3D打印技术在脊柱手术中的过去、现在和将来

邱佳艺，宁旭，邹强

1. 贵州医科大学 临床医学院，贵州 贵阳 550004；2. 贵州医科大学附属医院 a. 骨科一病区；b. 骨科二病区，贵州 贵阳 550004

引言

在科技创新呈井喷式爆发的今天，新型医疗技术、设备的应用及研发层出叠现。“三维（3D）打印”技术的问世，引领着一种快速成型技术的潮流，即运用3D打印技术将预先构建的计算机数字模型利用纸层叠和光固化技术实现快速成型，从而打印出三维可黏合材料模型[1-4]，这在当代医疗领域中蕴含着极大的应用潜质[5]。在脊柱外科领域中，可通过术前提取CT及MRI等影像数据重建骨骼三维打印模型，以此辅助对疾病的诊断、优化手术方案、模拟术中操作，从而降低疾病的误诊率和漏诊率，增加手术的精准度和安全性[6-8]。为此笔者简述了3D打印技术的发展及流程，通过对近年来关于3D打印技术应用于脊柱手术方面的最新文献进行提炼总结，阐述了该技术现阶段在脊柱手术中的应用现况，并对其发展趋势予以展望。

1 发展历程简述

3D打印学术名为“快速成型技术”，又称增量制造，它是将计算机设计出的三维数字模型分解成若干层平面切片，然后由 3D 打印机将粉末状、液状或塑料、金属等可黏合材料按照切片图形逐层叠印，最终堆积成为一个整体的技术。其最早可以追溯到玉秀夫名等人在古屋市工业研究所发表了一份关于快速原型系统的报告，这引起了Charles Hull等人的高度关注，直到Charles Hull完成标准镶嵌语言（Standard Tessellation Language，STL）程序的制作，即STL文件格式的首创[4]，STL文件格式支持计算机模拟3D对象，将计算机识别出的数据进行数字化分层，通过紫外线固化的光聚合物依次叠印并覆盖上一层，最终其所叠印堆积出的物理对象与STL文件所呈现的对象完全相同，并以此开创了全球第一代3D打印技术的先河。紧随其后的是1988年，Stratasys公司制造的熔融沉积模型打印机，该打印机通过将这些塑料聚合物经过加热并逐层挤压到打印床上，叠层打印，得出理想的三维聚合物合成体[2-3]。

2 基本流程：数据获取、建模及打印

数据图像采集是3D打印流程的首要一步，在医疗领域常用数字剪影血管造影、多普勒超声、多层螺旋CT、核磁共振等成像方式进行数据采集，其不同采集方式的特点及优势都各有千秋。近年来，核磁共振因为具备无辐射、组织高分辨率等优势，其在3D打印领域的运用价值得到进一步的挖掘[10]。以上收集的数据需要保存在源文件里，除了上述医学数字成像和通信文件来建立源文件的方式以外，还可通过3D扫描仪对现有的对象进行扫描，并将其转换为可打印文件；再者还可用计算机辅助设计软件进行有效创建。以上方法生成的文件都将被转换并保存为STL标准文件格式，使其能被大多数3D打印机识别。建立的STL文件需要被切割成一系列2D平面，由3D打印机依照顺序叠加打印[11-12]，由于STL文件是通过曲面三角测量语言来描述打印对象的三维空间结构[5,10]，故可通过缩小三角形面这些三角形的尺寸，来提高3D模型表面的精细度。除了建立STL文件以外，常需要使用外界相关软件程序对其进行编辑和修改，目前许多支持STL文件建模的软件程序已经得到广泛运用，如Meshmixer、Blender等，它们可以纠正文件中的致命缺陷，直至完成整个打印过程[3-4]。另外，由于模型本身的复杂程度、打印机的速度、喷嘴直径的大小以及打印机温度不同，其打印模型的精细程度也不同。3D打印机还可根据所添加的材料层的不同，选择不同的打印方法（如喷射、挤压、喷墨、切割等），使得每一种材料在透明度、刚度、机械强度、弹性强度、彩色收益率等方面都各有不同[13-14]。打印流程如图1所示。

