【解析】3D打印技術(shù)在脊柱外科的應(yīng)用

3D打印技術(shù)作為一個新興的技術(shù)領(lǐng)域，是骨科治療技術(shù)的一次革新，其主要原理是預(yù)先構(gòu)建計算機(jī)數(shù)字化模型文件，運(yùn)用可黏合材料通過3D打印機(jī)逐層打印三維實(shí)物模型。3D打印技術(shù)可以將虛擬的計算機(jī)輔助設(shè)計模型準(zhǔn)確快速的轉(zhuǎn)化為三維實(shí)物原型 ，由于3D打印實(shí)物模型具有很強(qiáng)的三維立體直觀性，所以目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用在醫(yī)學(xué)的不同領(lǐng)域。目前3D打印技術(shù)主要是在復(fù)雜的骨腫瘤切除、骨盆骨折、髖部發(fā)育異常及骨折、脊柱畸形及損傷、頭顱整形、口腔下頜骨修復(fù)、肢體畸形、骨缺損和假體制作等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用 。

通過提取CT、 MRI掃描數(shù)據(jù)重建計算機(jī)三維模型，并通過3D打印技術(shù)制作出不同大小的實(shí)物模型，使醫(yī)生更加直觀地、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)X射線片、CT、MRI等傳統(tǒng)影像學(xué)資料隱藏的解剖信息，并且醫(yī)生還可以直接在打印的實(shí)物模型上進(jìn)行診斷、制定個體化的手術(shù)方案、模擬手術(shù)操作，還可根據(jù)患者需要設(shè)計、制造個性化器械，甚至打印人體器官等，從而提高疾病的診斷率，增加手術(shù)的精確性、安全性。  目前在脊柱外科臨床相關(guān)領(lǐng)域中，3D打印技術(shù)主要應(yīng)用在釘?shù)缹?dǎo)板輔助椎弓根置釘、術(shù)前模擬規(guī)劃修復(fù)方案的應(yīng)用研究中，應(yīng)用范圍較窄，文章就近年來3D打印技術(shù)在脊柱外科領(lǐng)域相關(guān)領(lǐng)域新的前瞻性應(yīng)用文獻(xiàn)進(jìn)行總結(jié)，參考3D打印技術(shù)在骨科方向的發(fā)展以及臨床應(yīng)用，綜合匯總分析3D打印技術(shù)在脊柱外科領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀及未來發(fā)展方向。

1  資料和方法  
1.1  文獻(xiàn)檢索
電子檢索：由第一作者應(yīng)用計算機(jī)檢索，國內(nèi)部分 文獻(xiàn)數(shù)據(jù)來源于中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(CNKI)、萬方數(shù)據(jù)庫(WF)。國外部分文獻(xiàn)數(shù)據(jù)來源于PubMed、谷歌學(xué)術(shù)。檢索日期為2000年1月至2015年7月。  手工檢索：手工檢索《中華骨科雜志》、《中華創(chuàng)傷 骨科雜志》、《中國脊柱脊髓雜志》、《脊柱外科雜志》、《頸腰痛雜志》等，并追索已檢出文獻(xiàn)的相關(guān)參考文獻(xiàn)。

1.2  檢索詞   
中文檢索詞：3D打印技術(shù)、快速成型技術(shù)、脊柱、 脊椎、骨科、骨折、關(guān)節(jié)、手足、骨腫瘤、創(chuàng)傷、頸椎、胸椎、腰椎、骶椎、椎弓根、椎體、椎間盤、臨床應(yīng)用。
英文檢索詞：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  檢索標(biāo)準(zhǔn)  
納入標(biāo)準(zhǔn)：關(guān)于3D打印技術(shù)在脊柱外科的新應(yīng)用包 括個案報道、回顧性分析、調(diào)查研究、前瞻性研究、隨機(jī)對照研究等，以及3D打印技術(shù)在骨科其他方向的前瞻性臨床應(yīng)用相關(guān)文獻(xiàn)。  排除標(biāo)準(zhǔn)：綜述、系統(tǒng)評價、翻譯、各數(shù)據(jù)庫中重 復(fù)的文獻(xiàn)、重復(fù)發(fā)表的以及重復(fù)使用數(shù)據(jù)的文獻(xiàn)予以排除。  

1.4  數(shù)據(jù)分析
評價檢索結(jié)果是否符合事先制定的納入及排除標(biāo)準(zhǔn)，對符合納入標(biāo)準(zhǔn)的文獻(xiàn)分別進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，包括文章標(biāo)題、發(fā)表時間、研究類型等。對所得文獻(xiàn)進(jìn)行總結(jié)參考，綜合分析其在脊柱外科領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀，綜合3D打印技術(shù)在骨科其他方向的前瞻性研究，分類探討。

