探讨3D打印骨骼模型在经皮内镜下腰椎间盘摘除术(PELD)中的临床应用价值。
回顾性分析2016年7月—2017年10月苏州大学附属第三医院脊柱外科收治的62例腰椎间盘突出症患者的临床资料。其中男34例，女28例；年龄32～67岁，平均52.3岁。病变节段均为L4/5节段，其中旁中央型椎间盘突出18例，侧方型椎间盘突出40例，极外侧型椎间盘突出4例；合并侧隐窝狭窄8例。采用WSPS V1.0医学影像处理软件处理影像学检查数据，生成3D打印机可识别的GCODE格式文件。使用聚乳酸材料，用3D打印机打印出完整的病变节段腰椎骨骼模型。依据病变部位将两侧椎间孔分为患侧组与健侧组，在骨骼模型上确定"5点2线"解剖标志，测量椎间孔的"3距1角"(椎间孔宽度、椎间盘后缘高度、椎间孔高度以及上关节突腹侧倾斜角)。患侧均行经皮椎间孔入路内窥镜下腰椎间盘髓核摘除术，并根据术中是否行椎间孔成形术，将患侧组椎间孔又分为成形组与未成形组。比较骨骼模型患侧组与健侧组椎间孔的3距1角，以及成形组与未成形组患者患侧椎间孔的3距1角。
62例打印模型中，患侧组椎间孔宽度、椎间盘后缘高度、椎间孔高度以及上关节突腹侧倾斜角分别为(6.30±1.71)mm、(4.88±1.63)mm、(21.07±3.78)mm、16.28°±1.13°，健侧组分别为(7.27±1.86)mm、(5.31±1.71)mm、(18.57±3.34)mm、25.72°±1.03°；患侧组椎间孔宽度、上关节突腹侧倾斜角均小于健侧组，差异均有统计学意义(t＝2.133、2.877，P值均<0.05)，而椎间盘后缘高度、椎间孔高度两组之间差异均无统计学意义(P值均>0.05)。62例患者均顺利完成手术，术中未行椎间孔成形38例，行椎间孔成形24例。成形组患侧椎间孔宽度、椎间盘后缘高度、椎间孔高度以及上关节突腹侧倾斜角分别为(4.77±0.83)mm、(4.97±1.35)mm、(16.23±2.02)mm、11.50°±2.15°，未成形组分别为(7.42±1.24)mm、(5.19±1.88)mm、(16.63±1.94)mm、22.22°±4.28°。成形组的椎间孔宽度及上关节突腹侧倾斜角均小于未成形组，差异均有统计学意义(t＝6.681、8.001，P值均<0.05)；而椎间盘后缘高度、椎间孔高度两组之间差异均无统计学意义(P值均>0.05)。
采用3D打印骨骼模型，术前可以精确测量椎间孔形态的各项参数、建立试行通道、选择手术入路和方式、预判椎间孔成形、预估手术难度，对经皮脊柱内窥镜下腰椎间盘摘除术的术中操作具有指导意义。
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腰椎间盘突出症(lumbar disc herniation, LDH)是引起腰腿痛的常见原因，也是临床上多见的腰椎退行性疾病。近年来，随着微创技术在脊柱外科领域的飞速发展，经皮内镜下腰椎间盘切除术(percutaneous endoscopy lumbar discectomy, PELD)以其微创的优势及优异的疗效获得了脊柱外科医师的一致认可，并得到了大多数患者的接受[1,2,3,4]。但PELD技术对临床医生的要求较高，需要其拥有丰富的经验、娴熟的手术技巧和熟练的镜下操作技能。Wang等[5]研究显示，手术经验缺乏的脊柱外科医师常易导致PELD手术时间延长，术后复发率增加，术后并发症的发生风险随之增高。PELD手术的失败率，国内报道为1.4%～14.2%[6,7]，而国外为2%～9%[8,9]。椎间孔是PELD顺利实施的关键解剖部位，如何安全、快速、精确地完成椎间孔穿刺，目前仍是临床手术操作中的难点。有学者指出，将解剖模型中获得的椎间孔实验数据，与临床结果相联系，有助于提高脊柱手术后的成功率[10]。在本研究中，笔者术前制作1∶1腰椎骨骼3D打印模型，通过模型了解椎间孔的形态结构，详细测定相关解剖数据，评估手术难度，规划手术方案，进而采用PELD治疗62例腰椎间盘突出症患者，以探讨3D打印技术在PELD中的临床应用价值。