图1 基于医学影像数据的3D打印基本制作流程图

3 3D打印在脊柱手术中的应用

3.1 构建良好的医患沟通平台

在现阶段医疗行业里，复杂的医患关系一直让人堪忧。由于患者及家属对医学知识的匮乏，仅通过X片、CT检查等影像学资料，难以让患者充分了解病情，也存在理解困难、沟通不直观等缺陷。随着3D打印模型的出现，医生可将复杂的脊柱结构及病灶位置直观地呈现在患者面前，让其了解到手术的方式及风险，这无形中扫清了患者及家属心里的疑惑和负担，为医患之间搭建了一个平等、有效、良好的沟通平台，增加了医患间彼此的信任，从而减少了不必要的纠纷。

3.2 教学培训

如今我国住院医师规范化培训已在全国范围内如火如荼地开展，旨在培训临床高层次医师，提高医疗质量。然而外科住院医师在实际手术操作中往往缺乏经验。尤其对存在高风险、讲求精操作的脊柱手术来说，每一种术式都有据可依、有规可循，术者的规范操作也显得尤为重要。刚获得初级职称的脊柱外科医师通常很难在手术台上获得手术操作的机会，这也是上级医师出于对手术安全性的考量。目前，计算机辅助和基于虚拟现实的模拟器已被开发用于手术训练当中[15-16]，但其拟真度及有效性仍待进一步优化。市面上也有少数的脊柱替代模型已被引入外科训练中[17]。Tricot等[18]首先设计了一种3D打印脊柱模型，用于徒手技术椎弓根螺钉置钉的外科训练，但是他们的研究并没有考虑其触觉真实性。Burkhard等[19]开发了一种可参数化的椎体模型，可模拟不同骨密度的骨质强度，是一种在解剖学和生物力学方面更接近真实椎骨的替代模型，其所带来的教学体验更加立体和真实，也为学生及住院医师在脊柱手术训练及培养方面打开了一扇窗。

3.3 个体化术前评估及规划

脊柱解剖结构复杂，周围毗邻重要血管、神经，且脊柱外科病种广泛，诸如脊柱骨折、结核、肿瘤及脊柱侧弯畸形等，术前需做出准确的临床分型、分期，才能拟定合适的手术方式，提升术后疗效；临床医师利用传统影像学检查来评估显得不够直接，且要求医师具备较好的空间想象力才能胜任。3D打印技术的应用，能够直观地显露解剖结构、定位病灶位置，同时制定详细的手术方案，以此让脊柱手术更精确、更安全[20]，这些优势是传统X线片等影像学技术所不具备的[21]。

脊柱肿瘤术前的评估与分期对其术后疗效来说相当重要[22-24]，现阶段脊柱肿瘤的治疗重在早期诊断、评估肿体范围、切除足够的边缘及锥体的重建[25-26]。Ozyurk等[27]在3D模型辅助下完成了一例涉及胸腔大血管、肺脏、心脏和脊柱等组织的复杂肿瘤患者的个例手术，通过对参与该手术的10名临床医师进行一项详细的生物模型效用调查得出，3D模型辅助术前规划，可以极大程度提高手术的精确度，这展现了该技术在精准医疗时代的巨大应用潜力（图2）。另外，3D打印在脊柱微创手术（Minimally Invasive Surgery of Spine，MISS）领域的应用也有报道[28]，其中Zhao等[29]报道了应用3D打印技术辅助MISS，治疗了13例胸椎黄韧带骨化的患者，术后恢复良好。与传统术前规划相比，该技术通过个体化模型的建立，为手术医师术前在模型上观察、测量病灶，甚至模拟手术操作创造了有利条件[30-31]，以此制定精准的个体化手术方案。

图2 生物模型效用调查3D 模型辅助术前规划[27]

3.4 3D打印截骨导板对截骨范围的划定

目前临床医师针对截骨范围的考量，大多是通过术前影像学评估来实现的，其截骨范围存在一定的个体差异，尤其面对脊柱畸形等解剖结构存在变异的情况，很难做到对截骨范围的精确评估。而3D打印截骨导板能辅助医师设计出直观且严谨的截骨线，让术者完成精确截骨[32-34]。湘雅第三医院骨科团队通过3D打印截骨导板的运用，成功为一位患有强直性脊柱炎伴严重脊柱后凸畸形的患者实施了脊柱截骨手术，术后恢复良好。这是我国首次将3D打印截骨导板运用于脊柱矫形手术的报道[35]。卢志军等[36]的研究也指出3D打印截骨导板的运用，可明显缩短手术时间、减少出血量，获得良好的手术疗效。

