3D打印技术在颈椎手术中的应用进展

庄皓翔，费琦，杨雍

(首都医科大学附属北京友谊医院骨科，北京 100050)

近年来，随着3D打印技术的进步，3D打印开始应用于骨科各个领域，包括各类手术如关节置换、畸形的治疗、骨肿瘤的手术治疗等，人们基于逆向工程技术，利用CT或MRI等设备采集患者骨骼、关节等部位的外形数据，重建三维数字化模型，然后用3D打印方式制造教学和手术参考用的模型，常用于帮助制造个体化假肢、假体、手术导板或进行骨修复等。本文回顾了国内外的相关文献，对3D打印技术在颈椎手术中的应用进展综述如下。

1 3D打印技术在颈椎椎弓根螺钉内固定术中的应用

1.1 3D打印技术在颈椎椎弓根螺钉内固定术中的应用的背景

椎弓根螺钉因具有优良的生物力学特性，是临床上最坚固和最常用的内固定技术，目前椎弓根螺钉技术主要分为寰枢椎螺钉固定和下颈椎螺钉固定，适应证主要有颈椎的创伤、畸形、肿瘤和退行性疾病[1]。但是颈椎椎弓根的直径细小、毗邻结构复杂而重要，且具有个体解剖的差异，故徒手置钉手术的风险很高。目前，多数脊柱外科医生是根据解剖标志、术前X线、CT影像学资料及术中X线透视观察定位进行徒手置钉，但有研究表明，C1-C7徒手置钉误置率可达18.3%[2]，甚至出现严重的并发症如脊髓损伤、椎动脉损伤等。为了提高置钉精度，2001年Goffin首次报道了利用3D打印辅助置钉，术前通过CT采集数据，将其导入MIMICS软件进行设计导板(材料为医用级丙烯酸树脂)，之后利用立体光刻快速成型技术打印出来，随后他们在尸体上进行试验，在第一组尸体置钉(C1-C2)准确率为60%，总结原因发现这是因为导板的旋转稳定性不足导致的，随后在第二组尸体标本上辅助置钉(C1-C2)，准确率为100%，说明利用3D打印导板能够提高置钉精度。

1.2 3D打印在寰枢椎椎椎弓根螺钉内固定术中的应用

上颈椎解剖结构复杂，椎弓根较小，徒手操作更易造成椎动脉、神经损伤。据报道，徒手放置C2螺钉的误置率为17.3%[4]。Leary等[4]将60名II型齿骨突骨折(Grauer 分型)(240颗螺钉)患者分为A、B两组，A组接受徒手置钉治疗，B组接受3D打印导板辅助置钉治疗，结果发现A组120颗螺钉有98颗是安全的，22颗不安全；B组有118颗螺钉是安全的，仅2颗螺钉是不安全的，说明3D打印技术辅助置钉，可以显著提高置钉的精确性。Wu等[6]利用3D打印导板辅助置钉技术治疗20例C1-2骨折，共置入80枚螺钉，术后CT示，C1、C2螺钉的置钉深度与理想轨迹高度相近，证实了3D打印技术对置钉精确性的提高作用。Guo等[6]发现，3D打印导板辅助置钉的螺钉可接受度明显高于徒手置钉，且手术时间和术中透视次数也明显减少。以上研究表明，3D打印导板辅助置钉技术可显著提高枢寰椎置钉的精度，减少手术时间和术中透视次数。此外，人们还一直研究新型的3D打印导板，以进一步提高置钉的精度。Chen等[7]设计了一种用PLA(聚乳酸)材料打印的3D打印导板，取消了原有的螺钉导向通道的设计，只保留了螺钉孔的位置，用一个向内移动的导航杆取代了双侧的螺钉导向通道，他们在12个尸体标本中放置了48颗螺钉，术后拍摄CT，根据kawaguchi标准对螺钉精度进行评估，除1例为1级外，其余皆为0级，证明该新型模板对寰椎椎弓根螺钉辅助置入效果有效且精准。