2  結(jié)果  
共檢索到1 000余篇中英文相關(guān)文獻(xiàn)，初步閱讀摘要共篩選出462篇文獻(xiàn)，按照納入及排除標(biāo)準(zhǔn)，共保留50篇文獻(xiàn)做進(jìn)一步分析。文獻(xiàn)篩選和質(zhì)量評價由第一作者獨(dú)立進(jìn)行并交叉核對，如出現(xiàn)分歧時，則通過討論或由第二作者協(xié)助解決。對所得文獻(xiàn)分類匯總，3D打印技術(shù)在脊柱外科的臨床應(yīng)用主要集中在，釘?shù)缹?dǎo)板的輔助置釘、術(shù)前手術(shù)規(guī)劃模擬，3D打印技術(shù)在骨科相關(guān)領(lǐng)域的新應(yīng)用主要可以分為：疾病的診斷、支具定制、臨床教學(xué)與醫(yī)患溝通、截骨導(dǎo)板、內(nèi)置物定制、骨組織重建。參考其研究方向和臨床應(yīng)用，未來3D打印技術(shù)在脊柱外科的臨床應(yīng)用可以分為以下幾個方面：

2.1  脊柱外科復(fù)雜疾病的診斷  
脊柱解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，又有脊髓、神經(jīng)等重要組織結(jié)構(gòu)毗鄰，面對復(fù)雜脊柱疾病時，如脊柱畸形，由于傳統(tǒng)影像學(xué)檢查無法提供精準(zhǔn)的三維解剖關(guān)系，通過傳統(tǒng)的影響學(xué)資料醫(yī)師可能會得出片面的結(jié)論，將直接影響疾病的準(zhǔn)確診斷，且容易造成漏診、誤診、疾病診斷的不全或不清，從而影響疾病的療效及預(yù)后。而3D打印技術(shù)可重建脊柱三維解剖結(jié)構(gòu)，顯著提高了疾病的診療質(zhì)量。  與X射線片、CT、MRI等傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)影像學(xué)資料相比，3D打印實(shí)體模型可以提供更加詳細(xì)、直觀、立體、現(xiàn)實(shí)的解剖學(xué)信息 。醫(yī)師可以更加直觀地觀察分析脊柱解 剖結(jié)構(gòu)，從而極大的提高了臨床醫(yī)師對復(fù)雜脊柱疾病空間解剖結(jié)構(gòu)的理解，進(jìn)而做出更加精確的疾病診斷[12] ， 如復(fù)雜脊柱骨折的分型、脊柱側(cè)彎的分型、脊柱腫瘤的 鑒別等 [13-15] ，從而減少復(fù)雜疾病的漏診和誤診 ，明顯 提高患者的診療質(zhì)量。

2.2  個體化支具的定制  
3D打印技術(shù)聯(lián)合生物力學(xué)分析技術(shù)，可以個體化定制脊柱支具，其優(yōu)點(diǎn)包括：
①材料選擇的多樣性，可以根據(jù)不同的治療目的及患者的要求選擇不同的制作材料。
②能夠快速制作，簡便易成型。
③符合人體工學(xué)特點(diǎn)，輕便舒適合體。
④聯(lián)合生物力學(xué)分析軟件分析設(shè)計可以得到更加符合生物力學(xué)的支具。
⑤可以個體化定制，而有研究表明個體化截癱支具對患者的日常生活活動能力及步行能力的改善有重要意義  。而舒適適宜的個體化支具能夠更好的幫助患者早 日恢復(fù)健康狀態(tài)。  

2.3  臨床教學(xué)與醫(yī)患溝通  
3D打印技術(shù)可以重現(xiàn)脊柱外科相關(guān)疾病的重要解剖學(xué)特點(diǎn)。從而為臨床教學(xué)及醫(yī)患溝通提供直觀、立體、典型的3D打印實(shí)物模型。幫助學(xué)生更好的理解脊柱外科相關(guān)疾病的解剖結(jié)構(gòu)及發(fā)病機(jī)制，幫助患者及家屬更好的了解所患疾病。  

