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導語：年來在骨科領域，3D列印技術的應用越來越普遍，本文就3D列印技術在兒童脊柱外科的應用進行概述，並對其未來的發展提出展望。

作者單位：首都醫科大學附屬北京兒童醫院（北京市，100045），Email：zhang-x-j04@163.com

基金項目：神經管畸形再生修復產品研發，項目編號：2016YFC1000806

3D列印技術出現於20世紀80年代,又稱快速成形技術(rapid prototyping),它是一種新型的增材製造技術。醫學領域中可通過CT、MRI掃描得到數據,以物體的三維數字模型為基礎,在計算機控制下通過塑料或金屬粉末等可黏性材料以分層加工、逐層疊加的方式製造物體。3D列印模型可使醫生更加立體、直觀、準確地發現傳統影像學資料隱藏的信息,進行精確診斷和制定個體化的治療方案，可模擬手術操作,還可以根據患者病情需要設計、研製個性化器械,甚至列印人體組織、器官等,是實現各種骨科手術個體化、精確化的有效手段。近年來在骨科領域，3D列印技術的應用越來越普遍，本文就3D列印技術在兒童脊柱外科的應用進行概述，並對其未來的發展提出展望。

1 可精確診斷脊柱疾病

脊柱的解剖結構複雜,又有神經、脊髓、大血管、重要臟器等組織結構毗鄰,加之脫位、骨折、畸形、佔位等因素對手術醫生的臨床經驗和空間想像力提出很大挑戰。面對複雜的脊柱疾病，特別是兒童先天性脊柱畸形,由於傳統影像學檢查無法讓醫生更直觀、精確的了解其解剖位置關係,可能導致對疾病的認識不足,影響疾病的準確診斷,進而影響疾病的治療及預後。3D列印技術通過提取患者脊柱的CT、MRI資料信息可以重建脊柱的三維解剖結構,顯著提高疾病的診療質量。與X線片、CT、MRI等傳統影像學資料相比,3D列印實體模型可以提供更加立體、直觀、詳細、現實的解剖學信息，可以幫助臨床醫生對手術部位毗鄰組織和細節進行立體全面的了解,進而更加精確地診斷疾病,如複雜脊柱骨折的分型、脊柱側彎畸形的分型、脊柱腫瘤的鑒別等,減少複雜疾病的漏診和誤診。

2 可用於制定手術計劃及模擬手術操作

對於複雜脊柱畸形患兒，3D列印模型可以清晰顯示脊柱的畸形情況,術者可以通過三維模型選擇手術路徑，確定釘道深度和角度,劃定截骨範圍，模擬截骨、固定、融合等手術操作,並可就術中應避開的神經、脊髓、人體組織、血管等複雜情況提前進行演練,保護神經、脊髓、血管等重要組織,避免和減少術中術後併發症。

傳統術前截骨計劃大多是通過對術前影像學資料評估分析來實現的，而畸形的脊柱本身解剖結構複雜,存在一定的個體差異,常涉及多種解剖結構的變異,如椎體旋轉、脊柱側彎、椎弓根缺如、脊髓縱裂、脊柱後凸、甚至椎體分節不良等畸形。脊柱又毗鄰脊髓神經等重要組織結構,術者很難獲得術區直觀的三維解剖信息,以致截骨線的設計精確性較低。3D列印技術可以重現脊柱病變區的解剖結構，從而為截骨線的設計提供立體、直觀、感性的實物模型,幫助醫生設計更加科學嚴謹的截骨線。

我院自2012年開始使用3D列印模型輔助手術，並對22例頸椎畸形伴上頸椎不穩患兒使用個體化頸椎3D列印模型,通過模擬置釘和內固定手術,進行一期後路矯形及內固定手術治療,所有手術病例均未出現神經血管損傷和內固定鬆動斷裂,提高了置釘成功率,有利於保護椎動脈,提高了手術安全性。Guarino等運用3D列印技術治療10例小兒脊柱側凸,結果表明該技術可提高椎弓根螺釘置入準確率,減少術後併發症，並縮短手術時間。

