3D打印脊柱后凸模型体外模拟截骨在脊柱后凸畸形矫形手术的应用效果分析*

任鹏飞 矫健航 张善勇 王洋 吴敏飞

（吉林大学第二医院脊柱外科，长春130041）

脊柱后凸畸形是临床常见的脊柱畸形，先天发育不良、创伤及脊柱结核等是其常见的原因，主要症状有疼痛、活动障碍等，严重者出现椎管狭窄甚至瘫痪[1]。矫形手术是主要治疗方法，但是由于其解剖关系复杂，手术难度较大，是脊柱外科治疗的难点[2]。随着三维数字化重建技术在医学领域应用日渐成熟，可以通过提取个体化数据实现精细化医疗，比如在肿瘤切除及辅助手术等领域[3]。有研究表明，3D打印技术应用于创伤骨科手术可减少手术时间、提高置入螺钉精确度[4，5]，但在脊柱畸形矫形手术方面的研究仍较少[6，7]。本研究旨在评估3D打印脊柱后凸模型体外模拟截骨在脊柱后凸畸形矫形手术的应用效果，以明确其临床应用价值。

1 资料与方法

1.1 一般资料

纳入标准：①年龄18～60岁；②符合脊柱后凸畸形矫形手术指征；③术前各项辅助检查结果无明显异常；④对本研究治疗方案知情同意。排除标准：①脊柱后凸畸形不严重，无手术指征者；②先天性椎弓根发育不良，无法行椎弓根钉置入者；③强直性脊柱炎患者；④合并严重的全身性疾病不宜手术者。

根据上述纳入排除标准，共纳入2016年1月至2017年7月收治的64例脊柱后凸畸形患者，按随机数字表法分为对照组和研究组各32例。对照组：男16例，女16例；年龄20～54岁，平均（32.3±8.4）岁；先天性16例，创伤后9例，结核性7例；胸腰段13例，腰段14例，上胸段5例。研究组：男17例，女15例；年龄19～55岁，平均（33.1±8.3）岁；先天性18例，创伤后7例，结核性7例；胸腰段15例，腰段13例，上胸段4例。两组患者的性别、年龄、病变类型及病变部位比较，差异无统计学意义（P＞0.05），组间具有可比性。全部手术由同一组外科医师施行。本研究经本院伦理委员会审核认可，所有患者均签署知情同意书。

1.2 手术方法

1.2.1 对照组：以术前0.5 mm脊柱薄层CT阅片方式从二维角度建立对手术部位的印象，采用单纯经椎弓根椎体截骨术，即根据脊柱后凸畸形的情况选择不同的手术部位，在术前确定患者初步手术方案，如固定节段、截骨部位、预期度数、内固定的型号参数等。患者取俯卧位，全身麻醉下行后正中切口，剥离骨膜显露双侧横突，按预设在畸形部位两端的临近椎体置入椎弓根螺钉，暴露顶椎椎弓根，注意保护神经及硬膜，用磨钻在椎弓根处向椎体内呈楔形截骨，以预设角度及宽度行闭合截骨，即在畸形椎体的背侧预留相应的薄层皮质，使用反向刮匙将其加压填充至截骨间隙，在畸形椎体腹侧做合页状截骨并加压填充间隙，以此校正脊柱畸形，椎体间置入连接棒，闭合创口。

1.2.2 研究组：结合3D打印技术，采用3D打印机（Shining公司提供，型号：isla450）对患者行0.5 mm脊柱薄层CT扫描，将数据导入Mimics软件进行三维模型打印，其中包括畸形部位、三维大小等，模拟出最佳的内固定位置、置入螺钉方向及长度。在患者的3D打印模型上行体外模拟固定，参照不同的脊柱后凸畸形形状及程度设计不同的截骨部位及节段，在患者的3D打印模型上模拟不同截骨部位及角度的手术效果，根据截骨的角度、数量、部位及椎体前后截骨宽度来评价手术方案，得出最优的截骨及螺钉置入方案；在Mimics软件中模拟出矫形手术后的脊柱后凸畸形模型进行3D打印。患者取俯卧位，全身麻醉下行后正中切口，剥离骨膜显露双侧横突，按预先3D打印模拟出的最优方案在畸形部位两端的邻近椎体置入椎弓根螺钉，暴露顶椎椎弓根，注意保护神经及硬膜，用磨钻在椎弓根处向椎体内呈楔形截骨，按预先3D打印模拟出的最优截骨方案行闭合截骨，即在畸形椎体的背侧预留相应的薄层皮质，使用反向刮匙将其加压填充至截骨间隙，在畸形椎体腹侧做相应的合页状截骨并加压填充间隙，严格控制截骨部位、角度与宽度，以保证手术与预定方案的一致性，以此校正脊柱畸形，椎体间置入连接棒，闭合创口。

