1、快速成型技术在脊柱外科中的应用研究现状【摘要】 快速成型是一种进行物理模型快速制作的新兴技术， 已广泛应用于颌面外科、神经外科、矫形外科等医学领域。本文介绍了脊柱外科中常用的快速成型技术及其应用原理，综述了快速成型脊柱实物模型及个体化模板在术前规划、手术模拟、定制植入物和内固定装置、辅助椎弓根螺钉内固定等方面的应用研究现状，对快速成型技术在脊柱外科领域的应用前景进行了展望。 【关键词】 快速成型； 脊柱外科； 实物模型； 个体化模板Abstract：Rapid prototyping is a generic name given to newly emerging technologies
2、that may be used to fabricate rapidly physical objects directly from Computer Aided Design data sources.It has been applied widely to a range of medical specialties,including maxillofacial surgery,neurosurgery and orthopedic surgery.In this article,various kinds of rapid prototyping technologies and
3、 their principles of application in spine surgery are summarized.Subsequently,current application and research of physical biomodelings and individual templates which produced from rapid prototyping is reviewed,including preoperative planning,surgical simulation,custom implants and internal fixation
4、 device,and assisted pedicle screw fixation in spine surgery.Finally,a prediction is made for using rapid prototyping technologies in spinal surgery.Key words：rapid prototyping; spine surgery; physical biomodeling; individual templates快速成型(rapid prototyping,RP)技术 20 世纪 80 年代起源于机械工程领域，是集新型材料科学、计算机辅助设
5、计、数控技术、激光技术为一体，基于离散、堆积原理逐层累加进行物理模型快速制作的综合技术；其突出特点是分层叠加、善于制造复杂实体且具有较高的精确度，目前已广泛应用于颌面外科、神经外科、矫形外科等医学领域14 。近年来，快速成型技术在脊柱外科中的应用研究也逐渐增多519 ，主要集中在快速成型脊柱实物模型和快速成型个体化模板两个方面，本文通过复习国内外有关文献，将这方面的研究应用现状做一综述。1 脊柱外科中常用的快速成型技术RP 技术根据成型方法可分为 2 类：基于激光及其他光源的成型技术如：光固化成型(SLA)、分层实体制造(LOM)选域激光烧结(SLS)、形状沉积成型(SDM)等； 基于喷射的成
6、型技术：熔融沉积成型(FDM)、三维印刷 (3DP)、多相喷射沉积(MJD)等。其中，光固化成型是 RP 的典型技术之一。它以光敏树脂为原料，通过计算机分层控制紫外激光在树脂表面逐点扫描，扫描区的树脂产生光聚合反应而固化形成一个薄层。然后工作台下降一个层厚的距离，使固化好的树脂表面再敷上一层新液体树脂后进行下一层的扫描加工。如此重复直到获得一个三维实体原型。FDM、3DP 是利用热塑性材料(如聚碳酸酯，丙烯腈丁二烯苯乙烯等)的热熔性、黏结性，在计算机控制下层层堆积成型。SLS 是利用热塑性粉末状材料(如硬聚酰胺)成型。目前，RP 技术在脊柱外科以 SLA 技术最为常用514,1819 ，其他采
7、用的 RP 技术有 FDM11 、3DP15,17和SLS16 ， 医学影像资料均通过 CT 扫描获得519 。2 脊柱实物模型的应用研究2.1 脊柱实物模型的制作流程首先对要建模的脊柱进行 CT 连续扫描，将获得的 CT 扫描数据导入三维重建软件，用计算机辅助设计生成三维模型并转换成快速成形机可接受的数据格式，然后利用快速成形技术精确成形脊柱实物模型511,1819 。2.2 脊柱实物模型在脊柱外科中的应用2.2.1 在脊柱畸形中的应用 脊柱实物模型能够清晰显示畸形椎体的形态、异常生长的终板、脊柱裂等，术前通过观察实物模型可以发现 CT、MRI 及 X 线片等影像学资料无法显示的解剖学信息，