3 可制定個體化定位導航模板

椎弓根螺釘是目前治療脊柱疾病的主要內固定方法之一,具有維持脊柱三柱穩定的生物力學優勢。椎弓根毗鄰血管、脊髓、神經根等重要結構,螺釘誤置可能造成大出血、癱瘓,甚至危及生命。對於嚴重脊柱畸形、寰樞椎損傷、脊柱骨折、腫瘤等疾病,椎弓根變異較大,缺乏明確固定的解剖標誌給置釘帶來很大風險。傳統徒手置釘方法對術者手術操作技術要求很高,且存在穿透椎弓根、釘道偏離、副損傷風險高、需多次透視等不足之處。個體化定位導向模板是新興的個體化輔助置釘工具,在脊柱外科的應用已經由實驗階段逐漸進入臨床階段。可以藉助3D列印技術在三維模型上規划出椎弓根的最佳進針點、進針深度和進針方向,同時建立與脊柱解剖形態相匹配的反向模板,最後將最佳進針通道與反向模板相結合,即可制定出個體化定位導向模板。該導向模板可與脊柱表面完全貼合,螺釘的大小、進釘角度、植入深度得到科學計算,有效避免對重要神經和血管的損傷。

4 可列印個體化內植物

目前骨科臨床工作中，標準內植物能夠滿足大多數患者的需求，但特殊情況下，對於解剖變異或個體差異及部分腫瘤患者,標準的內植物不能與患者個體解剖形態良好匹配,內植物與機體骨骼表面貼合度差,不能有效分散應力,甚至會引起固定物應力集中,影響固定的安全性、有效性及術後融合效果。運用3D列印技術列印個體化內置物已逐漸進入臨床應用階段。根據患者自身特點和實際需要定製個體化、符合生物力學及解剖特性、適宜骨長入的內植物是亟待解決的問題。3D列印內植入物較傳統植入物的最大優勢是真正做到「量體裁衣」,術中不需要再次裁剪,具有良好的解剖形態匹配,並且能夠列印出與植入物一體的仿生骨小梁微孔結構,從而有利於骨長入,實現真正意義的精準化和個體化治療。

5 可列印個體化支具

3D列印技術可以根據患者對支具需求,聯合生物力學分析,制定出舒適且適合患者的個體化支具。舒適的支具對患者的日常生活和康復鍛煉是必不可少的,它可以改善患者的步行能力、生活能力，並對心理負擔的調解有一定幫助,可更好的幫助患者康復。3D列印支具的優點包括:①材料選擇的多樣性：可以根據不同的治療目的及患者的要求選擇不同的製作材料。②製作更加簡便、快速,易成型。③耗時和耗材少,並具有節能環保的優勢。④符合人體工學特點,美觀、輕便、舒適合體、透氣性好,與人體皮膚貼合好,可提高患者依從性,利於支撐保護和功能鍛煉。⑤便於醫生觀察,方便換藥,減少鬆動移位、壓瘡等併發症。⑥可以個體化定製。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。青少年特發性脊柱側凸是脊柱側凸的最常見類型,佩戴矯形支具是治療該疾病最主要的非手術方法。患者對傳統的石膏外固定或其它材料支具體驗較差,影響不固定部位以外肢體的正常運動功能,不易被患者接受。Visser等和Desbiens-Blais等利用三維有限元模型和生物力學模擬模擬製作個體化矯形支具,取得了滿意的治療效果。

6 在骨組織工程中的應用

組織工程學的目的是在體內或體外生成可替代性的組織或器官，以修復受損害的組織、器官的功能。在骨組織工程方面,3D列印技術由於材料選擇的多樣性,主要用於製作結構複雜的骨組織工程支架,甚至列印人工骨骼、椎體。3D列印技術可以根據需要設定特定的孔隙率、交聯,建立可控的適於細胞生長、增殖和分化的組織工程支架結構,為細胞提供賴以生存的支架或基質,將不同功能類型細胞堆積在指定位置,產生生物因子控制生物行為。目前,生物3D列印還處於研究的初級階段,真正應用於臨床還有很長的路要走,隨著3D生物列印、生物組織培養技術和骨組織工程的發展,複雜組織器官的個體化定製成為可能,全球生物3D列印的研究與實驗表明,其在骨組織工程領域具有廣闊前景。

