分割椎體與椎板 B 隱藏椎體，以“Cut”工具行全椎板切除 C 隱藏椎板并測(cè)量截骨面厚度 D 拼合隱藏的椎體，形成截骨截面模型 E 實(shí)際測(cè)量3D打印的截面模型截面參數(shù) F 截面模型背側(cè)放置導(dǎo)航模板，在截骨邊緣與導(dǎo)板交界處標(biāo)記截骨線，便于術(shù)中截骨線定位 G 在3-Matic軟件中設(shè)計(jì)并生成獨(dú)立椎弓根定位導(dǎo)板 H 連接兩側(cè)獨(dú)立導(dǎo)板，形成單節(jié)段導(dǎo)板 I 術(shù)前手術(shù)模擬測(cè)試 J 術(shù)中在導(dǎo)板引導(dǎo)下經(jīng)椎弓根導(dǎo)向孔鉆入克氏針并置釘 K 根據(jù)截面模型所示截骨深度，行全椎板減壓 L 透視確定螺釘與融合器位置良好

4.術(shù)后處理：對(duì)全部患者均采用踝泵運(yùn)動(dòng)及抬腿鍛煉等物理方法預(yù)防深靜脈栓塞，不使用抗凝藥物。使用抗生素48 h預(yù)防感染。常規(guī)放置引流，引流量低于30 ml/24 h拔除引流管。拔除引流管后在支具保護(hù)下下床活動(dòng)。術(shù)后1周出院。

5.隨訪：術(shù)后1,3,6,12個(gè)月進(jìn)行門診復(fù)查并隨訪。行X線檢查；對(duì)患者功能恢復(fù)進(jìn)行觀察與評(píng)價(jià)。

6.療效評(píng)價(jià)：記錄2組患者椎板減壓耗時(shí)、術(shù)中出血量、并發(fā)癥發(fā)生情況；采用疼痛視覺(jué)模擬評(píng)分(visual analogue scale，VAS)對(duì)患者術(shù)前與術(shù)后疼痛程度進(jìn)行評(píng)估；采用Oswestry功能障礙指數(shù)(Oswestry disability index，ODI)和日本骨科學(xué)會(huì)(Japanese Orthopaedic Association，JOA)評(píng)分29分法(包括主觀癥狀、客觀體征及膀胱功能)對(duì)患者腰椎功能進(jìn)行評(píng)價(jià)[4-5]。

結(jié) 果

模型組采用截面模型進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃；徒手組依據(jù)影像資料進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃。2組患者術(shù)前基線資料差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均P>0.05)(表1)。2組術(shù)中椎板減壓耗時(shí)和出血量差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均P<0.05)(表2)。術(shù)后X線示滑脫復(fù)位良好，植入物在位。術(shù)后隨訪時(shí)間為(9.10±5.34)(3～24)個(gè)月。2組術(shù)后3個(gè)月VAS、ODI及JOA評(píng)分差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均P>0.05)(表2)。2組手術(shù)前后VAS、ODI及JOA評(píng)分差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均P<0.05)(表3)。

表1 模型組與徒手組術(shù)前基線資料的比較

表2 模型組與徒手組術(shù)中椎板減壓耗時(shí)、術(shù)中出血量和并發(fā)癥及術(shù)后3個(gè)月VAS、ODI和JOA評(píng)分的比較

表3 模型組與徒手組術(shù)前與術(shù)后VAS、ODI和JOA評(píng)分的比較(分，

出現(xiàn)并發(fā)癥5例(模型組3例，徒手組2例)，包括硬膜損傷致腦脊液漏1例、切口感染1例、肺動(dòng)脈栓塞1例和脂肪液化2例，均經(jīng)治療后痊愈。

討 論

一、截面模型的起源

3D打印技術(shù)的發(fā)展為臨床教學(xué)、醫(yī)患溝通、術(shù)前規(guī)劃和手術(shù)導(dǎo)航等方面帶來(lái)了幫助。隨著3D 打印技術(shù)在臨床應(yīng)用的不斷進(jìn)展，骨科醫(yī)生應(yīng)該將其融入自己的臨床實(shí)踐中，更好地服務(wù)于特定患者[6]。

