快速成型技術(shù)在脊柱外科中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

1、快速成型技術(shù)在脊柱外科中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀    【摘要】  快速成型是一種進(jìn)行物理模型快速制作的新興技術(shù)， 已廣泛應(yīng)用于頜面外科、神經(jīng)外科、矯形外科等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。本文介紹了脊柱外科中常用的快速成型技術(shù)及其應(yīng)用原理，綜述了快速成型脊柱實(shí)物模型及個體化模板在術(shù)前規(guī)劃、手術(shù)模擬、定制植入物和內(nèi)固定裝置、輔助椎弓根螺釘內(nèi)固定等方面的應(yīng)用研究現(xiàn)狀，對快速成型技術(shù)在脊柱外科領(lǐng)域的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。【關(guān)鍵詞】  快速成型； 脊柱外科； 實(shí)物模型； 個體化模板   

2、; Abstract：Rapid prototyping is a generic name given to newly emerging technologies that may be used to fabricate rapidly physical objects directly from Computer Aided Design&

3、#160;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 prot

4、otyping technologies and their principles of application in spine surgery are summarized.Subsequently,current application and research of physical biomodelings and individual templates which 

5、;produced from rapid prototyping is reviewed,including preoperative planning,surgical simulation,custom implants and internal fixation device,and assisted pedicle screw fixation in spine surgery.Final

6、ly,a prediction is made for using rapid prototyping technologies in spinal surgery.    Key words：rapid prototyping;  spine surgery;  physical biomodeling;  individual tem

7、plates     快速成型(rapid prototyping,RP)技術(shù)20世紀(jì)80年代起源于機(jī)械工程領(lǐng)域，是集新型材料科學(xué)、計算機(jī)輔助設(shè)計、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)為一體，基于離散、堆積原理逐層累加進(jìn)行物理模型快速制作的綜合技術(shù)；其突出特點(diǎn)是分層疊加、善于制造復(fù)雜實(shí)體且具有較高的精確度，目前已廣泛應(yīng)用于頜面外科、神經(jīng)外科、矯形外科等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域14。近年來，快速成型技術(shù)在脊柱外科中的應(yīng)用研究也逐漸增多519，主要集中在快速成型脊柱實(shí)物模型和快速成型個體化模板兩個方面，本文通過復(fù)習(xí)國內(nèi)外有關(guān)文獻(xiàn)，將這方面的研究應(yīng)用現(xiàn)狀做一綜述。 

8、;   1  脊柱外科中常用的快速成型技術(shù)    RP技術(shù)根據(jù)成型方法可分為2類：基于激光及其他光源的成型技術(shù)如：光固化成型(SLA)、分層實(shí)體制造(LOM)選域激光燒結(jié)(SLS)、形狀沉積成型(SDM)等；  基于噴射的成型技術(shù)：熔融沉積成型(FDM)、三維印刷  (3DP)、多相噴射沉積(MJD)等。其中，光固化成型是RP的典型技術(shù)之一。它以光敏樹脂為原料，通過計算機(jī)分層控制紫外激光在樹脂表面逐點(diǎn)掃描，掃描區(qū)的樹脂產(chǎn)生光聚合反應(yīng)而固化形成一個薄層。然后工作臺下降

9、一個層厚的距離，使固化好的樹脂表面再敷上一層新液體樹脂后進(jìn)行下一層的掃描加工。如此重復(fù)直到獲得一個三維實(shí)體原型。FDM、3DP是利用熱塑性材料(如聚碳酸酯，丙烯腈丁二烯苯乙烯等)的熱熔性、黏結(jié)性，在計算機(jī)控制下層層堆積成型。SLS是利用熱塑性粉末狀材料(如硬聚酰胺)成型。目前，RP技術(shù)在脊柱外科以SLA技術(shù)最為常用514,1819，其他采用的RP技術(shù)有FDM11、3DP15,17和SLS16，  醫(yī)學(xué)影像資料均通過CT掃描獲得519。    2  脊柱實(shí)物模型的應(yīng)用研究    

10、;2.1  脊柱實(shí)物模型的制作流程    首先對要建模的脊柱進(jìn)行CT連續(xù)掃描，將獲得的CT掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維重建軟件，用計算機(jī)輔助設(shè)計生成三維模型并轉(zhuǎn)換成快速成形機(jī)可接受的數(shù)據(jù)格式，然后利用快速成形技術(shù)精確成形脊柱實(shí)物模型511,1819。    2.2  脊柱實(shí)物模型在脊柱外科中的應(yīng)用    2.2.1  在脊柱畸形中的應(yīng)用  脊柱實(shí)物模型能夠清晰顯示畸形椎體的形態(tài)、異常生長的終板、脊柱裂等，術(shù)前

