T他脊椎和头骨的重建有着丰富而悠久的历史，至少跨越了5000年，其中包括使用了一系列材料的尝试，从水果壳到羊肩胛骨，再到人造塑料。3.，14最近，人们对3D打印在这些领域的使用和潜在应用重新产生了兴趣，作为针对每个患者个体解剖结构细微差别的定制患者特定植入物的来源。3D打印的医疗应用正在快速扩展，并有望彻底改变医疗保健。12目前，有一些创新研究将3D打印应用于几个方面，包括制造解剖模型，4，6定制假肢和植入物，组织和器官制造，以及药物输送工具和发现。7
已有报道将3D打印应用于术前手术计划;4，6然而，关于复杂脊柱手术中植入物设计的报道很少。利用计算机三维建模软件和患者的神经成像数据，可以制造出患者解剖结构的模型以及相应的患者特异性植入物。我们报告了2例使用3D打印作为手术计划的术前模具，以及定制设计的钛假体:一名患者患有C-1/C-2脊索瘤，接受肿瘤切除和椎体重建，另一名患者患有罕见的先天性脊柱畸形，使用定制设计的钛前路融合器。
案例报告
案例1
一名63岁男性以3个月的颈部和肩部疼痛病史来我院就诊。颈椎CT和MRI检查显示C-2椎体和C-1前弓发生溶骨性病变(图1)。病变占据了这2个椎体，没有横向扩展，也没有生长到椎孔，但延伸到C-2的硬膜外前间隙。ct引导下经口活检显示脊索瘤。
左:矢状面t2加权MR图像显示脊索瘤(箭头)。正确的:矢状面t1加权MR图像显示脊索瘤(箭头)。图片仅在线提供彩色。
颅颈交界处的肿瘤切除历来是具有挑战性和高发病率的手术。由于手术通道狭窄和外科解剖的深度，仅在枕下区域(Oc)进行肿瘤切除和结构重建的尝试有限。位于C-1和C-2的脊索瘤的预后也很差，这两个椎体主要影响头部旋转。如果不进行治疗，肿瘤进展将导致脑干、颅神经和脊髓受压，颅颈交界处进行性不稳定并伴有顽固性疼痛，最终导致四肢瘫痪和死亡。5
执行这个程序有几个阶段。
第1部分:后路融合，Oc-C3
在计划的前路肿瘤切除术之前，在后侧进行初始枕颈(Oc-C3)融合(Stryker OASYS)以保持稳定性。此外，由于颅底与上颈椎和C-3连接的固定解剖结构，进行了后路融合，以便精确规划肿瘤切除和患者特异性种植体重建。神经导航是可能的，因为颅骨和上颈椎在相对空间内固定，在导航过程中提供了准确性。
第2部分:种植体设计过程
经口前入路为上颈椎提供硬膜外入路，颅颈交界处周围无脑干或脊髓回缩。考虑到复杂的解剖结构和手术治疗的挑战，3D打印技术用于手术计划，通过构建患者颅颈解剖结构的解剖精确的3D塑料模型。外科医生(R.J.M.)和解剖学家。在3D电脑辅助设计(CAD)软件(图2A和B)，并使用塑料模型定制一系列潜在的植入物模型，以适应肿瘤切除后的缺陷。该定制钛打印假体由英联邦科学及工业研究组织(图2 d)，基于三维建模计算的切除边缘。
答:植体重建肿瘤切除缺损的CAD建模。B:后侧面显示枕颈融合行展示了3D种植体螺钉固定的计划轨迹。C:种植体的塑料模型与计划螺钉轨迹进入斜坡和C-3。D:绝育和手术前的最终模型。图片仅在线提供彩色。
外科医生将医学成像数据与患者脊柱的3D塑料模型相关联。建立了包含肿瘤切除的第二个三维塑性模型。还制作了一个半透明的塑料解剖模型，现有的后路固定物以红色突出显示(图2 c)。红色螺钉颜色结合模型中骨骼的半透明，证实了现有后路固定螺钉相对于建议切除的位置。
然后开始植入物设计，使用切除和外科医生提供的概念草图所隐含的整体尺寸。然后构建塑料种植体原型，在切除的解剖模型上进行试验，以测试各种种植体设计(图2 c)。外科医生检查了这些模型。进一步改进种植体设计。固定螺钉轨迹由外科医生使用塑料模型和植入物原型确定。然后在软件中计算固定螺钉的尺寸，并报告给外科医生以预先安排种植体固定。然后将螺钉轨迹内置于植入物中以辅助螺钉放置(图2罪犯)。
