3D技术打印椎体在全脊椎整块切除术中应用的初步探索

钱文彬 杨欣建 蓝涛 杨泽雨 张伟彬 夏晓龙 陈扬

论著·实验研究

3D技术打印椎体在全脊椎整块切除术中应用的初步探索

钱文彬 杨欣建 蓝涛 杨泽雨 张伟彬 夏晓龙 陈扬

目的 初步探索3D技术打印椎体在全脊椎整块切除术 (Total en bloc spondylectomy,TES)中应用的可行性。方法选取广东紫金蓝塘土猪3只，T12、L1椎体进行后路全椎体切除术，置入3D打印假体，于T11、L2进行双侧椎弓根螺钉固定。观察术后土猪活动度、脊柱影像、双后腿痛觉和肌力。术后4月时处死，观察实体标本情况。结果手术成功，术后猪双后腿活动、痛觉良好。正侧位X片及CT三维重建，实物脊柱3D打印椎体-脊柱复合体观察，提示假体位置、椎间高度、脊椎序列完好。结论3D技术打印椎体在临床脊柱全椎体切除术中的应用具有可行性，但需充分做好术前准备，如抗感染、补充血容量、假体型号合适、手术器械齐全等，才能保证手术的顺利完成。

3D打印；全椎体切除术；猪；脊柱

随着社会环境、作息习惯改变和人口老龄化加剧，肿瘤患者逐年增加，约7%是脊柱肿瘤患者，并且约50%全身骨转移瘤见于脊柱[1]。因为特殊的解剖结构、重要的血管、神经分布使得脊柱肿瘤外科手术治疗难度大，风险高，易复发，疗效差[2]。随着对脊柱结构及功能认识的深入、影像技术、辅助治疗、内固定器械的发展，20世纪末全脊椎整块切除术 (Total en bloc spondylectomy,TES)开始出现，逐渐得到充分认可并被广泛应用[3-6]，并且在重度脊柱畸形、脊柱结核中也能取得良好效果[7,8]。手术成功的关键之一在于术中植入物的选用。传统以人工椎体、钛网、自体骨、异体骨、骨水泥联合前路钢板和 (或)后路椎弓根系统为主，无个体化并费时费力，增加手术风险，并有诸多远期并发症[9]。本实验中依托3D打印技术预制个体化椎体，通过对河源豚猪的TES术和3D技术打印椎体假体的植入术，来初步探索3D打印技术在脊柱外科领域中全脊椎整块切除术中的应用，为进一步实验及临床推广应用作出必要的探索和经验总结。

