3D打印技术在退行性脊柱侧凸矫形中的运用

黄飞强，冯华龙，何升华

(1.广州中医药大学第四临床医学院，广东 深圳 518033；2深圳市中医院骨三科，广东 深圳 518033)

退行性脊柱侧凸畸形的手术矫正一直是脊柱骨科的重点和难点，被称为脊柱的皇冠手术。脊柱畸形患者的脊柱形态千差万别，凹侧椎弓根常变短变细，椎板宽度变小，椎管形态不对称，这些畸形给术中椎弓根置钉带来了非常大的难度，风险更是比非脊柱畸形患者高[1-2]。目前临床上运用的置钉技术主要有Lenke提出的徒手置钉技术、C型臂透视下置钉技术、球形探针引导置钉技术、机器人辅助置钉技术、计算机导航辅助置钉技术[3]。徒手置钉及球形引导置钉技术对术者解剖知识及手术技巧要求较高，学习曲线陡峭，C型臂透视下置钉对于患者及医护射线暴露量较高，机器人或计算机导航辅助置钉因设备昂贵，大部分医院仍未配备。3D打印技术的出现为术前模拟置钉提供了一种新的方法。本研究使用术前3D打印模拟置钉方法治疗退行性脊柱侧凸畸形患者30例，取得良好疗效，现报道如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料 本研究选取2014年10月至2015年11月在我院住院并确诊的30例退行性脊柱侧凸畸形患者，其中男10例，女20例，年龄45～65岁，平均(55.2±6.8)岁；顶椎为L1有6例，顶椎为L2有12例，顶椎为L3有10例，顶椎为L4有2例；左侧凸畸形有18例，右侧凸畸形有12例；Cobb角为22°～30°者16例，30°～50°者10例，大于50°者4例；单纯腰痛者10例，单纯腿痛者6例，腰痛合并腿痛者14例；VAS评分3～6分者4例，6～8分者22例，8～10分者4例。Schwab分型(2007年版)Ⅳ型10例，Ⅴ型20例。Simmons分型Ⅰ型2例，Ⅱ型28例。纳入标准：a)经X线、CT、MRI检查明确诊断为退行性脊柱侧凸畸形患者；MRI提示患者有神经根或者脊髓受压；经测量冠状面Cobb角大于10°者；b)女性患者为非月经期者；c)腰痛、腿痛或腰腿痛患者经系统保守治疗6个月未见明显缓解者；d)患者无基础疾病或经系统评估能够耐受手术者；e)患者及家属主观要求手术治疗并能积极配合手术者。排除标准：a)先天性、特发性、神经肌肉性脊柱侧弯者；b)患者经影像学诊断确定为退行性脊柱侧凸畸形但无症状体征者；c)患者腰腿痛尚能忍受经保守治疗后缓解者；d)患者一般情况较差，不能耐受手术者；e)患者无手术意愿或家属严重反对手术不能配合手术者。

1.2 材料 3D打印材料：通过Mimics 14.0软件(比利时Materialise公司)读取断层图像，对每张断层图像进行选择性编辑并去除冗余数据，重建三维模型(Calculate 3D)。在3D打印机器中导入数据，采用熔融沉积成型方法打印模型，本方法采用热熔喷头，使得熔融状态的聚碳酸酯按计算机控制的路径挤出、沉积，并凝固成型，经过逐层沉积、凝固，最后除去支撑材料，得到所需的三维产品。植入材料：椎弓根螺钉内固定矫形系统(CD HORIZON SEXTANT)：美国枢法模公司生产，内植物由镍铬制成的棒，钛合金制成的螺塞、中空M8万向及固定螺钉、连接头、连接环、横梁和骨钩等组成，具有很好的硬度及韧性，且与机体具有很好的生物相容性，通过旋棒弯棒对脊柱进行矫形及固定。

1.3 术前规划及手术方法

1.3.1 术前规划 根据术前3D打印模型直接观察病变区域的椎体三维结构，特别是端椎凹侧椎弓根的粗细及长短，测量各椎弓根的最窄直径，术前对各椎弓根进行模拟置钉，确定进针点及进针角度，观察置钉后椎弓根各壁是否完整，从而评估椎弓根是否具备可置钉条件，提高手术置钉准确率，节约手术时间，减少术中出血及术后并发症的发生。模拟置钉后量棒上棒后对椎体进行旋转矫形，预估矫形效果，测量棒的长度，术前提前剪棒，节约术中量棒剪棒时间。对于椎弓根过细或缺如不适宜置钉的椎体，术中应放弃置钉，避免不必要的手术时间和置钉失败率。

