莊皓翔，費琦，楊雍

(首都醫(yī)科大學附屬北京友誼醫(yī)院骨科，北京 100050)

近年來，隨著3D打印技術的進步，3D打印開始應用于骨科各個領域，包括各類手術如關節(jié)置換、畸形的治療、骨腫瘤的手術治療等，人們基于逆向工程技術，利用CT或MRI等設備采集患者骨骼、關節(jié)等部位的外形數(shù)據(jù)，重建三維數(shù)字化模型，然后用3D打印方式制造教學和手術參考用的模型，常用于幫助制造個體化假肢、假體、手術導板或進行骨修復等。本文回顧了國內外的相關文獻，對3D打印技術在頸椎手術中的應用進展綜述如下。

1 3D打印技術在頸椎椎弓根螺釘內固定術中的應用

1.1 3D打印技術在頸椎椎弓根螺釘內固定術中的應用的背景

椎弓根螺釘因具有優(yōu)良的生物力學特性，是臨床上最堅固和最常用的內固定技術，目前椎弓根螺釘技術主要分為寰樞椎螺釘固定和下頸椎螺釘固定，適應證主要有頸椎的創(chuàng)傷、畸形、腫瘤和退行性疾病[1]。但是頸椎椎弓根的直徑細小、毗鄰結構復雜而重要，且具有個體解剖的差異，故徒手置釘手術的風險很高。目前，多數(shù)脊柱外科醫(yī)生是根據(jù)解剖標志、術前X線、CT影像學資料及術中X線透視觀察定位進行徒手置釘，但有研究表明，C1-C7徒手置釘誤置率可達18.3%[2]，甚至出現(xiàn)嚴重的并發(fā)癥如脊髓損傷、椎動脈損傷等。為了提高置釘精度，2001年Goffin首次報道了利用3D打印輔助置釘，術前通過CT采集數(shù)據(jù)，將其導入MIMICS軟件進行設計導板(材料為醫(yī)用級丙烯酸樹脂)，之后利用立體光刻快速成型技術打印出來，隨后他們在尸體上進行試驗，在第一組尸體置釘(C1-C2)準確率為60%，總結原因發(fā)現(xiàn)這是因為導板的旋轉穩(wěn)定性不足導致的，隨后在第二組尸體標本上輔助置釘(C1-C2)，準確率為100%，說明利用3D打印導板能夠提高置釘精度。

1.2 3D打印在寰樞椎椎椎弓根螺釘內固定術中的應用

上頸椎解剖結構復雜，椎弓根較小，徒手操作更易造成椎動脈、神經損傷。據(jù)報道，徒手放置C2螺釘?shù)恼`置率為17.3%[4]。Leary等[4]將60名II型齒骨突骨折(Grauer 分型)(240顆螺釘)患者分為A、B兩組，A組接受徒手置釘治療，B組接受3D打印導板輔助置釘治療，結果發(fā)現(xiàn)A組120顆螺釘有98顆是安全的，22顆不安全；B組有118顆螺釘是安全的，僅2顆螺釘是不安全的，說明3D打印技術輔助置釘，可以顯著提高置釘?shù)木_性。Wu等[6]利用3D打印導板輔助置釘技術治療20例C1-2骨折，共置入80枚螺釘，術后CT示，C1、C2螺釘?shù)闹冕斏疃扰c理想軌跡高度相近，證實了3D打印技術對置釘精確性的提高作用。Guo等[6]發(fā)現(xiàn)，3D打印導板輔助置釘?shù)穆葆斂山邮芏让黠@高于徒手置釘，且手術時間和術中透視次數(shù)也明顯減少。以上研究表明，3D打印導板輔助置釘技術可顯著提高樞寰椎置釘?shù)木?，減少手術時間和術中透視次數(shù)。此外，人們還一直研究新型的3D打印導板，以進一步提高置釘?shù)木?。Chen等[7]設計了一種用PLA(聚乳酸)材料打印的3D打印導板，取消了原有的螺釘導向通道的設計，只保留了螺釘孔的位置，用一個向內移動的導航桿取代了雙側的螺釘導向通道，他們在12個尸體標本中放置了48顆螺釘，術后拍攝CT，根據(jù)kawaguchi標準對螺釘精度進行評估，除1例為1級外，其余皆為0級，證明該新型模板對寰椎椎弓根螺釘輔助置入效果有效且精準。