1 材料与方法

1.1 3D技术打印椎体

由广州中国科学院先进技术研究所3D打印机打印的3D钛合金椎体 (38mm、43mm两种规格，图1示)；后路椎弓根螺钉固定系统：常州市武进达康医疗器械厂生产。

1.2 实验动物

广东紫金蓝塘土猪3只，6月龄，体重平均32.5kg，身长平均104cm。

1.3 手术过程

速眠宁0.65m L颈项部肌注诱导麻醉；速泰2m L右侧耳缘静脉静推浅麻醉；气管插管，上呼吸麻醉机，易复安持续吸入麻醉。常规消毒、铺巾，以 T11～L3为中心，纵行长约20cm切口，切开皮肤、皮下软组织，切开深筋膜，钝性分离至棘突；沿棘突、椎板进行骨膜下分离至双侧横突；暴露T12、L1、L2椎体后方。以 T12、L2椎体两侧椎弓根投影中心为进针点，尖锥突破骨皮质，开路器开拓骨道，探针检测骨道底部、四周壁完整；分别于T12两侧拧入椎弓根螺钉(45× 65mm)，尾倾30°外展25°，L2椎体两侧拧入椎弓根螺钉(45× 65mm)，尾倾30°外展25°。全椎体切除：咬骨钳咬除 T12、L1椎体棘突，咬骨钳、枪钳、髓核钳逐步谨慎咬除椎板，避免损伤硬脊膜；圆刀小心清除椎体两侧附着软组织，手指、弯钳钝性分离椎体两侧及前缘附着软组织，避免损伤两侧神经根及椎前大动脉 (腹主动脉)；线锯从椎体前缘穿过，两侧滑拉水平横切 T12、L1椎体，定时用手指探查线锯切割深度，避免切割过深损伤硬脊膜及神经根；咬骨钳、髓核钳咬除被切开椎体块，完整切除 T12、L1椎体，暴露 T12/L1水平硬脊膜及神经根；神经剥离匙探查硬脊膜、神经根完整、松弛。安装假体：T12、L1右侧上钛棒，用撑开器临时撑开椎间隙高度，并固定，于左侧植入38mm大小假体 (左侧半)；卸掉右侧临时固定用的钛棒，在左侧 T11、L2棘突间撑开椎间隙，于右侧植入38mm大小假体 (右侧半)；双侧半假体对合好，将硬脊膜置于假体椎孔内，注意防止卡压硬膜囊；撑开时防止神经牵拉损伤；(因假体双侧横突过于宽大，于横突中心水平双侧加用皮肤横行切口10cm，便于放置假体)。钉棒固定：模棒测量椎弓根间距，根据 T11、L2弧度预弯钛棒，上钛棒双侧加压固定并锁死，将假体稳定于 T11、L2椎体间。关闭、缝皮：由深至浅依次缝合肌肉、深筋膜、皮下软组织、皮肤。切口消毒。

1.4 术后处理

应用长效青霉素180万U肌注抗感染。

1.5 检测指标

肌力和痛觉：固定除待检查肢体的实验猪，检查者握住待检查肢体，针刺猪肢体相同位置，检查术后试验猪双后腿对痛觉反射性回避时的肌力来同时评估感觉和肌力变化。椎间高度：测量 T11椎体下缘至 L2椎体上缘的距离。假体位置：测量3D打印椎体后缘相对临近椎体后缘的滑移距离。脊椎序列：在X线侧位片上测量Cobb角。

2 结果

手术成功。术后猪双后腿活动、痛觉良好。正侧位 X片及CT三维重建，实物脊柱3D打印椎体-脊柱复合体观察，提示假体位置、椎间高度、脊椎序列完好。见图1、2、3。（彩图见插页）

2.1 痛觉和肌力

术前实验猪的痛觉 (++)和肌力 (5级)是正常的基础标准。术后3天的检查肌力下降至4级，痛觉过敏，而在术后3月检查时，实验猪恢复至术前状态。见表1。

2.2 假体位置、椎间高度和脊椎序列

根据X线侧位片测得数据，结果表明术后假体位置较术前没有明显的移位；椎间高度和脊柱序列术后与术前的比较无明显的差异 (＞0.05)。见表2。

图1 3D技术打印椎体

图2 术后实体图

图3 术后X线、CT片

表2 实验猪椎间高度、假体位置、脊柱序列术前、术后对比(±S)

3 讨论

脊柱肿瘤占人体全身肿瘤的7%左右，并且一半的骨转移肿瘤发生在脊柱，如不及时处理，可导致患者肢体功能障碍，影响生存质量，甚至危及生命。全脊柱椎体整块切除术(TES)自20世纪末被Tomita认为是脊柱肿瘤尤其原发侵蚀性良性肿瘤或原发恶性肿瘤以及部分转移性恶性肿瘤的"根治性"手术方式[10]。传统 TES手术在进行脊柱稳定性重建时，有多种不同的植入材料方案[11]：前路椎体间植骨(自体骨或异体骨)；钛网；骨水泥；人工椎体等。这些植入物在处理时需要额外的手术时间，增加了术中出血量及麻醉风险，并且不具有个体针对性，易导致临近椎体的退变。依托目前成熟的3D打印技术及钛合金材料技术[12-14]，3D打印椎体因其独特的优势可有效解决传统植入物所带来的问题。