3D打印截骨导板划定截骨范围具有以下几个优点：① 在保证了锥体平衡、稳定的同时，获得更高的脊柱矫正率；② 显著降低患者的手术时间、术中出血量及住院费用；③ 对于患有严重骨质疏松症的患者来说，截骨导板的运用在降低其术后再发锥体骨折风险方面可能具有积极意义。

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3.5 3D打印螺钉导轨辅助置钉

椎弓根螺钉固定目前仍是脊柱外科最常用的内固定技术，其置钉的轨迹、角度等因素很大程度上决定了螺钉把持力[37]。现阶段多数脊柱外科医生仍然使用透视引导下的徒手技术，这对手术医生的临床经验及手术修养要求极高，且术中辐射暴露的风险也不可避免。Upendra等[38]的研究表明，传统徒手行锥体螺钉置入的错位概率约为20%～30%，其中神经、血管损伤的概率约为2%，若螺钉的置入轨迹、角度发生了较大的偏移，不但降低了螺钉把持力，还会导致相邻节段锥体周围脊髓、神经及动脉的直接损伤，造成不可挽回的后果。2012年的一项系统性评估报告显示，在徒手操作置钉的研究中，椎弓根螺钉完全包含率为69%～94%；在透视检查的辅助下为28%～85%，CT导航下则为89%～100%，可见导航确实比徒手技术及透视技术显示出更高的准确度。现阶段在辅助椎弓根精确置钉的相关研究中，3D打印螺钉导轨与计算机辅助导航都是解决该难题的可行方案。相比之下，前者可在术前设计螺钉的长度及直径[39-42]，能够提高置钉的准确率，且具有低成本、低维护、简便等特点，因此更易被大多数学者所推崇[43]。

如今通过创建目标椎体3D模型，逆向设计出的3D打印螺钉导轨技术已经得到实践。Mao等[44]在该技术的辅助下治疗了16例重度脊柱侧凸畸形患者，术后脊柱侧凸角度由平均的118°矫正后角度为42°，手术疗效显著。Garg 等[45]和Chen 等[46]也报道了在脊柱畸形矫形术及翻修手术中运用3D打印螺钉导轨辅助置钉具有缩短手术时间、减少出血、减少辐射照射等优势。

3.6 个体化内置物定制

3D打印技术可应用于针对患者个体化内置物的定制，尤其面对脊柱畸形、脊柱肿瘤等复杂的手术时，3D打印内置物在解剖学、人体工程学、生物力学等方面都能更好的匹配，同时还可以减少内置物下沉和松动的概率[47]。臧全金等[48]设计了一种3D打印解剖型钛笼，通过研究指出其运用于单节段颈椎前路椎体次全切除植骨融合术，能够有效维持颈椎生理曲度，获得较高的椎体贴合度，减少钛笼下沉的概率。Xu等[49]完成了一例青少年颈椎（C2）的尤文肉瘤切除术，并应用3D打印轴位椎体重建上颈椎，其术后计算机断层扫描研究显示有置入体骨整合的证据，且没有出现假体结构的下沉或移位。Phan等[50]使用定制的3D打印内置物对一位患有严重的小关节病变的中龄女性实施了C1/C2融合术，术后恢复良好。Choy等[51]及Mobbs等[52]的研究中同样说明了运用3D打印内置物填补脊柱肿瘤被切除的部分，术后假体的位置、椎间高度、椎体序列都能得到良好的保持。

现阶段已经可实现对金属、陶瓷、聚合物和生物材料等材料的个体化内置物的打印。McGilvray等[53]设计了一种多孔钛合金的椎间融合模型，可预设其刚度和孔隙度，旨在促进术后的骨质生长和骨融合率，最终通过动物实验研究得出，这种钛合金融合模型具有更高的骨量和更突出的稳定性。另外，还有像聚酯、聚内酯、聚原酸酯、聚酐等可降解生物材料的打印，它们更能够贴合人体组织解剖特点进行分布，但其固定强度是否可靠仍待进一步研究[54]。