1.3 3D打印技術在中、下頸椎椎弓根螺釘內固定術中的應用

自1994年Abumi首次報道應用于臨床之后，因其具有良好的生物力學特性，椎弓根螺釘固定技術一直是下頸椎固定的有效方法。但下頸椎椎弓根細小，毗鄰結構復雜，置釘不準確會造成嚴重的后果。Kaneyama等[8]對20例患者利用3D打印導板輔助放置了80顆螺釘(C3-C6)，術后CT顯示，78顆螺釘(97.5%)完全置于椎弓根的皮質內，2顆(2.5%)突破了椎弓根內壁，露出不到一半的螺釘直徑，所有螺釘與計劃軌跡的平均偏差為(0.29±0.31)mm。郝申申等[9]運用3D打印導板輔助置釘132枚(C3-C5)，根據(jù)術后CT Kawaguchi標準進行評估，其中0級125枚 (94.7%) , 1級3枚 (2.3%) , 2級4枚 (3.0%) , 無3級螺釘。為了進一步提升置釘?shù)臏蚀_性，Pijpker等[10]設計了一種新型的導板模型，他們在術前對5名尸體標本拍攝CT采集頸椎信息，之后用聚酰胺打印出來，該導板的特點為增加了尾部定位的鉤子、交聯(lián)支撐結構和金屬嵌體，將該模板應用于4具尸體標本，置入86顆螺釘(C1-T2)，15顆用傳統(tǒng)導板輔助置釘，71顆用新導板輔助置釘，術后CT發(fā)現(xiàn)新導板輔助置釘入點偏移平均為0.66 mm，而傳統(tǒng)導板為1.20 mm，說明該新導板較傳統(tǒng)導板具有更好的輔助置釘精度。當然，3D打印導板技術輔助置釘技術也有一些缺點，例如，增加患者的經濟負擔，要求術者具備應用設計軟件的能力，不能用于急癥等。

2 3D打印技術在頸椎側塊螺釘中的應用

目前頸椎側塊螺釘?shù)闹萌牖径际峭绞种冕?，徒手置釘會造成臨近結構(椎動脈、神經根等)的損傷[11]，且頻繁使用X線透視，給術者和患者帶來高輻射暴露的風險[12]。3D打印導板技術作為一項新興的輔助技術，對置釘精準性提升、減少置釘相關并發(fā)癥等方面有重要意義。

北京友誼醫(yī)院楊雍和費琦團隊[13]將12例脊髓型頸椎病和發(fā)育性頸椎椎管狹窄的患者(C4-6雙側，共72顆螺釘)隨機分為A、B兩組， A組在3D打印導板的引導下輔助置釘手術(C4-C6)，B組進行徒手置釘手術(C4-C6)，術后發(fā)現(xiàn)兩組螺釘?shù)目山邮苈屎蛢?yōu)良率存在顯著差別。這表明，3D打印導向板可以提高側塊螺釘置入的精度，增加螺釘置入的準確性。目前關于3D打印輔助置側塊螺釘?shù)难芯枯^少，未來還需更多的研究來證明其有效性和安全性。

3 3D打印在頸椎腫瘤手術中的應用

雖然頸椎腫瘤的發(fā)生率很低，但頸椎及鄰近的結構復雜，故手術切除的難度大。傳統(tǒng)上主要用X線、CT和MR在二維平面上獲得腫瘤模型，難以準確預估病灶區(qū)域，術者難以較好地把握腫瘤及病灶周圍情況，造成手術時間延長，術中出血量增多，瘤體切除不完整等情況。而3D打印技術的應用，利用三維重建技術為復雜的頸椎腫瘤病灶制作仿真模型，提高了醫(yī)生對腫瘤及其周圍解剖結構的認識，便于術前制定詳細的手術方案。

3.1 術前快速成型模型制定手術方案的臨床應用

馬立敏等[14]對2例頸椎高位脊索瘤患者術前行CT掃描采集圖像數(shù)據(jù)，進行三維重建，制作出與實體1:1大小的頸椎模型，進行術前模擬手術、置釘手術方案，顯著縮短了手術時間，減少了術中出血量，并且能夠指導術中精確置釘和腫瘤的準確切除，減少了腫瘤復發(fā)和轉移的風險。陳雍君等[15]將20例上頸椎啞鈴型腫瘤患者隨機分為2組，A組為3D打印模型術前模擬組，B組為常規(guī)手術組，結果發(fā)現(xiàn)A組的手術時間、術中出血量和住院時間均顯著少于B組(P<0.05),說明利用3D打印模型進行術前模擬具有良好的臨床應用價值。張同同等[16]納入了11例頸椎腫瘤患者，術前CT采集數(shù)據(jù)，之后逐層打印出1:1解剖模型進行術前手術模擬、制定手術方案，術后復查發(fā)現(xiàn)11例患者癥狀明顯改善，X線顯示病變部位完整切除，植入物位置良好，未見松動。以上研究表明,利用3D打印技術進行術前模擬能夠取得良好的臨床效果，但仍有一些不足需改正，例如模型的的打印精度不夠高，一些小血管神經等軟組織不能很好的重建等。