3D技术打印椎体的椎体所具有的优势：术前个性化预制，依据目前X线、CT、MRI数据，预先打印出个性化椎体，并依据患者个人情况及疾病需求，作出必要的合适的调整；无需二次手术取自体骨进行植骨，避免二次创伤，节省手术时间；异体骨植骨需要量明显减少，降低外源性免疫反应风险，减少患者医疗费用；独特的双侧对合、卡槽式设计，降低手术难度和风险；蜂窝状内部构造，利于血液充盈，促进骨再生；两端嵌入式设计，结合后路钉棒内固定系统，脊柱重建后稳定性更高。

目前，3D打印技术已经广泛应用于口腔、眼科、脑外、创伤骨科等学科[15-19]，但在脊柱外科领域少见。本实验，通过对试验猪进行单纯后路TES手术，并植入3D技术打印椎体，初步探索3D打印技术在脊柱外科领域中的应用。回顾实验过程，术前计划经验总结：器械准备充分：电凝 (切)刀、吸引器未准备；出血处理：术前备血、止血材料 (明胶海绵、止血纱、杰立特等)、单 (双)极电凝、及时结扎处理出血血管、术中及时输血补液；植入假体尺寸：假体大小严格按照影像数据预制；术后护理：手术创伤大，出血多，术后继续维持生命体征，及时补足液体；后路固定钉棒系统选择合适大小；重视术中麻醉管理。手术操作技巧总结：首先术者要对脊柱及其临近组织脏器等有非常深刻的了解。椎弓根钉棒的适度撑开固定，为假体安装提供足够的空间和稳定性。熟悉线锯的使用，切割点选在椎弓根与椎体的交界处，切割后立即骨蜡封住，减少出血。分离椎体前缘时术者使用手指进行探查和钝性分离，可有效感知和避开脊柱前缘大血管、腹后壁腹膜，避免损伤临近脏器。椎体切除前，要识别椎体双侧的节段动脉，与神经根分离，然后结扎、切断；然后在切割平面两侧用骨刀或者V型锯齿状骨凿开除一个凹槽固定线锯的工作平面。椎体切除过程中检查椎体的自由旋转活动度，避免损伤硬脊膜。3D打印椎体安装时要注意手术空间的暴露，在脊髓前面用湿纱布覆盖，在纱布和脊髓之间预留足够的空隙供假体的椎体使用，先将假体的前柱放入对准接触但不对合，然后在助手的帮助下对合整个假体，对合后术者固定假体，助手拧入螺钉固定假体。

综上所述，3D打印技术在脊柱全椎体切除术中具有可行性，但还需更完善的术前准备，手术经验的积累。本实验进行了初步探索，发现了一些问题并提出对策，为进一步的临床应用和推广作出了依据。但是3D打印技术在脊柱外科领域的应用，还需更多的实验和论证。

[1] 李建民.脊柱肿瘤的外科治疗现状与进展[J].中国矫形外科杂志，2012，20(23).

[2] 郭卫，唐顺.脊柱原发性肿瘤的手术治疗策略[J].中华骨科杂志，2006，26(12):793-797.

[3] Tomita K,Kawahara N,Baba H,et al.Total en bloc spondylectomy for solitary spinal metastases．Int Orthop,1994,18(5):291-298.

[4] Tomita K,Kawahara N,Baba H,et al.Total en bloc spondylectomy. A new surgical technique for primary malignant vertebral tumors. Spine(Phila Pa1976),1997,22(3):324-333．

[5] 富田胜郎，马原，田慧中.全脊椎整块切除术-一种治疗原发性恶性脊柱肿瘤的新手术方法[J].中国矫形外科杂志，2006，14(7): 500-505.

[6] 林斌，曾明，郭志民，等.全脊椎整块切除术治疗原发性腰椎肿瘤九例[J].肿瘤研究与临床，2011，23(2):117-121.

[7] 孙瑶.后路全椎体切除并脊柱重建术治疗重度脊柱畸形的研究进展[J].医学综述，2012，18(17):2827-2829.

[8] 周田华，汤逊，苏踊跃，等.经后路全脊椎切除治疗结核治愈型胸腰椎角状后凸畸形[J].中国脊柱脊髓杂志，2014(1):53-57.