纳入标准：(1)腰椎间盘突出症患者腰痛或下肢疼痛、麻木等神经症状明显，保守治疗3个月以上无效者；(2)影像学检查提示腰椎间盘突出、脱垂或游离；(3)病变节段为L4/5。排除标准：(1)盘源性腰痛；(2)初次手术后复发的L4/5椎间盘突出症患者；(3)合并腰椎滑脱、不稳；(4)中央型椎管狭窄；(5)合并多节段侧隐窝狭窄；(6)腰椎畸形；(7)穿刺部位附近感染；(8)伴有精神障碍或癫痫病史者；(9)合并严重的内科疾病的患者；(10)不能耐受较长时间俯卧位的患者。
纳入2016年7月—2017年10月苏州大学附属第三医院脊柱外科的62例LDH患者的临床资料进行回顾性分析。其中男34例，女28例；年龄32～67岁，平均52.3岁；病程3.2～52个月；平均11.5个月。病变节段均为L4/5节段，其中合并同节段侧隐窝狭窄8例。椎间盘突出类型：旁中央型18例，侧方型40例，极外侧型4例。患者术前均行腰椎正侧位及动力位X线片，并行腰椎CT及三维重建、腰椎MRI检查，以明确病变的节段及突出部位。
依据病变部位将62例患者的两侧椎间孔分别纳入患侧组与健侧组；其中患侧组椎间孔依据术中探查时，工作套管能否顺利进入椎管行椎间孔成形，再分别纳入成形组与未成形组。本研究经医院伦理委员会批准(2019文第008号)，患者均签署知情同意书。
使用美国GE Optima CT660 128层CT扫描仪器。患者采用标准仰卧位，头先进，身体长轴垂直于扫描平面。扫描条件：螺旋扫描模式，扫描基线平行于椎体。扫描范围：L1～S3。扫描参数：管电压120 kV，管电流300 mA，层厚及间距均为3 mm。并以专业图像工作站(美国GE公司软件AW4.6)对图像进行后期处理及相关测量。
采用WSPS V1.0医学影像处理软件(常州华森三维打印研究院股份有限公司)处理影像学检查数据：利用手术规划软件对获取的患者影像数据进行选取灰度阈值、擦除或增加灰度值处理，得到光滑平顺的腰椎三维骨骼模型；利用切割功能去除多余骨结构，将病灶部位及病灶部位对应的健侧骨骼凸显；将三维模型导出为STL格式存储；利用切片软件对STL文件进行修补破面、添加支撑、模型分层处理，生成3D打印机可识别的GCODE格式文件。使用聚乳酸材料，利用中国华森医疗器械有限公司SRP400B型号的3D打印机，打印完整的病变节段的腰椎骨骼模型。
5个解剖点：a点，上位腰椎椎弓根根部外缘做垂线与上位腰椎下终板的交点；b点，做下位腰椎上关节突腹侧面切线，过a点做切线的垂直线，两线的交点为b点；c点，上位腰椎椎弓根根部外缘做垂线与下位腰椎上终板的交点；d点，椎间孔的最高点；e点，椎间孔的最低点。2线：M线，过e点沿下位腰椎上关节突腹侧面做切线；N线，a、c两点连线及其延长线。见图1A、图1B。
注：a点为上位腰椎椎弓根根部外缘做垂线与上位腰椎下终板的交点；b点为做下位腰椎上关节突腹侧面切线，过a点做切线的垂直线，两线的交点；c点为上位腰椎椎弓根根部外缘做垂线与下位腰椎上终板的交点；d点为椎间孔的最高点；e点为椎间孔最低点；M线为过e点沿下位腰椎上关节突腹侧面做切线；N线为a、c两点连线及其延长线；α角为M线与N线之间夹角
