3D打印技术在脊柱外科的应用

ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH 577 庞骄阳，男，1988 年生， 河北省曲阳县人，汉族， 内蒙古医科大学在读硕 士，主要从事脊柱数字骨 科方向的研究。 通讯作者：赵岩，副主任 医师，博士，硕士生导师， 内蒙古医科大学第二附属 医院胸腰椎脊柱外科，内 蒙古自治区呼和浩特市 010030 中图分类号:R318 文献标识码:A 文章编号:2095-4344 (2016)04-00577-06 稿件接受：2015-11-13 http:/WWW. Pang Jiao-yang1, Zhao Yan2, Xiao Yu-long2, Xin Da-qi2 (1Inner Mongolia Medical University, Huhhot 010030, Inner Mongolia Autonomous Region, China; 2Department of Thoracolumbar Spine Surgery, the Second Affiliated Hospital of Inner Mongolia Medical University, Huhhot 010030, Inner Mongolia Autonomous Region, China) 3D打印技术在脊柱外科的应用 庞骄阳1，赵 岩2，肖宇龙2，辛大奇2(1内蒙古医科大学，内蒙古自治区呼和浩特市 010030；2内蒙古医科大学第二附属医院胸腰椎脊 柱外科，内蒙古自治区呼和浩特市 010030) 引用本文：庞骄阳，赵岩，肖宇龙，辛大奇. 3D打印技术在脊柱外科的应用J.中国组织工程研究，2016，20(4):577-582. DOI:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.04.022 ORCID: 0000-0001-7583-4681(赵岩) 文章快速阅读： 文题释义： 椎弓根钉道导板：利用计算机软件三维重建椎体模型，标记术中需要置钉暴露的骨组织范围，利用逆向工程 技术，制作出与椎体贴合的导板基地，设计进针点及角度，完成导板三维设计，最后利用 3D 打印技术打印 导板模型，辅助椎体置钉。 3D 打印技术：是一种可以将虚拟的计算机辅助设计模型准确快速的转化为三维实物原型的新型技术。3D 打 印实物模型方法可取代传统的术前规划与修复手术模拟方法，并具有可重复性，在脊柱外科的临床应用中日 益深入。 摘要 背景： 3D 打印技术是一种可以将虚拟的计算机辅助设计模型准确快速的转化为三维实物原型的新型技术。 3D 打印 实物模型方法可取代传统的术前规划与修复手术模拟方法，并具有可重复性，在脊柱外科的临床应用中日益深入。 目的：总结 3D 打印技术在脊柱外科的应用现状并展望其未来的发展方向。 方法：检索 PubMed 数据库、谷歌学术、中国知网数据库(CNKI)以及万方数据库(WF) 2000 年 1 月至 2015 年 7 月发表有关 3D 打印技术在脊柱外科应用的文献。(以“3D 打印技术、快速成型技术、脊柱、脊椎、骨科、 骨折、关节、手足、骨肿瘤、创伤、颈椎、胸椎、腰椎、骶椎、椎弓根、椎体、椎间盘、临床应用”为检索 词。排除重复性研究及综述，选择代表性好的文章共 50 篇进行讨论。) 结果与结论：3D 打印技术已应用于脊柱外科的术前诊断、个体化支具定制、医患沟通、教学、个体化高精度 修复方案制定、术中导航、个体化内置物定制等方面。提示随着医学影像学、数字化医学、组织细胞培养技 术和新材料技术的快速发展，3D 打印技术在脊柱外科的应用将会更为深入广泛。 关键词： 骨科植入物；脊柱植入物；3D打印技术；脊柱外科；临床应用；国家自然科学基金 主题词： 脊柱；假体植入；内固定器；组织工程 基金资助： 国家自然科学基金委员会资助项目(81441057)，项目名称：生物力学有限元分析及3D打印技术在退行性脊 柱侧弯手术治疗中的应用研究 脊柱外科 3D 打印技术应用的文献检索 第一作者以“3D 打印技术、脊柱、临床应用等” 为检索词，检索PubMed 数据库、谷歌学术、中 国知网数据库(CNKI)以及万方数据库(WF) 共检索到中 英文文献 1 000 余篇 判断是否符合制定的纳入及排除标准，对 符合纳入标准的文献分别进行数据提取共 得到 50 篇文献 2 篇文献探讨 了疾病诊断 5 篇文献探讨了 3D 打印支具 11 篇文献探讨了 教学、医患沟通 14 篇文献探讨了 术前规划设计 