[9] 杨强，李建民，杨志平，等.胸腰椎肿瘤全脊椎切除术后的稳定性重建及其并发症[J].中华骨科杂志，2011，31(6):658-663.

[10]廖丽君，刘晖.单纯后路全脊椎整块切除术在脊柱肿瘤的应用[J].脊柱外科杂志，2009，6:018.

[11]何斌，蒋电明.椎体替代材料的生物学研究进展[J].实用医院临床杂志，2010，7(6):132-135.

[12]杜浩，赵致良，王丹，等.三维重建结合快速成形术制备制备模板定位髋臼假体的临床应用[J].中国矫形外科杂志，2009，17 (10):737-740.

[13]董青山，郭家平，李志进，等.基于快速成型术即刻精确修复下颌骨缺损的临床研究[J].口腔医学研究，2012，28(11):1134-1137.

[14]陈扬，蓝涛，钱文彬，等.3D打印技术在修复骨缺损中的应用研究[J].生物骨科材料与临床研究，2014，11(1):29-34.

[15]Waran V,Menon R,Pancharatnam D,et al.The creation and verification of cranial models using three-dimensional rapid prototyping technology in field of transnasal sphenoid endoscopy[J].

American journal of rhinology&allergy,2012,26(5):132-136.

[16]Lee SJ,Lee H P,Tse KM,et al.Computer-Aided Design and Rapid Prototyping-Assisted Contouring of Costal Cartilage Graft for Facial Reconstructive Surgery[J].Craniomaxillofacial trauma& reconstruction,2012,5(2):75.

[17]Tam M D,Laycock S D,Bell D,et al.3D printout of a DICOM file to aid surgical planning in a6 year old patient with a large scapular osteochondroma complicating congenital diaphyseal aclasia[J]. Journal of radiology case reports,2012,6(1):31.

[18]Meseguer Olmo L,Vicente Ortega V,Alcaraz Baeos M,et al.In vivo behavior of Si-hydroxyapatite/polycaprolactone/DMB scaffolds fabricated by 3D printing[J].Journal of Biomedical Materials Research Part A,2013,101(7):2038-2048.

[19]Cui X,Breitenkamp K,Finn M G,et al.Direct human cartilage repair using three-dimensional bioprinting technology[J].Tissue Engineering Part A,2012,18(11-12):1304-1312.

Preliminary exploration of 3D technology printed-vertebrae being applicated to total en bloc spondylectomy

Qian Wenbin,Yang Xinjian,Lan Tao,et al.Department of Spine,the Shenzhen Second People's Hospital,First Affiliated Hospital of Shenzhen University,Shenzhen Guangdong,518000,China

Objective Preliminary exploration the feasibility of3D technology printed-vertebrae being applicated to total en bloc Spondylectomy.Methods Selecting 3 Guangdong Zijin Lantang pigs,T12and L1were excuted with TES,and then 3D technology printed-vertebrae was implanted.Bilateral pedicle screws were implanted in T11and L2.Postoperative obeservating the pig's spinal mobility,imaging,lower extremity pain and temperature sensation and muscle strength. Results The surgery is successful.Postoperative the activity and pain of pigs'double hind legs is good.However,postoperative reviewing lateral X-rays and CT scanning and three-dimensional reconstruction,physical observation of the complex of3D technology printed-vertebrae and spine,suggests that the prosthesis position,disc height,spinal sequence are intact.Conclusion The application of3D printing technology in TES is feasible,meanwhile full preoperative preparation is required,such as anti-infection,suppling blood volume,suitable prosthesis model,complete surgical instruments,in order to ensure the successful operation.

3D printing technology;TES;Pig;Spine

R683

A

钱文彬(1989-)男，硕士。工作方向:脊柱外科。

*[通讯作者]陈扬(1965-)男，博士，主任医师。工作方向:脊柱外科。

2014-11-24)

10.3969/j.issn.1672-5972.2015.02.003

swgk2014-11-0219

深圳市科研创新项目。科创委(CXZZ20140414170821148)卫计委(201401016)

深圳市第二人民医院(深圳大学第一附属医院)脊柱外科，广东深圳518000