8、对脊柱畸形的解剖学形态获得正确的理解，为手术方案的制定提供必要的参考，同时可通过脊柱实物模型进行模拟手术操作。 D Urso 等5报告通过术前观察脊柱实物模型成功对 2 例复杂的先天性颈椎及颈胸椎畸形患者进行了畸形矫正手术，van Dijk 等6报告通过对 1 例严重胸腰椎脊柱后突畸形患者的脊柱实物模型进行术前规划及手术模拟，成功实施了骨切除、截骨矫形及内固定植入手术。2.2.2 在脊柱肿瘤中的应用 术前通过观察实物模型可明确需要切除的病变部位和范围，搞清楚肿瘤与椎体、脊神经间的解剖关系，从而制定最佳手术方案。 D Urso 等5报告他们通过术前观察实物模型成功对 1 例已侵犯至枕骨大孔的 C
9、2 颈椎骨母细胞肿瘤进行了完整切除。van Dijk 等6报告对 4 例脊椎肿瘤(1 例颈椎、2 例胸椎、1 例骶椎)患者的脊柱实物模型进行术前规划，模拟肿瘤切除和重建手术，并根据模型定做了重建需要的植入假体及内固定装置，结果所有模型都提供了必要的信息，使手术得以顺利完成，术中证实定做的植入假体及内固定装置十分准确。2.2.3 在脊柱骨折脱位中的应用 Yamazaki 等7通过对 1 例陈旧性 C4、5 骨折脱位病人脊柱实物模型的术前观察、手术模拟，制定了恰当的手术方案，使手术得以顺利实施，同时脊柱实物模型也为术中椎弓根螺钉的植入提供了准确的解剖标志。2.2.4 定制内固定装置 Mizutan
10、i 等8对 15 例患有颈椎风湿病需做颈椎关节融合的病人在术前制作了枕颈部处于最舒适体位时的枕部及颈椎实物模型，通过枕颈部实物模型的后部表面定做了固定用的板-杆固定装置模板，板-杆固定装置模板具有病人处于最舒适体位的枕颈角，同时从各个方面观察实物模型，在模型上寻找颈椎椎弓根螺钉最佳进钉点、进钉通道及合适的螺钉直径和长度，并在模型上模拟椎弓根螺钉固定手术，为术中椎弓根螺钉的固定提供参考。手术时根据板-杆固定装置模板的形状对板-杆固定装置进行塑形后固定。术后所有病人均未使用HaloVest 外固定，颈部位置舒适，椎弓根螺钉植入准确，病人免除了HaloVest 外固定的烦恼。2.2.5 指导椎弓根螺
11、钉的植入 D Urso 等9根据 20 例需要进行椎弓根螺钉固定患者的脊柱 CT 资料，采用 SLA 技术制作了实物模型(包括颈椎、胸椎和腰椎)。他们采用的材料是透明的丙烯酸树脂，这种材料使椎弓根的走形轨道在各个方向都能被清楚的看到。手术前用电钻在脊柱实物模型上通过椎弓根的走形轨道钻出椎弓根螺钉的最佳植入通道，在通道内放置金属轨道钉，为术中螺钉的植入部位和植入方向提供参考。椎弓根螺钉的植入长度通过金属轨道钉在脊柱实物模型上的测量获得。术前将脊柱实物模型和通道内放置的金属轨道钉消毒，术中参照脊柱实物模型和通道内放置的金属轨道钉确定椎弓根螺钉的植入部位和方向，结果表明通过上述方法寻找椎弓根螺钉的最
12、佳置钉通道具有高度的准确性，术后 CT 证实所有螺钉均放置准确。2.3 脊柱实物模型有用性评价Izatt 等10对脊柱实物模型在复杂脊柱外科中的有用性进行了定量化研究。他们共在 26 例病人(脊柱畸形 21 例，脊柱肿瘤 5 例)中应用了 28 个脊柱实物模型，术前通过脊柱实物模型进行手术规划，定制植入物，为手术提供解剖学参考。结果显示：65的病例通过实物模型能够获得比 CT、MRI、X 线片等医学影像资料更加详细的解剖学信息；11的病例只有在实物模型上才能获得手术所需要的解剖学信息，其他医学影像资料无法提供。通过术前应用实物模型 52的病例导致植入物植入决策的改变，74的病例导致植入物植入部
13、位的改变。实物模型的应用能减少脊柱肿瘤手术 8%的操作时间，和脊柱畸形手术 22%的操作时间。手术证实 58的实物模型解剖和术中解剖几乎完全相同，39的实物模型解剖和术中解剖完全相同，只有 1 例实物模型和术中解剖稍有差异。另外，通过应用实物模型能够和患者本人或家属进行更好地交流沟通，便于手术团队之间的交流，最大限度地减少分歧和失误。Guarino 等11的研究表明：脊柱实物模型对术前规划，术中提供参考十分有用。通过应用实物模型能够增加小儿脊柱外科手术的安全性，减少手术操作时间，能够和患者家属进行更好地交流沟通。3 个体化模板的应用研究3.1 个体化模板的设计及制作首先对要进行椎弓根螺钉或经关