18 篇文献探讨 了骨组织工程 通过阅读摘要 初步筛选，共选 取 462 篇文献 P.O. Box 10002, Shenyang 110180 www.CRTER.org 578 Pang Jiao-yang, Studying for masters degree, Inner Mongolia Medical University, Huhhot 010030, Inner Mongolia Autonomous Region, China Corresponding author: Zhao Yan, Associate chief physician, M.D., Masters supervisor, Department of Thoracolumbar Spine Surgery, the Second Affiliated Hospital of Inner Mongolia Medical University, Huhhot 010030, Inner Mongolia Autonomous Region, China Subject headings: Spine; Prosthesis Implantation; Internal Fixators; Tissue Engineering Funding: the National Natural Science Foundation of China, No. 81441057 Application of three-dimensional printing technology in spinal surgery Abstract BACKGROUND: Three-dimensional printing technology is a new technology which can quickly and accurately transform the virtual computer-aided design into the three-dimensional physical prototypes. Three-dimensional printing physical model method can replace the method of traditional preoperative planning and repair surgical simulation, with the characteristic of repeatable, which has been deepened day after day in clinical application of spine surgery. OBJECTIVE: To summarize the application status of three-dimensional printing technology in spine surgery and look forward to its future development directions. METHODS: The articles regarding the application of three-dimensional printing technology on clinical applications in spine surgery were retrieved from PubMed databases, Google Scholar, China National Knowledge Infrastructure and Wanfang Database from January 2000 to July 2015. The key words were 3D printing technology, rapid prototyping technology, spine, vertebra, department of orthopedics, fracture, joint, hand and foot, bone tumor, trauma, cervical vertebrae, thoracic vertebrae, lumbar vertebrae, sacral vertebrae, pedicle of vertebral arch, vertebral body, intervertebral disc, and clinical application. A