3D打印模型在颈椎后纵韧带骨化手术减压方式选择中的应用

1、袁峰，等.3d打印模型在颈椎后纵韧带骨化手术减压方式选择中的应用www. crter .org中国组织工程研究第20卷第39期2016 -09-23出版chinese journal of tissue engineering research september 23, 2016vol.20, no.39研究原著3a丁印模型在颈椎后纵韧带骨化手术减压方式选择中的应用袁 峰，陆海涛，邓 斌，李智多，李 威，吴继彬，郭开今（徐州医科大学附属医院骨科，江苏省徐州市221000）引用本文：袁峰，陆海涛，邓斌，李智多，李威，吴继彬，郭开今.3d打印模型在颈椎后纵韧带骨化手术减压方式选择中的应 用j.中

2、国组织工程研究，2016, 20（39）:5852-5858.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2016.39.012orcid: 0000-0001-9428-3547（袁峰）文章快速阅读:3d打印模型在颈椎后纵韧带骨化手术中的应用潜能纳入颈椎后纵韧 带骨化病例。术前进行三 维ct扫描。利用3d打印技术打印出实 物模型，术前评估和模拟手 术操作，预知手术风险，选 择合适修复方式。术前、术后不同时间点 进行跟踪随访、收集数 据，进行分析。结果表明：3d打印模型有助于对颈椎骨化后纵韧带的特点进行观察，并进行术前评估和模拟手术操作，对修复术式的选择有一定的参考价值。文题释

3、义:3d打印模型：禾u用3d打印、术前影像数据和计算机重建技术按照1 ： 1的比例打印出与实体相同的实物模型。颈椎后纵韧带骨化：指颈椎后纵韧带增生、肥厚、异位骨化发展到一定程度导致椎管狭窄，脊髓受压， 从而产生相应的临床症状， 此时往往需要进行手术干预， 通过3d打印模型可以进行术前评估和模拟手 术操作，术前预知术中风险、减少手术并发症的发生，具有一定的推广价值。袁峰,1972年生，江苏 省徐州市人，博士，主任 医师，教授，硕士生导师， 主要从事脊柱外科方面 的研究。通讯作者：袁峰，博士， 主任医师，教授，硕士生 导师，徐州医科大学附属 医院骨科，江苏省徐州市 221000中图分类号:r318

4、文献标识码：b文章编号:2095-4344（2016）39-05852-07稿件接受：2016-08-15摘要背景：目前3d打印技术已成功应用于辅助关节置换、骨折内固定及脊柱置钉等骨科手术，但关于3d打印技术在颈椎后纵韧带骨化症手术治疗领域的潜力尚有待探讨。目的：探讨3d打印模型在颈椎后纵韧带骨化症前后路手术减压方式选择中的应用价值。方法：回顾性分析2014年10月至2015年10月在徐州医科大学附属医院行术前ct数据搜集和3d模型打印的颈椎后纵韧带骨化症患者共15例，其中孤立型2例，节段型6例，连续型4例，混合型3例。通过对比分析术前、术后 1个月及末次随访时的日本骨科协会评分、目测类比评分

5、、患者症状及 影像学资料，来评价 3d打印模型在颈椎后纵韧带骨化症前后路手术减压方式选择中的应用价值。结果与结论：15例患者均顺利接受颈椎减压治疗，均接受 4-16个月随访。术后患者症状较术前明 显缓解，颈椎后路手术中 1例切口脂肪液化，经负压引流后治愈；术前、术后 1个月和末次随访时 的日本骨科协会评分分别为（9.0 46）分、（11.7 台.8）分和（15.5 土.4）分，差异有显著性意义（p < 0.05）; 颈肩部疼痛目测类比评分分别为 （6.7立.5）分，（2.13比4）分和（1.4毛.5）分，差异有显著性意义（p < 0.05）; 随访期间影像学结果显示，前路植骨均融合