1.3 3D打印技术在中、下颈椎椎弓根螺钉内固定术中的应用

自1994年Abumi首次报道应用于临床之后，因其具有良好的生物力学特性，椎弓根螺钉固定技术一直是下颈椎固定的有效方法。但下颈椎椎弓根细小，毗邻结构复杂，置钉不准确会造成严重的后果。Kaneyama等[8]对20例患者利用3D打印导板辅助放置了80颗螺钉(C3-C6)，术后CT显示，78颗螺钉(97.5%)完全置于椎弓根的皮质内，2颗(2.5%)突破了椎弓根内壁，露出不到一半的螺钉直径，所有螺钉与计划轨迹的平均偏差为(0.29±0.31)mm。郝申申等[9]运用3D打印导板辅助置钉132枚(C3-C5)，根据术后CT Kawaguchi标准进行评估，其中0级125枚 (94.7%) , 1级3枚 (2.3%) , 2级4枚 (3.0%) , 无3级螺钉。为了进一步提升置钉的准确性，Pijpker等[10]设计了一种新型的导板模型，他们在术前对5名尸体标本拍摄CT采集颈椎信息，之后用聚酰胺打印出来，该导板的特点为增加了尾部定位的钩子、交联支撑结构和金属嵌体，将该模板应用于4具尸体标本，置入86颗螺钉(C1-T2)，15颗用传统导板辅助置钉，71颗用新导板辅助置钉，术后CT发现新导板辅助置钉入点偏移平均为0.66 mm，而传统导板为1.20 mm，说明该新导板较传统导板具有更好的辅助置钉精度。当然，3D打印导板技术辅助置钉技术也有一些缺点，例如，增加患者的经济负担，要求术者具备应用设计软件的能力，不能用于急症等。

2 3D打印技术在颈椎侧块螺钉中的应用

目前颈椎侧块螺钉的置入基本都是徒手置钉，徒手置钉会造成临近结构(椎动脉、神经根等)的损伤[11]，且频繁使用X线透视，给术者和患者带来高辐射暴露的风险[12]。3D打印导板技术作为一项新兴的辅助技术，对置钉精准性提升、减少置钉相关并发症等方面有重要意义。

北京友谊医院杨雍和费琦团队[13]将12例脊髓型颈椎病和发育性颈椎椎管狭窄的患者(C4-6双侧，共72颗螺钉)随机分为A、B两组， A组在3D打印导板的引导下辅助置钉手术(C4-C6)，B组进行徒手置钉手术(C4-C6)，术后发现两组螺钉的可接受率和优良率存在显著差别。这表明，3D打印导向板可以提高侧块螺钉置入的精度，增加螺钉置入的准确性。目前关于3D打印辅助置侧块螺钉的研究较少，未来还需更多的研究来证明其有效性和安全性。

3 3D打印在颈椎肿瘤手术中的应用

虽然颈椎肿瘤的发生率很低，但颈椎及邻近的结构复杂，故手术切除的难度大。传统上主要用X线、CT和MR在二维平面上获得肿瘤模型，难以准确预估病灶区域，术者难以较好地把握肿瘤及病灶周围情况，造成手术时间延长，术中出血量增多，瘤体切除不完整等情况。而3D打印技术的应用，利用三维重建技术为复杂的颈椎肿瘤病灶制作仿真模型，提高了医生对肿瘤及其周围解剖结构的认识，便于术前制定详细的手术方案。

3.1 术前快速成型模型制定手术方案的临床应用

马立敏等[14]对2例颈椎高位脊索瘤患者术前行CT扫描采集图像数据，进行三维重建，制作出与实体1:1大小的颈椎模型，进行术前模拟手术、置钉手术方案，显著缩短了手术时间，减少了术中出血量，并且能够指导术中精确置钉和肿瘤的准确切除，减少了肿瘤复发和转移的风险。陈雍君等[15]将20例上颈椎哑铃型肿瘤患者随机分为2组，A组为3D打印模型术前模拟组，B组为常规手术组，结果发现A组的手术时间、术中出血量和住院时间均显著少于B组(P<0.05),说明利用3D打印模型进行术前模拟具有良好的临床应用价值。张同同等[16]纳入了11例颈椎肿瘤患者，术前CT采集数据，之后逐层打印出1:1解剖模型进行术前手术模拟、制定手术方案，术后复查发现11例患者症状明显改善，X线显示病变部位完整切除，植入物位置良好，未见松动。以上研究表明,利用3D打印技术进行术前模拟能够取得良好的临床效果，但仍有一些不足需改正，例如模型的的打印精度不够高，一些小血管神经等软组织不能很好的重建等。