11、通過觀察實(shí)物模型可以發(fā)現(xiàn)CT、MRI及X線片等影像學(xué)資料無法顯示的解剖學(xué)信息，對脊柱畸形的解剖學(xué)形態(tài)獲得正確的理解，為手術(shù)方案的制定提供必要的參考，同時可通過脊柱實(shí)物模型進(jìn)行模擬手術(shù)操作。  D' Urso等5報告通過術(shù)前觀察脊柱實(shí)物模型成功對2例復(fù)雜的先天性頸椎及頸胸椎畸形患者進(jìn)行了畸形矯正手術(shù)，van Dijk等6報告通過對1例嚴(yán)重胸腰椎脊柱后突畸形患者的脊柱實(shí)物模型進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃及手術(shù)模擬，成功實(shí)施了骨切除、截骨矯形及內(nèi)固定植入手術(shù)。    2.2.2  在脊柱腫瘤中的應(yīng)用 

12、; 術(shù)前通過觀察實(shí)物模型可明確需要切除的病變部位和范圍，搞清楚腫瘤與椎體、脊神經(jīng)間的解剖關(guān)系，從而制定最佳手術(shù)方案。  D' Urso等5報告他們通過術(shù)前觀察實(shí)物模型成功對1例已侵犯至枕骨大孔的C2頸椎骨母細(xì)胞腫瘤進(jìn)行了完整切除。van Dijk等6報告對4例脊椎腫瘤(1例頸椎、2例胸椎、1例骶椎)患者的脊柱實(shí)物模型進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃，模擬腫瘤切除和重建手術(shù)，并根據(jù)模型定做了重建需要的植入假體及內(nèi)固定裝置，結(jié)果所有模型都提供了必要的信息，使手術(shù)得以順利完成，術(shù)中證實(shí)定做的植入假體及內(nèi)固定裝置十分準(zhǔn)確。   

13、60;2.2.3  在脊柱骨折脫位中的應(yīng)用  Yamazaki等7通過對1例陳舊性C4、5骨折脫位病人脊柱實(shí)物模型的術(shù)前觀察、手術(shù)模擬，制定了恰當(dāng)?shù)氖中g(shù)方案，使手術(shù)得以順利實(shí)施，同時脊柱實(shí)物模型也為術(shù)中椎弓根螺釘?shù)闹踩胩峁┝藴?zhǔn)確的解剖標(biāo)志。    2.2.4  定制內(nèi)固定裝置  Mizutani等8對15例患有頸椎風(fēng)濕病需做頸椎關(guān)節(jié)融合的病人在術(shù)前制作了枕頸部處于最舒適體位時的枕部及頸椎實(shí)物模型，通過枕頸部實(shí)物模型的后部表面定做了固定用的板-桿固定裝置模板，板-桿固定裝置模板

14、具有病人處于最舒適體位的枕頸角，同時從各個方面觀察實(shí)物模型，在模型上尋找頸椎椎弓根螺釘最佳進(jìn)釘點(diǎn)、進(jìn)釘通道及合適的螺釘直徑和長度，并在模型上模擬椎弓根螺釘固定手術(shù)，為術(shù)中椎弓根螺釘?shù)墓潭ㄌ峁﹨⒖?。手術(shù)時根據(jù)板-桿固定裝置模板的形狀對板-桿固定裝置進(jìn)行塑形后固定。術(shù)后所有病人均未使用HaloVest外固定，頸部位置舒適，椎弓根螺釘植入準(zhǔn)確，病人免除了HaloVest外固定的煩惱。    2.2.5  指導(dǎo)椎弓根螺釘?shù)闹踩?#160; D' Urso等9根據(jù)20例需要進(jìn)行椎弓根螺釘固定患者的脊柱CT資料，采用S

15、LA技術(shù)制作了實(shí)物模型(包括頸椎、胸椎和腰椎)。他們采用的材料是透明的丙烯酸樹脂，這種材料使椎弓根的走形軌道在各個方向都能被清楚的看到。手術(shù)前用電鉆在脊柱實(shí)物模型上通過椎弓根的走形軌道鉆出椎弓根螺釘?shù)淖罴阎踩胪ǖ溃谕ǖ纼?nèi)放置金屬軌道釘，為術(shù)中螺釘?shù)闹踩氩课缓椭踩敕较蛱峁﹨⒖?。椎弓根螺釘?shù)闹踩腴L度通過金屬軌道釘在脊柱實(shí)物模型上的測量獲得。術(shù)前將脊柱實(shí)物模型和通道內(nèi)放置的金屬軌道釘消毒，術(shù)中參照脊柱實(shí)物模型和通道內(nèi)放置的金屬軌道釘確定椎弓根螺釘?shù)闹踩氩课缓头较?，結(jié)果表明通過上述方法尋找椎弓根螺釘?shù)淖罴阎冕斖ǖ谰哂懈叨鹊臏?zhǔn)確性，術(shù)后CT證實(shí)所有螺釘均放置準(zhǔn)確。   &