术前模拟：依据患者椎间盘突出的节段及部位，在3D打印的骨骼模型上，进行术区划线标记，以同直径椎间孔镜工作套管(直径7.5 mm)在骨骼模型上反复模拟穿刺，确定穿刺点部位及工作套管向腹侧及头侧的倾斜角度。模拟手术操作过程，对工作套管不能顺利进入椎管内者，模拟行椎间孔成形：依据椎间孔形态，模拟上关节突成形的具体部位(体部或根部)、成形的幅度，模拟工作套管置入理想的靶点位置。对工作套管能顺利进入椎管内者，模拟工作套管直接置入时理想的靶点位置。
手术操作：患者俯卧位，腹部悬空，髋关节屈曲，保持患者身体水平，使用C形臂X线机拍定位像片。明确责任椎间隙、棘突中线。于棘突中线旁开10～12 cm，确定穿刺点。局部浸润麻醉，结合术前模拟穿刺的角度，穿刺针头侧倾斜10°～20°、腹侧倾斜20°～30°进行穿刺，并根据C形臂X线机透视情况调整穿刺方向和穿刺角度。注意穿刺针要高于下位腰椎上关节突连线，从而避免其进入腹腔，损伤血管及脏器[11]。置入穿刺针至靶点，C形臂X线机透视满意后，退出针芯，亚甲蓝行椎间盘髓核染色。置入导丝，并将穿刺针退出。局部浸润麻醉，于穿刺点皮肤表面作一长约1 cm纵切口，依据导丝方向逐级置入扩张套管，最后置入工作套管，并连接椎间孔镜显像及冲洗系统，椎间孔镜下直视进行后续操作。以上关节突为骨性标志，显露椎间孔，依据术前3D打印骨骼模型的模拟手术规划，选择是否行椎间孔成形术。椎间孔成形组：依据术前模拟成形的部位及幅度，以环锯或电磨钻去除上关节突部分骨质，扩大椎间孔，建立椎间孔镜通道。椎间孔未成形组，直接建立椎间孔镜通道。建立椎间孔镜通道后，清理椎间孔内的韧带，寻找蓝染的病变椎间盘组织，以双极射频刀头进行止血，并采用不同角度的髓核钳将蓝染的髓核组织予以取出。篮钳去除部分黄韧带，探查神经根走行并予以彻底松解。最后观察硬膜囊搏动良好，神经根松弛，并经患者确认术前腰腿痛症状缓解。退出镜头及工作套管，缝合切口并予以包扎。
术后第1天佩戴腰围下床活动，并行直腿抬高功能锻炼；术后1周行腰背肌功能锻炼；术后第12天拆线。术后1个月逐步恢复至正常生活，术后3个月内避免剧烈运动。
测量所有患者3D打印腰椎骨骼模型的椎间孔形态的相关参数(3距1角)，比较患侧组与健侧组、成形组与未成形组间的椎间孔参数；选择椎间孔成形组与未成形组比较有差异的椎间孔指标，总结该指标与椎间孔成形的关系。
应用SPSS 17.0统计软件进行数据处理。服从或近似服从正态分布的计量资料以
±s表示，组内比较采用配对t检验，组间比较采用独立样本t检验。分类资料采用率表示。以P<0.05为差异有统计学意义。
患者均顺利完成手术，术中均未出现脑脊液漏、椎间隙感觉及切口感染。术中未行椎间孔成形38例，行椎间孔成形24例。未成形组患者手术时间(51.4±11.3)min，术中出血量(19.92±5.76)mL；成形组手术时间(59.7±12.5)min，术中出血量(21.7±6.13)mL。62例均获随访，随访时间3～7个月，平均4.3个月。术后复发2例，其中未成形组1例术后3周复发、成形组1例术后5周复发，均再次行经皮椎间孔入路脊柱内窥镜下翻修术，术后恢复好。术后出现患肢麻木4例(未成形组3例、成形组1例)，患肢痛觉过敏现象1例(成形组)，考虑为置入工作套管后压迫刺激所致，予以甘露醇配合地塞米松治疗1周左右，症状改善。术后成形组出现L5神经根损伤1例，足背区麻木强烈，
背伸肌力减弱约Ⅳ级，予以营养神经及甘露醇治疗，3个月后恢复。
患侧组椎间孔宽度、上关节突腹侧倾斜角均小于健侧组，差异均有统计学意义(P值均<0.05)。而椎间盘后缘高度、椎间孔长度两组之间差异无统计学意义(P值均>0.05)。见表1。
