3D打印技術(shù)應(yīng)用于脊柱個性化椎體定制的實(shí)驗(yàn)研究

目前椎體結(jié)核、腫瘤、囊腫、創(chuàng)傷所致椎體嚴(yán)重破壞的治療方法主要為全椎體切除術(shù)，全椎體切除不僅對脊柱支撐、承載及緩沖的功能造成巨大影響，脊柱的連續(xù)性也遭到破壞。因此，凡是行全椎體切除術(shù)者，無一例外需要重建脊柱的結(jié)構(gòu)與生物力學(xué)的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的替代材料并非針對患者的個性化設(shè)計(jì)，需要臨床醫(yī)師根據(jù)術(shù)中情況臨時塑形，在手術(shù)時間、術(shù)中出血、并發(fā)癥的控制方面難以把握。3D打印技術(shù)是一種綜合應(yīng)用了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）、數(shù)控技術(shù)、新型高分子材料、激光技術(shù)、三維CT等技術(shù)的高科技制造方法。得益于精細(xì)度高、成品堅(jiān)固、可復(fù)制復(fù)雜的幾何模型等因素，越來越多的行業(yè)領(lǐng)域樂于采用3D打印的方式。北醫(yī)三院就應(yīng)用3D打印技術(shù)完成了多例脊柱手術(shù)，并且取得了良好的效果。北醫(yī)三院3D打印人工樞椎植入已完成6例，都獲得很好的治療結(jié)果

隨著 3D打印技術(shù)逐步引入脊柱外科應(yīng)用，使個性化脊 柱重建成為脊柱外科的手術(shù)目標(biāo)。該技術(shù)可定制符合患者脊柱力學(xué)分布特點(diǎn)的個性化人工椎體，同時為術(shù)前明確脊柱病變部位、椎體破壞范圍提供可視化模型，為脊柱腫瘤、炎癥等侵犯周圍軟組織情況及脊柱創(chuàng)傷對鄰近結(jié)構(gòu)的損傷提供更為準(zhǔn)確直觀的證據(jù)支持。本研究采用3D打印技術(shù)制作豬的脊柱，探討個性化人工椎體在脊柱外科應(yīng)用的可行性。接下來，我們應(yīng)用3D打印技術(shù)制作豬脊柱個性化椎體的過程，探討3D打印技術(shù)在脊柱外科應(yīng)用的可行性，并為 進(jìn)一步進(jìn)行人工椎體的生物相容性與生物力學(xué)性能測試提供實(shí)體。

此次研究流程是：
1）.通過對20頭紫金藍(lán)塘草豬的腰椎進(jìn)行連續(xù) 斷層CT影像采集，獲得豬腰椎DICOM影像數(shù)據(jù)。
2）.將所獲得的影響數(shù)據(jù)導(dǎo)入MIMICS軟件中，并應(yīng)用該軟件對斷面影像進(jìn)行修補(bǔ)和擦除，得到滿意的3D圖像，并以STL格式保存。
3）.應(yīng)用SolidWorks軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)具有不同孔隙大小、孔隙率等特征的復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)。
4）.再通過選擇性激光熔化（SLM）技術(shù)打印出最終的人工椎體。
5）.然后，手術(shù)取出豬的整個7節(jié)腰椎，并將對應(yīng)節(jié)段置換成人工椎體。
6）.觀察人工椎體與豬脊柱椎體形態(tài)差異及椎體置換后整個腰椎形態(tài)變化。
結(jié)果 通過3D 打印的人工椎體與手術(shù)取出的豬的相應(yīng)節(jié)段椎體形態(tài)結(jié)構(gòu)完全相符，置換后脊柱形態(tài)與術(shù)前未發(fā)生明顯變化。結(jié)論應(yīng)用3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的椎體個性化制作，為被破壞的椎體實(shí)現(xiàn)個性化人工椎體置換提供新的思路。

真是辛苦二師兄了.......