16、#160;2.3  脊柱實(shí)物模型有用性評價    Izatt等10對脊柱實(shí)物模型在復(fù)雜脊柱外科中的有用性進(jìn)行了定量化研究。他們共在26例病人(脊柱畸形21例，脊柱腫瘤5例)中應(yīng)用了28個脊柱實(shí)物模型，術(shù)前通過脊柱實(shí)物模型進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃，定制植入物，為手術(shù)提供解剖學(xué)參考。結(jié)果顯示：65的病例通過實(shí)物模型能夠獲得比CT、MRI、X線片等醫(yī)學(xué)影像資料更加詳細(xì)的解剖學(xué)信息；11的病例只有在實(shí)物模型上才能獲得手術(shù)所需要的解剖學(xué)信息，其他醫(yī)學(xué)影像資料無法提供。通過術(shù)前應(yīng)用實(shí)物模型52的病例導(dǎo)致植入物植入決策的改變，74的病例導(dǎo)致植入物植入部位的改變

17、。實(shí)物模型的應(yīng)用能減少脊柱腫瘤手術(shù)8%的操作時間，和脊柱畸形手術(shù)22%的操作時間。手術(shù)證實(shí)58的實(shí)物模型解剖和術(shù)中解剖幾乎完全相同，39的實(shí)物模型解剖和術(shù)中解剖完全相同，只有1例實(shí)物模型和術(shù)中解剖稍有差異。另外，通過應(yīng)用實(shí)物模型能夠和患者本人或家屬進(jìn)行更好地交流溝通，便于手術(shù)團(tuán)隊之間的交流，最大限度地減少分歧和失誤。Guarino等11的研究表明：脊柱實(shí)物模型對術(shù)前規(guī)劃，術(shù)中提供參考十分有用。通過應(yīng)用實(shí)物模型能夠增加小兒脊柱外科手術(shù)的安全性，減少手術(shù)操作時間，能夠和患者家屬進(jìn)行更好地交流溝通。    3  個體化模板的應(yīng)用研究

18、0;   3.1  個體化模板的設(shè)計及制作    首先對要進(jìn)行椎弓根螺釘或經(jīng)關(guān)節(jié)突螺釘固定的脊柱椎體進(jìn)行CT連續(xù)掃描，將獲得的CT掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維重建軟件，用計算機(jī)輔助設(shè)計生成三維模型，轉(zhuǎn)換成快速成形機(jī)可接受的數(shù)據(jù)格式，在三維重建模型上尋找椎弓根螺釘或經(jīng)關(guān)節(jié)突螺釘?shù)淖罴堰M(jìn)釘點(diǎn)和進(jìn)釘通道，并提取椎體后部骨性結(jié)構(gòu)(椎板、棘突、橫突、側(cè)塊等)的表面解剖學(xué)形態(tài)，建立與椎體后部骨性結(jié)構(gòu)解剖學(xué)形態(tài)一致的模板，將螺釘?shù)淖罴堰M(jìn)釘通道和模板擬合為一體，形成帶有定位導(dǎo)向孔的個體化模板，采用快速成型技術(shù)將個體化實(shí)物模板生產(chǎn)出來

19、。螺釘?shù)淖罴堰M(jìn)釘通道一般被制造成具有一定長度和直徑的空心圓柱體，圓柱體內(nèi)的空心部分即為螺釘進(jìn)釘定位導(dǎo)向孔，模板多為單椎體設(shè)計，定位導(dǎo)向孔可為單側(cè)15，19，亦可為雙側(cè)1214，16，1819，分別用于輔助單側(cè)或雙側(cè)螺釘?shù)闹踩?；個別模板為兩椎體或多椎體設(shè)計16，雙側(cè)帶有多個定位導(dǎo)向孔，一個模板同時用于輔助多枚螺釘?shù)闹踩?。在?yīng)用時將個體化模板緊密貼附于相應(yīng)椎體骨性結(jié)構(gòu)后部，通過定位導(dǎo)向孔確定螺釘?shù)倪M(jìn)釘部位和進(jìn)釘方向。3.2  個體化模板的應(yīng)用    3.2.1  輔助經(jīng)C1、2關(guān)節(jié)突螺釘固定  經(jīng)C