3.7 在组织工程中的运用

在骨组织工程领域，3D打印的材料选择面已变得十分广泛，以组织工程生物降解支架为基础的人造椎间盘已经被创造出来，它能够做到最大限度地符合人体椎间盘的弹性特性[55-56]，这在不久的将来会彻底改变椎间盘退变性疾病的治疗。另外，关于3D打印给药系统的研究也在不断地进行，3D打印机已经可以打印如:介孔生物活性玻璃支架、抗生素打印微模式和多层药物给药系统等装置[57]。Dong等[58]在他们的实验中设计了一种用于脊柱结核的新型药物给药系统，将抗结核药物与聚乳酸和纳米羟基磷灰石混合，利用3D打印技术构建一种独特的多孔三维支架置入抗结核药物的装置。尽管其对于脊柱结核患者的治疗疗效仍待进一步研究，但我们可以猜测，如果该实验后期被证明可行，这将开启脊柱结核治疗领域的新纪元。

随着3D打印技术在组织工程领域的应用不断加深，利用3D打印技术创建复杂的中枢神经系统结构，用于脊髓再生医学的相关研究已经得到开展。Koラer 等[59]使用3D打印技术设计出了一种三维仿生支架，该支架可刺激、引导并调整神经轴突传递，改善神经功能，恢复中枢神经系统的再生。这对于脊柱脊髓损伤的病患来说，是一个福音。

4 讨论与总结

本文首先简要介绍了3D打印技术的发展历程及基本打印流程，相信可以为初学者提供一定的参考。同时，作者以一名临床骨科医师的角度，充分阐述了3D打印技术在医患沟通和临床教学等方面的优势。在患者眼里，对自身所患疾病的认识变得更直观、透彻；在医师看来，医患沟通也变得更加有效；而对于刚接触临床的脊柱外科医师来说，3D打印模拟教学对提升自己的专业手术技能也是不可或缺的。另外，本文以一例3D模型辅助下完成的涉及心、肺和脊柱等组织的肿瘤手术患者为例，总结了3D打印技术辅助个体化术前评估及规划的优点所在；充分归纳了3D打印技术在划定截骨范围、导轨辅助置钉、个体化内置物定制及骨组织工程领域的相关应用。总的来说，3D打印技术的实现使得现阶段的脊柱手术成功迈向了微创化、精细化的新高度，精准医疗将得以实现。

眼下各国学者对3D打印技术的研究热情十分高涨，但是3D打印技术现阶段仍旧面临一些困难与挑战，可概况为以下几点：

（1）费用较高，操作复杂，普及率低。3D打印需要集软件、设备、材料于一体，相互间紧密配合，其所涉及的器械费用高昂，且对操作者专业性要求较高。从软件、硬件及人员配伍的角度来看都需倾注较高的资金，这使得该技术难以实现更大范围的普及[60]。

（2）打印精度较低，结构单一。人体脊柱锥体构造复杂，受打印材料及工艺所限，难以打印出符合人体特殊解剖结构的高精度模型。另外，3D打印技术目前仍不能打印出涵盖多种材料的复合模组。

（3）时间成本较高。从术前成像、建模到个体化打印的过程来说，患者和医院都需花费较长时间来完成，这无疑会增加患者住院时长，降低医院周转率，尤其面对急症患者时，该技术的运用更是望洋兴叹。

5 展望

3D打印技术目前在脊柱外科的运用已十分广泛，就其繁琐的打印流程来说，未来应该得到优化，通过对整套打印设备软硬件的升级，降低打印设备本身的复杂性。另外，随着材料学、影像学及材料制造工艺的不断拔高，3D打印技术将进一步向个体化、精准化方向发展，以实现对脊柱复杂模型的精确打印；随着组织工程学、细胞培养技术的不断加持，3D打印将使脊柱骨组织缺损修复及再生成为可能。总的来说，3D打印技术在脊柱外科领域的应用前景十分可观，尽管现阶段3D打印技术仍面对许多发展瓶颈，但随着未来多学科、多领域的不断进步，3D打印技术在脊柱外科领域的运用将被进一步挖掘。