total of 50 articles with a good representation were selected and discussed after repetitive studies and reviews were excluded. RESULTS AND CONCLUSION: The three-dimensional printing technique has been applied in preoperative diagnosis, individualized orthosis customerization, the communication between doctors and patients, teaching, the formulation of individualized and high-accurate repairing plan, intraoperative navigation and individualized implant customization. These results suggest that with the rapid development of medical imaging, digital medicine and technologies of the cell and tissue culture and new materials, three-dimensional printing technology will have a wide range of applications in spine surgery. Cite this article: Pang JY, Zhao Y, Xiao YL, Xin DQ. Application of three-dimensional printing technology in spinal surgery. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2016;20(4):577-582. 0 引言 Introduction 3D打印技术作为一个新兴的技术领域， 是骨科治疗 技术的一次革新，其主要原理是预先构建计算机数字化 模型文件， 运用可黏合材料通过3D打印机逐层打印三维 实物模型。 3D打印技术可以将虚拟的计算机辅助设计模 型准确快速的转化为三维实物原型1，由于3D打印实物 模型具有很强的三维立体直观性， 所以目前已经广泛应用 在医学的不同领域。目前3D打印技术主要是在复杂的骨 肿瘤切除、骨盆骨折、髋部发育异常及骨折、脊柱畸形及 损伤、头颅整形、口腔下颌骨修复、肢体畸形、骨缺损和 假体制作等领域中有着广泛的应用2-10。通过提取CT、 MRI扫描数据重建计算机三维模型，并通过3D打印技术 制作出不同大小的实物模型， 使医生更加直观地、 准确地 发现X射线片、CT、MRI等传统影像学资料隐藏的解剖信 息，并且医生还可以直接在打印的实物模型上进行诊断、 制定个体化的手术方案、 模拟手术操作， 还可根据患者需 要设计、制造个性化器械，甚至打印人体器官等，从而提 高疾病的诊断率，增加手术的精确性、安全性。 目前在脊柱外科临床相关领域中， 3D打印技术主要 应用在钉道导板辅助椎弓根置钉、术前模拟规划修复方 案的应用研究中， 应用范围较窄，文章就近年来3D打印 技术在脊柱外科领域相关领域新的前瞻性应用文献进 行总结， 参考3D打印技术在骨科方向的发展以及临床应 用， 综合汇总分析3D打印技术在脊柱外科领域中的应用 现状及未来发展方向。 1 资料和方法 Data and method 1.1 文献检索 电子检索：由第一作者应用计算机检索，国内部分 文献数据来源于中国知网数据库(CNKI)、万方数据库 (WF)。国外部分文献数据来源于PubMed、谷歌学术。 检索日期为2000年1月至2015年7月。 手工检索：手工检索中华骨科杂志 、 中华创伤 骨科杂志 、中国脊柱脊髓杂志 、脊柱外科杂志 、颈 腰痛杂志等，并追索已检出文献的相关参考文献。 1.2 检索词 中文检索词：3D打印技术、快速成型技术、脊柱、 脊椎、骨科、骨折、关节、手足、骨肿瘤、创伤、颈椎、 胸椎、腰椎、骶椎、椎弓根、椎体、椎间盘、临床应用。 