1材料與方法
1.1研究對象
選取20頭平均12（10~15）個月齡、體重平均53（48~56）kg的紫金藍(lán)塘草豬為本次研究的對象，均未發(fā)現(xiàn)脊柱畸形及椎體破壞。分別選取L3~5椎體（L36例，L48例，L56例）作為目標(biāo)椎體。

1.2 3D打印椎體的制作
1.2.1 數(shù)據(jù)收集
應(yīng)用64排螺旋CT機(jī)對目標(biāo)椎體及鄰近節(jié)段解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行連續(xù)斷層掃描獲得其DI-COM醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，將DICOM格式文件導(dǎo)入到MIMICS軟件中，得到椎體斷層圖，從3個不同 視角分別顯示掃描得到的斷面圖，初步建立椎體的三維模型。通過對圖像灰度及對比度的調(diào)整，去掉椎體周圍軟組織陰影，從而對目標(biāo)窗口椎體圖像進(jìn)行閾值界定，同時還可以對斷面影像進(jìn)行修補(bǔ)和擦除，得到完整的三維模型。利用Ansys軟件對椎體三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，經(jīng)過精減網(wǎng)格、優(yōu)化網(wǎng)格質(zhì)量及光滑處理后，最終得到滿意的3D圖像，并以STL格式保存。

1.2.2 椎體替代物材料的選擇與多孔“蜂窩狀”人工 椎體設(shè)計(jì)

充分發(fā)揮選擇性激光熔化（SLM）技術(shù)在 復(fù)雜結(jié)構(gòu)成型方面的優(yōu)勢，采用SolidWorks專業(yè)軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)以12面體為陣列單元，具有不同孔隙大小、孔隙率等重要特征的三維連通的復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)。在多孔結(jié)構(gòu)的仿真分析方面，采用ANSYSWorkbench專業(yè)軟件，利用有限元工作方式將連續(xù)的彈性體離散成為有限個單元，應(yīng)用單元位移函數(shù)，通過對單元進(jìn)行力學(xué)分析，從而獲得整個連續(xù)體的力學(xué)性質(zhì)特征。結(jié)合多孔結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變分布仿真模擬結(jié)果，可對存在應(yīng)力集中或者明顯塑性變形的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行優(yōu)化。多孔鈦及鈦合金由于具有獨(dú)特的孔隙結(jié)構(gòu)，通過改變孔隙形狀、孔隙大小、孔隙率及孔隙的連通分布等因素，改變其力學(xué)性能，能夠獲得與人骨相匹配的彈性模量，從而減弱甚至避免由“應(yīng)力屏蔽”造成的問題。利用3D打印機(jī)制備成具有多孔“蜂窩狀”人工椎體，空隙大小控制在100μm，可以保證細(xì)胞在椎體內(nèi)自由生長，促進(jìn)植骨融合（圖1）。同時“蜂窩狀”人工椎體可以作為一個載體，內(nèi)部可以放置BMP甚至骨粉，不僅起到了承重、連接的作用，同時多孔的結(jié)構(gòu)有利于骨細(xì)胞的黏附生長和體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)的傳輸。

1.2.3應(yīng)用SLM技術(shù)打印人工椎體SLM技術(shù)是增

材制造技術(shù)的一種，此類技術(shù)通過“層層疊加”的原理，部分或者全部熔化金屬粉末，可直接實(shí)現(xiàn)CAD模型到實(shí)物的轉(zhuǎn)換。根據(jù)激光對金屬粉末的熔化方式，選擇性激光快速成型技術(shù)可以分為選擇性激光燒結(jié)（DMLS或SLS）和SLM2大類。由于DMLS和SLS工藝屬于粉末燒結(jié)技術(shù)，金屬粉末在激光作用下未完全熔化，存在成型材料致密度低、強(qiáng)度較低、成型尺寸精度不高和表面粗糙等不足。采用SLM技術(shù)，由于金屬粉末在激光能量作用下完全熔化，能夠形成高致密度的材料（圖2），避免了DMLS和SLS燒結(jié)技術(shù)的不足。