3D打印模型通常為1∶1模型，其最大優(yōu)點(diǎn)是真實(shí)反應(yīng)骨折或病變的原始面貌。但是，對(duì)于一些骨結(jié)構(gòu)內(nèi)部的情況，常規(guī)模型無(wú)法顯現(xiàn)。截面模型的提出源自我院一次失敗的病例模型的打印。由于打印過(guò)程中噴頭堵塞，打印的模型僅完成了一半，只能重新打印模型。然而，在進(jìn)行模擬手術(shù)時(shí)意外發(fā)現(xiàn)，利用這個(gè)打印失敗的模型更易于觀察病變位置，導(dǎo)板模擬效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)模型。其緣由是該病例骨囊腫的病灶正好位于股骨轉(zhuǎn)子內(nèi)部中央?yún)^(qū)域，利用常規(guī)3D模型無(wú)法觀察病變。對(duì)該例股骨轉(zhuǎn)子區(qū)骨囊腫患者，術(shù)中結(jié)合截面模型和導(dǎo)航模板進(jìn)行開(kāi)窗，定位準(zhǔn)確，病灶切除效果良好(圖2)。

圖2 患者，男，56歲，左股骨轉(zhuǎn)子區(qū)骨囊腫。行手術(shù)治療 A 術(shù)前CT示骨囊腫位置居于骨干中央 B 在Mimics軟件中通過(guò)透明化三維模型設(shè)計(jì)定位導(dǎo)向孔位置及角度 C 在3-Matic軟件中設(shè)計(jì)導(dǎo)航模板 D 在3D打印截面模型上測(cè)試導(dǎo)航模板 E 術(shù)中顯露股骨轉(zhuǎn)子外側(cè)壁，放置導(dǎo)板，置入定位克氏針 F 透視下確認(rèn)定位針位置與術(shù)前模擬一致由于管狀骨表面光滑，導(dǎo)板有時(shí)難以準(zhǔn)確放置，這可能導(dǎo)致醫(yī)生誤判。截面模型的出現(xiàn)，為準(zhǔn)確定位帶來(lái)了新的希望，針對(duì)截面模型顯示的瘤體位置，導(dǎo)板設(shè)置多個(gè)定位孔引導(dǎo)邊界，通過(guò)術(shù)前模擬確認(rèn)的導(dǎo)針位置，與術(shù)中透視導(dǎo)針位置對(duì)比，兩者符合后便可進(jìn)行精確截骨。

二、截面模型臨床應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)與適用范圍

通常，骨腫瘤切除范圍的界定是術(shù)者面臨的一大挑戰(zhàn)。盡管可以通過(guò)CT和MRI 等影像學(xué)檢查確定腫瘤邊界，但在手術(shù)實(shí)施過(guò)程中，對(duì)解剖部位復(fù)雜或微小腫瘤依然難以直接確定腫瘤的切除范圍。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)很好地解決了這些問(wèn)題。通過(guò)計(jì)算機(jī)完成個(gè)體化手術(shù)和導(dǎo)板設(shè)計(jì)，可以術(shù)前完成腫瘤切除設(shè)計(jì)。3D打印個(gè)性化手術(shù)導(dǎo)航模板能夠滿足骨腫瘤手術(shù)的個(gè)體化需求，在術(shù)中能夠準(zhǔn)確還原術(shù)前設(shè)計(jì)，提高了腫瘤切除的精確性[7-8]。然而，當(dāng)腫瘤位于骨皮質(zhì)內(nèi)部時(shí)，腫瘤范圍的界定相對(duì)困難。