3.2 3D打印替代内植物的临床应用

传统上一般使用钛网做为颈椎椎体切除后的结构支撑，但钛网会下沉或移位，造成颈椎曲度的破坏，且使用钛网需植骨，会对患者造成一定的痛苦。为了解决这些问题，3D打印技术开始应用于重建椎体。Xu等[17]首次报告了1例利用3D打印椎体重建的因C2尤文肉瘤切除术的青少年患者，术后拍摄CT，显示植入物骨结合，没有下沉或移位。Yang等[18]报告了1例运用3D打印人工椎体置入的6级复发性脊索瘤患者，通过术前CT采集数据，设计了1个特定尺寸的3D打印人工椎体，同时还利用3D打印技术制造了1个多孔假体(材料为钛合金)，术后患者恢复良好，右上肢疼痛和肌无力症状明显减轻，9个月随访没有发现局部复发，没有发现假体沉降、移位或断裂，说明个性化3D打印假体具有良好的承重性，可抵御沉降或脱位，远期可降低翻修手术的风险。Li等[19]报告了1例转移性甲状腺乳头状癌利用3D打印人工椎体进行颈椎重建的病例，术后患者的神经功能明显改善，12个月随访X线平片和CT扫描显示植入物没有移位或沉降。Li[20]等报告1例利用3D打印技术重建寰椎孤立性浆细胞瘤的患者，他们术前利用CT采集数据，通过3D打印技术制定钛合金微孔个体化植入物，术后随访期内，患者疼痛显著减轻，CT检查示植入物与周围骨具有良好的匹配性，在术后7周时植入物仍处于良好的位置，且有骨融合的迹象。Mobbs等[21]报告了1例C1-2脊索瘤的患者，利用3D打印技术打印金属钛定制假体，通过前路手术植入，术后经9个月的随访，假体屈伸位X线没有显示移位。Hunn等[22]报告了2例颈椎肿瘤性破坏的病例(转移性甲状腺髓样癌，多发性骨髓瘤)，他们利用3D打印钛金属人工假体，术后随访14个月，患者的临床症状得到明显缓解，且影像学显示假体位置稳定，术后也未发生并发症。以上研究表明，利用个性化3D打印人工椎体进行椎体重建的初步临床效果良好，但是未来还需要大样本、多中心的临床研究来证明其有效性和安全性。

4 3D打印在颈椎畸形矫正方面的应用

颈椎畸形可继发于颈椎外伤、颈椎先天性发育障碍、脊柱结核、风湿性疾病等多种疾病，常涉及到多种解剖结构的变异，且周围毗邻脊髓，椎动脉、神经等重要结构，手术难度及风险远远高于非颈椎畸形。近年来，由于3D打印技术在脊柱外科的广泛应用，可以通过患者影像学资料制作脊柱模型，制作个体化导板，在术前规划、术中置钉、植入物个性化设计、医患沟通等方面有着其独特的价值。

4.1 3D打印在颈椎畸形矫正术前规划方面的应用

于崇龙等[23]利用3D打印技术治疗了9例先天性颈椎畸形患者，7例术后症状明显改善，部分改善1例，死亡1例，死亡的患者主要与病情严重程度相关，其结论认为，3D打印技术在颈椎畸形的应用可帮助术前了解畸形的解剖特点，提高置钉精度，且有利于与患者家属沟通。李浩等[24]利用3D打印模型进行术前模拟，确定最佳手术方案，术中均按术前规划完成，术后随访CT、X线示矫形效果满意，内固定位置良好。

4.2 3D打印在颈椎畸形矫正植入个性化人工椎体方面的应用

夏天等[25]报告了7例先天性颈椎侧凸患者，通过术前CT采集数据，制作了3D打印的个性化定制钛合金融合器，术中采用短节段凹侧撑开技术进行矫形，术后随访行CT，发现平均矫正率为64.45% ，且3D打印定制钛合金融合器与软骨下皮质骨紧密接触，未见透亮带，融合器无位移和下沉，获得了较满意的矫正效果。Niu等[26]告了1例上颈椎畸形合并寰枢关节脱位的患者，术前行CT采集数据，以钛粉为材料制作了带有定位和定向孔的个性化枕颈椎后路融合器，术后行CT示内固定良好，寰枢椎完全复位，术后6个月融合器和骨质已经融合。3D打印技术为上颈椎畸形手术提供了一种新的手术思路，具有良好的安全性和准确性。

5 总结与展望

由于颈椎解剖复杂，邻近结构重要，造就了颈椎手术的复杂性。目前，3D打印技术已经应用在颈椎置钉、肿瘤切除和畸形矫正等方面，初步研究表明可有效提高置钉的精度，帮助术者进行术前模拟和脊柱重建，增加了手术的安全性和准确性。但是，3D打印技术在颈椎手术中的应用还处于初步阶段， 还有很多问题需要解决，比如简化设计软件的操作步骤，让更多医生能学会其操作方法；提高术前模拟模型打印精度，为术者制定更加精确的手术方案；改善打印材料和降低打印材料的费用，让更多的患者能够享受这一技术。为了解决这些问题，还需要进一步的基础和临床研究验证其安全性和有效性，以及更大样本和更长随访时间的报道。相信在不远的将来，3D打印技术会广泛应用于颈椎手术的各个方面。