英 文 检 索 词： 3D printing ， rapid prototyping technology， spine， orthopedics， fractures， joint， hand， foot， bone tumors， trauma， cervical， thoracic， lumbar， sacral vertebrae ， pedicle ， vertebral body ， intervertebral disc，clinical application。 1.3 检索标准 纳入标准：关于3D打印技术在脊柱外科的新应用包 括个案报道、回顾性分析、调查研究、前瞻性研究、随 机对照研究等， 以及3D打印技术在骨科其他方向的前瞻 性临床应用相关文献。 排除标准：综述、系统评价、翻译、各数据库中重 复的文献、重复发表的以及重复使用数据的文献予以排 除。 1.4 数据分析 评价检索结果是否符合事先制定的纳 入及排除标准，对符合纳入标准的文献分别进行数据提 取，包括文章标题、发表时间、研究类型等。对所得文 献进行总结参考，综合分析其在脊柱外科领域中的应用 现状，综合3D打印技术在骨科其他方向的前瞻性研究， 分类探讨。 ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH 579 2 结果 Results 共检索到1 000余篇中英文相关文献， 初步阅读摘 要共筛选出462篇文献， 按照纳入及排除标准， 共保留 50篇文献做进一步分析。文献筛选和质量评价由第一 作者独立进行并交叉核对，如出现分歧时，则通过讨 论或由第二作者协助解决。对所得文献分类汇总，3D 打印技术在脊柱外科的临床应用主要集中在，钉道导 板的辅助置钉、术前手术规划模拟，3D打印技术在骨 科相关领域的新应用主要可以分为：疾病的诊断、支 具定制、临床教学与医患沟通、截骨导板、内置物定 制、骨组织重建。参考其研究方向和临床应用，未来 3D打印技术在脊柱外科的临床应用可以分为以下几 个方面： 2.1 脊柱外科复杂疾病的诊断 脊柱解剖结构复杂， 又有 脊髓、 神经等重要组织结构毗邻， 面对复杂脊柱疾病时， 如脊柱畸形，由于传统影像学检查无法提供精准的三维 解剖关系，通过传统的影响学资料医师可能会得出片面 的结论， 将直接影响疾病的准确诊断， 且容易造成漏诊、 误诊、疾病诊断的不全或不清，从而影响疾病的疗效及 预后。而3D打印技术可重建脊柱三维解剖结构，显著提 高了疾病的诊疗质量。 与X射线片、 CT、 MRI等传统医学影像学资料相比， 3D打印实体模型可以提供更加详细、直观、立体、现实 的解剖学信息11。医师可以更加直观地观察分析脊柱解 剖结构，从而极大的提高了临床医师对复杂脊柱疾病空 间解剖结构的理解，进而做出更加精确的疾病诊断12， 如复杂脊柱骨折的分型、脊柱侧弯的分型、脊柱肿瘤的 鉴别等13-15，从而减少复杂疾病的漏诊和误诊11，明显 提高患者的诊疗质量。 2.2 个体化支具的定制 3D打印技术联合生物力学分析 技术，可以个体化定制脊柱支具，其优点包括：材料 选择的多样性，可以根据不同的治疗目的及患者的要求 选择不同的制作材料。能够快速制作，简便易成型。 符合人体工学特点，轻便舒适合体。联合生物力学 分析软件分析设计可以得到更加符合生物力学的支具。 可以个体化定制，而有研究表明个体化截瘫支具对 患者的日常生活活动能力及步行能力的改善有重要意 义16。 而舒适适宜的个体化支具能够更好的帮助患者早 日恢复健康状态。 2.3 临床教学与医患沟通 3D打印技术可以重现脊柱外 科相关疾病的重要解剖学特点。从而为临床教学及医患 沟通提供直观、立体、典型的3D打印实物模型。帮助学 生更好的理解脊柱外科相关疾病的解剖结构及发病机 制，帮助患者及家属更好的了解所患疾病。 2.3.1 临床教学 3D打印技术可以重现脊柱外科相关 疾病的重要解剖学特点。从而为临床教学提供直观、立 体、典型的实物模型。帮助学生更好的理解脊柱外科相 关疾病的解剖结构及发病机制。 脊柱解剖因其形态结构复杂，部位深在，处于教师 难教、学生难学的境地。传统教学方式相对抽象，而根 据影像学资料， 运用3D打印技术打印的实体模型则能够 体外再现脊柱的三维形态及特定的断层结构，为临床教 学提供更为直观的三维图像信息，从而提高了学生对脊 柱解剖结构的理解及记忆。 有研究表明3D打印实物模型 教学能够帮助学生更好的理解复杂解剖结构17，提高教 学质量。 脊柱外科相关疾病因其特殊结构、 部位、 发病机制， 概念相对抽象，学生不易理解；并且病因复杂，涉及的 解剖学、 骨科生物力学等学科内容广泛， 学生掌握较难。 