3.2 3D打印替代內植物的臨床應用

傳統(tǒng)上一般使用鈦網(wǎng)做為頸椎椎體切除后的結構支撐，但鈦網(wǎng)會下沉或移位，造成頸椎曲度的破壞，且使用鈦網(wǎng)需植骨，會對患者造成一定的痛苦。為了解決這些問題，3D打印技術開始應用于重建椎體。Xu等[17]首次報告了1例利用3D打印椎體重建的因C2尤文肉瘤切除術的青少年患者，術后拍攝CT，顯示植入物骨結合，沒有下沉或移位。Yang等[18]報告了1例運用3D打印人工椎體置入的6級復發(fā)性脊索瘤患者，通過術前CT采集數(shù)據(jù)，設計了1個特定尺寸的3D打印人工椎體，同時還利用3D打印技術制造了1個多孔假體(材料為鈦合金)，術后患者恢復良好，右上肢疼痛和肌無力癥狀明顯減輕，9個月隨訪沒有發(fā)現(xiàn)局部復發(fā)，沒有發(fā)現(xiàn)假體沉降、移位或斷裂，說明個性化3D打印假體具有良好的承重性，可抵御沉降或脫位，遠期可降低翻修手術的風險。Li等[19]報告了1例轉移性甲狀腺乳頭狀癌利用3D打印人工椎體進行頸椎重建的病例，術后患者的神經功能明顯改善，12個月隨訪X線平片和CT掃描顯示植入物沒有移位或沉降。Li[20]等報告1例利用3D打印技術重建寰椎孤立性漿細胞瘤的患者，他們術前利用CT采集數(shù)據(jù)，通過3D打印技術制定鈦合金微孔個體化植入物，術后隨訪期內，患者疼痛顯著減輕，CT檢查示植入物與周圍骨具有良好的匹配性，在術后7周時植入物仍處于良好的位置，且有骨融合的跡象。Mobbs等[21]報告了1例C1-2脊索瘤的患者，利用3D打印技術打印金屬鈦定制假體，通過前路手術植入，術后經9個月的隨訪，假體屈伸位X線沒有顯示移位。Hunn等[22]報告了2例頸椎腫瘤性破壞的病例(轉移性甲狀腺髓樣癌，多發(fā)性骨髓瘤)，他們利用3D打印鈦金屬人工假體，術后隨訪14個月，患者的臨床癥狀得到明顯緩解，且影像學顯示假體位置穩(wěn)定，術后也未發(fā)生并發(fā)癥。以上研究表明，利用個性化3D打印人工椎體進行椎體重建的初步臨床效果良好，但是未來還需要大樣本、多中心的臨床研究來證明其有效性和安全性。

4 3D打印在頸椎畸形矯正方面的應用

頸椎畸形可繼發(fā)于頸椎外傷、頸椎先天性發(fā)育障礙、脊柱結核、風濕性疾病等多種疾病，常涉及到多種解剖結構的變異，且周圍毗鄰脊髓，椎動脈、神經等重要結構，手術難度及風險遠遠高于非頸椎畸形。近年來，由于3D打印技術在脊柱外科的廣泛應用，可以通過患者影像學資料制作脊柱模型，制作個體化導板，在術前規(guī)劃、術中置釘、植入物個性化設計、醫(yī)患溝通等方面有著其獨特的價值。

4.1 3D打印在頸椎畸形矯正術前規(guī)劃方面的應用

于崇龍等[23]利用3D打印技術治療了9例先天性頸椎畸形患者，7例術后癥狀明顯改善，部分改善1例，死亡1例，死亡的患者主要與病情嚴重程度相關，其結論認為，3D打印技術在頸椎畸形的應用可幫助術前了解畸形的解剖特點，提高置釘精度，且有利于與患者家屬溝通。李浩等[24]利用3D打印模型進行術前模擬，確定最佳手術方案，術中均按術前規(guī)劃完成，術后隨訪CT、X線示矯形效果滿意，內固定位置良好。

4.2 3D打印在頸椎畸形矯正植入個性化人工椎體方面的應用

夏天等[25]報告了7例先天性頸椎側凸患者，通過術前CT采集數(shù)據(jù)，制作了3D打印的個性化定制鈦合金融合器，術中采用短節(jié)段凹側撐開技術進行矯形，術后隨訪行CT，發(fā)現(xiàn)平均矯正率為64.45% ，且3D打印定制鈦合金融合器與軟骨下皮質骨緊密接觸，未見透亮帶，融合器無位移和下沉，獲得了較滿意的矯正效果。Niu等[26]告了1例上頸椎畸形合并寰樞關節(jié)脫位的患者，術前行CT采集數(shù)據(jù)，以鈦粉為材料制作了帶有定位和定向孔的個性化枕頸椎后路融合器，術后行CT示內固定良好，寰樞椎完全復位，術后6個月融合器和骨質已經融合。3D打印技術為上頸椎畸形手術提供了一種新的手術思路，具有良好的安全性和準確性。

5 總結與展望

由于頸椎解剖復雜，鄰近結構重要，造就了頸椎手術的復雜性。目前，3D打印技術已經應用在頸椎置釘、腫瘤切除和畸形矯正等方面，初步研究表明可有效提高置釘?shù)木?，幫助術者進行術前模擬和脊柱重建，增加了手術的安全性和準確性。但是，3D打印技術在頸椎手術中的應用還處于初步階段， 還有很多問題需要解決，比如簡化設計軟件的操作步驟，讓更多醫(yī)生能學會其操作方法；提高術前模擬模型打印精度，為術者制定更加精確的手術方案；改善打印材料和降低打印材料的費用，讓更多的患者能夠享受這一技術。為了解決這些問題，還需要進一步的基礎和臨床研究驗證其安全性和有效性，以及更大樣本和更長隨訪時間的報道。相信在不遠的將來，3D打印技術會廣泛應用于頸椎手術的各個方面。