摘 要
3D打印技術(shù)在復(fù)雜脊柱手術(shù)中的應(yīng)用不斷深入,，從簡單的外科手術(shù)術(shù)前規(guī)劃演變?yōu)橥饪剖中g(shù)導(dǎo)向器,、最后成為打印的植入物本身,。本文概述了3D打印在復(fù)雜脊柱手術(shù)中應(yīng)用的歷史、現(xiàn)狀和未來發(fā)展方向，并指出目前該技術(shù)遇到的一些問題。
在診治特發(fā)性、先天性,、退行性以及損傷相關(guān)等等復(fù)雜的脊柱畸形時，脊柱外科醫(yī)生有時需要采用復(fù)雜而新型的外科技術(shù)對其進行穩(wěn)定和矯正,。盡管最近幾十年來,，手術(shù)治療策略和內(nèi)固定植入物得到顯著發(fā)展和改善，但復(fù)雜的脊柱畸形矯正手術(shù)仍然是一項艱巨的任務(wù),。為了評估脊柱畸形的嚴(yán)重性并對外科手術(shù)進行計劃,，醫(yī)師在傳統(tǒng)上依賴于包括x光、透視,、計算機斷層掃描(CT)和磁共振成像(MRI)的成像模式,。然而，放射平片圖像或3維掃描數(shù)據(jù)的2維投影無法準(zhǔn)確地表示出3D解剖畸形的全部細節(jié),，從而在術(shù)前規(guī)劃過程中降低了它們的價值,。
近年來，3D建模和快速成型(RP)或3D打印技術(shù)越來越多地用于復(fù)雜手術(shù)的術(shù)前計劃,。那些在平面成像模式下容易遺漏或誤解的高度復(fù)雜畸形的解剖細節(jié),，可以得到精確再現(xiàn)。來自澳大利亞昆士蘭科技大學(xué)兒童健康研究中心的Caroline等人對3D打印在復(fù)雜脊柱手術(shù)中應(yīng)用的歷史,、現(xiàn)狀和未來發(fā)展方向進行了綜述,，并發(fā)表在《Techniques in Orthopaedics》雜志2016年第31期上,。
為了探討3D打印在復(fù)雜脊柱手術(shù)中的應(yīng)用現(xiàn)狀,，并探討這項技術(shù)的未來潛力，作者對包含“3D打印,、快速成型,、生物標(biāo)記或生物模型”等關(guān)鍵詞，結(jié)合“脊柱,、脊柱和手術(shù),、手術(shù)規(guī)劃”等檢索詞，對文獻進行了搜索,。在檢索出的16篇文章中,，有1篇因為沒有英文版而被剔除。出版年份介于1999年和2015年之間,。接近一半的論文在近五年發(fā)表,，與該技術(shù)的快速增長的情況相一致。檢索結(jié)果共顯示出三個關(guān)鍵的重點領(lǐng)域：對復(fù)雜脊柱畸形病例模型打印以進行手術(shù)計劃,、設(shè)計患者個體化的手術(shù)導(dǎo)向器以及最近出現(xiàn)的定制個體化鈦植入物,。
3D打印模型用于手術(shù)計劃
1999年在澳大利亞的一個小組最早報道了在復(fù)雜脊柱畸形的手術(shù)規(guī)劃中使用3D打印模型,。 D'Urso等人對5例復(fù)雜病例進行了初步前瞻性研究，以考察其在脊柱畸形手術(shù)中的有效性,。該時期幾項研究均認(rèn)為,，復(fù)雜脊柱畸形的全面信息需要通過3D重建模型來獲取，使用常規(guī)的成像模式往往不夠,。這些研究發(fā)現(xiàn),，盡管可以在計算機監(jiān)視器上從任何方向和角度顯示和觀察CT的3D重建，但是這些缺乏觸覺的視圖常帶來不全面的信息,，常迫使術(shù)中需要做出相應(yīng)改變,，比如對植入物、手術(shù)方法或固定方式進行調(diào)整等,。
進一步研究發(fā)現(xiàn),，3D打印的生物模型提供了許多便利，并帶來更好的手術(shù)效果,。比如,，Mizutani等人在類風(fēng)濕性頸椎手術(shù)前使用3D模型進行規(guī)劃，發(fā)現(xiàn)對頸椎椎弓根螺釘軌道及進釘點的評估更理想,，并能確定枕頸連接處內(nèi)固定位置,，避免術(shù)后吞咽困難等并發(fā)癥。Lzatt等人將3D打印模型應(yīng)用于脊柱腫瘤和畸形手術(shù)中,，發(fā)現(xiàn)與CT或MRI 3D重建相比,，3D打印模型上解剖學(xué)細節(jié)得以更好的顯示或完全可見，這對內(nèi)植物及置入部位的術(shù)前判斷造成較大影響,，降低了術(shù)中修正的幾率,，并減少了手術(shù)時間。