截面模型在創(chuàng)傷骨科也有用武之地。對(duì)Pilon骨折患者，因其周圍組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜、軟組織薄，如果治療不當(dāng)，術(shù)后易出現(xiàn)皮膚壞死、傷口感染、鋼板外露、關(guān)節(jié)功能障礙及長(zhǎng)期疼痛等后遺癥[9]；通過(guò)術(shù)前研究1∶1的3D打印模型，可使手術(shù)程序化規(guī)范化，并預(yù)判術(shù)中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，使復(fù)雜手術(shù)簡(jiǎn)單化，進(jìn)而節(jié)省手術(shù)時(shí)間，提高復(fù)位質(zhì)量。由于骨折的復(fù)雜性及存在塌陷、扦插的可能，在制定手術(shù)規(guī)劃時(shí)進(jìn)行常規(guī)分割骨塊拼合已不現(xiàn)實(shí)，理想的方法是采用健側(cè)鏡像模型，通過(guò)標(biāo)記骨折線，進(jìn)行鋼板預(yù)彎及手術(shù)模擬[10]。最為棘手的操作是關(guān)節(jié)面的復(fù)位，利用常規(guī)模型無(wú)法得知塌陷骨塊的形態(tài)、大小以及扦插的邊界，使術(shù)中操作較為盲目，截面模型的出現(xiàn)巧妙地解決了這一問(wèn)題。由于有了冠狀面、失狀面截面模型，術(shù)者可以清晰看到塌陷骨塊的形態(tài)，明確撬撥位置及角度，使復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化。

本研究使用的脊柱截面模型有助于提高手術(shù)的安全性。由于椎體旋轉(zhuǎn)、滑移及局部骨贅和瘢痕增生等因素，脊柱的解剖變異可能性較大，對(duì)椎弓根進(jìn)釘點(diǎn)及進(jìn)釘角度往往難以判斷，即便是對(duì)于臨床經(jīng)驗(yàn)較豐富的骨科醫(yī)生來(lái)說(shuō)，準(zhǔn)確置釘仍充滿著挑戰(zhàn)。通過(guò)使用3D打印椎弓根定位導(dǎo)航模板，可以實(shí)現(xiàn)個(gè)體化置釘，提高置釘準(zhǔn)確率[11]。有研究結(jié)果表明，3D打印技術(shù)在脊柱畸形、脊柱腫瘤以及上頸椎、胸椎和腰椎復(fù)雜疾病治療中的應(yīng)用均具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[12-13]。截面模型的提出，為脊柱復(fù)雜結(jié)構(gòu)的局部剖析和提高臨床手術(shù)的安全性提供了新的思路。常規(guī)的影像資料缺乏3D模型的直觀性，對(duì)于年輕缺乏經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生來(lái)說(shuō)是難以理解的。部分腰椎退行性病變患者存在骨質(zhì)疏松和退行性側(cè)彎，術(shù)中置釘機(jī)會(huì)只有一次，反復(fù)置釘會(huì)導(dǎo)致固定強(qiáng)度下降；在利用輔助截面模型與導(dǎo)板后，手術(shù)門檻降低，一次性置釘及椎管減壓成功率高，術(shù)后患者可早期戴支具下地。事實(shí)上，截面模型并非僅包括冠狀面和矢狀面這類平面截面。為了更好地觀察所需結(jié)構(gòu)，可以采用異型截面，如脊柱截骨截面模型，采用的是矩形椎板截骨后產(chǎn)生的3D模型，便于了解截骨區(qū)域的椎板厚度以及骨贅或黃韌帶骨化引起的壓迫點(diǎn)，從而規(guī)避手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)這種方式進(jìn)行腰椎椎板去除和根管減壓，效率高且安全，避免了以往因不了解椎管壁邊界情況導(dǎo)致脊髓擠壓和硬膜撕裂的風(fēng)險(xiǎn)。本研究模型組1例患者出現(xiàn)了腦脊液漏，是在更換融合器過(guò)程中不慎刮傷硬膜導(dǎo)致；所有病例在減壓過(guò)程均未出現(xiàn)脊髓、硬膜及神經(jīng)根損傷。目前，越來(lái)越多的骨科醫(yī)生采用磨鉆和超聲骨刀進(jìn)行全椎板截骨減壓，其臨床使用也較為安全[14]。然而，在很多基層醫(yī)院，槍式咬骨鉗和骨刀依舊是主要手術(shù)工具。利用截面模型幫助對(duì)局部厚度及邊界壓迫范圍進(jìn)行判斷，對(duì)于減壓深度和重點(diǎn)減壓區(qū)域可做到心中有數(shù)。需要注意的是，采用導(dǎo)板置釘，雖然可提高準(zhǔn)確性，但需要更為廣泛的暴露，顯露時(shí)間可能延長(zhǎng)，為了避免2組置釘及椎間融合耗時(shí)差異帶來(lái)離散性，本研究未采用全程手術(shù)時(shí)間進(jìn)行評(píng)估。本研究中模型組手術(shù)減壓耗時(shí)低于徒手組，顯然是由于在了解椎板厚度后進(jìn)行截骨更有把握。減壓時(shí)間的縮短，帶來(lái)的直接益處是出血的減少，這在本研究結(jié)果中得以體現(xiàn)。骨刀截骨效率比槍鉗更高，磨鉆、超聲骨刀與傳統(tǒng)器械的結(jié)合應(yīng)用是發(fā)展的趨勢(shì)，可以使手術(shù)有更好的安全性。但是，槍鉗依舊有用武之地，如神經(jīng)根管的擴(kuò)大和頸、胸椎的減壓。不同器械的使用效率與醫(yī)生個(gè)人習(xí)慣相關(guān)。

