术前3D打印与三维CT重建对腰椎滑脱症手术中的辅助应用效果

黄海翔，伍绍成，何荣龙，陈大乐，邹信明

(广东省阳春市中医院脊柱外科，广东阳春 529600)

椎弓根钉复位内固定是治疗腰椎滑脱症的常用方法，可获得良好的生物力学稳定性，但最终手术效果受椎弓根钉置入准确性的影响[1-2]。若术中椎弓根钉位置不佳或置钉发生偏差，可引起椎弓根、神经、周围血管损伤[3]。近年来，随着骨科影像学、数字骨科高速发展，三维CT重建图像、3D打印技术得以在脊椎外科研究应用，但两种技术在腰椎滑脱症手术中的对比研究较少。基于此，本研究分析对比3D打印技术与三维CT重建图像在腰椎滑脱症手术中的疗效，旨在为临床提供参考依据，报告如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取本院2017年1月～2018年9月收治的腰椎滑脱症患者78例，简单随机化分为两组各39例。两组性别、体质量指数、年龄、滑脱节段、病程、Meyerding椎体滑移程度、腰椎滑脱分型、合并疾病等资料均衡可比(P>0.05)，见表1。纳入标准：Ⅰ、Ⅱ度单节段腰椎滑脱症患者；自愿签署知情同意书；在正规医院保守治疗>3个月未获满意效果，下腰部疼痛症状加剧或伴顽固性下腰部疼痛等。排除标准：腰椎结核；无症状性腰椎滑脱；腰椎急性感染者；合并肺心严重功能障碍，不能耐受手术者；合并先天性、特发性脊柱侧凸者；存在严重骨质疏松者；有凝血功能障碍者。

表1 两组临床资料对比

1.2 手术方法

3D打印组：术前采用3D打印技术制定手术方案。采用美国通用电器公司(GE)生产的ProSpeedⅡ型CT扫描腰椎，层厚0.625 mm，像素为512×512，条件为130 kV，21.6 mA/s，扫描数据保存格式为DICOM，导入Mimics 17.0软件中，三维重建患者所需固定节段腰骶椎，将模块模型以.stl的格式导出到美国MakerBot公司3D打印机，使用MakerWare 2.4及相配套的软件、聚乳酸材料批量打印。在此三维模型上测量邻近椎间隙前后缘高度，应用移动工具纠正三维模型椎体脱位，辅助旋转工具，以椎关节突为中心，在矢状面旋转脱位的椎体，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。完成模拟手术后，测量患者脱位椎体及其尾侧邻近椎体上终板的垂直夹角，即正常的矢状位夹角。根据模拟手术，设计最佳的椎体椎弓根钉进钉点、方向。患者全麻，俯卧位，腹部悬空，以病变椎体为中心作正中切口，暴露病变椎体棘突、椎板、关节突。以病变椎体为准，C臂机透视定位。根据术前模拟手术与设计的手术方法，在正侧位透视引导下，建立钉道，置入螺钉，保证螺钉置入方向严格平行于椎体上终板，并进行减压、复位、椎间植骨，置入椎间融合器。

三维CT组：术前采用传统三维CT重建图像制定手术方案。CT扫描腰椎后，行CT三维重建，预测量置钉的直径、长度、角度、方向，设计手术方案。患者全麻，俯卧位，腹部悬空，以病变椎体为中心作正中切口，暴露病变椎体棘突、椎板、关节突。根据术前三维CT重建图像，结合Magerl法定位，确定椎弓根钉置入位点，置入椎弓根钉、棒后，撑开椎间隙，切除滑脱的腰椎椎间盘，行椎管减压，复位，C臂机透视，观察滑脱椎体复位情况，满意后，行椎间隙位置植骨，置入椎间融合器。

1.3 观察指标

(1)手术情况。(2)炎性应激反应指标：血清肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、白细胞介素-1α(Interleukin-1α,IL-1α)水平，均通过上海润裕生物科技有限公司酶联免疫吸附法试剂盒检测。(3)腰椎骨性结构参数：骨盆入射角(pelvic incidence ，PI)、骶骨倾斜角(sacral slope ,SS)、骨盆倾斜角(pelvic tilt ,PT)、腰椎前凸角(lumbar lordosis ,LL)、腰骶角(lumbosacral angle,LSA)、滑脱角(slip angle,SA)、L1铅垂线与S1距离( L1axis S1distance,LASD)。(4)固定节段矢状曲度恢复率。(5)疼痛VAS评分、Oswestry功能障碍指数(Oswestry disability index,ODI)。(6)并发症发生情况。

1.4 统计学方法

2 结果

2.1 手术情况

3D打印组手术时间、单枚螺钉置入时间短于三维CT组，术中失血量、X线透视次数少于三维CT组，差异均有统计学意义(P<0.05)，见表2。

表2 两组手术情况比较

2.2 炎性应激反应因子

两组术前血清TNF-α、IL-1α水平无明显差异(P>0.05)；术后1 d、3 d的血清TNF-α、IL-1α水平较术前明显升高，但3D打印组低于三维CT组，差异均有统计学意义(P<0.05)，见表3。

