3D打印技术在腰椎滑脱手术中的应用价值

陈嘉华，邓 烨，罗立镇，黄 凯，谭明生，董 亮，姜良海，谢大志

·临床论著·

3D打印技术在腰椎滑脱手术中的应用价值

陈嘉华1，邓 烨1，罗立镇1，黄 凯1，谭明生2，董 亮2，姜良海2，谢大志1

目的 探讨3D打印技术在腰椎滑脱手术中的应用价值。方法 将87例择期行腰椎滑脱手术患者随机分为观察组(45例)和对照组(42例)，对照组患者采用传统椎间融合术治疗，观察组患者术前使用3D打印技术打印个体化矢状曲度模棒行椎间融合术。比较两组术中情况和疗效。结果 术中出血量、术中透视次数及手术时间观察组均显著低于对照组(P<0.05)。术后椎体滑脱率两组均较术前显著降低(P<0.05)，且观察组显著低于对照组(P<0.05)。术后即刻、术后12个月固定节段矢状曲度恢复率观察组显著高于对照组(P<0.05)。置钉准确率观察组显著优于对照组(P<0.05)。JOA评分优良率观察组显著高于对照组(P<0.05)；ODI术后两组与术前比较均显著降低(P<0.05)，且观察组术后显著低于对照组(P<0.05)。结论 术前3D打印制作个性化的腰椎矢状曲度模棒，有助于腰椎椎弓根钉准确置入性，更好地恢复患者正常矢状曲度。近期疗效优于传统手术。

3D打印技术；腰椎滑脱；手术导航

椎弓根螺钉内固定治疗脊柱骨折、脊柱不稳定是一种有效的术式，由于椎弓根结构多变，给椎弓根螺钉准确置入带来一定的挑战[1]。传统的漏斗法以及徒手置钉法主要依赖于手术医师的临床经验，其置钉的准确率均不高；近年来发展的导航法虽然能够有效提高椎弓根螺钉置入的准确性，但是由于需要购置昂贵的导航设备，且增加手术时间，目前仍然难以推广应用[2]。C臂机辅助置钉是目前最为常见的置钉方式，置钉的准确率较高，但是术中需要反复进行X线透视，对医患均造成一定的辐射危害[3]。通过数字模型文件打印出3D实物，能有效提高置钉准确率，本研究探讨3D打印技术在腰椎滑脱手术中的应用价值，报道如下。

1 材料与方法

1.1 病例选择 选择2014年1月～2015年3月在佛山市禅城区中心医院择期行腰椎滑脱手术的87例患者。纳入标准：① 经保守治疗3个月以上无效者；② Meyerding腰椎滑脱分度为Ⅰ度或者Ⅱ度的单节段腰椎滑脱者；③ 存在长期神经根性疼痛或长期腰痛且与影像学定位相符合者；④ 随访时间达12个月者。排除标准：① 椎间盘退变需要进行多节段手术者；② 伴有2节段及以上腰椎滑脱者；③ 合并有严重骨质疏松者；④ 合并有其他内科疾病不能够耐受手术者；⑤ 合并精神性疾病者。

1.2 病例资料 本组87例，男51例，女36例，年龄25～78(55.12±9.83)岁。病程6个月～9年(4.19±1.24)年。腰椎滑脱分型：峡部裂型59例，退变型28例。滑脱节段：L4～556例，L5～S131例。Meyerding椎体滑移程度：Ⅰ度63例，Ⅱ度24例。按照随机数字表法将87例患者分为两组：观察组(45例)术前使用3D打印技术打印个体化矢状曲度模棒行椎间融合术，对照组(42例)采用传统椎间融合术，两组一般资料比较差异均无统计学意义(P>0.05)，见表1。

表1 两组患者术前一般资料

1.3 模拟手术及3D打印模板制作 为了帮助患者更好地恢复矢状曲度，术前需要获得患者正常矢状曲度的相关数据，使用Mimics 15.0软件进行手术模拟操作，以模拟手术恢复患者脱位及正常矢状曲度的重建。① 术前采用63层螺旋CT进行腰椎扫描，获取数据并将其导入Mimics 15.0软件当中，对患者所需固定节段腰骶椎进行三维模型重建，并在此三维模型上测量患者邻近椎间隙的前、后缘高度。② 在上述建立的三维模型上，使用移动工具(Move)纠正椎体的脱位，然后再使用旋转工具(Rotate)使脱位的椎体在矢状面进行旋转，旋转时以椎关节突作为旋转中心，最终旋转的角度以上、下邻近椎间隙的前、后缘高度平均值为脱位椎体椎间隙前、后缘高度。模拟手术完成后，测量患者的正常的矢状曲度(即患者脱位椎体及其尾侧邻近椎体上终板的垂直夹角)。③ 将上述模拟手术复位作为基础，设计最佳的椎体椎弓根螺钉的进钉点以及方向；采用Geomagic Studio 2013软件，制作一个 ø 6 mm的三维模型，保存为.stl格式并传入FORMIGA P 110激光快速成型机，进行3D实物打印，实物打印使用PA 2200型光敏树脂材料。见图1～3。

