3D打印生物模型技术在腰椎后路内固定术后翻修手术中的辅助应用

吴辉，郭明岗，李亮，罗旭伟

(四川省南充市中心医院骨科，四川南充 637000)

手术减压是解除腰椎退行性疾病疼痛和功能障碍的主要手段之一，随着腰椎手术数量增加，术后翻修患者数量也随之增加[1]。腰椎翻修手术过程复杂、手术时间长，术中并发症发生率高，易发生硬脊膜撕裂，如翻修手术失当，可能造成严重后果[2]。细致的术前计划对了解病变的详细情况、制订手术路径和减少术中并发症具有重要意义。研究显示，3D打印技术可打印腰椎骨骼模型，通过多次模拟手术可提高腰椎手术成功率，缩短操作时间，但在腰椎翻修手术应用中较少见报道。本研究在腰椎翻修手术中应用3D打印生物模型，取得良好效果，现报告如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选择2017年3月～2019年3月在本院接受腰椎螺钉内固定翻修手术的患者作为研究对象。纳入标准：①因腰椎退行性疾病、腰椎峡部裂性滑脱行后路腰椎手术的患者；②年龄≥40岁，性别不限；③经X线、CT或MRI检查证实存在术后复发、假关节形成、假体移位等，需要行翻修手术治疗；④患者对研究知情并签署知情同意书。排除标准：①合并先天性脊柱畸形、脊柱肿瘤、脊柱结核、脊柱骨折等疾病者；②合并严重心脑血管疾病、下肢行动障碍性疾病等，影响腰部功能评定者。共纳入患者48例，根据治疗方法分为观察组26例和对照组22例。观察组中，男17例，女9例；年龄44～71岁，平均(56.08±8.14)岁；首次手术至翻修手术时间间隔：6个月～5年，平均(2.03±0.92)年；病变节段：单节段21例，2节段5例。对照组中，男16例，女6例；年龄44～73岁，平均(55.73±9.05)岁；首次手术至翻修手术时间间隔：8个月～5.3年，平均(2.17±0.99)年；病变节段：单节段18例，2节段4例。两组患者的上述基本资料比较，差异均无统计学意义(P>0.05)，有可比性。

1.2 研究方法

对照组患者给予常规翻修术，首先通过影像学观察翻修的原因、决定翻修方法：对于椎体间已经骨性愈合者，取出椎弓根螺钉；椎弓根位置不佳者，调整螺钉位置和方向；椎弓根螺钉松动者，在钉孔内植入骨条，重新植入螺钉；螺钉断裂者，取出断钉、重新植入螺钉；Cage脱出者，取出原有Cage，清理椎间隙后植入Cage，钉棒系统固定；除取出内固定的患者外，其余患者均行横突间或椎板间植骨。患者术后给予镇痛泵，配方：芬太尼1 mg+地佐辛25 mg+阿扎司琼20 mg，应用维生素B12营养神经、甘露醇脱水，术后第2天拔除引流管。

观察组患者给予3D打印生物模型辅助翻修手术，术前将患者腰椎CT数据导入Mimcs 21.0软件中进行三维重建，同比例3D打印腰椎实体模型和内固定元件，用朱红色橡皮泥模拟人体肌肉包裹模拟内固定的模型(见图1)，塑造人体腰部大致模样，再置于塑料盒中，用肉色布料缠绕模拟人体皮肤，模拟出3D打印仿真腰椎手术生物模型，术前将模型置于手术台，C型臂透视下定位手术节段，模拟手术过程，操作完成后对手术模型行CT检查，分析总结手术过程。在熟练完成1～2例生物模型操作后，给予翻修术(见图2)，手术方法和术后处理同对照组。

图1 腰椎三维打印模型外观图

图2 典型案例手术前后影像学资料(A-B:术前MRI和椎管造影双斜位片示腰椎不稳伴椎管狭窄;C-D:翻修术后正侧位X线片示滑脱椎体已复位、内固定位置良好)

1.3 观察指标

观察两组患者手术时间、术中出血量、放射线暴露时间和术中并发症等手术相关指标；术后，观察患者椎弓根螺钉位置、植骨融合及术后症状缓解情况。疗效评价根据改良Brodsky标准[3]，分为满意、良好、尚可、差4个等级。满意率=(满意+良好)/例数×100%。

1.4 统计学方法

2 结果

2.1 术中指标比较

观察组患者手术时间、术中出血量、放射线暴露时间均少于对照组，差异有统计学意义(P<0.05)。见表1。

表1 两组患者术中相关指标比较

2.2 并发症发生率比较

观察组未出现神经根损伤、切口感染、硬膜撕裂等并发症；对照组出现神经根损伤2例、为螺钉置入错误导致，切口感染4例、经局部换药后治愈，硬脊膜撕裂4例、修补后无后遗神经伤害，并发症发生率为45.45%，两组并发症发生率存在统计学差异(Fisher精确检验，P=0.000)。

