3D打印在复杂脊柱手术中的过去、现在和将来
发布日期:2017-01-04 19:10:01浏览:65

摘 要

3D打印技术在复杂脊柱手术中的应用不断深入,从简单的外科手术术前规划演变为外科手术导向器、最后成为打印的植入物本身。本文概述了3D打印在复杂脊柱手术中应用的历史、现状和未来发展方向,并指出目前该技术遇到的一些问题。


在诊治特发性、先天性、退行性以及损伤相关等等复杂的脊柱畸形时,脊柱外科医生有时需要采用复杂而新型的外科技术对其进行稳定和矫正。尽管最近几十年来,手术治疗策略和内固定植入物得到显著发展和改善,但复杂的脊柱畸形矫正手术仍然是一项艰巨的任务。为了评估脊柱畸形的严重性并对外科手术进行计划,医师在传统上依赖于包括x光、透视、计算机断层扫描(CT)和磁共振成像(MRI)的成像模式。然而,放射平片图像或3维扫描数据的2维投影无法准确地表示出3D解剖畸形的全部细节,从而在术前规划过程中降低了它们的价值。


近年来,3D建模和快速成型(RP)或3D打印技术越来越多地用于复杂手术的术前计划。那些在平面成像模式下容易遗漏或误解的高度复杂畸形的解剖细节,可以得到精确再现。来自澳大利亚昆士兰科技大学儿童健康研究中心的Caroline等人对3D打印在复杂脊柱手术中应用的历史、现状和未来发展方向进行了综述,并发表在《Techniques in Orthopaedics》杂志2016年第31期上。


为了探讨3D打印在复杂脊柱手术中的应用现状,并探讨这项技术的未来潜力,作者对包含“3D打印、快速成型、生物标记或生物模型”等关键词,结合“脊柱、脊柱和手术、手术规划”等检索词,对文献进行了搜索。在检索出的16篇文章中,有1篇因为没有英文版而被剔除。出版年份介于1999年和2015年之间。接近一半的论文在近五年发表,与该技术的快速增长的情况相一致。检索结果共显示出三个关键的重点领域:对复杂脊柱畸形病例模型打印以进行手术计划、设计患者个体化的手术导向器以及最近出现的定制个体化钛植入物。


3D打印模型用于手术计划

1999年在澳大利亚的一个小组最早报道了在复杂脊柱畸形的手术规划中使用3D打印模型。 D'Urso等人对5例复杂病例进行了初步前瞻性研究,以考察其在脊柱畸形手术中的有效性。该时期几项研究均认为,复杂脊柱畸形的全面信息需要通过3D重建模型来获取,使用常规的成像模式往往不够。这些研究发现,尽管可以在计算机监视器上从任何方向和角度显示和观察CT的3D重建,但是这些缺乏触觉的视图常带来不全面的信息,常迫使术中需要做出相应改变,比如对植入物、手术方法或固定方式进行调整等。


进一步研究发现,3D打印的生物模型提供了许多便利,并带来更好的手术效果。比如,Mizutani等人在类风湿性颈椎手术前使用3D模型进行规划,发现对颈椎椎弓根螺钉轨道及进钉点的评估更理想,并能确定枕颈连接处内固定位置,避免术后吞咽困难等并发症。Lzatt等人将3D打印模型应用于脊柱肿瘤和畸形手术中,发现与CT或MRI 3D重建相比,3D打印模型上解剖学细节得以更好的显示或完全可见,这对内植物及置入部位的术前判断造成较大影响,降低了术中修正的几率,并减少了手术时间。


此外,多个研究均表明3D打印模型具有明显的视觉优势,更有利于术前计划、选择内固定及植入位置的判断,并能减少手术时间、减少手术失误率。此外,3D打印模型是与同事及患者/家属沟通的一个理想工具,可以帮助他们更好地理解病变部位解剖结构、手术方式及相应风险。然而,使用3D打印模型技术时同时存在不少限制,主要涉及额外的时间、劳动力及模型制作成本等的耗费等,限制了该技术的应用。


3D打印设计患者个体化手术导向模板

自2009年以来,椎弓根置钉设计及制作导向模板成为3D打印应用的新领域,特别是颈椎手术中。该部位的解剖结构相当密集,在儿科病例中更是如此,精密的神经组织密切相邻,此时精确的螺钉置入至关重要。Lu等人较早报道在颈椎手术中应用塑料的3D打印导向模板,术中将其与显露的骨骼解剖标志直接接触,沿着预定通道进行置钉。他们发现该技术置钉准确性非常高,并减少了操作时间及辐射暴露。


随后,多个研究均证明了3D打印塑料椎弓根钉导向模板的有效性,术中的置钉位置和角度与术前预期非常接近。考虑到塑料材质与钻头等手术工具接触时可能产生碎屑,带来潜在的安全性风险,Takemoto等人建议采用钛金属材料制作3D打印导向模板,并通过研究证明了其安全性及有效性。他们认为,钛金属模板具有较高的强度和刚性的优点,确保了更高的精度和可靠性,减少了翘曲和折弯的机会,并且消除了钻头或螺钉穿过材料时切割产生碎屑的可能性。


3D打印定制个体化植入物

近年来金属印刷技术(如激光直接烧结和电子束熔炼技术)的发展,使个体化定制的脊柱植入物变得可行。比起传统的脊柱植入物,3D打印通用的和定制的金属植入物具有许多优点。比如,3D打印符合患者椎体终板几何形状的植入物具有更好的刚度及抗压能力,同时钛金属多孔结构材料具有诱导骨长入的生物活性,具有很大的潜力成为骨替代材料。目前,已有许多大发专门为患者定制个体化的脊柱植入物。


目前,脊柱手术中使用3D打印作为术前规划工具在过去30年中一直持续发展,并具有明显的优点——减少手术时间、减少术中辐射暴露、改善整体手术效果、可在术前选择植入物并可作为医疗团队成员之间沟通的有力工具。尽管如此,为何该技术却仍然没有得到快速的发展和普及?其中一个可能,是来自于该技术可用性及成本的限制。并且,从对患者进行扫描到生产出3D打印模型再寄送达外科医生进行手术,需要数天时间。另一个可能是,并非所有的脊柱外科医生都需要进行复杂的矫形手术,反而是由小部分高度专业的脊柱畸形团队包揽了大部分复杂脊柱畸形患者的诊治管理。


随着3D打印技术不断发展,打印模型的成本将逐渐降低、速度将逐渐提高,3D打印将成为脊柱畸形手术的重要组成部分。相比术前设计模型、术中导向模板,3D打印个体化植入物得以成为一个理想的发展方向,并将体现出3D打印技术的最大效益,可使手术更加微创、更加精确。在不久的将来,3D打印技术可能会对医疗保健领域做出更大贡献,甚至可能带来医疗保健模式的改变。