2.3.1  臨床教學(xué)
3D打印技術(shù)可以重現(xiàn)脊柱外科相關(guān)疾病的重要解剖學(xué)特點(diǎn)。從而為臨床教學(xué)提供直觀、立體、典型的實(shí)物模型。幫助學(xué)生更好的理解脊柱外科相 關(guān)疾病的解剖結(jié)構(gòu)及發(fā)病機(jī)制。  脊柱解剖因其形態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部位深在，處于教師難教、學(xué)生難學(xué)的境地。傳統(tǒng)教學(xué)方式相對抽象，而根據(jù)影像學(xué)資料，運(yùn)用3D打印技術(shù)打印的實(shí)體模型則能夠體外再現(xiàn)脊柱的三維形態(tài)及特定的斷層結(jié)構(gòu)，為臨床教學(xué)提供更為直觀的三維圖像信息，從而提高了學(xué)生對脊柱解剖結(jié)構(gòu)的理解及記憶。有研究表明3D打印實(shí)物模型教學(xué)能夠幫助學(xué)生更好的理解復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)，提高教 學(xué)質(zhì)量。

脊柱外科相關(guān)疾病因其特殊結(jié)構(gòu)、部位、發(fā)病機(jī)制，概念相對抽象，學(xué)生不易理解；并且病因復(fù)雜，涉及的解剖學(xué)、骨科生物力學(xué)等學(xué)科內(nèi)容廣泛，學(xué)生掌握較難。與傳統(tǒng)教學(xué)方法的單純平面結(jié)構(gòu)圖，3D打印實(shí)物模型具有真實(shí)、客觀、立體、生動、直觀、感性的解剖學(xué)特點(diǎn)，可以將原本難以理解的具有復(fù)雜解剖特點(diǎn)的脊柱外科相關(guān)疾病，形象直觀立體地呈現(xiàn)于學(xué)生面前，使學(xué)生對脊柱的立體結(jié)構(gòu)、病理、疾病分型及治療方法的理解更加容易 。

2.3.2  醫(yī)患溝通  
3D打印技術(shù)可以體外再現(xiàn)患者病變區(qū)的解剖結(jié)構(gòu)，有利于醫(yī)生之間以及醫(yī)生與患者及家屬之間的交流，醫(yī)生可以借助于患者自己的解剖模型，為其及家屬指出關(guān)鍵的區(qū)域及解剖特點(diǎn)，增加患者及家屬對所患疾病的理解和認(rèn)識。同時方便醫(yī)患溝通，醫(yī)生可以借助相關(guān)模型向患者及家屬交代手術(shù)風(fēng)險及術(shù)后的相關(guān)并發(fā)癥，從而使患者及家屬更加了解相關(guān)疾病術(shù)語，提高患者及家屬對該疾病的認(rèn)識，增加醫(yī)患之間的互信，降低醫(yī)療糾紛的發(fā)生。  

2.4  個體化高精度的手術(shù)方案的制定  
與傳統(tǒng)的術(shù)前規(guī)劃相比，3D打印技術(shù)可以客觀、立體、生動、直觀、感性的打印出1∶1的實(shí)物模型，并可以根據(jù)術(shù)者的需要打印不同的切面，更好的觀察特定區(qū)域的解剖特點(diǎn)，制定更加精準(zhǔn)的個體化的手術(shù)方案，并可以在3D打印模型上進(jìn)行預(yù)定手術(shù)的模擬操作，增加手術(shù)的熟練度，明顯縮短手術(shù)所需的時間[19-21] ，減少醫(yī)生和患者放射線的暴露 的時間和劑量 [22-23] ，提高手術(shù)的可對比性和相對同一 性，并還可以制作一些個體化的手術(shù)器械，輔助手術(shù)的快速完成。其中包括：  

2.4.1  釘?shù)缹?dǎo)板輔助椎弓根精確置釘  
脊柱椎弓根毗鄰脊髓、神經(jīng)、椎動脈等重要解剖結(jié)構(gòu)，螺釘置入位置、角度嚴(yán)重偏移時不僅可以導(dǎo)致螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)強(qiáng)度的下降，甚至還會損傷相鄰的脊髓、神經(jīng)，而且還有可能損傷椎動脈，造成大出血，危及生命。再加上脊柱畸形等復(fù)雜疾病，使得椎弓根的精確置釘更加困難，而有研究表明，運(yùn)用3D打印技術(shù)重建脊柱三維模型，設(shè)計釘?shù)溃�并制定相�?yīng)的釘?shù)缹?dǎo)板，應(yīng)用與手術(shù)中的椎弓根置釘，能夠精確的把握置釘?shù)奈恢�、方向及角度，且操作簡單，并可術(shù)前設(shè)計螺釘?shù)拈L度及直徑 ，且研究表明能夠明顯提高置釘?shù)臏?zhǔn)確率 [28] 。 Mao等 應(yīng)用快3D打印技術(shù)輔助治療16例重度脊 柱側(cè)凸畸形患者，術(shù)后脊柱側(cè)凸角度由平均118°減小為42°，手術(shù)療效顯著，從而證實(shí)了3D打印技術(shù)不僅可提供準(zhǔn)確的定量解剖信息，還可協(xié)助手術(shù)的術(shù)前規(guī)劃設(shè)計，使手術(shù)更加精確科學(xué)。  3D打印椎弓根螺釘導(dǎo)板置釘有如下幾個優(yōu)點(diǎn)：