2.3 临床效果比较

观察组患者随访8～32个月、中位时间14个月，末次随访时患者症状缓解满意，局部及下肢疼痛症状消失，X线检查显示椎弓根螺钉位置良好，椎骨融合牢固，疗效满意率为100%；对照组患者随访8～28个月、中位时间13个月，末次随访时存在局部和(或)下肢疼痛症状者4例，其中椎弓根螺钉松动者2例，无断裂及拔出患者，疗效满意率为72.73%，两组疗效满意率差异存在统计学意义(Fisher精确检验，P=0.004)。

3 讨论

随着椎弓根螺钉的广泛应用，因骨折不够坚强、操作不当、融合节段低且广泛、植骨方法不当等原因导致内固定失败，对螺钉松动、断裂而植骨尚未融合或原固定节段重新出现不稳、螺钉位置不正或其他因素导致神经损害症状者，需给予翻修手术治疗[4]。再次手术过程中需要完成彻底减压、内固定重新植入、植骨融合等操作，部分患者需要重新选择进钉方向、增加螺钉直径、原孔腔采取骨水泥灌注或自体骨组织周围和内部植入等操作[5]。翻修手术患者因局部骨性结构紊乱、硬膜外瘢痕等原因，置钉风险高，置钉失败易造成血管神经损伤，翻修难度高于初次手术，术中神经根损伤及硬脊膜撕裂等并发症发生率高于初次手术，在保证精确度的前提下，减少患者手术损伤是临床医生需要重视的问题[6]。

传统CT三维重建的影像可为手术提供腰椎情况和内固定物情况的认识和理解，但存在图像平面化、静态化的缺点，术者仅能借助影像资料，凭借既往临床经验和大脑内未经验证的手术过程开展手术操作，术中存在解剖变异判定不准、内固定选择困难等情况，术中需要不断对比影像资料，导致手术时间延长、增加术中出血量[7]。3D数字化设计可通过在虚拟环节中反复修改而获得最优化的虚拟手术方案，根据虚拟手术方案进行术前手术模拟和虚拟钉道测试，提高手术操作精确性，减少螺钉植入不精确导致脱落等并发症发生[8]。近年来，3D打印辅助手术已广泛用于复杂髋臼骨折、脊柱手术等骨科手术中。研究显示，在高分辨率CT辅助下可精准还原骨骼的三维结构，再现腰椎的复杂结构，术前初步获得螺钉的直径、程度及进针方向，减少术中过度分离组织，降低手术的出血量和手术时间[9]。此外，通过3D打印腰椎的三维模型，可在术中进行比对，减少患者的X线暴露时间。刘正蓬等[10]在胸腰段骨折的研究中发现，通过3D打印技术可立体化观察伤椎情况，对术前推演、预估术中难点及要点、降低手术风险具有重要意义。郝为民[11]在腰椎退行性疾病中应用CT详细数据资料联合3D打印技术制作的导航模板辅助实施椎弓根螺钉置入，具有较高的置钉准确性，可保证置钉安全性，减少手术时间和手术相关出血。

既往研究中，3D打印技术可打印骨骼模型，但对软组织重建能力差，因缺乏肌肉覆盖和血管神经，模拟手术时降低了手术的难度和仿真性。袁德超等[12]认为，采用3D打印技术打印出骨骼，用橡皮泥模拟肌肉组织，布料模拟皮肤组织，可构建出包含“骨骼、肌肉、皮肤”的3D腰椎生物模型，仿真性高、可行性强。本研究同样构建包括腰椎和内固定物、肌肉、皮肤的3D生物模型，在更加仿真的环节中模拟软组织暴露和翻修过程，术中软组织暴露、进钉点确定、C臂透视和螺钉置入等过程均可在本模型中得到模拟，与真实翻修手术过程相似度极高。本研究观察组手术时间、术中出血量和放射线暴露时间均低于对照组，结果与上述研究一致。翻修手术并发症的文献报道较少，其并发症远高于初次手术[13]，以术中硬脊膜损伤最为常见，发生率约为初次手术的7倍；术后感染也是翻修手术后的常见并发症，与术中无菌操作、患者身体状况、术中暴露范围、出血量、术中软组织牵拉所致缺血及损伤相关。本研究显示，观察组围手术期并发症发生率低于对照组，考虑与3D生物模型辅助术前模拟，通过仿真模拟手术过程，增加了手术熟练度和精确度，减少了软组织损伤和手术创伤有关。本研究观察组疗效满意率高于对照组，提示3D打印生物模型辅助有利于提高手术的成功率。