62例腰椎间盘突出症患者患侧组与健侧组3D打印模型椎间孔参数的比较(
±s)
62例腰椎间盘突出症患者患侧组与健侧组3D打印模型椎间孔参数的比较(±s)
| 组别 | 椎间孔宽度(mm) | 椎间盘后缘高度(mm) | 椎间孔高度(mm) | 上关节突腹侧倾斜角(°) |
|---|---|---|---|---|
| 患侧组 | 6.30±1.71 | 4.88±1.63 | 21.07±3.78 | 16.28±1.13 |
| 健侧组 | 7.27±1.86 | 5.31±1.71 | 18.57±3.34 | 25.72±1.03 |
| t值 | 2.133 | 1.020 | 0.169 | 2.877 |
| P值 | <0.05 | >0.05 | >0.05 | <0.05 |
椎间孔成形组的椎间孔宽度、椎间盘后缘高度及上关节突腹侧倾斜角均小于未成形组；其中椎间孔宽度、上关节突腹侧倾斜角差异均有统计学意义(P值均<0.05)，而椎间盘后缘高度、椎间孔高度两组之间差异均无统计学意义(P值均>0.05)。见表2。
62例腰椎间盘突出症患者椎间孔成形组与未成形组3D打印模型椎间孔参数的比较(
±s)
62例腰椎间盘突出症患者椎间孔成形组与未成形组3D打印模型椎间孔参数的比较(±s)
| 组别 | 例数 | 椎间孔宽度(mm) | 椎间盘后缘高度(mm) | 椎间孔高度(mm) | 上关节突腹侧倾斜角(°) |
|---|---|---|---|---|---|
| 成形组 | 24 | 4.77±0.83 | 4.97±1.35 | 16.23±2.02 | 11.50±2.15 |
| 未成形组 | 38 | 7.42±1.24 | 5.19±1.88 | 16.63±1.94 | 22.22±4.28 |
| t值 | 6.681 | 0.518 | 0.792 | 8.001 | |
| P值 | <0.05 | >0.05 | >0.05 | <0.05 |
24例患者行椎间孔成形术，其椎间孔宽度(ab)3.34～5.92 mm，上关节突腹侧倾斜角(MN角)9°～14°。结果显示：L4/5节段椎间孔宽度(ab)<6.0 mm、上关节突腹侧倾斜角(MN夹角)<15°的患者，需考虑行椎间孔成形。
近年来外科的发展趋势为个体化、数字化、精准化及微创化[12]。对脊柱外科医生来讲，经皮脊柱内镜技术有一定的难度，学习周期较长；对患者而言，更倾向于选择微创手术。因此，如何将缩短学习曲线、满足患者的需求及当前的外科发展趋势三者有机地结合，并确保手术安全，是脊柱外科所面临的问题[13]，也是当前研究的方向。
与传统的开放手术相比，经皮脊柱内镜技术中椎间孔通道狭小、解剖结构复杂、视野有限，故需要获取精准的穿刺定位。由于患者个体化的差异、椎间盘突出类型的不同，目前的穿刺技术都无法做到个性化的术前设计。这就需要术者具有丰富的三维空间想象力，以及术中根据C形臂X线透视进行穿刺调整的能力；术中往往需反复的穿刺操作，这不仅导致手术时间的延长，甚至可能造成其他组织的损伤，增加了患者的痛苦；反复的透视也增加了辐射暴露[14]。而且不合理的穿刺入路往往增加了手术的难度，甚至导致手术失败[15]。
因此，国内外很多学者对此进行了研究报道。Lee等[16]通过设计立体引导器行椎间孔穿刺，提高了穿刺的准确率，减少了术中透视。赵彬等[17]通过设计穿刺定位器，对椎间孔的穿刺进行辅助定位以提高穿刺准确率，并获得良好的临床效果；但是其使用过程复杂，临床普及困难。
