退变性脊柱侧弯3D 打印个性化减压融合△

郑 杰，何敏娟，王大伟，赵克锋，叶有晨，陶利江，翟 旭，孙忠良

（联勤保障部队第九〇三医院骨一科，浙江杭州 310016）

随着当今社会人口老龄化的不断加重，退变性脊 柱侧弯（degenerative scoliosis, DS）的发病率逐年增高［1］。对于经过保守治疗无效的患者，外科手术仍是目前最为合理、有效的治疗手段。DS 作为一种复杂的脊柱畸形，其手术治疗应根据患者的症状、体征、影像学等制定个性化的治疗方案，方能达到最佳的治疗效果［2］。本研究利用三维重建、逆向工程、CAD等技术，通过提取患者CT 影像数据，建立有限元模型，模拟出最佳治疗方案，3D 打印制作物理模型［3-6］。于物理模型上设计椎弓根螺钉的标准置入位置，预制连接棒等内固定器械，进行手术设计及模拟，从而缩短手术时间，减少出血及创伤，避免手术中方案的不确定性，确保手术疗效，使DS 的个性化手术治疗得以实现，为DS 的手术治疗提供了精确化、个性化的新型思路和方法。现报道如下。

1 资料与方法

1.1 纳入与排除标准

纳入标准：（1）经影像学检查确诊为DS，冠状位Cobb 角>10°，按Lenke-Silva 分型为Ⅱ～Ⅲ型（图1a，1b）；（2）影像显示椎管狭窄（图1c），且具备相应的临床症状，如顽固性腰痛或腰痛合并下肢放射痛，间隙性跛行等；（3）经保守治疗3 个月以上症状不能缓解；（4）均可通过后路选择性椎管减压+椎间植骨融合+侧弯节段椎弓根螺钉内固定术可以解决；（5）手术均由同一骨科医生团队完成，获得至少2 年以上的随访。

排除标准：（1）Lenke-Silva 分型为Ⅳ～Ⅵ型需要前后路或截骨矫形者；（2）青少年特发性脊柱侧凸转变而来的成人脊柱侧弯；（3）继发于外伤、脊柱肿瘤、强直性脊柱炎、脊柱结核的脊柱畸形患者。

1.2 一般资料

回顾性分析2013 年12 月—2017 年12 月收治的DS 患者，共41 例符合上述标准，纳入本研究。通过术前医患沟通，根据患方意愿是否使用3D 打印技术将上述患者进行分组，3D 打印组15 例，采用3D 打印技术辅助进行个性化手术治疗，常规组26 例，采用传统减压融合内固定术，不使用3D 打印技术。本研究经医院医学伦理委员会审查通过，所有患者均知情同意。

1.3 手术方法1.3.1 3D 打印组

术前对患者侧弯节段脊柱进行连续薄层CT 扫描，扫描条件设置为130 kV，21.6 mA·s，层厚0.625 mm。采集Dicom 格式图像，所有图像象素均为512×512 pxl 以刻录DVD 光盘的形式输出保存。以CT 扫描图像通过软件建立DS 有限元模型。

在DS 有限元模型上建立椎弓根螺钉和连接棒的几何模型，生成四面体单元，螺钉直径为4.5 mm，连接棒的直径为5.5 mm。螺钉、连接棒采用各向同性钛质，弹性模量100 000 MPa，泊松比0.3。螺钉与骨界面采用面-面接触，摩擦系统为0.8。根据临床椎弓根螺钉置入方法（关节突外缘垂线与横突中点水平线的交点为进钉点）置入螺钉。对不同手术方案的DS 有限元模型施加相同的边界固定条件和加载条件：约束S1椎体和棘突底面上所有节点平移和转动共六个自由度，将各方向完全约束固定，在T12椎体上面连接一个钛质十字架，以方便进行力矩形式的工况加载，分前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转、右旋转6 种工况分别以节点载荷的形式分10 个子步加载力矩载荷10 N·m。比较不同手术方案（包括有限固定减压融合及选择性减压侧弯节段固定融合等方案）模型在各种工况下椎间盘、椎体及相邻节段关节突等效应力分布。通过上述结果的比较分析，确定最佳手术方案，明确上下端椎的选择（图1d）。

将DS 原始三维模型和最佳手术方案三维模型分别进行3D 打印，在3D 打印出的物理实体模型上，进行手术规划和术前准备（图1e，1f）。按照最佳手术方案选择上下端椎、设计螺钉置入方案、预制连接棒，以指导现实手术（图1g，1h）。

