3D打印技术在复杂颅颈交界区手术中的应用价值

周旭东，王济潍，王磊，姜政，韩利章，江玉泉

颅颈交界区畸形是指枕骨、寰椎和枢椎骨质、软组织和神经系统的异常病理改变[1-2]，包括寰椎枕化、颅底凹陷、颅底压迹、颅骨沉降、寰枢椎脱位、扁平颅底、Chiari畸形和脊髓空洞症等[3-5]。复杂颅颈交界畸形可多种畸形同时共存，表现形式多样，解剖变异复杂，尤其是手术中内固定螺钉的安全、准确置入，一直是国际脊柱神经外科界的难题[6-7]。近年来，3D打印技术的兴起为医学领域带来了巨大发展[8]。山东大学齐鲁医院神经外科于2017年5月—2020年5月期间，采用3D打印技术辅助手术治疗26例颅颈交界区畸形患者，取得了满意的临床效果。现分析报告如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料 本组患者中男7例，女19例；年龄24～75岁，平均46.8岁；术前日本骨科学会(Japanese Orthopaedic Association，JOA)评分8～15分，平均(11.35±0.39)分。患者均合并多种颅颈交界区畸形病变，如寰椎枕化、颅底凹陷、颅底压迹、颅骨沉降、寰枢椎脱位、扁平颅底、Chiari畸形和脊髓空洞症(表1)；符合中国颅颈交界区畸形诊疗专家共识的诊断标准[9]。本研究方案获得山东大学齐鲁医院伦理委员会批准，所有患者或其监护人均同意，并签署了知情同意书。

表1 本组患者的颅颈交界区畸形类型

1.2 方法

1.2.1 3D打印模型制作及应用 患者均行颅颈交界区64层螺旋CT三维扫描，层厚1 mm。检查三维扫描数据导入FDM 3D打印机(型号：Y6051；广州研肽科技有限公司)；打印成型尺寸：400 mm×400 mm×500 mm，层厚0.1～0.4 mm，打印精度：0.1 mm，打印材料：PLA、ABS；3D打印成为1∶1模型。准备手术器械，制定手术预案，在3D打印模型上置钉。置钉过程可反复调整，直至获得最满意的置钉效果。记录螺钉的尺寸，置钉的角度、方向以及与周围重要血管、神经的位置关系，形成完整的置钉方案。置钉完成后的模型重新导入电脑，形成三维模拟动画，动态模拟加压撑开复位的过程；复位过程可反复进行，直至获得满意的复位效果；记录复位的角度及所需力量，形成最终的复位方案。

1.2.2 手术治疗 按置钉方案与复位方案进行手术。暴露目标椎体后方棘突、椎板和侧块等结构，根据3D打印模拟提供的进钉点，制备椎弓根螺钉钉道；用金属探子探查钉道无误并测量其长度后，选择合适的螺钉置入；置入枕骨板，连接钛棒，撑开复位，完成固定；皮下放置引流管。术后常规应用抗生素预防感染，术后第2 d拔除引流管。

1.2.3 疗效评判 术后观察患者的症状变化，并详细查体；术后1个月行JOA评分[10]，评判患者的症状改善情况。术后复查三维CT扫描，观察复位的程度与效果及螺钉位置；并与三维模拟的手术复位效果进行对比，评价模拟置钉和复位方案对手术的指导作用。

1.2.4 术后随访 对所有患者均进行术后定期门诊复查随访和电话随访，随访时间3～6个月，随访内容包括头痛、头晕、肢体麻木、疼痛、无力等症状是否消失或缓解，有无复发，以及有无神经系统并发症。

2 结 果

2.1 3D打印模型及模拟手术入路 利用3D打印技术制作的实物模型可直观地显示颅颈交界区畸形区的空间结构及其与重要血管、神经的毗邻关系；如椎动脉的位置及走行、横突孔的位置、寰枢椎关节的相对位置、侧块及椎弓根的尺寸等(图1)。进一步借助3D实物模型进行手术入路、置钉方案模拟(图2)，规划手术方式。

图1 3D打印实物模型

图2 3D模型模拟手术方案

2.2 手术疗效及随访结果 本组患者中，术后症状改善优的患者7例(26.9%)、良17例(65.4%)、可2例(7.7%)、差0例；优良率为88.4%。术后1个月的JOA评分比术前显著升高(13.23±0.4vs11.35±0.39)，差异有统计学意义(P<0.01)。

3 讨 论

颅颈交界区畸形的发生发展既有先天性胎发育因素，又有后天病理生理学及生物力学改变的影响。在许多情况下，颅颈交界区畸形常有多种类型畸形同时存在，错综复杂，如颅底凹陷、扁平颅底、寰枕融合、寰枢椎脱位等，有的还同时合并小脑扁桃体下疝、脊髓空洞症等；给治疗方法的选择和手术方案的制定带来极大的困难[2,11-15]。