此外,，多個研究均表明3D打印模型具有明顯的視覺優(yōu)勢,，更有利于術(shù)前計劃、選擇內(nèi)固定及植入位置的判斷,，并能減少手術(shù)時間,、減少手術(shù)失誤率。此外,，3D打印模型是與同事及患者/家屬溝通的一個理想工具,，可以幫助他們更好地理解病變部位解剖結(jié)構(gòu)、手術(shù)方式及相應(yīng)風(fēng)險,。然而,，使用3D打印模型技術(shù)時同時存在不少限制，主要涉及額外的時間、勞動力及模型制作成本等的耗費等,，限制了該技術(shù)的應(yīng)用,。
3D打印設(shè)計患者個體化手術(shù)導(dǎo)向模板
自2009年以來，椎弓根置釘設(shè)計及制作導(dǎo)向模板成為3D打印應(yīng)用的新領(lǐng)域,，特別是頸椎手術(shù)中,。該部位的解剖結(jié)構(gòu)相當(dāng)密集，在兒科病例中更是如此,，精密的神經(jīng)組織密切相鄰,，此時精確的螺釘置入至關(guān)重要。Lu等人較早報道在頸椎手術(shù)中應(yīng)用塑料的3D打印導(dǎo)向模板,，術(shù)中將其與顯露的骨骼解剖標(biāo)志直接接觸,，沿著預(yù)定通道進行置釘。他們發(fā)現(xiàn)該技術(shù)置釘準(zhǔn)確性非常高,，并減少了操作時間及輻射暴露,。
隨后，多個研究均證明了3D打印塑料椎弓根釘導(dǎo)向模板的有效性,，術(shù)中的置釘位置和角度與術(shù)前預(yù)期非常接近,。考慮到塑料材質(zhì)與鉆頭等手術(shù)工具接觸時可能產(chǎn)生碎屑,，帶來潛在的安全性風(fēng)險,，Takemoto等人建議采用鈦金屬材料制作3D打印導(dǎo)向模板，并通過研究證明了其安全性及有效性,。他們認(rèn)為,，鈦金屬模板具有較高的強度和剛性的優(yōu)點，確保了更高的精度和可靠性,，減少了翹曲和折彎的機會,，并且消除了鉆頭或螺釘穿過材料時切割產(chǎn)生碎屑的可能性。
3D打印定制個體化植入物
近年來金屬印刷技術(shù)(如激光直接燒結(jié)和電子束熔煉技術(shù))的發(fā)展,，使個體化定制的脊柱植入物變得可行,。比起傳統(tǒng)的脊柱植入物，3D打印通用的和定制的金屬植入物具有許多優(yōu)點,。比如，3D打印符合患者椎體終板幾何形狀的植入物具有更好的剛度及抗壓能力,，同時鈦金屬多孔結(jié)構(gòu)材料具有誘導(dǎo)骨長入的生物活性,，具有很大的潛力成為骨替代材料。目前,，已有許多公司專門為患者定制個體化的脊柱植入物,。
目前，脊柱手術(shù)中使用3D打印作為術(shù)前規(guī)劃工具在過去30年中一直持續(xù)發(fā)展，并具有明顯的優(yōu)點——減少手術(shù)時間,、減少術(shù)中輻射暴露,、改善整體手術(shù)效果、可在術(shù)前選擇植入物并可作為醫(yī)療團隊成員之間溝通的有力工具,。盡管如此,，為何該技術(shù)卻仍然沒有得到快速的發(fā)展和普及?其中一個可能，是來自于該技術(shù)可用性及成本的限制,。并且,，從對患者進行掃描到生產(chǎn)出3D打印模型再寄送達外科醫(yī)生進行手術(shù)，需要數(shù)天時間,。另一個可能是,，并非所有的脊柱外科醫(yī)生都需要進行復(fù)雜的矯形手術(shù)，反而是由小部分高度專業(yè)的脊柱畸形團隊包攬了大部分復(fù)雜脊柱畸形患者的診治管理,。
隨著3D打印技術(shù)不斷發(fā)展,，打印模型的成本將逐漸降低、速度將逐漸提高,，3D打印將成為脊柱畸形手術(shù)的重要組成部分,。相比術(shù)前設(shè)計模型、術(shù)中導(dǎo)向模板,，3D打印個體化植入物得以成為一個理想的發(fā)展方向,，并將體現(xiàn)出3D打印技術(shù)的最大效益，可使手術(shù)更加微創(chuàng),、更加精確,。在不久的將來，3D打印技術(shù)可能會對醫(yī)療保健領(lǐng)域做出更大貢獻,，甚至可能帶來醫(yī)療保健模式的改變,。