6、，后路手术门轴处愈合良好， 无再关门现象；结果提示，3d打印模型有助于对颈椎骨化后纵韧带的特点进行观察，并进行术前评估和模拟手术操作，对颈椎后 纵韧带骨化症减压方式的选择有一定的参考价值。关键词：骨科植入物；数字化骨科；颈椎后纵韧带骨化症；3d打印；减压 主题词：颈椎；疼痛测定；骨化，后纵韧带；组织工程 基金资助：江苏省“六大高峰人才”资助项目 缩略语颈椎后纵韧带骨化症：ossification of posterior longitudinal ligament , opllyuan feng, m.d., chief physician, professor, master ' s

7、 supervisor, department of orthopedics, affiliated hospital of xuzhou medical university, xuzhou 221000, jiangsu province, chinacorresponding author; yuan feng, m.d., chief physician, professor, master ' s supervisor, department of orthopedics, affiliated hospital of xuzhou medical university, x

8、uzhou 221000, jiangsu province, chinaapplication of a three-dimensional printing model of surgical decompression for cervical ossification of the posterior longitudinal ligamentyuan feng, lu hai-tao, deng bin, li zhi-duo, li wei, wu ji-bin, guo kai-jin (department of orthopedics, affiliated hospital

9、 of xuzhou medical university, xuzhou 221000, jiangsu province, china)abstractbackground: three-dimensional (3d) printing technology has been successfully used in the field of joint replacement, fracture fixation and spinal implant, but the potential of 3d printing technology in the field of surgery

10、 for ossification of posterior longitudinal ligament of cervical spine remains to be discussed. objective: to determine the application value of a 3d printing model in the selection of anterior and posterior surgical decompression for cervical ossification of the posterior longitudinal ligament.meth

11、ods: a retrospective analysis was carried out involving 15 patients with ossification of the posterior longitudinal ligament collected by computed tomography (ct) and printed by a 3d model pre-operatively between october 2014 and october 2015 in affiliated hospital of xuzhou medical university. ther

12、e were isolated type ( n=2), segmental type ( n=6), continuous type ( n =4), and combined type (n=3). theapplication value of a 3d printer model in patients with ossification of the posterior longitudinal ligament was evaluated by japanese orthopedic association scores, visual analog scale scores, s

13、ymptoms, and imaging data 1 month pre-operatively, 1 month post-operatively, and at the final follow-up.results and conclusion:(1) all 15 patients underwent successful treatment of cervical spinedecompression surgery and were followed up for 4-16 months. the post-operative symptoms wererelieved more

14、 significantly than the pre-operative symptoms. using the posterior approach for cervical spinal surgery, 1 patient had incision fat necrosis and healed after negative pressure drainage. (2) japanese orthopedic association scores 1 month pre-operatively, 1 month post-operatively, and at the final fo

15、llow-up were 9.01.6, 11.71+8, and 15.51 ：j4, respectively; the differences were statisticallysignificant ( p < 0.05). visual analog scale scores 1 month pre-operatively, 1 month post-operatively, and at the final follow-up were 6.72.5, 2.13 1 ±4, and 1.4qj5, respectively; the difference was

16、statisticallysignificant ( p < 0.05). (3) the imaging results at follow-up showed that the anterior interbodies were fused, and the pivot of the posterior operation was healed well without a re-closing phenomenon. (4) a 3d printer model was shown to be beneficial in observing the characteristics

17、of cervical ossification of the posterior longitudinal ligament, performing the pre-operative evaluation, and simulating the surgical procedure.there was value for the choice of operative approach.subject healing: cervical vertebrae; pain measurement; ossification of posterior longitudinal ligament;

18、 tissue engineeringfunding: the six peak talents foundation of jiangsu provincecite this article: yuan f, lu ht, deng b, li zd, li w, wu jb, guo kj. application of a three-dimensional printing model of surgical decompression for cervical ossification of the posterior longitudinal ligament.zhongguo z