最终的植入物设计通过电子方式输出给C.S.I.R.O.，并由其制造。3d打印的部件进行了质量检查。提供半透明塑料模型、植入物模板和螺钉轨迹指示器并消毒以辅助术中操作。
第3部分:前路经口入路、肿瘤切除和3D种植体插入
气管切开术行全身麻醉。病人仰卧位。将头部固定在Mayfield钳中，并连接BrainLab参考架(BrainLab)进行神经导航。由于可以通过跨口通道获得适当的入路，因此没有进行计划的Le Fort中面分裂。在龈沟中线粘膜处切开，露出鼻前棘。沿上颚切开鼻底粘膜下，切开鼻中隔，使其脱离腭骨。进行中线腭裂，以便在手术重建阶段进入斜坡。在口腔后粘膜上做一个线性切口，以允许手术野进入斜坡、颅颈交界处以及C-2和C-3椎体。
行C-2/C-3椎间盘切除术以确定脊索瘤的下段范围。为了切除肿瘤的上半部，我们切除了前C-1弓，并进行了尖韧带和翼韧带的分离。使用基于ct的导航识别脊索瘤的外侧边界，并实现病灶的整体切除。
整体切除后，使用定制设计的3d打印填充骨基质的钛笼进行重建和前路固定，将2颗螺钉固定在斜坡上，2颗螺钉固定在C-3椎体上(图3)。根据术前3D和塑料建模预先确定螺钉长度，并在假体中内置螺钉角度以方便螺钉插入。重建成功后，粘膜和腭裂被关闭，患者被转移到重症监护病房。手术总时间16.5小时，出血量480毫升。
术后CT (左)及术后x光片(正确的)演示3d打印的钛植入物。
术后，患者有颞下颌关节功能障碍继发于长时间的口腔拉伸过程中。手术时间延长也导致食管上段狭窄。这些并发症主要是由于长时间的口腔内收引起的。术后8周恢复语言功能;然而，他需要经皮内镜胃造口术，以便在术后最初3个月进食。术后6个月进行肿瘤切除边缘外侧放射治疗。这种干预没有并发症。随访9个月，患者发音和吞咽功能正常。在9个月的随访中，屈曲和伸展x线片显示无活动，因此可能融合。
案例2
一名52岁女性，有18个月的难治性背痛和单侧腿部疼痛史。患者保守治疗2年，同时进行减肥和物理治疗。她的CT和MRI检查显示了一个不寻常的椎体异常，在L-5处有先天性半椎体，节段性后凸伴前凸缺失，以及退行性改变。外科医生(M.C.)的意见是，基于患者独特的解剖结构，使用市售的种植体进行标准的融合不能提供足够的解剖恢复和支持。
手术方法
计划对患者进行前后路融合入路。术前的CT和MRI研究用于构建患者解剖的3D模型，并设计定制的3D打印钛种植体(图4)。采用标准的L-4/L-5前路入路，在椎间盘取出前通过x线片确认病理水平，并进行终板准备。定制的3d打印钛植入物与骨移植物(同种异体移植物，Ausbiotechnologies)一起填充并插入，精确配合。采用前路钢板固定固定运动节段，外加后路经皮椎弓根螺钉进一步稳定L-4/L-5节段。使用x线摄影确认正确放置，并在关闭前使用抗生素冲洗(图5B和C)。
左:半椎体塑料模型与计划的3d打印假体。正确的:假体在绝育和植入前。图片仅在线提供彩色。
答:术前正中矢状位CT。B:术后正位x线片。C:术后侧位片。
针对患者的植入物设计
以下是针对患者特异性椎间融合植入物的设计标准。1.允许最大的力量来支撑病人的重量，同时提供一个大的中央空间用于骨移植物的运送和容纳。2.确保3D打印的支持材料最少，以减少后处理，成为建筑过程中“自我支持”的结构。3.提供最大的稀疏度以确保最佳的术后成像(图4右)。
外科医生在与相关3D植入物设计和制造公司(Anatomics, ProCRO)的代表协商后，明确植入物应使前凸改变6°。然后围绕改变的几何形状设计植入物以满足设计标准。最终设计用于制造种植体(RMIT University, Advanced Manufacturing Precinct, Carlton, Australia)。然后检查3d打印部件的后处理，如案例1 (图4)。