在经皮脊柱内镜术中，由于上关节突增生、内聚及椎间盘突出、椎间隙塌陷，导致椎间孔径变小、甚至狭窄；当脊柱内镜的工作套管不能顺利进入椎管内时，可操作空间缩小，往往需行椎间孔成形术，通过对上关节突骨质的部分切除来扩大狭窄的椎间孔。术中对椎间孔成形的选择往往是通过术者的经验予以判断。其扩大成形的范围取决于疾病的类型与腰椎增生的程度及范围。单纯的腰椎间盘突出患者仅需一级扩大成形，即可满足手术需求；但合并侧隐窝狭窄的患者往往需二级扩大成形术[18]。目前成形的方式主要采用环锯对上关节突腹侧骨质逐级去除来达到椎间孔扩大成形的目的。因其是在盲视下的逐级成形，成形主要依据术中X线透视和术者的手感，对成形的部位、角度以及幅度均难以精确控制，有时因成形角度及幅度不理想而需多次成形，手术风险随之加大[19]。而且在临床穿刺过程中，穿刺针往往偏向上关节突背侧，此时行椎间孔成形易导致上关节突上半部分包括外侧、腹侧部分及关节囊切除，易导致手术节段侧屈稳定性下降[18]及椎间盘的应力增大。因此有学者提出了可视化椎间孔成形，通过内镜下直接观察上关节突的位置和结构，再予以成形[20]。但具体成形的过程和成形的幅度仍靠术者的操作经验来判断。
脊柱从伸展至屈曲时，椎间孔的大小是动态变化的。Mayoux-Benhanou等[21]研究显示，在尸体标本中，脊柱从屈曲至伸展，椎间孔的高度降低了17.9%，宽度降低了14.1%。Inufusa等[22]报道，随着脊柱从屈曲至伸展，腰椎间孔的面积下降了24%。Zhong等[23]研究显示，在动态活动中，从屈曲至伸展L2/3、L3/4、L4/5椎间孔面积减少，减少的面积与宽度减小的趋势相似，而椎间孔高度在整个活动中相对恒定。因此，术中患者俯卧屈曲时椎间孔宽度较术前标准仰卧位时3D打印的脊柱模型增大。本研究结果显示：当L4/5椎间盘突出患者的椎间孔宽度<6.0 mm，上关节突腹侧倾斜角<15°时，直径7.5 mm的工作套管可能无法顺利进入椎管内，需考虑行椎间孔成形。笔者考虑直接以环锯或电磨钻成形，并初步判断骨质去除的幅度。术前结合可视化的3D打印模型，依据椎间孔增生的部位及椎间盘突出的类型，模拟成形的部位和幅度，术中再结合可视化椎间孔成形进一步印证，从而减少对上关节突关节的破坏，减轻对脊柱稳定性的破坏，达到精准、个性化成形。
笔者总结3D打印骨骼模型结合PELD的优势主要体现在：(1)术前在3D打印骨骼模型上采用直径7.5 mm椎间孔镜工作套管反复穿刺，模拟手术，可为每一例患者建立精准、个性化的试行通道，确定穿刺点部位及工作套管向腹侧及头侧的倾斜角度以达到靶向穿刺的效果。这和以往通过反复的术中X线透视进行逐步调整穿刺位置的传统方法相比，减少了术中的穿刺及透视的次数，减少了辐射暴露[14]，缩短了手术时间，简化了手术步骤。(2)通过对3D打印骨骼模型"3距1角"等参数的研究，可预估手术难度，并作好相应的准备，提高手术效率。笔者发现：椎间孔宽度及上关节突腹侧倾斜角变小提示侧隐窝狭窄，手术难度加大。因此，术前结合可视化的3D打印模型，可评估椎间孔增生的部位，穿刺及置管的难度，以便术前予以充分准备。(3)通过对3D打印骨骼模型"3距1角"等参数的研究，可预估是否需要行椎间孔成形，并可通过模拟椎间孔成形，初步推断术中骨质去除的部位及幅度。
在本研究中，还存在以下不足之处：(1)小样本回顾性研究，仍需继续积累标本数量，依据大样本的病例给循证医学提供更多佐证。(2)目前仍局限于L4/5节段的研究，未开展L3/4、L5/S1等其他节段的研究。因此，在未来的发展趋势中，仍需进一步改进与完善，并作更进一步的临床研究。
综上所述，术前行3D打印骨骼模型可以精确了解椎间孔的形态结构、评估手术难度、规划手术方案，对PELD的术中操作具有指导意义。
所有作者均声明不存在利益冲突
