病例报道：3D 打印技术在复杂脊柱疾病手术计划制定以及个体化植入物设计中的应用

背景

人类对于自身脊柱及颅骨损伤的重建有着丰富且悠久的历史。在过去的五千年内，人们不断尝试着各种材料，包括各种果壳、羊的肩胛骨以及后来出现的人造塑料制品。由于 3D 打印技术与材料的进步，为不同患者进行个性化的植入物设计成为现实，这又将损伤修补技术带上了新的高度，引发了很多学者对此的兴趣和关注，并出现了很多关于 3D 打印的创新性的研究，包括制作解剖模型、个性化定制假体和植入物、构建组织和器官以及探究新的药物运载方式。

目前已有研究报道通过 3D 打印技术进行手术方案的规划，但对于复杂脊柱手术中所需的个体化植入物设计很少有报道。基于患者神经影像学数据，配合计算机三维模型制作软件的应用，则可制成患者的解剖结构模型以及手术所需的特殊植入物。本研究报道了两个使用 3D 打印技术制作解剖模型进行手术规划并定制个体化钛合金假体用于手术治疗的案例。

病例 1

63 岁男性患者，因颈肩痛 3 个月来院就诊。颈椎 MRI及 CT 可见累及 C2 椎体及 C1 前弓的占位性病变，有骨质破坏（图 1）。病变无侧方生长，未累及椎间孔区域。但其向上延伸侵及 C2 前方硬膜外区域。CT 引导下经口活检提示占位为脊索瘤。

颅颈交界区肿瘤切除术通常来说相当具有挑战性，且手术死亡率较高。手术需要进行肿瘤切除和结构重建，由于视野和操作空间较为狭小，难道较高。另外寰枢椎区域的脊索瘤预后通常很差，若不予积极治疗，疾病发展会导致脑干和颅神经受累、出现脊髓压迫、颅颈交界区不稳，并引发难治性疼痛、四肢瘫痪甚至死亡。

此病例的手术治疗分为以下几步来进行：

第一步：后路枕骨 -C3 融合术

在进行肿瘤切除之前，先予后方枕颈内固定，维持上颈椎稳定性。此步骤使得病变部位解剖结构相对位置关系保持不变，是后续治疗的基础，十分关键：它让个体化植入物的设计和术中导航技术的应用成为可能。

第二步：植入物的设计

为避免手术牵拉损伤脑干及上颈髓，计划下一步使用前方经口入路进行肿瘤切除。由于术区解剖结构复杂，故应用 3D 打印技术制作精确的塑料解剖模型以在术前辅助手术规划。通过此塑料打印模型，拟定肿瘤切除范围，进而通过手术医生与计算机软件工程师的配合，在 CAD 软件中设计相应大小的植入假体用于填补结构缺损（图2 A，B）。植入假体模型确定后，由 C.S.I.R.O 协助打印钛合金假体成品（图 2 D）。

过程中还需打印第二个颈椎塑料模型以明确植入物与骨质之间的关系：模型模拟肿瘤切除之后的状态，骨质使用半透明的材料进行打印，同时加入后路内固定螺钉结构（图 2 C），螺钉打印为红色。此模型还包括塑料材质打印的假体原型，用于术前体外模拟假体植入，医生可在此时提出假体设计的改良方案。此外，假体原型还帮助医生模拟前路内固定螺钉的放置方案，提前确定钉道轨迹，通过计算机计算后将置钉辅助结构添加至成品假体结构中（图2 B-D）。最终手术医生将模型与影像学资料相对照，确定假体植入的状态和手术方式。

最终的假体设计完成后由计算机导出数据至 C.S.I.R.O进行钛合金 3D 打印，随后打印的部分还需进行质检确定结构准确性。颈椎半透明塑料模型、植入物模板和螺钉置入轨迹指示器均进行灭菌处理，以备术中辅助使用。

第三步：前路经口肿瘤切除，3D 打印假体植入手 术 采 用 全 麻， 气 管 切 开 给 氧。 患 者 仰 卧 位，MayField 头架固定，连接 BrainLab 参考架进行手术导航。切开牙龈沟粘膜暴露前鼻棘，沿上颚切开粘膜下鼻底。正中劈开上颚以便进行重建并可暴露斜坡。切开口腔后部粘膜，进一步显露斜坡、颅颈交界区及 C2、C3 椎体。

切除 C2-3 椎间盘显露肿瘤下极；切除 C1 前弓、切断齿突尖韧带和翼状韧带，显露肿瘤上极。使用 CT 引导的导航辨认肿瘤左右侧方边界。之后即可整块切除肿瘤。全切肿瘤后使用填充了骨基质的 3D 打印假体进行结构重建，假体通过两枚固定于斜坡及两枚固定于 C3 椎体内的螺钉进行固定（图 3）。螺钉长度均已于术前确定，置钉角度由钉道轨迹指示器予以保障。结构重建顺利完成后关闭伤口，术后患者转入 ICU。手术整体时长 16.5 小时，出血 480ml。