20、1、2關(guān)節(jié)突螺釘固定時有損傷椎動脈的風(fēng)險。為了提高置釘準(zhǔn)確性，避免椎動脈損傷，1999年Goffin等12最先根據(jù)2例病人的術(shù)前CT資料采用SLA技術(shù)制造出2個用于輔助經(jīng)C1、2關(guān)節(jié)突螺釘固定的個體化模板。模板的制作主要根據(jù)C1后弓、C2椎板及棘突后方的解剖學(xué)形態(tài)，模板跨過C1、2兩個椎體，在1例齒狀突II型骨折病人手術(shù)中獲得了較好的應(yīng)用。但在另1例創(chuàng)傷性C1、2不穩(wěn)病人術(shù)中放置模板時，由于C1、2間的旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定導(dǎo)致模板無法應(yīng)用。之后，他們對模板的設(shè)計進(jìn)行了改進(jìn)1314，分別設(shè)計制造出單純匹配C2椎板、匹配C2椎板和棘突兩種個體化模板。單純匹配C2椎板的模板在5個尸體標(biāo)本中輔助植入10枚經(jīng)C1

21、、2關(guān)節(jié)突螺釘，由于模板應(yīng)用時存在旋轉(zhuǎn)性不穩(wěn)，僅有3枚螺釘獲得了最佳置釘結(jié)果；匹配C2棘突和椎板的模板在3個尸體標(biāo)本、2例病人中輔助植入10枚經(jīng)C1、2關(guān)節(jié)突螺釘，進(jìn)釘點(diǎn)、進(jìn)釘軌道均滿意。他們在進(jìn)行尸體標(biāo)本操作時均未采用X線透視，在臨床應(yīng)用中為了安全輔以側(cè)位透視。    3.2.2  輔助椎弓根螺釘固定  Birnbaum等15在L24共12個腰椎標(biāo)本上進(jìn)行個體化模板輔助置釘法和傳統(tǒng)置釘法的對比性研究，結(jié)果個體化模板輔助置釘法全部螺釘植入準(zhǔn)確，傳統(tǒng)置釘法有2枚螺釘穿破椎弓根皮質(zhì)。個體化模板輔助置釘法能縮短手術(shù)時間，

22、減少術(shù)中X線的暴露時間，對手術(shù)醫(yī)生沒有特別的技術(shù)要求。Berry等16設(shè)計了1種雙椎體及三椎體雙側(cè)多定位導(dǎo)向孔模板，采用V形刀架將模板支架于兩側(cè)的橫突后方，用于輔助胸椎椎弓根螺釘植入實(shí)驗研究，椎弓根皮質(zhì)穿破率高達(dá)43。影響置釘準(zhǔn)確性的主要因素是模板應(yīng)用時相鄰椎體間的相對移動。Owen等17根據(jù)C5右側(cè)椎板、側(cè)塊后方的表面結(jié)構(gòu)及椎弓根的走向設(shè)計了單椎體單側(cè)定位導(dǎo)向孔模板，應(yīng)用時模板緊密貼附于C5右側(cè)椎板、側(cè)塊后方，在模板輔助下準(zhǔn)確植入直徑3.5 mm椎弓根螺釘1根，術(shù)后CT和切開直視檢查均無椎弓根皮質(zhì)穿破。陸聲等和師繼紅等1819最先在國內(nèi)開展了這方面的研究，模板均采用單椎體雙定位導(dǎo)向

23、孔設(shè)計，采用SLA技術(shù)同時將需進(jìn)行椎弓根螺釘固定的脊柱實(shí)物模型和個體化模板一同生產(chǎn)出來，術(shù)前在體外將脊柱實(shí)物模型和模板進(jìn)行貼合，進(jìn)行椎弓根螺釘進(jìn)釘模擬，通過脊柱實(shí)物模型觀察模板輔助置釘?shù)臏?zhǔn)確性，然后將模板消毒后帶入手術(shù)室，術(shù)中將模板貼附于相應(yīng)椎體后部椎板及棘突上，輔助椎弓根螺釘?shù)闹踩?，置釘時均未進(jìn)行C型臂X線機(jī)透視，僅在置釘完成后C型臂X線機(jī)透視1次，以驗證置釘?shù)臏?zhǔn)確性。他們報道采用該法共在6例胸腰椎骨折病人中置入28枚椎弓根螺釘，經(jīng)術(shù)后X線及CT檢查證實(shí)了螺釘植入的準(zhǔn)確性。    4  結(jié)  語 

24、60;  快速成型個體化模板為椎弓根螺釘或關(guān)節(jié)突螺釘?shù)闹踩胩峁┝诵碌闹冕敺椒?，具有較高的置釘準(zhǔn)確率，操作方法簡單，不需要特別的技術(shù)要求，能減少術(shù)中放射線暴露時間；但目前尚處于研究階段，模板設(shè)計方案有待進(jìn)一步優(yōu)化，其置釘準(zhǔn)確性需要更多的實(shí)驗和臨床驗證。【參考文獻(xiàn)】  1 Sykes LM,Parrott AM,Owen CP,et al.Applications of rapid prototyping technology in maxillof

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