本項(xiàng)目使用先進(jìn)的Renishaw3D打印機(jī)，打印精度為0.3mm，打印過程：
①通過專業(yè)軟件將模具的3D模型分層，同時進(jìn)行運(yùn)算，生成每一層的路徑；
②在充滿惰性氣體的金屬鈦粉缸內(nèi)，掃描振鏡控制激光束作用于待成型區(qū)域內(nèi)的鈦粉，一層掃描完畢后，活塞缸內(nèi)的活塞隨之下降一個層厚的距離；
③送粉系統(tǒng)輸送一定量的鈦粉，鋪粉系統(tǒng)鋪展一層厚的鈦粉沉積于已成型層之上；
④重復(fù)步驟①、②成型過程，直至所有3D模型的切片層全部掃描完畢；
⑤最后，活塞上推，從成型裝備中取出人工椎體。


1.3椎體取出與人工椎體置
換將豬麻醉后俯臥于 手術(shù)臺上，正規(guī)消毒、鋪巾，以定位的L4椎體為中心切開皮膚、皮下及筋膜，剝離肌肉附著點(diǎn)，充分顯露整個脊柱腰段；沿L1椎體上緣及L7下緣椎間盤切開，分離上下關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)，離斷棘間韌帶與棘上韌帶，取出整個脊柱腰段；仔細(xì)剔除附著于椎體及附件上的肌肉、黃韌帶及硬膜囊，避免破壞正常的骨性結(jié)構(gòu)；觀察脊柱對應(yīng)節(jié)段椎體與3D打印之人工椎體間是否存在形態(tài)結(jié)構(gòu)上的差異；取出相應(yīng)節(jié)段椎體，置換為人工椎體，觀察整個脊椎有無形態(tài)變化。

2結(jié)果
20例均成功通過3D打印制造出“蜂窩狀”人工 椎體，觀察人工椎體與手術(shù)取出的相應(yīng)節(jié)段椎體之高度、徑線等基本一致（圖3）。置換為人工椎體的脊柱除破壞了上下椎間盤導(dǎo)致脊柱高度輕微丟失外，未見其他明顯形態(tài)變化。

3討論
脊柱的解剖結(jié)構(gòu)相對于其他骨關(guān)節(jié)部位要復(fù)雜得多，普通二維CT、MRI及X線片等醫(yī)學(xué)影像資料難以顯示椎體形態(tài)變化的連續(xù)性與完整性，很難為復(fù)雜的脊柱外科手術(shù)提供全面的解剖信息，對于嚴(yán)重的脊柱畸形、脊柱創(chuàng)傷導(dǎo)致的病理形態(tài)改變尤其如此。盡管目前的脊柱二維CT及三維重建等醫(yī)學(xué)影像能使脊柱復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)、骨折移位等病理改變獲得更好的顯示，但仍然只是提供平面圖像，難以為脊柱外科手術(shù)的釘?shù)涝O(shè)計(jì)等提供立體影像。而應(yīng)用3D打印技術(shù)，不僅可在術(shù)前準(zhǔn)確地對椎弓根釘?shù)倪M(jìn)釘點(diǎn)、進(jìn)釘方向與角度等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，模擬手術(shù)過程，還可以在術(shù)中復(fù)雜術(shù)野下準(zhǔn)確判斷病變部位，在復(fù)雜的脊柱結(jié)構(gòu)上精確定位內(nèi)固定裝置，使復(fù)雜的手術(shù)簡單化，大大縮短手術(shù)時間，減少術(shù)中出血，從而提高手術(shù)安全性，改善預(yù)后。本研究結(jié)果顯示，3D打印能很好地顯示椎體局部形態(tài)。另外，個性化人工椎體的“蜂窩狀”多孔設(shè)計(jì)不僅能有效削減和避免“應(yīng)力遮蔽”，還為促進(jìn)植骨融合提供誘導(dǎo)和空間。