19、uzhi gongcheng yanjiu. 2016;20(39):5852-5858.issn 2095-4344 cn 21-1581/r coden: zlkhah58530 引言 introduction颈椎后纵韧带骨化症（ossification of posterior longitudinal ligament , opll）指颈椎后纵韧带增生、肥 厚、异位骨化发展到一定程度导致椎管狭窄，脊髓受压，从而产生脊髓病的一系列临床症状和体征。颈椎 opll 一般在出现脊髓受压症状的时候应该考虑手术治疗，较多文献对手术策略进行了探讨，主要是考虑到opll的类型、范围，颈椎矢状面的生理曲

20、度和k线的特点等1-6。同时需要注意的是，除了选择理论上对患者脊髓压迫的 最有效减压方式外，还要考虑到患者的安全问题，减少 并发症的发生，即手术医生根据自己的手术特点去安全 地为患者解决问题。作者通过用3d打印技术制作1 ： 1模型，并进行术前评估和模拟手术操作，术前预知术中风险、减少手术并发症的发生，有一定的推广价值。1 对象和方法subjects and methods1.1 设计对比观察试验。1.2 时间及地点于2014年10月至2015年10月在徐州医科大学附属医院附属医院脊柱外科完成。1.3 对象 纳入2014年10月至2015年10月徐州医科 大学附属医院附属医院收治的15例颈椎o

21、pll患者。术前进行ct数据搜集和3d模型打印，男10例，女5例；年 齿34-73岁，平均（55.4 士3）岁；术前病程1个月-10年， 平均（16 ±11）个月。其中按hirabayashi分型分为7：孤立 型2例，节段型6例，连续型4例，混合型3例。纳入标准：术前均接受颈椎 x射线片、三维ct和mri袁峰，等.3d打印模型在颈椎后纵韧带骨化手术减压方式选择中的应用.crter .org等影像学检查，均明确诊断为opll。患者对治疗方案知情同意。排除标准：合并广泛椎管狭窄及黄韧带骨化者。患者术前临床表现包括上肢的放射性疼痛、麻木、 肌肉萎缩、肌力下降等上肢神经根性症状，损害平面以

22、下的感觉减退、肌力下降和肌张力增高等上运动神经元 损伤症状伴有四肌无力、僵硬不灵活、走路不稳、踩棉 花感、束带感，以及直肠、膀胱功能障碍等。术前、术 后进行日本骨科协会制定的颈椎病疗效评定标准(joa评分)、目测类比评分、颈椎影像学检查(如颈椎x射线、ct、mri等)，术后随访时间4-16个月。1.4 方法1.4.1 3d打印方法 术前患者双源64排ct(扫描电压 120 kv ,电流185.25 ma)扫描，矩阵为12x512,层厚 为1 mm ,将扫描所获的薄层图像保存为 dcm格式。用 mimics软件导入该格式的数据重建三维模型并去除周围无关的组织结构，将重建好的三维模型数据stl格式

23、导入到3d打印机(sla450)中，打印尺寸设置为 1 ： 1大 小，打印层厚设置为0.125 mm。为方便椎管内opll的 观察，可在重建三维模型数据同时去除椎板及棘突结 构，再导出该数据。1.4.2 相应修复方法的选择观察椎间隙及椎体后方的opll、骨赘特点，如骨化结构上下范围，其基底部 为山丘样、蘑菇样或矩形，颈椎生理曲线，椎间隙高度， 椎体和椎管矢状径，进一步选择前后路修复方式。尤其 前路手术的减压范围，包括上下方的减压范围，如椎体 次全切，扩大椎间隙减压等；两侧减压范围，包括椎体 开槽横径范围一定要超过骨化后纵韧带的宽度。对于opll上下或左右范围较广，形状不规则、叠加，或怀 疑合并