1.3 观察指标

①手术相关指标：记录两组患者的手术时间、术中出血量、放射暴露时间。②矫形准确率：分别于术前、术后4周和术后1年行立位脊柱正、侧位X线片检查，测量脊柱后凸Cobb角；Cobb角矫正率（%）=（术后脊柱后凸Cobb角-术前脊柱后凸Cobb角）/术前脊柱后凸Cobb角×100%。③目测类比评分和Oswestry功能障碍指数（Oswestry disability index，ODI）：分别于术前、术后4周和术后1年应用目测类比评分法评估患者腰痛程度（评分为0～10分，“0”表示无疼痛，“10”表示剧痛），记录患者疼痛评分；应用ODI指数对患者进行腰椎活动功能评价[8]，指数越高提示患者功能障碍越严重。④并发症：注意观察并记录治疗过程中发生的并发症。

1.4 统计学方法

采用SPSS 18.0软件进行统计学分析，相关问卷内容由双人核对整理，计量资料以均数±标准差表示，采用成组t检验及重复测量方差分析检验，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

两组患者均获得随访，随访时间为12～20个月，平均（15.3±3.3）个月。

2.1 两组患者手术相关指标比较

两组患者的手术时间、术中出血量、放射暴露时间比较，差异均有统计学意义，研究组均低于对照组（P＜0.05，表1）。

表1 两组手术相关指标比较（±s，n=32）

表1 两组手术相关指标比较（±s，n=32）

组别对照组研究组t值P值手术时间（min）248±34 110±46 13.720＜0.001术中出血量（ml）456±99 312±85 6.260＜0.001放射暴露时间（s）14.5±5.4 8.8±2.6 5.380＜0.001

2.2 两组患者脊柱后凸畸形矫形效果比较

两组患者术前后凸Cobb角比较差异无统计学意义（P＞0.05）；两组术后4周和术后1年的脊柱后凸Cobb角均小于术前（P＜0.05），且研究组脊柱后凸Cobb角改善率高于对照组（P＜0.05，表2）。

表2 两组矫形效果比较（±s，n=32）

表2 两组矫形效果比较（±s，n=32）

注：△组内与术前比较P＜0.05；▲与对照组比较P＜0.05；○组内与术后4周比较P＜0.05

术后1年5 3.3±7.3○7 4.8±6.9○▲组别对照组研究组C o b b角（°）术前6 1.8±1 3.8 6 2.5±1 2.9术后4周3 4.9±1 0.8△2 1.1±8.8△▲术后1年3 0.8±1 3.8△1 5.8±1 3.8△▲矫形准确率（%）术后4周4 4.6±8.9 6 2.3±8.3

2.3 两组患者目测类比评分和ODI指数比较

表3 两组目测类比评分和Oswestry残疾指数比较（±s，n=32）

表3 两组目测类比评分和Oswestry残疾指数比较（±s，n=32）

注：△组内与术前比较P＜0.05；▲与对照组比较P＜0.05

组别对照组研究组目测类比评分Oswestry残疾指数术前8.7±2.4 8.5±2.5术后4周3.1±1.6△3.7±1.7△▲术前51.3±14.4 52.1±13.7术后1年24.7±8.9△30.1±9.1△▲术后1年1.3±0.7△1.7±1.4△▲术后4周30.1±11.6△44.3±10.4△▲

两组患者术前目测类比评分及ODI指数比较差异无统计学意义（P＞0.05）；两组患者术后4周和术后1年目测类比评分及ODI指数均小于术前（P＜0.05），且研究组低于对照组（P＜0.05，表3）。