图1 患者，女，55 岁，因“腰痛伴间歇性跛行半年余”入院 1a, 1b: 术前腰椎正侧位X 线片示L1-5 退变性脊柱侧弯，冠状面Cobb 角10.8°，L4 椎体向前滑移 1c: 术前MRI 示L4 椎体向前滑移，L4/5 椎间盘突出、椎管狭窄，L3/4 椎间盘突出，L1-3、L5S1 椎间盘退变 1d: 术前建立有限元模型，经有限元应力分布测试结果确定L4/5 椎管减压椎体复位矫形椎间植骨融合内固定为该患者最佳手术方案 1e, 1f: 根据有限元模型打印出3D 实体模型，术前设计螺钉置入位置、预制连接棒、手术预演等操作 1g, 1h: 末次随访腰椎正侧位X 线片示脊柱侧弯及椎体滑移矫形满意，冠状面Cobb 角4.9°，手术节段见骨性融合

1.3.2 常规组

术前常规进行全脊椎正侧位X 线片检查，侧弯节段CT 三维重建以及MRI 检查，结合临床症状、体征及影像学，术前规划设计手术方案，术中根据术前规划及术者经验进行置钉、减压、弯棒及矫形治疗。

1.4 评价指标

记录围手术期资料及并发症。采用疼痛视觉模拟评分（visual analogue scale,VAS）、Oswestry 功能障碍指数（Oswestry disability index, ODI）和日本骨科协会胸腰椎评分（Japanese Orthopaedic Association,JOA）评价临床效果。行影像学检查，测量相关参数。螺钉置入准确率=（总螺钉个数-螺钉误置个数）/总螺钉个数×100%，其中螺钉误置包括内侧皮质穿透、外侧皮质穿透、上方皮质穿透、终板穿透、椎间孔穿透。测量冠状面Cobb 角、冠状位平衡偏移距离（coronal balance distance,CBD）、矢状位平衡偏移距离（sagittal vertical axis, SVA）、胸椎后凸（tho⁃racic kyphosis, TK） 和 腰 椎 前 凸（lumbar lordosis,LL）。

1.5 统计学方法

采用SPSS 20.0 软件进行统计学分析。计量数据采用±s表示，资料呈正态分布时，两组间比较采用独立样本t检验，组内时间点间比较采用单因素方差分析或配对T检验；资料呈非正态分布时，采用秩和检验。计数资料采用x2检验或Fisher精确检验。P<0.05 为差异有统计学意义。

2 结 果

2.1 围手术期情况

所有患者均顺利完成手术。两组患者围手术期资料见表1。3D 打印组手术时间、术中出血量、异体输血量均显著低于常规组（P<0.05），术后2 d 血红蛋白水平显著高于常规组（P<0.05），但是，两组患者住院时间差异无统计学意义（P>0.05）。3D 打印组患者术后切口浅表感染1 例，给予换药、抗感染治疗后痊愈；脂肪液化渗出1 例，予加强换药、对症处理后痊愈。常规组患者术后切口浅表感染2 例，脑脊液漏2 例，给予换药、抗感染治疗后痊愈；脂肪液化渗出2 例，予加强换药、对症处理后痊愈；神经损伤1例，予营养神经治疗后痊愈。两组并发症发生率差异无统计学意义（P=0.445）。

表1 两组患者围手术期资料（±s）与比较

表1 两组患者围手术期资料（±s）与比较

指标P 值手术时间（min）术中出血量（ml）异体输血量（ml）术后2 d 血红蛋白（g/L）住院时间（d）3D 打印组（n=15）156.26±10.47 720.83±30.40 153.54±26.84 106.2±10.53 6.78±0.59常规组（n=26）243.07±28.61 1 488.64±156.94 425.24±54.70 73.71±9.01 7.05±0.58<0.001<0.001<0.001<0.001 0.153

2.2 随访结果

两组患者随访23～31 个月，平均（26.8±2.3）个月。随访期间均无腰背疼痛持续加重，无翻修手术等严重不良事件。

两组随访结果见表2，随时间推移，两组患者VAS 和ODI 评分显著下降（P<0.05），而JOA 评分显著增加（P<0.05）。相应时间点，两组间VAS、ODI和JOA 评分的差异均无统计学意义（P>0.05）。

表2 两组患者随访结果（±s）与比较

表2 两组患者随访结果（±s）与比较

指标VAS 评分（分）P 值0.831 0.220 0.222 ODI 评分（%）0.648 0.441 0.159 JOA 评分（分）0.372 0.472 0.387时间段术前术后3 个月末次随访P 值术前术后3 个月末次随访P 值术前术后3 个月末次随访P 值3D 打印组（n=15）6.01±1.76 2.77±0.97 1.77±0.99<0.001 82.27±5.56 40.47±5.24 6.93±1.22<0.001 7.33±3.89 16.67±3.98 25.73±2.22<0.001常规组（n=26）6.16±2.31 3.23±1.22 2.18±1.04<0.001 81.46±5.31 39.23±4.7 6.19±1.77<0.001 6.31±3.27 17.81±5.28 25.01±2.78<0.001