24、硬脊膜骨化的病例8,尤其多节段脊髓受压，颈椎尚有一定生理性前凸，k线(+),采用后路颈椎椎管扩大成形术，颈椎生理曲度差或k线(-)的颈椎后路病例，则选用颈椎椎板切除加后路钉棒固定，进一步矫正和维 持生理曲度。1.4.3 临床疗效和修复方法评估所有患者均获得术后定期随访，随访由 2位专业骨科医师完成，询问患者 术后及末次随访时恢复情况。采用joa评分法和目测类比评分法观察神经症状及功能改善情况。joa评分判断患者颈髓神经功能，该评分满分为 17分，分值越高表示 神经功能越好。目测类比评分满分为10分，其中0分为无痛，10分为难以忍受的剧痛。治疗后复查颈椎x射线、ct和/或mri进行临床症状和影像

25、学评价，同时统计相关并发症的发生情况。1.5 主要观察指标分别观察比较术前、术后不同随访时间的joa评分、目测类比评分以及影像学检查结果。1.6 统计学分析所有数据均采用 spss 17.0软件进行统计分析。at量资料用xds表示，术前术后对比应用配对t检验，检验水准0=0.05 , p < 0.05为差异有显著 性意义。2 结果 results2.1 参与者数量分析按意向性处理，所有患者均顺利完成整个治疗研究，未出现脱落病例。2.2 临床表现及诊断评价15例颈椎opll患者均成功接受颈椎减压手术，前路手术6例，后路手术9例，手术过程顺利，术后效果肯定。术后随访时间 4- 16个月， 至

26、末次随访患者术前肢体疼痛、麻木和束胸感等症状均有不同程度的减轻，大部分患者的四肢活动灵活性及协 调能力改善，行走能力增强，肌力及上肢精细动作改善， 治疗前有尿便功能障碍者术后均有明显改善，部分患者术前症状完全消失。2.3 治疗效果评价术前、术后1个月和末次随访的joa评分差异均有显著性意义(p < 0.05),随着术后随访时间的推移，joa评分不断提高，差异有显著性意义 (p < 0.05)。术前、术后1个月和末次随访的目测类比评 分差异均有显著性意义 (p < 0.05) o表1 患者治疗效果的评价(x+s, n=15)table 1 evaluation of thera

27、peutic effect时间joa评分目测类比评分术前9.0 3.66.7 坦5术后1个月11.7 ±1.82.1 *4末次随访15.5 *41.4 此5p< 0.05< 0.052.4 并发症 全部15例患者术中及术后均未出现脊 髓、神经根损伤、椎动脉损伤及脑脊液漏等相关并发症。颈椎后路手术中1例切口脂肪液化，经负压封闭引流后 治愈。2.5 影像学结果15例患者术后随访中均行颈椎mri检查，结果显示，无论前路手术还是后路手术均获得满 意减压，局部硬膜囊形态和脑脊液显影不同程度恢复， 前路手术植骨均融合，后路手术门轴处愈合良好，无再 关门现象；内固定无松动、无断钉等。2

28、.6 典型病例 影像学资料见 图1, 2。5858p.o. box 10002, shenyang110180 www.crter.org图1女性41岁脊髓型及神经根型颈椎后纵韧带骨化症患者治疗前后的影像学图片figure 1 images of a 41-year-old female presented with spinal and nerve root cervical spondylopathy and ossification of the posterior longitudinal ligament before and after treatment图注：图a, b为术前颈椎

29、过伸过屈 x射线片；c, d为术前颈椎 mri的t1-w和t2-w相，示c4-5、c5-6间隙脊髓受压，c5-6间隙t2-w 脊髓信号改变；e为术前颈椎矢状面 ct重建显示c5-6间隙后方及c6椎体后上方opll;f-h为3d模型的不同角度视野；i, j为术后 颈椎正侧位x射线片；k为术后1年的颈椎矢状面 ct重建。图2男性49岁颈椎后纵韧带骨化症患者治疗前后的影像学图片figure 2 images of a 49-year-old male presented with cervical ossification of the posterior longitudinal ligament