从临床发病机制及治疗角度来看，颅颈交界区畸形的发生发展大体分为以下两种：(1)颅颈交界区失稳，主要为寰枢椎失稳或脱位(垂直及水平脱位)引起的症状；(2)延髓脊髓等神经组织受压的症状[5,16-17]。其中，延髓脊髓受压大多是由于寰枢椎脱位所致；因此，治疗重点主要应为如何纠正寰枢椎脱位。在传统治疗方式中，通过经口松解及齿状突切除解除神经受压症状。理论上，经口松解及齿状突切除复位较理想，但经过大量临床实践证明，并非所有患者均能达到理想的复位效果。除此之外，经口腔手术的难度大、污染风险高，解剖复杂；目前仅有少数专科医师能熟练掌握此技术。最近有多个研究报道，通过单纯经后路复位矫形及固定术治疗颅底凹陷合并的寰枢椎脱位，能够有效避免经口腔手术的多种弊端；且寰枢椎侧方关节切开松解复位和枕骨-枢椎螺钉间撑开复位术均可获得非常理想的复位效果。在枕骨-枢椎螺钉间撑开复位术中，由于作用于螺钉间撑开复位的力量远大于颅骨牵引的力量，使得传统治疗观念认为的难复性寰枢椎脱位，甚至不可复性寰枢椎脱位也可获得较好的复位效果，且术前不需要常规的颅骨牵引评价，是对传统治疗模式的重大改进。在这种手术操作中，螺钉的置入是最关键也是最危险的步骤[18-20]。如何置入枢椎椎弓根螺钉、枢椎椎弓根螺钉无法置入时采用何种替代方案，以及在置钉过程中如何避免损伤椎动脉、硬脊膜和神经，是术前及术中最重要的关注点。因一旦置钉失误，术中或术后就会出现椎动脉、脊髓及延髓损伤、硬脑膜破裂并脑脊液漏等并发症；故术前应尽可能全面地搜集手术相关区域的解剖信息，包括椎动脉的位置及走行、横突孔的位置、寰枢椎关节相对位置、侧块及椎弓根的尺寸等。目前，对这些信息的搜集依赖于CT三维扫描和MRI检查。但无论CT与MRI的分辨率如何提高，其呈现在屏幕或片子上的只是二维图像，无法为手术者提供精准的全息资料。

3D打印技术的兴起，给传统的制造业、材料学、航空航天和医疗等产业带来巨大的冲击和改革[21]。近年来，3D打印技术在医学领域中的临床应用研究发展迅速[22-23]。神经外科功能精细，所涉及的解剖结构复杂，神经外科病变更是错综复杂、诊疗困难，手术难度大，亦给教学带来很大难度。因此，在神经外科学领域尤其适用3D打印技术。目前3D打印技术在临床医学的应用主要分为3类，(1)打印临床医学模型：通过打印1∶1的模型进行手术规划、练习，还可以通过模型向患者和临床医学生展示疾病情况，增加患者和临床医学生对疾病的理解；(2)医疗器械/组织工程的制造：通过打印1∶1的模型进行个体化假体或辅助器械的植入；(3)制造人工器官和组织，以用于人类器官移植。

颅颈交界区畸形的手术区域是人体最复杂精密的解剖结构之一，尤其是形态极其不规则的颅底及寰枢椎骨质，和其中的脑组织、延髓、脊髓、血管、神经等，再加上众多的肿瘤和畸形等病变，使复杂而狭小的空间结构产生巨大的变化，一般的影像学检查很难直观地呈现出病变的结构，给神经外科医生处理这些病变造成了极大的困难和挑战。而3D打印模型可以以1∶1准确复制患者病变区域的三维解剖结构(图1、2)，为术者提供更精确与真实的术前组织解剖资料。术者可在3D模型上进行预手术，明确螺钉置入的方向、角度以及所需螺钉的尺寸，从而在真正的手术开始后，大大提高置钉的准确性与安全性，提高复位的成功率。另外，3D模型可用于术前向患者及其家属讲解手术过程，让患方对手术过程、手术风险及可能出现的损伤与并发症有一个更直观且更易理解的认识，方便医患双方的沟通与交流。3D打印模型也可用于医学生和实习生的临床教学[24]，使其对颅颈交界区的解剖、畸形的发生原因与病理改变、手术的复位过程及复位后的效果有一个更加直观和全面的认识。

综上所述，3D打印技术在颅颈交界区畸形疾病手术治疗中有明显应用价值，借助3D打印技术可实现个体化治疗与精准医疗，值得在临床广泛推广、应用。