表3 两组炎性应激反应因子比较

2.3 腰椎骨性结构参数

两组手术前后PI、SS、PT、LSA无明显差异(P>0.05)；两组术后6个月、12个月的LL、SA、LASD较术前显著改善，且3D打印组显著优于三维CT组，差异均有统计学意义(P<0.05)，见表4。

表4 两组腰椎骨性结构参数比较

2.4 固定节段矢状曲度恢复率

3D打印组术后即刻、术后6个月、12个月的固定节段矢状曲度恢复率显著高于三维CT组(P<0.05)，见表5。

表5 两组固定节段矢状曲度恢复率比较

2.5 VAS评分和ODI指数

两组术前VAS评分和ODI指数无明显差异(P>0.05)；两组术后6个月、12个月VAS评分和ODI指数较术前显著降低，且3D打印组显著低于三维CT组(P<0.05)，见表6。

表6 两组VAS评分和ODI指数比较分)

2.6 并发症发生情况

3D打印组并发症发生率与三维CT组相比，无显著差异(P>0.05)，见表7。

表7 两组并发症发生情况比较[n(%)]

3 讨论

术中椎弓根钉精准置入是腰椎滑脱症手术中关键步骤之一。本研究显示，与三维CT重建图像相比，术前应用3D打印技术可缩短手术时间、单枚螺钉置入时间，减少术中失血量、X线透视次数，提高术后固定节段矢状曲度恢复率，减轻患者疼痛，改善腰椎功能，与陈嘉华等[4]报道相近，体现了较高的应用价值。

三维CT重建图像是应用最大密度投影、多层面重建、曲面重建等技术获得组织或器官直观图的一种方法，能通过任意角度观察腰椎病变情况，从而为临床医师设计手术提供信息，但无法进行模拟手术，术者常辅助系统测量工具、空间想象，并结合临床经验对手术进行预估，但受患者体位变化、相邻椎体间相对移动等影响，易出现与患者实际情况不符的现象，影响了定位的准确性[5-6]。而3D打印能1:1打印出椎体滑脱模型，通过模型进行模拟手术，直观形象，且模板均为单椎体设计，在模型上测量可实现实体测量的效果，符合椎弓根个体化置钉的原则，故置钉准确率高，可避免反复定位延长手术操作时间，降低了术中出血量，明显减少了术中X线暴露次数与时间[7-8]。同时，3D打印通过模型制定精确的手术方案，手术操作准确性增加，有利于改善术后固定节段的矢状曲度恢复率，减轻患者疼痛，改善腰椎骨性结构与功能。

腰骶段尤其是腰骶椎弯曲的交界位置，承受着脊柱等多种应力、负荷，易发生退行性变化与急慢性损伤。根据闫伦春等[9]报道指出，腰椎骨性结构参数与腰椎滑脱症发病有关。本研究发现，术前应用3D打印技术对PI、SS、PT、LSA的改善效果优于三维CT重建。从解剖学角度而言，腰椎连接相邻椎体的椎间关节、椎间盘和两侧上下椎小关节，组成三关节复合体，与韧带、肌肉共同对抗椎体滑脱，当腰椎骨性结构参数异常时，可影响三关节复合体的作用，增加腰椎不稳，导致腰椎小关节的应力分布不均匀，加速腰椎退变[10]。因此，3D打印技术改善腰椎骨性结构参数，有利于患者病情的改善，其机制可能与3D打印技术操作的精确度较高有关。但由于相关报道较少，仍有待进一步分析。

外科手术作为一种应激源，可引起不同程度的炎症应激反应。TNF-α、IL-1α均为炎性因子，可参与炎性反应，并能介导IL-6等炎性因子的合成释放，加重炎症反应[11-12]。现阶段关于3D打印技术与三维CT重建图像在腰椎滑脱症椎弓根钉置入术中炎症应激反应的对比研究较少，本研究中，3D打印组患者能降低术后1 d、术后3 d血清TNF-α、IL-1α水平，改善患者炎症应激反应。分析其原因可能为：3D打印术前对椎弓根钉入路、位置、方向等进行模拟，可保证术中操作的准确性，减少或避免不必要的穿刺，因此对机体的创伤减少，从而有利于减轻应激反应。值得注意的是，CT成像的质量可影响3D打印的效果，故应尽可能选用分辨率较高的CT，且术中仍需辅助X线进行监视，以提高置钉的准确率。

综上所述，与三维CT重建图像相比，术前应用3D打印技术治疗腰椎滑脱症，可缩短手术时间、单枚螺钉置入时间，减少术中失血量、X线透视次数，提高术后固定节段矢状曲度恢复率，减轻患者疼痛，改善腰椎骨性结构与功能，安全性高，并能减轻术后早期的炎症应激反应。本研究不足之处在于：纳入实验的样本量较小，仍需后续扩大病例数，进行深入的分析，同时3D打印费用较高，应用前应向患者说明。