3D打印在青少年特发性脊柱侧弯中的应用进展

徐昌超，邹强,，孙红,，蓝奉军，周江湖，吴鸿斌，杨华

1. 贵州医科大学 临床医学院，贵州 贵阳 550004；2. 贵州医科大学附属医院 骨科，贵州 贵阳 550004；3. 福建省晋江市人民医院 骨科，福建 晋江 362200

引言

3D打印技术又称作快速成型技术[1]，其原理是利用CT、MRI获取资料，传入计算机并创建3D模型，3D打印机读取计算机文件后，使用金属、陶瓷、树脂等材料，以熔融沉积模型、选择性激光烧结、立体光刻法等打印方法精准制造出1∶1的实物解剖模型[2-3]。随着医学技术的飞速发展，目前3D打印已广泛应用于神经外科、骨科手术中[3-4]。青少年特发性脊柱侧弯（Adolescent Idiopathic Scoliosis，AIS）是指发生在11～18岁年龄段的脊柱侧方弯曲、椎体附件旋转及矢状面上脊柱三维畸形，其Cobb角大于10°，并伴有脊柱前后凸角度改变[5]，AIS患者表现为脊柱畸形、胸部变形、形体不对称、运动失平衡等异常。对于Cobb角小于20°患者，必须每隔6个月进行X线片或临床检查，直到骨骼成熟；Cobb角在25°～40°的患者，应予以支具支撑、特殊运动、锻炼呼吸、手法理疗等治疗；Cobb角大于45°～50°或侧弯畸形发展迅速，则应选择矫形手术治疗[5-7]。AIS患者常存在脊椎椎弓根发育异常的现象[8]，如椎弓根髓腔变细和硬化，以及椎弓根弧形样改变、不规则畸形变，甚至缺如，特别是凹侧椎弓根，其中大部分位于上胸椎区域，使得椎弓根置钉变得困难，随着3D打印技术的出现及在脊柱侧弯矫形中的广泛运用，AIS的诊治效果较以往有了明显提升。本文旨在综述3D打印在AIS中的应用及研究进展，以期为3D打印诊治AIS提供理论依据。

1 3D打印与AIS患者的医学教育

脊柱解剖是脊柱外科医生诊疗的基础，由于AIS常为复杂的三维畸形[9]，在学习过程中，以往疾病的图谱讲解、影像学图片识别等不能全面显示脊柱三维立体情况，而尸体解剖制作工艺复杂，传统的石膏模型精准性较差，且模型较为单一，不能很好地显示AIS患者的差异性，并且AIS患者遗体来源有限，存在伦理学和法律方面的顾虑，因此难以满足实际教学需求[10-12]。目前依据患者影像学数据，通过3D打印技术可真实地还原患者脊柱畸形特征，对于AIS认识更加清晰、直观。McMenamin等[13]报道3D打印模型的准确性与尸体一致，且较塑化优势明显，可作为解剖学精确复制品的替代方法，其可以快速生产任何尺寸规模的任何解剖标本的多个1∶1解剖模型，同时避免了一些文化和伦理问题。李曙明等[14]发现，相比传统教学，在教学中运用3D打印技术能明显增强学生的疾病及影像诊断能力，从而显著提高教学效果和效率。Wu等[15]发现3D打印模型辅助教学相比传统影像教学，可使医学生对骨解剖和一些复杂部位骨折的认识更加深刻。李彦等[16]研究表明，与仅接受常规成像数据的学生相比，医学生通过3D脊柱骨折模型对脊柱的解剖结构的识别能力更强。在手术学习方面，既往青年医生常依据解剖图谱、手术视频进行学习，而后在尸体标本上进行模拟手术，现在通过3D打印的AIS患者脊柱模型进行训练或模拟手术，可以有效减少训练时间，缩短学习曲线，尽早掌握相关手术技巧[17]。Park等[18]通过新手外科医生对3D腰椎模型在徒手椎弓根螺钉内固定训练中的应用发现，后10个脊柱模型的置钉时间明显少于前10个模型，并且后10个脊柱模型螺钉导致椎弓根皮质穿孔率明显少于前10个模型。教学中结合3D打印技术可使学生动手能力更强，有助于学生临床思维的培养，提高教学水平。