14、节突螺钉固定的脊柱椎体进行 CT连续扫描，将获得的 CT 扫描数据导入三维重建软件，用计算机辅助设计生成三维模型，转换成快速成形机可接受的数据格式，在三维重建模型上寻找椎弓根螺钉或经关节突螺钉的最佳进钉点和进钉通道，并提取椎体后部骨性结构(椎板、棘突、横突、侧块等)的表面解剖学形态，建立与椎体后部骨性结构解剖学形态一致的模板，将螺钉的最佳进钉通道和模板拟合为一体，形成带有定位导向孔的个体化模板，采用快速成型技术将个体化实物模板生产出来。螺钉的最佳进钉通道一般被制造成具有一定长度和直径的空心圆柱体，圆柱体内的空心部分即为螺钉进钉定位导向孔，模板多为单椎体设计，定位导向孔可为单侧15，19 ，亦可
15、为双侧1214，16，1819 ，分别用于辅助单侧或双侧螺钉的植入；个别模板为两椎体或多椎体设计16 ，双侧带有多个定位导向孔，一个模板同时用于辅助多枚螺钉的植入。在应用时将个体化模板紧密贴附于相应椎体骨性结构后部，通过定位导向孔确定螺钉的进钉部位和进钉方向。3.2 个体化模板的应用3.2.1 辅助经 C1、2 关节突螺钉固定 经 C1、2 关节突螺钉固定时有损伤椎动脉的风险。为了提高置钉准确性，避免椎动脉损伤，1999年 Goffin 等12最先根据 2 例病人的术前 CT 资料采用 SLA 技术制造出 2 个用于辅助经 C1、2 关节突螺钉固定的个体化模板。模板的制作主要根据 C1 后弓、
16、C2 椎板及棘突后方的解剖学形态，模板跨过 C1、2 两个椎体，在 1 例齿状突 II 型骨折病人手术中获得了较好的应用。但在另 1例创伤性 C1、2 不稳病人术中放置模板时，由于 C1、2 间的旋转不稳定导致模板无法应用。之后，他们对模板的设计进行了改进1314 ，分别设计制造出单纯匹配 C2 椎板、匹配 C2 椎板和棘突两种个体化模板。单纯匹配 C2 椎板的模板在 5 个尸体标本中辅助植入 10 枚经 C1、2 关节突螺钉，由于模板应用时存在旋转性不稳，仅有 3 枚螺钉获得了最佳置钉结果；匹配 C2 棘突和椎板的模板在 3 个尸体标本、2 例病人中辅助植入 10 枚经 C1、2 关节突螺钉
17、，进钉点、进钉轨道均满意。他们在进行尸体标本操作时均未采用 X 线透视，在临床应用中为了安全辅以侧位透视。3.2.2 辅助椎弓根螺钉固定 Birnbaum 等15在 L24 共 12个腰椎标本上进行个体化模板辅助置钉法和传统置钉法的对比性研究，结果个体化模板辅助置钉法全部螺钉植入准确，传统置钉法有 2 枚螺钉穿破椎弓根皮质。个体化模板辅助置钉法能缩短手术时间，减少术中 X线的暴露时间，对手术医生没有特别的技术要求。Berry 等16设计了1 种双椎体及三椎体双侧多定位导向孔模板，采用 V 形刀架将模板支架于两侧的横突后方，用于辅助胸椎椎弓根螺钉植入实验研究，椎弓根皮质穿破率高达 43。影响置钉
18、准确性的主要因素是模板应用时相邻椎体间的相对移动。Owen 等17根据 C5 右侧椎板、侧块后方的表面结构及椎弓根的走向设计了单椎体单侧定位导向孔模板，应用时模板紧密贴附于C5 右侧椎板、侧块后方，在模板辅助下准确植入直径 3.5 mm 椎弓根螺钉1 根，术后 CT 和切开直视检查均无椎弓根皮质穿破。陆声等和师继红等1819最先在国内开展了这方面的研究，模板均采用单椎体双定位导向孔设计，采用 SLA 技术同时将需进行椎弓根螺钉固定的脊柱实物模型和个体化模板一同生产出来，术前在体外将脊柱实物模型和模板进行贴合，进行椎弓根螺钉进钉模拟，通过脊柱实物模型观察模板辅助置钉的准确性，然后将模板消毒后带入
19、手术室，术中将模板贴附于相应椎体后部椎板及棘突上，辅助椎弓根螺钉的植入，置钉时均未进行 C 型臂 X线机透视，仅在置钉完成后 C 型臂 X 线机透视 1 次，以验证置钉的准确性。他们报道采用该法共在 6 例胸腰椎骨折病人中置入 28 枚椎弓根螺钉，经术后 X 线及 CT 检查证实了螺钉植入的准确性。4 结 语快速成型个体化模板为椎弓根螺钉或关节突螺钉的植入提供了新的置钉方法，具有较高的置钉准确率，操作方法简单，不需要特别的技术要求，能减少术中放射线暴露时间；但目前尚处于研究阶段，模板设计方案有待进一步优化，其置钉准确性需要更多的实验和临床验证。【参考文献】1 Sykes LM,Parrott
20、AM,Owen CP,et al.Applications of rapid prototyping technology in maxillofacial prostheticsJ.Int J Prosthodont,2004,4:454-459.2 Galantucci LM,Percoco G,Angelelli G,et al.Reverse engineering techniques applied to a human skull,for CAD 3D reconstruction and physical replication by rapid prototypingJ.J