1.4 手术方法 全身麻醉。患者俯卧位并悬空腹部。以患者滑脱椎体为中心后正中切口，暴露滑脱椎体棘突、关节突及椎板，两组均采用GSS椎弓根钉以及椎间融合手术。① 对照组：将滑脱椎体的两侧关节突松解，以椎板边缘对腰椎椎弓根进钉点个体定位法行椎弓根螺钉置入手术，根据医师经验选择长度适合的连接棒并将其进行相应的预弯，然后进行撑开、旋棒等相应的复位。通过C臂机透视显示复位情况基本满意后则可锁紧螺帽，斜向插入与撑开器同号、填充自体碎骨屑的插入型椎间融合器，安置负压引流管。② 观察组：将上述3D打印制作的矢状曲度模棒术前进行等离子消毒备用。将固定参考架安置于需要固定节段头侧棘突，对所需固定节段进行正、侧位透视，并在计算机工作站上，于正、侧位透视图上引导钉道的建立以及螺钉的置入，注意螺钉植入方向需要与椎体上终板严格平衡，椎间隙处理以及减压操作同对照组。按照预先制作出的矢状曲度模棒将连接棒进行预弯，并安置预弯后的连接棒，行提拉复位。最后使用实现制作的矢状曲度模棒验证患者矢状曲度的恢复情况，置入椎间融合器以及患者术后处理均同对照组。

1.5 观察指标及疗效评价 ① 两组患者均于术前、术后3 d行正、侧位X线及CT检查，并将CT资料录入Mimics 15.0软件当中，以测量各项指标。② 两组术中出血量、术中透视次数以及手术时间。③ 两组椎体滑脱率(上位椎体在下位椎体上前后或侧方的相对脱位距离/上位椎体前后径或冠状面长径×100%)、固定节段矢状曲度恢复率(患者术后固定节段矢状曲度/患者术前模拟手术所得到的固定节段正常矢状曲度×100%)以及置钉准确率(通过CT图像评估患者椎弓根皮质与螺钉的关系，分为3级：Ⅰ级：椎弓根钉完整在椎弓根内；Ⅱ级：椎弓根钉突破皮质≤2 mm；Ⅲ级：椎弓根钉突破皮质>2 mm)。④ 术后12个月采用JOA下腰痛评分系统对患者进行疗效评定。⑤ 采用ODI对患者手术前后腰椎功能进行评分。

2 结果

两组患者均获得12个月随访。

2.1 手术指标 观察组患者术中出血量、术中透视次数及手术时间均显著少于对照组(P<0.05)，见表2。

表2 两组术中出血量、术中透视次数及手术时间比较±s)

2.2 椎体滑脱率 两组患者术前椎体滑脱率比较差异无统计学意义(P>0.05)，术后两组椎体滑脱率较术前明显降低(P<0.05)；观察组术后椎体滑脱率显著低于对照组(P<0.05)。见表3。

表3 两组患者治疗前后椎体滑脱率比较±s)

与术前比较：*P<0.05；与对照组比较：△P<0.05

2.3 固定节段矢状曲度恢复率 观察组患者术后即刻、术后12个月固定节段矢状曲度恢复率显著高于对照组(P<0.05)。两组术后12个月恢复率与术后即刻比较均有丢失，但观察组差异无统计学意义(P>0.05)，而对照组差异有统计学意义(P<0.05)。见表4。

表4 两组患者固定节段矢状曲度恢复率±s)

与术后即刻比较：*P<0.05

2.4 置钉准确率 观察组Ⅰ级35例(77.78%)、Ⅱ级8例(17.78%)、Ⅲ级2例(4.44%)；对照组Ⅰ级25例(59.52%)、Ⅱ级10例(23.81%)、Ⅲ级7例(16.67%)。观察组置钉准确率显著优于对照组(Z=-1.989，P<0.05)。

2.5 JOA评分优良率 观察组优30例，良12例，可3例，优良率93.33%；对照组优11例，良21例，可10例，优良率76.19%。观察组治疗优良率显著高于对照组(χ2=5.023，P<0.05)。

2.6 腰椎功能改善情况 两组术前ODI比较差异无统计学意义(P>0.05)，两组术后ODI均较术前显著降低(P<0.05)，观察组术后ODI显著低于对照组(P<0.05)。见表5。