脊柱3D打印的優(yōu)點(diǎn)：
①術(shù)前制備個性化椎體和三維模型，可進(jìn)行術(shù)前手術(shù)模擬；
②個性化椎體直接用于手術(shù)，減少手術(shù)時間、術(shù)中出血及并發(fā)癥的發(fā)生；
③手術(shù)操作精準(zhǔn)，個性化椎體置入更加簡便、安全；
④“蜂窩狀”的人工椎體設(shè)計(jì)大大增加了植骨的融合率，降低了植骨不融合、置入物脫位、置入物壓縮變形的風(fēng)險(xiǎn)；
⑤更加符合國人脊柱解剖特點(diǎn)。

D'Urso等應(yīng)用3D打印技術(shù)為1例侵犯枕骨大 孔的樞椎椎體骨母細(xì)胞腫瘤患者打印了3D模型，通 過術(shù)前觀察與手術(shù)規(guī)劃，順利為該患者完整切除腫 瘤。VanDijk等對4例脊椎腫瘤患者的脊柱實(shí)體模型進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃，模擬腫瘤切除和椎體重建手術(shù)，并為患者定制了置入假體及椎弓根釘?shù)葍?nèi)固定裝置，結(jié)果證明，所有模型都為手術(shù)提供了必要的信息，部分細(xì)節(jié)內(nèi)容甚至影響了術(shù)前手術(shù)決策的制定，使手術(shù)得以順利完成，術(shù)中所見與模擬手術(shù)十分吻合，置入物與內(nèi)固定裝置也相當(dāng)精確。Izatt等對脊柱實(shí)物模型在脊柱外科手術(shù)中的實(shí)用性進(jìn)行了量化研究，用數(shù)據(jù)顯示了3D技術(shù)在脊柱外科的重要性，對26例（脊柱畸形21例，脊柱腫瘤5例）28個脊柱椎體進(jìn)行了三維重建并獲得實(shí)物模型，通過觀察脊柱實(shí)物模型，制定手術(shù)方案，并為腫瘤切除及畸形矯正后定制置入物；

結(jié)果顯示，65％的患者可以通過3D模型獲得比傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)影像資料更為全面的信息，11％的患者獲得了只有3D模型才能提供的可影響手術(shù)操作的相關(guān)信息，52％的患者因?qū)嵨锬Ｐ偷膽?yīng)用改變了術(shù)前手術(shù)決策，甚至有74％的患者因此改變了置入物的置入部位；術(shù)中證實(shí)約39％的實(shí)物模型提供的解剖信息和術(shù)中所見完全相同，還有58％的實(shí)物模型解剖和術(shù)中解剖也沒有太大差異，只有1例差異稍大；通過實(shí)物模型的應(yīng)用，均不同程度地縮短了手術(shù)時間（脊柱畸形手術(shù)縮短約22％的操作時間，而脊柱腫瘤手術(shù)縮短約 8％）。Guarino等的研究也得出類似結(jié)論，即通過對 脊柱實(shí)物模型的觀察與模擬手術(shù)，能夠?yàn)槭中g(shù)決策的制定與術(shù)中操作提供可靠的信息。兒童脊柱實(shí)物模型的應(yīng)用能夠明顯提高小兒脊柱手術(shù)的安全性，同時大大縮短手術(shù)時間，從而最大限度地減少了手術(shù)創(chuàng)傷，為術(shù)后恢復(fù)創(chuàng)造條件。Yang等應(yīng)用3D打印技術(shù)順利完成了1例樞椎腫瘤破壞的切除與術(shù)后重建手術(shù)，成功克服了傳統(tǒng)重建技術(shù)難以獲得滿意支撐與良好功能的難題。

3D打印材料的生物相容性、生物力學(xué)性能等仍 需不斷探索，這在很大程度上限制了其作為個性化置入物在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用。個性化椎體的制作時間較長，費(fèi)用昂貴，據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，目前每完整打印一個脊柱實(shí)物模型需要大約1周的時間，花費(fèi)為幾百至幾千美元不等，這也是限制其廣泛應(yīng)用的一個重要原因。


文章部分來源：夏曉龍，陳揚(yáng)，邱奕雁，楊欣建，張偉彬，楊澤雨  （深圳市第二人民醫(yī)院脊柱外科）