21、Med Eng Technol,2006,2: 102-111.3 George AB,Keikhosrow F,Thomas AD,et al.Rapid prototyping: the future of trauma surgeryJ. Journal of Bone and Joint Surgery,2003,4: 49-55.4 常 敏,郭 英，邓东巧，等 .快速成形技术在骨科中的临床应用J.中国矫形外科杂志，2006,17 :1297-1298.5 D Urso PS,Askin G,Earwaker JS,et al.Spinal biomodelingJ.Spine,199
22、9,12:1247-1251.6 van Dijk M,Smit TH,Jiya TU,et al.Polyurethane realsize models used in planning complex spinal surgeryJ.Spine,2001,17: 1920-1926.7 Yamazaki M,Okawa A,Akazawa T,et al.Usefulness of 3dimensional fullscale modeling for preoperative simulation of surgery in a patient with old unilateral
23、cervical fracturedislocation J.Spine,2007,32:532-536.8 Mizutani J,Matsubara T,Fukuoka M,et al.Application of fullscale three dimensional models in patients with rheumatoid cervical spineJ.Eur Spine J,2008,5:644-649.9 DUrso PS,Williamson OD,Thompson RG.Biomodeling as an aid to spinal instrumentationJ
24、. Spine,2005,24:2841-2845.10Izatt MT,Thorpe PL,Thompson RG,et al. The use of physical biomodelling in complex spinal surgeryJ.Eur Spine J,2007,19: 1507-1518.11Guarino J,Tennyson S,McCain G,et al.Rapid prototyping technology for surgeries of the pediatric spine and pelvis: benefits analysisJ.J Pediat
25、r Orthop,2007,8:955-960.12Goffin J,Van Brussel K,Vander Sloten J,et al.3DCT based,personalized drill guide for posterior transarticular screw fixation at C1-C2:technical note J. NeuroOrthopedics,1999,25:47-56.13Goffin J,Van Brussel K,Martens K,et al.Threedimensional computed tomographybased,personal
26、ized drill guide for posterior cervical stabilization at C1-C2 J.Spine,2001,26:1343-1347.14Van Cleynenbreugel J,Schutyser F,Goffin J,et al.Imagebased planning and validation of C1-C2 transarticular screw fixation using personalized drill guides J.Comput Aided Surg,2002,1:41-48.15Birnbaum K,Schkommodau E,Decker N,et