与传统教学方法的单纯平面结构图， 3D打印实物模型具 有真实、客观、立体、生动、直观、感性的解剖学特点， 可以将原本难以理解的具有复杂解剖特点的脊柱外科 相关疾病，形象直观立体地呈现于学生面前，使学生对 脊柱的立体结构、病理、疾病分型及治疗方法的理解更 加容易18。 2.3.2 医患沟通 3D打印技术可以体外再现患者病变 区的解剖结构，有利于医生之间以及医生与患者及家属 之间的交流，医生可以借助于患者自己的解剖模型，为 其及家属指出关键的区域及解剖特点，增加患者及家属 对所患疾病的理解和认识。同时方便医患沟通，医生可 以借助相关模型向患者及家属交代手术风险及术后的 相关并发症，从而使患者及家属更加了解相关疾病术 语，提高患者及家属对该疾病的认识，增加医患之间的 互信，降低医疗纠纷的发生。 2.4 个体化高精度的手术方案的制定 与传统的术前规 划相比，3D打印技术可以客观、立体、生动、直观、感 性的打印出11的实物模型， 并可以根据术者的需要打 印不同的切面，更好的观察特定区域的解剖特点，制定 更加精准的个体化的手术方案， 并可以在3D打印模型上 进行预定手术的模拟操作，增加手术的熟练度，明显缩 短手术所需的时间19-21，减少医生和患者放射线的暴露 的时间和剂量22-23，提高手术的可对比性和相对同一 性，并还可以制作一些个体化的手术器械，辅助手术的 快速完成。其中包括： 2.4.1 钉道导板辅助椎弓根精确置钉 脊柱椎弓根毗 邻脊髓、 神经、 椎动脉等重要解剖结构， 螺钉置入位置、 角度严重偏移时不仅可以导致螺钉内固定系统强度的 下降，甚至还会损伤相邻的脊髓、神经，而且还有可能 损伤椎动脉，造成大出血，危及生命。再加上脊柱畸形 等复杂疾病，使得椎弓根的精确置钉更加困难，而有研 究表明， 运用3D打印技术重建脊柱三维模型， 设计钉道， 并制定相应的钉道导板，应用与手术中的椎弓根置钉， 能够精确的把握置钉的位置、 方向及角度， 且操作简单， 并可术前设计螺钉的长度及直径24-27，且研究表明能够 P.O. Box 10002, Shenyang 110180 www.CRTER.org 580 明显提高置钉的准确率28。 Mao等29应用快3D打印技术辅助治疗16例重度脊 柱侧凸畸形患者，术后脊柱侧凸角度由平均118减小为 42，手术疗效显著，从而证实了3D打印技术不仅可提 供准确的定量解剖信息，还可协助手术的术前规划设 计，使手术更加精确科学。 3D打印椎弓根螺钉导板置钉有如下几个优点： 定 位准确迅速，减少术中过度剥离，降低置钉难度，提高 置钉的准确率，简化操作，缩短手术时间，降低手术风 险，减少术中出血。减少术中透视的时间，减少手术 人员和患者放射线暴露的剂量。个体化导航模块不受 患者体位变化的影响，导航模块只涉及单个椎体的解剖 结构，避免了一切因体位变化而产生的误差，在很大程 度上降低了手术的难度。 2.4.2 截骨导板辅助截骨减压范围的的精确划定 脊 柱后路减压、开窗及复杂脊柱畸形矫形等手术都需要截 骨，传统的术前规划，术者对截骨范围的设计大多是通 过术前影像学资料以及计算机软件测量设计并进行修 复方案模拟来实现的，相对而言截骨范围的确定还不够 精确。再加上脊柱本身解剖结构复杂，存在一定的个体 差异，而脊柱畸形常常涉及到多种解剖结构的变异，如 有椎弓根缺如、椎体旋转，脊柱侧弯、脊柱后凸，甚至 椎体分节不全等畸形， 解剖结构及解剖标志严重变异30， 而脊柱又毗邻脊髓神经等重要组织结构，运用传统的术 前规划方法，术者很难获得术区直观的三维解剖信息， 而造成截骨线的设计精确性较低。 而截骨线的划定，需要综合考虑脊柱矢状位及冠状 位的平衡、脊髓神经的松弛程度有无序列堆积及过度牵 拉、椎前血管顺应性、肌肉的牵拉程度、心肺功能的影 响程度等因素。截骨或减压范围过小，无法达到改善外 观畸形、恢复脊柱平衡、解除神经受压的目的；截骨或 减压范围过大，容易破坏脊柱结构的稳定性，更加容易 造成神经功能的损害，因此精确的截骨范围是手术疗效 的关键保证。 3D打印技术可以重现脊柱病变区的解剖结构。 从而 为截骨线的设计提供直观、立体、感性的实物模型，帮 助医生设计更加科学严谨的截骨线31。另外3D打印技 术可以设计个体化的截骨导板，术者在导板的指引下 能够更加准确的完成截骨，显著提高了修复手术的精 确性32-33，实现了脊柱截骨、减压、开窗手术从经验论 到数字化的转化，并简化了术式，制定的标准化治疗模 式对临床工作具有重大的指导意义。 2.4.3 个体化内置物的定制 3D打印技术还可应用于 脊柱外科内植物的个体化定制，即术者根据患者实际情 况定制个体化的内植物，以满足解剖学、人体工程学、 生物力学等不同方面的特殊要求。