在12个月的随访中，发现在轴背(从术前10到术后0)、右腿(从术前2到术后0)和左腿(从术前2到术后0)视觉模拟评分方面有显著改善。Oswestry残疾指数也显著改善，从术前的68%降至术后的0%。12个月的放射随访(图6)表现为牢固的成熟融合，无固定破坏，无沉降。
上一行:案例1。9个月随访x线片显示无活动，可能融合。较低的行:例2。12个月的x线随访显示融合牢固成熟，无固定失败，无沉降。图片仅在线提供彩色。
讨论
治疗复杂的脊柱病变，如颅颈交界处脊索瘤或复杂的脊柱先天性畸形需要细致的手术技术和相当的预先计划。13，18在上颈脊索瘤的病例中，这种特殊的手术具有很高的失败和发病风险，而且这种长时间的手术在老年人中风险尤其高。10这种复杂的脊柱手术的困难和挑战可以通过术前计划来预测和缓解。3D打印的引入提供了一种准确描绘患者手术解剖结构的方法，以及定制设计的植入物和假体的能力，这些植入物和假体更接近任何特定患者和病理的独特解剖结构。12日至16日在这两个病例中，定制设计和定制的植入物很容易插入位置，这方便了手术并缩短了手术时间，避免了进一步复杂的重建，如肋骨或腓骨移植物的收获以及术中对这些移植物进行塑形以适应缺陷。
这两个病例，我们通过术前计划使用3d打印模型和定制设计的植入物，是更大的个性化医疗范例的一部分。作为标准的现成植入物的替代品，3d打印植入物可以根据患者的独特解剖结构进行定制。尽管这些进展令人兴奋，但由于成本高，对复杂的软件和机器的要求对大多数外科医生来说不容易获得，这种手术并没有广泛传播。
查尔斯·赫尔在1986年首次提出了3D打印工艺。1从那时起，3D打印市场迅速发展，变得越来越普遍，成本也越来越低。93D打印在医学和外科手术中的应用可以提供几个好处，包括定制医疗产品和植入物，改进术前规划，缩短手术时间和手术复杂性，准确放置植入物和假体，以及提高生产力。特别是在复杂的脊柱和颅外科手术中，3d打印的神经解剖模型可以提供颅神经、血管和颅骨结构及其关系的准确表示，这可能很难用标准的2D放射成像来解释。2，8，11，16，17准确的3D模型可以帮助外科医生术前规划和演练安全的手术通道或入路，从而减轻复杂手术病例的难度，缩短手术时间。
虽然这项技术很有前途，但目前的障碍包括3D打印假肢的商业成本以及高质量3D打印机的有限使用。低成本桌面3D打印机的普及和质量的提高可能会在未来改变游戏规则，它可能会促进低成本，定制设计的植入物和假肢。一些已发表的报告表明，使用低成本的桌面3D打印机加上廉价且广泛使用的丙烯酸骨水泥，可以生产针对患者的颅骨成形术植入物。14未来可能的研究方向包括3d打印植入物和生物制剂的结合，以及生物陶瓷复合材料和用于承重目的的定制植入物的开发。
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披露的信息
罗伯特·汤普森是Anatomics公司的员工。他们参与了本研究中报道的3d打印植入物的设计和制造。Chester E. Sutterlin III是ProCRO公司的代表并拥有其所有权。该公司参与了本研究中报道的3d打印植入物的设计和制造。他是Stryker, Kasios Biomaterials和a - spine Asia的顾问。
作者的贡献
构思和设计:所有作者。数据获取:所有作者。数据分析和解释:所有作者。起草文章:Mobbs, Thompson, Sutterlin, Phan。批判性地修改文章:Mobbs, Coughlan, Phan。审稿提交版本:Mobbs, Coughlan, Phan。学习监督:暴徒。