1.3.2 手术方法 患者全麻成功后俯卧于手术床上，予安置术中肌电监护装置，消毒铺巾。取顶椎棘突间隙为中心，做正中切口，逐层切开皮肤、皮下、从椎板间隙进入，显露棘突，彻底电凝止血。保留棘上、棘间韧带，分别用电刀在正中两旁切开背筋膜，使用cobb骨膜剥离器及电刀在骨膜下剥离软组织，显露双侧椎板间隙及关节突。按照术前拟定的设计方案，分别于需要矫正畸形椎体双侧椎弓根使用咬骨钳咬除骨皮质，开路器开路，手椎钻入椎弓根，椎弓根探子确认通道各壁完整后，予分别丝攻攻丝，后按计划拧入大小、长短合适的固定或万向椎弓根钉各1枚。经过C型臂反复确认均位置良好，螺钉稳固牢靠。如有神经症状，则在双侧采用椎板咬骨钳减压，并彻底松解周围所有黏连，彻底止血，大量生理盐水冲洗。运用髓核钳、铰刀、刮勺等工具清除相关椎间盘组织，予椎管减压、神经根管及神经根彻底松解，予以椎体周围、椎间孔彻底松解。再分别予双侧椎弓根置入原设计好、预弯好的长度合适的钛棒。根据术前计划以及模拟3D手术的方案，运用体内旋棒、弯棒、撑开、压缩、撬拨等技术进行畸形的三维矫形、矫正。经C型臂透视脊柱畸形矫正满意，力线良好。再次探查椎体复位矫形良好，周围组织松解明显，于椎间接近正中位置放置好已经植骨的cage，经C型臂确认位置良好后予双侧分别加压椎间隙松紧度合适。C型臂透视腰椎生理弧度及各椎间高度良好，各钉、棒位置、长短均良好，脊柱侧弯旋转畸形矫正良好。放置大清生物纸、明胶海绵防黏连、填塞止血。放置横连接，加固内固定。切口留置负压引流球，逐层缝合，消毒切口，清洁包扎，手术结束。

1.4 术后处理 术后常规使用头孢呋辛钠2 g，每天两次3 d后改用口服抗生素抗感染；术后即刻使用氟比洛芬酯注射液100 mg，每天两次，术后6 h联合塞来昔布胶囊口服镇痛，控制患者术后疼痛，VAS评分低于3分。术后轴线翻身，常规换药，引流量低于50 mL/d时拔除引流管，定制胸腰椎支具到货后在医护人员或家属陪同下下地活动。术后指导患者行功能锻炼，如立式俯卧撑、拱桥、飞燕等，循序渐进。

1.5 评价指标 术中计算置钉时间，术后通过CT三维重建计算置钉准确率[2]。采用日本骨科学会下腰痛JOA评分、腰腿痛视觉模拟评分法(VAS)、Oswestry功能障碍指数(Oswestry disability index，ODI)、SF-36(v2)健康调查量表进行临床疗效评价[3]；术前术后通过影像学测量主胸腰弯Cobb角、顶椎偏距进行影像学评价[3]。

2 结 果

置钉时间与置钉准确率：3D打印组患者的置钉时间为(2.0±0.2)min，回顾文献非3D打印徒手置钉时间为(3.5±0.4)min。3D打印组30例患者置钉356枚，准确率95.2%(339/356)，回顾文献非3D打印徒手置钉准确率约为88%。与既往文献相比置钉时间及置钉准确率都有明显提高。

术后1、6、12个月患者VAS评分、JOA评分、ODI指数、SF-36评分与术前相比均明显改善，P<0.05，差异具有统计学意义。术前与术后1、6、12个月相比较Cobb角及顶椎偏距均有明显改善，P<0.05，差异有统计学意义。术后1、6、12个月相比较，VAS评分、JOA评分、ODI指数、SF-36评分、Cobb角及顶椎偏距均无明显差异，P>0.05，差异无统计学意义(见表1)。

典型病例为一56岁女性患者，因“腰部疼痛10年余，加重10 d”、由门诊拟“腰椎间盘突出症”入院。入院诊断为“退行性脊柱侧凸畸形(Schwab Ⅴ，Simmons Ⅱ型)”。腰椎向左侧弯，双侧腰背肌稍紧张，L2～4椎体棘突叩击痛，棘突旁压痛，无明显双下肢放射痛，左侧臀部及左下肢坐骨神经走行区压痛；左下肢直腿抬高试验50°(+)，加强试验(+)，双侧4字征(-)，挺腹试验(-)，双侧股神经牵拉试验(+)，双下肢小腿感觉减退，肌张力正常。生理反射存在，病理反射未引出。手术前后影像学资料见图1～4。