7 其他應用

3D列印技術還可用於輔助教學和協助醫患溝通。脊柱外科疾病有特殊的發病機制，結構、部位,概念相對抽象,病因複雜，學生不易理解；涉及骨科生物力學、解剖學等學科內容廣泛,學生掌握較難。3D列印技術藉助患者的影像學數據資料製作1∶1等比例個體化脊柱模型,可清晰準確顯示脊柱的病變特點和形態。與傳統教學中單純平面結構圖相比,3D列印實物模型具有真實、立體、生動、直觀、感性的解剖學特點,可以將原本難以理解的具有複雜解剖特點的脊柱外科相關疾病,形象、立體、直觀地呈現在學生面前,使學生對脊柱的立體結構、疾病分型、病理及治療方法的理解更加容易。此外，該技術也能幫助年輕醫生更好、更快地理解複雜脊柱結構,牢記手術步驟和技巧,增加在實際手術中的自信,縮短學習曲線。在醫生與患者及家屬的交流過程中，可藉助患者本人的解剖模型,向患者和家屬講解手術過程,指出關鍵的區域及解剖特點, 交代手術風險及術後併發症,增加患者及家屬對所患疾病的理解和認識，有利於患者及家屬充分了解病情、治療方案和手術過程,消除疑慮,有效提高醫患溝通效果。尤其在手術難度較大的兒童先天性脊柱畸形、側彎後凸、脊柱不穩、脫位及複雜上頸椎疾病中使用3D列印模型，可以增進與患者及家屬的有效溝通，有助於複雜病情的判斷分析，提高手術的安全性和治療效果。

8 存在問題及應用展望

雖然各國學者對3D列印技術做了大量研究，其臨床使用也越來越普遍,但此技術仍有較大的提升空間,當前階段還面臨以下問題: ①列印材料選擇性少,醫用3D列印技術對材料要求高,需具備適宜的力學特性和良好的生物相容性,目前臨床應用的醫用3D列印材料有鈦合金、生物陶瓷、高分子材料、尼龍等,種類少且嚴重依賴於進口,生物3D列印還處於實驗研究階段；②價格昂貴,3D列印設備、材料、人員培訓成本高,雖然此技術目前應用廣泛,3D印表機售價不斷下降,但用於臨床的高解析度儀器價格仍然較高,整個工藝流程的成本居高不下,且大多數醫院未將其納入醫療服務收費目錄和醫療保險範圍；③作為一種新興技術,國家相關部門政策法規和技術標準相對滯後,同時,此技術目前僅在具備相應條件的大醫院小範圍開展,缺乏大規模臨床資料對3D列印內植物的長期安全性和有效性進行評價,限制了其臨床應用；④3D列印模型建立在患者自身CT、MRI等影像學資料基礎上,還需經過建模、軟體設計、列印等,流程複雜,耗時較久,無法用於急診手術；⑤專業性人才缺乏；⑥無法列印具備神經、血管、淋巴的複雜模型。針對上述問題,需要工程師、臨床醫生、生產企業和政府相關部門共同合作,攻克技術難題,加快列印材料的研發和臨床試驗,需要通過舉辦培訓班提高醫生的專業水平,建議國家相關部門建立3D列印技術應用試點,制定相關政策法規和指導原則,從而促進3D列印技術的推廣和應用,造福更多的患者。

隨著醫學影像學、生物材料學、組織細胞培養技術的發展以及人體工程學、生物力學的引入，相信3D列印技術也將不斷進步,在兒童脊柱外科的應用也將越來越廣泛。

來源｜醫學空間戰略合作夥伴《臨床小兒外科》雜誌，轉載請標明出處。

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