2.3 影像评估

两组影像学测量结果见表3。3D 打印组的螺钉置入准确率显著高于常规组（P<0.05）。与术前相比，末次随访两组患者侧弯Cobb 角、CBD、SVA、LL 较术前均显著改善（P<0.05），但TK 较术前无显著变化（P>0.05）。相应时间点，两组间各参数的差异均无统计学意义（P>0.05）。

表3 两组患者影像测量结果（±s）与比较

表3 两组患者影像测量结果（±s）与比较

指标螺钉置入准确率（%）侧弯Cobb 角（°）P 值<0.001 0.594 0.528 CBD（mm）0.144 0.923 SVA（mm）0.346 0.081 TK（°）0.345 0.352 LL（°）0.339 0.210术前末次随访P 值术前末次随访P 值术前末次随访P 值术前末次随访P 值术前末次随访P 值3D 打印组（n=15）95.94±3.50 22.15±3.71 8.03±1.23<0.001 5.19±0.94 1.88±0.7<0.001 4.30±0.49 1.35±0.33<0.001 10.46±2.71 9.53±2.01 0.298 11.49±2.56 20.83±4.24<0.001常规组（n=26）80.47±6.48 21.49±3.84 8.59±3.29<0.001 5.70±1.10 1.90±0.98<0.001 4.61±1.19 1.76±0.86<0.001 9.61±2.73 9.01±1.51 0.331 10.49±3.52 19.27±3.49<0.001

3 讨 论

DS 是脊柱的三维畸形，脊柱僵硬、退变，患者经保守治疗效果不佳，须采取手术治疗［7］。目前对于DS 的手术治疗，主流的手术方案是按照Lenke-Silva分型的分级手术［8］。在临床中作者发现，DS 中Len⁃ke-SilvaⅡ～Ⅲ型比较多见，对于这些患者可以通过后路选择性椎管减压+椎间植骨融合+侧弯节段椎弓根螺钉内固定术或有限固定减压融合术即可获得良好的疗效。但固定融合节段的选择及矫形程度的界定存在诸多争议。在本研究3D 打印组中，将患者侧弯段脊柱进行有限元模型的重建，在模型上设计不同的手术方案，通过有限元测试结果找到最适合的手术方案，做到个性化设计，使融合节段的选择及矫形程度的界定有据可依。

因DS 患者脊柱退变严重、畸形复杂多变，术中常出现置钉区域暴露不充分、解剖标志无法顺利辨识等情况。传统椎弓根螺钉置钉时即使术者经验丰富，仍有置钉不佳可能，置钉失误可直接导致椎弓根结构破坏、力学稳定性下降，预后不良［9］。术者只能凭借既往经验、延长X 线透视及置钉时间、增加置钉修改次数来提高置钉准确率，增加了手术创伤及术中出血量，置钉的多次修改则会降低椎弓根螺钉的稳定性，影响预后。在本研究3D 打印组中，将三维有限元模型进行3D 打印，在物理模型上设计椎弓根螺钉的标准置入位置，预制连接棒等内固定器械，于模型上进行多次手术预演，形成感官及肌肉记忆，可有效降低置钉难度、提高置钉准确率、缩短手术时间，减少创伤和并发症发生概率。本研究3D 打印组的手术时间、术中出血量、输血量均少于常规组，术后血红蛋白水平高于常规组。

此外，与传统的CT、MRI 等影像数据相比，3D打印模型可体外精确复刻病椎的解剖结构，使术前医患沟通更加直观化、具体化。借助3D 打印模型向患者及家属介绍疾病特点、病变区域、手术过程、手术相关风险及预后，加深患者及家属对自身疾病的理解、提升沟通效率，增加医患互信，降低医疗纠纷的发生风险。

综上所述，与传统手术相比，3D 打印技术辅助下的后路减压植骨内固定手术治疗DS，具有手术时间短、出血量及输血量少、螺钉置入准确率高的优势，临床疗效满意。本研究的不足之处是本组纳入的是Lenke-Silva 分型为Ⅱ～Ⅲ型的DS 患者，而Ⅳ～Ⅵ型畸形更加严重，需要前后路或截骨矫形，应用3D打印更能体现其优势，可在今后的临床工作中推广应用。