30、 before and after treatment图注：图a, b为术前颈椎过伸过屈x射线片；c, d为术前颈椎 mri的t1-w和t2-w相，示c?4间隙脊髓受压伴脊髓信号改变；e,f为术前颈椎矢状面 ct重建，显示c2椎体后下方至 c4椎体后上方连续性 opll ,并伴有重叠；g, h为3d模型的不同角度视野；i, j为颈椎后路单开门椎管成形术后颈椎正侧位x射线片；k, l为术后10 d复查的颈椎 mri o3 讨论 discussion3.1 3d打印在骨科领域的应用3d打印技术主要是通过使客观世界中的三维实体能够在虚拟世界中以高精度重建（3d扫描），根据要求进行切割、分离、固定等数

31、字化模拟操作（3d编辑），最终按设计要求通过相关设备进行3d打印得到实体，按照虚拟设计返回至客观世界9-10 o近年来，随着 3d打印技术的飞速发展，其在医疗卫生行业应用前景得到了广泛的认可，3d打印技术已成功应用于辅助关节置换、骨折内固定及脊柱置钉 等骨科手术领域11-23 o wu等24对3d打印模型进行了 测量研究，1 ： 1的3d模型与原影像学数据的差异性没 有显著性，其组内相关系数（重测彳言度）在颈椎组为88.6 % ,胸椎组90% ,腰椎组为94%。3d打印目前被逐渐应用于数字化脊柱外科领域， 为脊柱外科手术提供了便利和精确性的保障，如置钉导 航模板的应用25,尤其在脊柱畸形，颈椎

32、椎弓根内固定 治疗上，提高了置钉的安全、准确和便捷性，lu等26将椎弓根置钉导向模板技术成功用于16例脊柱侧凸患者的矫形手术中，共辅助置入168枚胸椎椎弓根螺钉，螺钉的误置率仅为1.8% ,椎弓根突破大小均小于 2 mm。 sugawara等27采用快速成型导板系统治疗10例患者，胸椎椎弓根辅助置钉58枚，术后ct检查扫描所有螺钉均未穿破椎弓根皮质，且螺钉在椎弓根中点位置较术 前规划螺钉位置的偏差仅为0.9 mm o脊柱肿瘤切除后的椎体重建方面，xu等28成功地将1名12岁青少年患 者的高位颈椎尤文肉瘤切除并行3d打印椎体置换，术后随访1年，人工打印骨融合，无沉降或位移，未见肿 瘤复发，患者神

33、经功能恢复明显优于术前。wu等29通过计算机软件术前模拟手术恢复腰椎脱位及矢状曲度， 设计并打印个体化矢状曲度模棒，解决了术中反复盲目 弯棒，手术时间长以及术后矢状曲度恢复不理想的情 况。陈宣煌等30报道在导航模块的辅助下，腰椎椎弓根 螺钉数字化置入精准，具有并发症少、疗效好等优点 ， 有助于促进患者腰椎功能恢复。本文则将3d打印的模型使用在opll的观察和手术设计，尽可能根据各体差 异选择有效的、风险小的手术方式。88.7 颈椎opll前后路手术争议和脑脊液漏等并发症 由于颈椎opll症临床病情复杂，单一的手术方式不 可能适用于所有颈椎opll症患者。从前方还是后方入路进行脊髓和神经根的减压

34、则一直存在较大争论， 尤其对那些非连续发生的节段型opll ,面对相似病例，不同医生可能选择不同的手术入路或方式。如果 前路和后路方式均同样有效，则应选择风险性较低和 创伤较小的手术方式，即不仅要考虑患者病情特点，同 时必须兼顾自身技术特点，选择一种安全有效的修复 入总1-2 o陈德玉等3对c3-7多节段分节型opll行颈椎前路 次全椎体切除，获得满意的手术疗效。但 opll前路手 术切除骨化块需要足够的临床经验和较高的手术操作 技术，同时颈椎opll患者常会合并不同程度的硬膜囊骨化。2001年有研究对 54例opll患者的ct影像进 行研究后提出，除 ct影像上opll的双影征提示合并 硬膜