由于手术时间较长、术中口腔牵拉的原因，术后出现了颞下颌关节紊乱及上端食道狭窄。术后 8 周时患者恢复语言；然而在术后头 3 个月只能依靠经皮内镜辅助胃造瘘进行胃內灌食。术后 6 个月时对肿瘤切除边缘进行了放疗，无相关并发症。术后 9 个月随访时，患者构音及吞咽功能正常，且复查颈椎过伸过屈位 X 线未见假体移位，提示可能已达成融合（图 6 上排）。

病例 2

52岁女性，因难治性腰痛及单侧下肢疼痛18个月来院。采用减重及理疗的方式保守治疗 2 年后无缓解。CT 及 MRI检查可见患者有罕见的椎体畸形：L5 半椎体，局部腰椎后凸畸形，腰椎退行性变。考虑到患者独特的解剖结构，手术医生认为常规的腰椎融合术并不能为该患者带来足够的腰椎支撑及解剖复位。

手术入路：

手术采用前后联合入路。使用患者术前 CT 及 MRI 影像资料 3D 打印腰椎畸形部位塑料模型并设计个体化的腰椎钛合金植入物（图 4）。手术先通过标准 L4，L5 前方入路进行，术中 X 线确认手术节段正确后，切除椎间盘并处理终板。将人工骨填入 3D 打印的钛合金植入物内，随后将植入物放至 L4-5 之间椎体畸形处，准确填补结构缺损。椎体前方钉板固定，后路应用经皮椎弓根螺钉予以额外内固定。X 线确定植入物在位良好后（图 5 B，C），抗生素

冲洗术野，逐层关闭切口。

个体化植入物设计：

患者个体化的椎间融合植入物设计需遵循以下原则：

1. 足够的强度，需能够承受患者体重对其产生的负荷，同时内部有足够的空间以供填充足量人工骨。 2. 结构合理，满足在 3D 打印过程中的“自支撑”。 3. 结构密度足够稀疏，以便在术后影像学检查中能有较好成像效果（图 4 右图）。

此外，为矫正腰椎矢状位平衡，本植入物还需提供 6°腰椎前突角度，因此手术医生与植入物设计者需合作对模型进行调整。最终完成设计后打印出钛合金成品，并进行结构的检测（图 4）。

患者术后 12 个月复查时腰部轴性疼痛显著改善（VAS术前 10 分，术后 0 分），下肢疼痛亦消失（VAS 术前 2 分，术后 0 分）。ODI 改善明显（术前 68%，术后 0%）。影像学检查提示融合良好，无内固定失败及植入物沉降（图6 下排）。

讨论

治疗复杂脊柱病变需要术者精湛的手术技巧及充分的术前准备。3D 打印技术的应用可以在术前精确获知术区复杂的解剖结构，并可设计出精确符合结构缺损的植入物假体，帮助进行充分的术前准备，从而一定程度上降低上述复杂手术的难度及风险。本文两个病例中，个体化设计的假体良好吻合解剖结构，术中放置简单，从而减少了手术时间，避免了二期进行更加复杂的结构重建。

本研究涉及的个体化定制植入物应算作个性化医疗范畴的一部分，可以作为传统标准化植入器械的替代品。这方面的进步虽然令人激动，但其广泛应用还存在一些阻碍，例如制造成本较高，需要尖端的软件及机械技术，大多数外科医生目前较难有机会接触。

Charles Hull 在 1986 年首先提出了 3D 打印的概念，从那时起，3D 打印市场便迅速发展，变得逐渐普及且更加低成本。3D 打印在医药领域的应用会带来很多益处，例如生产个体化医药产品及植入物、协助进行充分的术前准备、降低手术复杂程度、减少手术时间、能够更加准确地放置假体和内固定物以及更强大的生产力。尤其在复杂的颅颈手术前，可打印出神经解剖模型，其有助于精确显示颅神经、血管、颅骨的结构以及其间的解剖关系。这些在传统的 2D影像中很难达到。

尽管 3D 打印技术前景如此可观，但打印假体的高成本以及对 3D 打印机质量的高要求限制了其快速发展。但逐渐出现的高质量低造价的桌面 3D 打印机在将来可能打破现有束缚，使个性化假体的制造更加简单便宜。将来可能的研究方向包括 3D 打印植入物与生物制品的结合、发展生物陶瓷复合物，以及定制用于承重目的的个性化植入物。