三、截面模型與常規(guī)模型和導(dǎo)板的差異

3D打印截面模型與常規(guī)3D模型存在顯著差別。常規(guī)模型通常為整體打印，1∶1顯示對(duì)象的原始形態(tài)，包括鏡像模型和分割模型在內(nèi)，均為大體形態(tài)體現(xiàn)；3D打印截面模型更為靈活，可以依照臨床的關(guān)注點(diǎn)進(jìn)行切割，切割的截面形式不受約束。帶椎弓根通道的脊柱模型也屬于截面模型，這樣更便于術(shù)前印證椎弓根定位導(dǎo)航模板的準(zhǔn)確性，可避免模擬操作鉆孔時(shí)出現(xiàn)導(dǎo)板損傷。3D打印截面模型易與3D打印截骨導(dǎo)板混淆。3D打印截骨導(dǎo)板常用于多平面畸形矯正等復(fù)雜情形的截骨定位，3D打印截骨導(dǎo)板輔助下的截骨矯形術(shù)具有截骨平面定位準(zhǔn)確、截骨精準(zhǔn)、手術(shù)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)[15]；而3D打印截面模型的主要優(yōu)勢(shì)是在于體現(xiàn)骨形態(tài)的內(nèi)部細(xì)節(jié)。未來(lái)組織器官的3D打印截面模型可能逐步被發(fā)掘和利用，如在泌尿外科對(duì)腎囊腫和腫瘤等的定位過(guò)程中，使用大體模型無(wú)法了解病灶位置，而采用截面模型則可清晰顯示腫瘤位置和大小以及最優(yōu)手術(shù)路徑。

總之，脊柱3D打印截面模型的應(yīng)用是對(duì)常規(guī)3D打印模型的補(bǔ)充，使內(nèi)聚的關(guān)節(jié)突、狹窄的側(cè)隱窩及神經(jīng)根管變得清晰可見(jiàn)，更利于截骨范圍的精確定位，使截骨寬度及深度更明確，節(jié)省手術(shù)時(shí)間，減少術(shù)中出血，同時(shí)為精準(zhǔn)化治療帶來(lái)了新的啟發(fā)。截面模型應(yīng)用的相關(guān)研究在我國(guó)尚未見(jiàn)報(bào)道，對(duì)其適用范圍仍在探索中。本研究病例數(shù)較少，還無(wú)法對(duì)其進(jìn)行更深層次的研究與分析。