①定位準(zhǔn)確迅速，減少術(shù)中過度剝離，降低置釘難度，提高置釘?shù)臏?zhǔn)確率，簡化操作，縮短手術(shù)時間，降低手術(shù)風(fēng)險，減少術(shù)中出血。
②減少術(shù)中透視的時間，減少手術(shù)人員和患者放射線暴露的劑量。
③個體化導(dǎo)航模塊不受患者體位變化的影響，導(dǎo)航模塊只涉及單個椎體的解剖結(jié)構(gòu)，避免了一切因體位變化而產(chǎn)生的誤差，在很大程度上降低了手術(shù)的難度。

2.4.2  截骨導(dǎo)板輔助截骨減壓范圍的的精確劃定
脊柱后路減壓、開窗及復(fù)雜脊柱畸形矯形等手術(shù)都需要截骨，傳統(tǒng)的術(shù)前規(guī)劃，術(shù)者對截骨范圍的設(shè)計大多是通過術(shù)前影像學(xué)資料以及計算機(jī)軟件測量設(shè)計并進(jìn)行修復(fù)方案模擬來實(shí)現(xiàn)的，相對而言截骨范圍的確定還不夠精確。再加上脊柱本身解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在一定的個體差異，而脊柱畸形常常涉及到多種解剖結(jié)構(gòu)的變異，如有椎弓根缺如、椎體旋轉(zhuǎn)，脊柱側(cè)彎、脊柱后凸，甚至椎體分節(jié)不全等畸形，解剖結(jié)構(gòu)及解剖標(biāo)志嚴(yán)重變異 ， 而脊柱又毗鄰脊髓神經(jīng)等重要組織結(jié)構(gòu)，運(yùn)用傳統(tǒng)的術(shù)前規(guī)劃方法，術(shù)者很難獲得術(shù)區(qū)直觀的三維解剖信息，而造成截骨線的設(shè)計精確性較低。  而截骨線的劃定，需要綜合考慮脊柱矢狀位及冠狀位的平衡、脊髓神經(jīng)的松弛程度有無序列堆積及過度牽拉、椎前血管順應(yīng)性、肌肉的牽拉程度、心肺功能的影響程度等因素。截骨或減壓范圍過小，無法達(dá)到改善外觀畸形、恢復(fù)脊柱平衡、解除神經(jīng)受壓的目的；截骨或減壓范圍過大，容易破壞脊柱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，更加容易造成神經(jīng)功能的損害，因此精確的截骨范圍是手術(shù)療效的關(guān)鍵保證。  

3D打印技術(shù)可以重現(xiàn)脊柱病變區(qū)的解剖結(jié)構(gòu)。從而為截骨線的設(shè)計提供直觀、立體、感性的實(shí)物模型，幫助醫(yī)生設(shè)計更加科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕毓蔷� 。另外3D打印技 術(shù)可以設(shè)計個體化的截骨導(dǎo)板，術(shù)者在導(dǎo)板的指引下能夠更加準(zhǔn)確的完成截骨，顯著提高了修復(fù)手術(shù)的精確性 ，實(shí)現(xiàn)了脊柱截骨、減壓、開窗手術(shù)從經(jīng)驗論 到數(shù)字化的轉(zhuǎn)化，并簡化了術(shù)式，制定的標(biāo)準(zhǔn)化治療模式對臨床工作具有重大的指導(dǎo)意義。  

2.4.3  個體化內(nèi)置物的定制
3D打印技術(shù)還可應(yīng)用于脊柱外科內(nèi)植物的個體化定制，即術(shù)者根據(jù)患者實(shí)際情況定制個體化的內(nèi)植物，以滿足解剖學(xué)、人體工程學(xué)、生物力學(xué)等不同方面的特殊要求。如椎間隙很寬、較小的兒童，造成患者所需內(nèi)植物太大或太小，或需要與患 者局部解剖結(jié)構(gòu)更為貼附的內(nèi)植物以提高手術(shù)療效時，在這些特殊情況下則需要定制個體化的內(nèi)植物，3D打印技術(shù)可以滿足定制個體化內(nèi)置物多樣性、復(fù)雜性和快速性的要求。  錢文彬等 [34] 在全脊椎整塊切除術(shù)中，應(yīng)用3D打印技 術(shù)打印椎體，置入實(shí)驗土豬體內(nèi)。并且術(shù)后觀察示實(shí)驗土豬雙后腿活動、痛覺良好。而且術(shù)后影像學(xué)檢查提示假體位置、椎間高度、椎體序列良好。個體化內(nèi)置物可保證幾何形態(tài)的完美匹配，理論上更加貼附周圍結(jié)構(gòu)。  