2 3D打印与AIS患者及家属沟通

AIS是一种有脊柱冠状面侧方弯曲、椎体及附件旋转及矢状面上畸形的脊柱三维畸形，缺乏专业医学知识的患者及家属难以理解患者目前的病情。个体化3D打印模型能1∶1的还原AIS畸形的形态，使AIS患者及家属更为清晰、直观地认识AIS，进而理解疾病情况和治疗方案，促进医患沟通[19]。林钢等[20]在术前使用3D打印模型与患者及其家属积极沟通并模拟手术过程，提高了患者对手术过程的理解。有学者发现[21]，使用3D打印模型与患者沟通病情，可减少患者焦虑感，促进了医患沟通。

3 3D打印与AIS患者的术前规划

对需要手术治疗的AIS患者，随着脊柱内固定的发展，固定方式包括了Harrington内固定系统[22]、椎弓根螺钉[23-24]以及矫形棒。目前钉棒系统可以同时对脊椎的前、中、后柱进行有效固定，固定强度高，抗拔出能力强，AIS矫形术中会大量使用椎弓根螺钉[25]。然而，AIS患者常存在椎体的旋转、椎弓根缺失或畸形、置钉点的破坏等解剖变异，以及周围有血管、神经等重要毗邻组织，徒手置入椎弓根螺钉具有较高的难度及神经血管损伤的风险[26]。目前术前可通过3D打印模型充分了解患者的脊柱病变特点和脊柱畸形的情况，观察椎体间的解剖关系，进一步确认术前诊断，术前确定置钉最佳的置入点、角度和深度，设计截骨部位和角度，确认术中置入内植物的以及术中使用的手术器械种类型号，确定手术区域，降低神经损伤风险，预测术中可能遇到的技术挑战，提供更精准个体化治疗[27]。

Bohl等[28]研究证明，术前3D打印脊柱模型矫正的作用，不仅预测了术中曲线校正的程度，且有助于主刀医生在术前根据每个模型校正相应地调整手术计划。Yang等[29]在一项涉及126例Lenke1型AIS患者的后路矫正手术的研究表明，使用3D打印模型进行完善术前准备可以更准确置钉，减少手术时间和术中出血量，但在并发症发生率、住院时间或影像学结果等方面没有显著差异。杨阳等[30]研究表明，相比于传统的手术治疗，在3D打印技术的辅助下，AIS患者的手术时间、术中出血量明显降低，术中透视次数、术后引流管引流量显著减少，术后并发症发生率更低，并且置钉更准确，脊柱矫正率更高。在一项复杂脊柱畸形患者的回顾性研究中发现，23例术前使用3D打印模型进行手术计划评估的患者，其螺钉正确率可达96.3%，3D打印技术可以在严重脊柱畸形病例中使徒手椎弓根螺钉置入更加安全、准确，且未发生神经或血管并发症[31]。以上研究表明，术前使用3D打印模型可以使外科医生更全面地了解脊柱的解剖结构，规划插入螺钉的轨迹，截骨术所需的骨重建和矫正程度，提高手术的准确性，缩短手术时间，减少手术的时间及失血量，提升整体手术效果。