表5 两组患者ODI比较(分，

与术前比较：*P<0.05

2.7 两组典型病例 见图4、5。

3 讨论

腰椎滑脱手术治疗目的为恢复患者腰椎的正常序列、解除椎间盘以及滑脱腰椎对于患者神经的压迫，并稳定脊柱预防滑脱进展[4]，进行椎弓根螺钉内固定手术以纠正滑脱的腰椎并回复腰椎的正常矢状曲度。对于腰椎滑脱手术是否需要进行复位目前仍然存在一定的争议，大部分学者认为[5-6]，椎体的滑移不稳是导致腰椎滑脱的病理基础，对滑脱椎体不复位则不能够有效解除患者椎管狭窄等症状，同时椎间融合接触面也有所减少，不利于椎间植骨融合，因此椎体复位仍然是腰椎滑脱手术的常规项目之一。对于患者腰椎矢状曲度的恢复，学者的意见较为统一[7]：即若矢状角度未恢复，其相邻节段的矢状曲度将会发生代偿性改变，引起术后相邻节段腰椎活动度增大、椎间隙不稳、应力增加，从而导致邻近节段的退行性病变，术后远期可能发生内固定断裂、松动，进而导致手术失败。因此，腰椎滑脱内固定手术的一个重要步骤即为恢复腰椎的正常矢状曲度。但是由于不同患者其腰椎正常矢状曲度变化范围较大，目前尚无统一的曲度标准。本研究中，术前对不同患者进行个性化的三维模型重建，从而准确获得患者需固定节段的正常矢状曲度数据，并通过3D打印技术打印出相应的矢状曲度模棒，并将其运用于术中患者矢状曲度的恢复指导当中。

图1 术前3D打印模型 图2 术前3D打印导板 图3 术前模拟置钉 图4 观察组患者，女，56岁，L4椎体Ⅰ度滑脱 A．术前正、侧位X线片，显示L4Ⅰ度滑脱；B．术后正、侧位X线片，显示L4滑脱复位，内固定位置良好 图5 观察组患者，男，68岁，L5椎体Ⅱ度滑脱 A.术前正、侧位X线片，显示L5Ⅱ度滑脱；B.术后正、侧位X线片，显示L5滑脱复位，内固定位置良好

本研究结果显示，观察组患者术中出血量、术中透视次数、手术时间、术后椎体滑脱率、固定节段矢状曲度恢复率以及置钉准确率均显著优于对照组(P<0.05)，提示将快速成型导向模板技术应用于脊柱螺钉的置钉手术中，能够提高置钉的准确性，从而获得较为良好的手术效果。3D打印技术可制备出个性化的模版，具有着简单、直观的临床特点，减少对术者临床经验的依赖，对于初学内固定置钉的术者尤为适用。

本研究术后12个月随访，结果显示，观察组治疗优良率显著高于对照组(P<0.05)，且观察组患者腰椎功能恢复情况显著优于对照组(P<0.05)，提示3D打印技术应用于腰椎滑脱手术有助于患者腰椎功能的恢复，临床疗效良好。但是本研究随访时间不长，尚需延长随访，进一步分析远期疗效。

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(接收日期：2016-12-08)

Application value of 3D printing technique in the operation of lumbar spondylolisthesis

CHENJia-hua,DENGYe,LUOLi-zhen,HUANGKai,TANMing-sheng,DONGLiang,JIANGLiang-hai,XIEDa-zhi

(DeptofSpinalSurgery,FoshanChanchengDistrictCentralHospital,Foshan,Guangdong528000,China)

Objective To investigate the application value of 3D printing technique in the operation of lumbar spondylolisthesis.Methods Eighty-seven cases underwent surgery of lumbar spondylolisthesis patients, which were randomly divided into observation group (45 cases) and control group (42 cases), control group was treated by traditional lumbar interbody fusion and the observation group was treated with 3D printing technique to print individual sagittal curvature mode rods for intervertebral fusion, intraoperative situation and effect were compared between the two groups of patients. Results In the observation group, the volume of bleeding during operation, the perspective times of operation and the operation time were significantly lower than those of the control group (P<0.05). The spondylolisthesis rate was lower postoperative than preoperative in both groups(P<0.05), the rate of spondylolisthesis in the observation group was significantly lower than that in the control group (P<0.05). The observation group patients immediately after surgery and postoperative 12 months fixed segment sagittal curvature recovery rate was significantly higher than the control group (P<0.05). The accuracy rate of the observation group was significantly higher than that of the control group (P<0.05); the JOA score system was used to evaluate the effect of the patients, and the excellent and good rate of the observation group was significantly higher than that in the control group (P<0.05). The Oswestry index of the two groups were significantly lower than that of the preoperative (P<0.05), and the index was significantly lower in the observation group than that in the control group (P<0.05). Conclusions Using 3D printing technique of making personalized lumbar sagittal curvature mode rod guide pedicle screw internal fixation, contribute to the lumbar pedicle nail placement accuracy improve, better recovery in patients with normal sagittal curvature and has a good curative effect, less complications and other clinical advantages, is conducive to the recovery of the patients with lumbar function.

3D printing technique;lumbar spondylolisthesis;surgical navigation

10.3969/j.issn.1008-0287.2017.01.003

2015年佛山市医学类科技攻关项目(编号：2015 AB001621)

1佛山市禅城区中心医院脊柱外科，广东 佛山 5280002中日友好医院脊柱外科，北京 100029

陈嘉华，男，副主任医师，主要从事脊柱外科研究，E-mail：chenjiahua@medmail.com.cn

R 681.5；R 687.3

A

1008-0287(2017)01-0005-04