2.4 两组患者术后并发症情况比较

两组患者均未发生围手术期并发症，如神经损伤、伤口感染、内固定断裂及脱位等；随访期间均未发生内固定松动、形成假关节等并发症。

3 讨论

脊柱后凸畸形根据原因可分为先天性、创伤后及结核性等类型，保守治疗效果差，临床主要采用矫形手术[9，10]，通过脊柱后凸 Cobb 角来评估矫形效果[11]，采用目测类比评分及ODI指数来评估脊柱功能水平[12]；传统的小关节手术效果有限，研究表明经椎弓根截骨术可以参照相邻正常脊椎设计矫正角度，使截骨面最大限度吻合，是矫正脊柱后凸畸形的理想术式，但确定畸形部位椎弓根位置是手术难点[13，14]。3D打印技术是指按照数字三维模型装配相应的材料或细胞，制作个体化的组织器官、操作器械及生物支架等，可通过体外重建患者病灶进行预手术以保障精确的操作、最佳的手术方案及个体化的治疗[15-17]。研究表明打印手术部位模型能有效提高复杂部位的手术效果，同时在脊柱畸形矫形手术螺钉置入方面有优势[18]。本研究探讨3D打印脊柱后凸畸形模型体外模拟截骨在脊柱后凸畸形矫形手术中的应用价值。

3.1 手术过程比较

本研究中两组患者的手术时间、术中出血量、放射暴露时间存在明显差异，且研究组均显著低于对照组，说明3D打印脊柱后凸畸形模型体外模拟截骨可缩短手术时间，减少术中出血及放射暴露时间，手术过程更为顺利。研究组通过治疗前在三维重建软件上的模拟，重建出患者脊柱畸形节段的解剖关系，更直观地标识出后柱截骨区，并在术前进行连接棒对应要求的预弯，在此基础上模拟进行体外截骨及椎弓根螺钉置入，根据模拟结果在术前确定螺钉的位置、方向、深度以及最佳的截骨方案，对术中置钉的位置、角度及深度有着更为清晰的处理方法，对于截骨的节段、骨面融合的处理有着更直观的认识，避免了对术野的过多显露，减少了因暴露相关解剖结构造成的术中出血，减少了术中因寻找最佳置钉位置而透视的时间。Garg等[19]的研究表明，3D打印辅助手术与传统手术相比在复杂脊柱畸形矫形手术中可减少手术失血、缩短手术时间、减少放射暴露时间，同时指出3D打印辅助椎弓根螺钉置入更具优势，结果与本研究相符。

3.2 手术效果比较

3D打印脊柱后凸畸形模型体外模拟截骨使术者可以在术前确定最佳的个体化手术方案，在缩短手术时间和减少放射暴露时间的基础上，提高了脊柱后凸畸形的Cobb角矫正率，改善了患者脊柱畸形相关症状。本研究中，研究组脊柱后凸Cobb角改善情况好于对照组，两组间Cobb角改善情况随着时间延长而提高，且不同时间点及组间时间点交互作用差异均具有统计学意义，且研究组矫形准确率明显高于对照组，说明研究组采用3D打印仿真脊柱后凸型体外模拟截骨拟定个体化手术方案具有更好的临床效果；此外，从患者临床症状角度，研究组疼痛目测类比评分及ODI指数均低于对照组。分析其原因，3D打印仿真脊柱后凸型体外模拟截骨使得手术过程更为直观，增加了手术安全性，减少了对毗邻血管神经的损伤，且术前对手术过程的最优化模拟，提高了脊柱后凸畸形的Cobb角矫正率，使疼痛、运动障碍等临床症状得到更好的改善，减少了并发症的发生。Tan等[20]研究表明3D打印辅助下脊柱畸形矫形手术可提高椎弓根置入的精确度，矫形效果更好，并发症更少，结果与本研究相符。

综上，3D打印脊柱后凸型畸形模型体外模拟截骨脊柱后凸畸形矫形手术可减少手术时间、出血量及放射暴露时间，矫形效果良好，具有临床应用优势。