4 3D打印与AIS矫形术中导航模板

在AIS矫形术中通过置入椎弓根螺钉矫形是目前常用的手术方法，但由于AIS椎弓根常发生变异，伴有多个脊椎解剖结构严重变异导致置钉标志变异，进而导致置钉时间过长，术中需要剥离软组织及多次透视验证螺钉位置，椎弓根毗邻结构的复杂性及差异性更进一步加大了置钉的难度，增加手术风险[32]。据统计，胸椎椎弓根螺钉置入失败的概率为21.1%～54.7%[33]。3D打印在AIS矫形术中的一个主要临床应用是创建用于插入椎弓根螺钉的钻孔引导板。术前利用患者脊柱CT薄片数据，计算机软件设计的椎弓根螺钉固定导航模板，术中根据3D打印螺钉置入导航模板置入螺钉，降低了螺钉偏移突破椎弓根壁以及血管、胸膜、神经等毗邻组织损伤的风险[34]。同时缩短手术时间，减少术中出血，或避免术中X射线透视，进而降低手术过程中的辐射量，并且与传统徒手置钉在脊柱矫正率方面无显著性差异[35]。Yang等[36]研究发现，在AIS矫形中，与术中传统徒手置钉相比，使用3D打印技术导航置钉可明显减少手术时间、围手术期失血量和输血量，在并发症发生率、住院时间、脊柱矫形效果无明显差异，但会增加患者的住院费用。Vissarionov等[37]研究表明，术中使用3D打印置钉模板进行螺钉插入比使用徒手技术更准确。Luo等[38]对Cobb角≥90°的严重的脊柱侧弯患者研究表明，术中使用3D打印置钉导航模板进行置钉比徒手置入螺钉准确性更高，放置所有螺钉的时间和放置每颗螺钉的平均时间更短，术中可以不使用CT或O臂。Cecchinato等[39]研究表明，个体化AIS患者的3D打印置钉模板进行置钉比徒手置钉更准确，矫形更安全，同时降低了患者透视总剂量和时间。Liu等[40]通过对10个重度僵硬型的脊柱侧弯（Cobb角大于70°，侧弯柔韧性小于30%）患者的研究表明，3D打印置钉模板进行置钉相比于徒手置钉更准确，椎弓根皮质穿孔率更低。Tan等[41]研究也发现，术中使用3D打印置钉模型置钉比徒手椎弓根螺钉置入更安全、准确，可降低血管、神经损伤的风险。在脊柱侧弯矫形术中采用3D打印导航模板辅助置钉可降低置钉难度、置钉风险，优化置钉操作、置钉效果，是一种较好脊柱侧弯的置钉方法，值得临床推广。

5 3D打印与AIS患者的个性化支具

3D打印矫形器是指部分或全部由3D打印技术制作，用于改变神经肌肉和骨骼系统结构及功能的外固定器具[42]。对Cobb角20°～45°，功能锻炼或物理治疗无效，骨骼未发育成熟的AIS患者，可以尝试支具治疗[43]。研究表明，接受支具治疗的AIS患者的生活质量更高[44-45]。传统支具的制作过程复杂，制作时间长，随着患者的生长发育需要多次调整，增加了患者的经济成本。同时传统支具不能保证矫形器贴合患者身体，需要定期调整，必要时应重新制作，从而影响支具治疗的效果[46]。张玉芳等[47]通过力学分析表明，3D打印可以通过根据脊柱侧弯患者的脊柱畸形特点、形体特征从而个性化设计并快速制造获得最适合患者的个性化支具，可避免由于长时间佩戴不恰当的支具从而压迫患者侧弯部位，进而引起疼痛、压疮等问题，避免影响支具矫形效果。

6 总结与展望

3D打印为脊柱外科医生在进行AIS的诊断、教学、医患沟通、术前规划、个体化治疗等方面提供了新的思路，医生可借助3D打印技术获得以前普通影像学资料无法获取的重要信息，能更好地与患者及家属沟通，提高教学水平，3D打印导航模板辅助置钉简化了脊柱外科医生的置钉操作过程，减少术中出血量及手术时间，提高了螺钉置入的准确性和安全性，个体化内固定使得内置物与患者术区的完美匹配，更满足侧弯患者的手术需要。但该技术对仪器和材料的要求比较高，加重患者的经济负担，未来仍需要大量的研究证明3D打印的可行性和安全性。