3 讨 论

3.1 退行性脊柱侧凸畸形的定义和临床表现 退行性脊柱侧凸畸形多发于中老年人，脊柱的一个或数个节段在冠状面上偏离中线向侧方弯曲，形成带有弧度的脊柱畸形，通常伴有脊柱的旋转以及矢状面上前凸和后凸的增加或减少，是Cobb角大于10°的一种疾病综合征[4]。退变型脊柱侧凸畸形多发生在腰段，由老年性的骨质疏松、椎间盘退行性改变、椎间关节骨关节炎、关节突增生肥大、局限性终板骨折或椎体非对称性压缩骨折以及退行性的脊柱滑移等因素导致[3-4]。退行性脊柱侧凸畸形一般以腰背酸痛及双下肢根性症状为主，手术目的跟青少年特发性脊柱侧凸有很大不同，应以缓解腰背部疼痛及预防畸形进一步加重为主，有根性症状的患者术中加以根管减压，矫形以矢状位平衡、恢复脊柱力学平衡为主，区别于特发性脊柱侧凸以美观为目的的矫形[5-9]。

表1 手术前后各观察指标比较

图1 术前X线片示患者侧凸畸形Cobb角为64.16°，后凸畸形Cobb角38.25°，T12～L5椎体周围严重骨质增生

图2 术前CT显示顶椎为L3，L2～3向左侧移位滑脱伴椎体旋转，L3凹侧椎弓根细小而短，经测量直径8 mm，长度12 mm，侧凸畸形Cobb角为64.16°，根据CT扫描数据进行1︰1 3D打印

图3 术后即刻X线片显示钉棒位置良好，侧凸畸形基本矫正，Cobb角6.8°，矢状位平衡矫正良好，Cobb角18.38° 图4 术后12个月X线片显示矢状位Cobb角7.1°，后凸Cobb角18.54°

3.2 3D打印技术在脊柱侧凸畸形上的疗效及并发症分析 本研究中患者术后各阶段VAS、JOA、ODI、SF-36评分均较术前明显改善，且术后12个月各评分仍未明显变差，生活质量较术前得到明显改善。朱晓东等[10]对21例伴有下腰痛和椎管狭窄的患者进行脊柱侧凸矫形，随访1年，发现所有患者在冠状面及矢状面上均得到很好的改善，90%患者对手术疗效满意。白朝晖等对306例原发性退行性脊柱侧凸手术并发症及危险因素多中心研究发现，其总并发症发生率为39%，初次手术后6年内再次手术的风险为44%[11]。本研究中患者影像学提示术后脊柱侧凸、后凸畸形得到明显改善，Cobb角明显降低，矢状面恢复平衡。但是部分患者术后下地行走时出现跛行步态，床边测量双下肢发现不等长，相差5 cm，拍摄双下肢全长X线片发现双下肢等长。对此我们查阅关于并发症的相关文献中并未发现有跛行步态的相关报道。经过科室讨论，我们认为这是患者术前因脊柱畸形导致的习惯性跛行步态，术后脊柱畸形虽然已矫正，但患者未能完全适应，所以依然遗留跛行步态。为此，经研究我们给患者定制不同高度的增高鞋，让患者逐渐适应，直到跛行步态消失。随访3个月后患者行走自如，跛行步态消失。

3.3 3D打印技术能够明显提高置钉准确率 本研究术中置钉准确率高达95.2%，经过术前3D打印技术的运用，术前进行置钉规划，对凹侧椎弓根粗细有了更加直观的认识，对术中哪些椎体可以置钉了然于胸，避免钉道穿破骨皮质甚至进入椎管等置钉失败的风险，为手术安全性提供了有效的保障[12-14]。在增加置钉准确率的同时，术前3D打印技术的运用也可以避免损伤神经血管及内脏[15-17]。卢琪等[18]认为3D打印技术可为患者提供个体化定制的脊柱内植物，使脊柱外科手术更精准、更安全。张树芳等[19]认为3D打印技术可使手术更加精准、安全、完美，提高脊柱矫形率，术前模拟螺钉置入、螺钉数据测量大大缩短了手术时间。姜良海等[9]研究发现3D打印导板辅助置钉技术能够取得较高的置钉准确率，减少螺钉穿破骨皮质的风险，比传统徒手置钉更加准确，在取得相似置钉精确度的同时，比计算机导航技术更加简单易操作。陈昱霖等[20]认为3D打印技术辅助脊柱手术置钉，特别是在脊柱畸形矫形以及上颈椎置钉方面有着极大的研究意义和发展空间。李彦明等[21]认为术前利用患者CT薄层扫描数据、通过3D打印技术制作患者病变相关节段脊柱模型，可为术者制定手术计划和术前置钉提供参考，不仅可以缩短置钉时间，还能提高置钉准确率[22]。

3D打印技术制作相关病变节段的脊柱模型不仅方便术者术前进行手术规划，同时规避了大部分术中可能出现的风险，提高了置钉准确率，保证了术后疗效[23]。相比于计算机导航系统或机器人手术，达到相似效果的基础上为患者节省了住院费用，在临床上值得推广运用。但是本研究中患者均希望术者使用3D打印行术前规划、没有对照组，同时病例样本量不足，还有待于在今后临床工作中收集更多的病例后再进行报道。