35、囊骨化外，如果骨化物表现为不规则的钩状结构也 增加了硬膜囊骨化的可能性。尤其是严重多节段 opll , 此种情况下后纵韧带与硬膜囊之间界限不清，不易分 离，极易导致脑脊液漏和脊髓损伤等并发症，进一步增 加了手术的难度和风险。有报道144例opll患者颈椎前路手术，9例出现脑脊液漏31。另一报道中51例颈 椎opll患者的前路手术中，脑脊液漏的发生率为 13.7%（7例），均因对骨化的后纵韧带进行打磨、分离所致32。20世纪70年代hirabayashi等33首先报道了颈 后路单开门椎管扩大成形术，被认为是一种安全有效的手术方法，可有效治疗opll、颈椎管狭窄症以及脊髓型颈椎病等疾病。有研究表明

36、，在 24-96个月的中长期 随访中发现单开门颈椎管扩大成形术治疗颈椎opll可获得脊髓症状的中长期缓解，但轴性症状较术前加重34, 脊柱术后矢状位的失平衡可能是术后疼痛和功能丧失 或生活质量下降的主要原因35-37 o88.8 本组资料的特点分析3d打印模型有利于观察椎体后缘的opll特点，在3d模型打印前，重建三维模 型数据同时去除椎板及棘突结构，再导出该数据，更 有利于对椎间隙及椎体后方的opll、骨赘特点的观察，如骨化结构上下范围，其基底部为山丘样、蘑菇 样或矩形，颈椎生理曲线，椎间隙高度，椎体和椎管 矢状径等等，进一步选择对患者安全有效的手术方式。 尤其前路手术的减压范围，包括上下方

37、的减压范围， 如椎体次全切、扩大椎间隙减压、椎体两侧减压范围 等。典型病例1患者c4-5、c5-6椎间隙后缘颈脊髓压迫， c6椎体中部以上opll ,另患者的体格偏小（身高1.40 m）, 仔细观察3d模型，选择了经前路进行减压手术。为保 留c6椎体和c6-7椎间运动单元，采用磨钻磨除c6上半 椎体、c5次全切除的术式，术后患者的满意度高。典 型病例2患者骨化的后纵韧带重叠，不排除有硬脊膜 骨化的现象，对于术者来讲，前路手术难以保证术中减压彻底，同时为避免脑脊液漏等情况，在患者 k线 满意的情况，选择了后路颈椎管单开门成形手术，术 后脊髓功能改善率 70% ,无颈椎轴向痛等并发症。当患者存在较

38、严重骨质疏松，或者二次翻修手术， 可选择颈椎后路椎弓根钉置入内固定，或者前路反向椎弓根内固定方法，由于椎弓根结构和人个体差异等特 点，前后方的经椎弓根结构内固定，均有着较大手术风袁峰，等.3d打印模型在颈椎后纵韧带骨化手术减压方式选择中的应用.crter .org险和难度，由于导航设备的难以普及，术前 3d打印导 航模板现已成功应用于临床，并取得满意的效果，已得 到作者的临床使用验证。文章结果显示无论在患者症状 改善、影像学检查，还是 joa评分及目测类比评分的 改善，亦或是并发症的发生情况，3d打印模型在修复手术方式的选择上起到了至关重要的作用，可以为术者 提供术前、术中有效的参考。致谢：感

39、谢徐州市3d科技有限公司在工作中的帮助， 在此致以衷心的感谢。作者贡献：文章设计袁峰、吴继彬，资料收集、实施 陆海涛、邓斌、李智多、李威，陆海涛成文，袁峰审校并 对文章负责。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：患者对治疗方案知情同意，且得到医院伦 理委员会批准。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：文章经国内小同行外审专家双盲外审，符 合本刊发稿宗旨。作者声明：袁峰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

40、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 references1刘忠军.颈椎后纵韧带骨化症的手术入路选择策略之我 见j.中国脊柱脊髓杂志，2010,20(3):180-181.2 lee ck, shin da, yi s, et al. correlation between cervical spine sagittal alignment and clinical outcome after cervical laminoplasty for ossification of the posterior longitudinal ligament. j neurosurg

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