2.5  骨組織工程中的應(yīng)用
在骨組織工程方面，3D打印技術(shù)由于材料選擇的多樣性，主要用于制作結(jié)構(gòu)復(fù)雜的骨組織工程支架  ，甚至打印人工骨骼、椎體 [38] 。3D 打印技術(shù)可以滿足患者個體化定制的需求。可根據(jù)需要設(shè)定特定的孔隙率、交聯(lián)，使其有利于細(xì)胞的長入，并可以完美匹配支架的降解速度與成骨的速度 [39] 。理想的 骨組織工程支架不僅要具備能夠滿足細(xì)胞長入、完美匹配缺損骨組織結(jié)構(gòu)的多孔結(jié)構(gòu)，還應(yīng)具有良好的機(jī)械強(qiáng)度。隨著新材料的快速發(fā)展，3D打印技術(shù)已可以實(shí)現(xiàn)通過改良支架的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征增強(qiáng)支架的機(jī)械性能。  此外，3D打印技術(shù)可以通過控制支架孔隙率以滿足 某些特殊要求。Zhao等 以左旋聚乳酸粉末和左氧氟沙 星和妥布霉素為原料，應(yīng)用3D打印技術(shù)成功制備出多藥控釋型載藥人工骨。隨著3D打印技術(shù)在組織工程領(lǐng)域的應(yīng)用，活細(xì)胞也作為打印材料的一部分[50] ，在制備組織 工程支架的同時被一同打印出來。   

3  展望與探討
脊柱解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部位深在，周圍毗鄰神經(jīng)及血管，手術(shù)風(fēng)險較高。而手術(shù)成功的關(guān)鍵與正確的疾病診斷、責(zé)任節(jié)段的定位以及合理的術(shù)前規(guī)劃密切相關(guān)，隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展以及人們對3D打印技術(shù)在臨床方面的應(yīng)用研究，借助3D打印技術(shù)，對脊柱疾病患者進(jìn)行疾病診斷、醫(yī)患溝通、術(shù)前規(guī)劃設(shè)計，手術(shù)模擬操作、優(yōu)化手術(shù)器械、預(yù)測評估手術(shù)效果等提供了一種新的方法。  

3D打印技術(shù)既能明顯提高手術(shù)的成功率，縮短手術(shù)時間，提高手術(shù)的精確性，又能有效地減少手術(shù)并發(fā)癥的發(fā)生。3D打印技術(shù)做為一種新的仿真學(xué)研究方法，具有精確性、可重復(fù)性、安全性的優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)在脊柱外科研究領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。  目前3D打印技術(shù)的在脊柱外科的應(yīng)用已經(jīng)逐漸滲透到多個方面，但大都集中在釘?shù)缹?dǎo)板的椎弓根置釘應(yīng)用及術(shù)前手術(shù)方案規(guī)劃與模擬上，而在基礎(chǔ)研究中3D打印骨組織工程研究較多，3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)在于影像學(xué)資料的質(zhì)量，計算機(jī)三維重建的三維模型與患者實(shí)體有一定的的差別，影像資料的質(zhì)量越高計算機(jī)三維重建的實(shí)物模型的仿真性越高，越接近患者脊柱實(shí)體的解剖結(jié)構(gòu)。  

相信隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，3D打印技術(shù)在脊柱外科領(lǐng)域的應(yīng)用會進(jìn)一步深入，如隨著影像學(xué)的發(fā)展，利用3D打印技術(shù)打印脊柱局部部位的三維解剖結(jié)構(gòu)，輔助脊柱外科相關(guān)疾病的精確診斷、提高醫(yī)患溝通和教學(xué)的效果、定制個體化高精度修復(fù)方案、術(shù)中多樣式釘?shù)缹?dǎo)板定制等應(yīng)用也將逐步得到推廣，隨著人體工程學(xué)的引入，個體化定制脊柱支具也將逐步推廣，而隨著材料學(xué)的發(fā)展，3D打印個體化內(nèi)植物也將進(jìn)入臨床應(yīng)用，而隨著生物材料學(xué)、組織細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)以及3D打印技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞打印骨組織修復(fù)脊柱骨組織缺損將成為可能。

編輯：南極熊
作者：龐驕陽，趙  巖，肖宇龍，辛大奇