如椎间隙很宽、较小 的儿童，造成患者所需内植物太大或太小，或需要与患 者局部解剖结构更为贴附的内植物以提高手术疗效时， 在这些特殊情况下则需要定制个体化的内植物， 3D打印 技术可以满足定制个体化内置物多样性、复杂性和快速 性的要求。 钱文彬等34在全脊椎整块切除术中， 应用3D打印技 术打印椎体， 置入实验土猪体内。 并且术后观察示实验 土猪双后腿活动、痛觉良好。而且术后影像学检查提 示假体位置、椎间高度、椎体序列良好。个体化内置 物可保证几何形态的完美匹配，理论上更加贴附周围 结构。 2.5 骨组织工程中的应用 在骨组织工程方面，3D打印 技术由于材料选择的多样性，主要用于制作结构复杂的 骨组织工程支架35-37，甚至打印人工骨骼、椎体38。3D 打印技术可以满足患者个体化定制的需求。可根据需要 设定特定的孔隙率、交联，使其有利于细胞的长入，并 可以完美匹配支架的降解速度与成骨的速度39。理想的 骨组织工程支架不仅要具备能够满足细胞长入、完美匹 配缺损骨组织结构的多孔结构，还应具有良好的机械强 度。 随着新材料的快速发展，3D打印技术已可以实现通 过改良支架的内部结构特征增强支架的机械性能40-48。 此外， 3D打印技术可以通过控制支架孔隙率以满足 某些特殊要求。 Zhao等49以左旋聚乳酸粉末和左氧氟沙 星和妥布霉素为原料， 应用3D打印技术成功制备出多药 控释型载药人工骨。 随着3D打印技术在组织工程领域的 应用，活细胞也作为打印材料的一部分50，在制备组织 工程支架的同时被一同打印出来。 3 展望与探讨 Prospects and exploration 脊柱解剖结构复杂，部位深在，周围毗邻神经及血 管，手术风险较高。而手术成功的关键与正确的疾病诊 断、责任节段的定位以及合理的术前规划密切相关，随 着3D打印技术的不断发展以及人们对3D打印技术在临 床方面的应用研究，借助3D打印技术， 对脊柱疾病患者 进行疾病诊断、医患沟通、术前规划设计，手术模拟操 作、优化手术器械、预测评估手术效果等提供了一种新 的方法。 3D打印技术既能明显提高手术的成功率， 缩短手术 时间，提高手术的精确性，又能有效地减少手术并发症 的发生。3D打印技术做为一种新的仿真学研究方法， 具 有精确性、可重复性、安全性的优点，目前已经在脊柱 外科研究领域中广泛应用。 目前3D打印技术的在脊柱外科的应用已经逐渐渗 透到多个方面，但大都集中在钉道导板的椎弓根置钉应 用及术前手术方案规划与模拟上，而在基础研究中3D 打印骨组织工程研究较多， 3D打印技术的基础在于影像 学资料的质量，计算机三维重建的三维模型与患者实体 有一定的的差别，影像资料的质量越高计算机三维重建 ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH 581 的实物模型的仿真性越高，越接近患者脊柱实体的解剖 结构。 相信随着相关技术的发展， 3D打印技术在脊柱外科 领域的应用会进一步深入，如随着影像学的发展，利用 3D打印技术打印脊柱局部部位的三维解剖结构， 辅助脊 柱外科相关疾病的精确诊断、提高医患沟通和教学的效 果、定制个体化高精度修复方案、术中多样式钉道导板 定制等应用也将逐步得到推广，随着人体工程学的引 入，个体化定制脊柱支具也将逐步推广，而随着材料学 的发展，3D打印个体化内植物也将进入临床应用，而 随着生物材料学、组织细胞培养技术以及3D打印技术 的发展，实现细胞打印骨组织修复脊柱骨组织缺损将 成为可能。 作者贡献：第一作者构思、设计综述并检索资料，通讯作 者审校。 利益冲突：所有作者共同认可文章无相关利益冲突。 伦理问题：无涉及伦理道德冲突的内容。 文章查重： 文章出版前已经过 CNKI 反剽窃文献检测系统 进行 3 次查重。 文章外审： 本刊实行双盲外审制度， 文章经国内小同行外 审专家审核，符合本刊发稿宗旨。 作者声明：文章第一作者对研究和撰写的论文中出现的不 端行为承担责任。论文中涉及的原始图片、数据(包括计算机 数据库)记录及样本已按照有关规定保存、分享和销毁，可接 受核查。 文章版权：文章出版前杂志已与全体作者授权人签署了版 权相关协议。 4 参考文献 References 1 Rengier F,Mehndiratta A, von Tengg-Kobligk H, et al. 3D printing based on imaging data: review of medical applications. 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