3D 打印人工椎体及椎间融合器在颈椎前路手术中应用的临床效果

2021
08/20

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中国修复重建外科杂志
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综上述,在 ACCF 联合 ACDF 治疗多节段脊髓型颈椎病中,采用 3D 打印人工椎体和 3D 打印Cage 能达到与 TMC 和 Cage 相似的临床效果。

王志强,冯皓宇,马迅,陈晨,邓晨,孙麟

山西医科大学第三医院(山西白求恩医院 山西医学科学院 同济山西医院)骨科(太原  030032)

通信作者:孙麟,Email:sunlin_9999@163.com


关键词:3D 打印;颈前路椎间盘切除植骨融合术;颈前路椎体次全切除减压植骨融合术;多节段脊髓型颈椎病;植骨融合;钛网笼

引用本文:王志强,冯皓宇,马迅,等. 3D 打印人工椎体及椎间融合器在颈椎前路手术中应用的临床效果. 中国修复重建外科杂志, 2021, 35(9). 1147-1154. doi: 10.7507/1002-1892.202103003


 摘 要


目的    评估应用 3D 打印人工椎体和 3D 打印椎间融合器(Cage)行颈前路椎间盘切除植骨融合术(anterior cervical disectomy and fusion,ACDF)联合颈前路椎体次全切除减压植骨融合术(anterior cervical corpectomy and fusion,ACCF)的临床效果。


方法    回顾分析 2018 年 5 月—2019 年 12 月收治并行 ACCF 联合ACDF 治疗的 29 例多节段脊髓型颈椎病患者临床资料,其中 13 例采用 3D 打印人工椎体与 3D 打印 Cage(3D 打印组),16 例采用钛网笼(titanium mesh cage,TMC)与 Cage(TMC 组)。两组患者性别、年龄、手术节段、Nurick分级、病程及术前日本骨科协会(JOA)评分、疼痛视觉模拟评分(VAS)、融合节段 Cobb 角等一般资料比较差异均无统计学意义(P>0.05)。记录并比较两组患者手术时间、术中出血量、住院时间、并发症及末次随访时植入物融合情况;术前、术后即刻、术后 6 个月及末次随访时,采用 JOA 评分评价神经功能改善情况并计算末次随访时改善率,采用 VAS 评分评价上肢和颈部疼痛改善情况,测量融合节段 Cobb 角并计算末次随访时与术后即刻的差值;术后即刻、术后 6 个月及末次随访时,测量融合节段椎体前缘高度(height of the anterior bord,HAB)和椎体后缘高度(height of the posterior bord,HPB),并计算植入物沉降发生率。


结果    3D 打印组手术时间显著少于TMC 组(t=3.336,P=0.002);两组住院时间和术中出血量比较差异均无统计学意义(P>0.05)。两组患者均获随访,随访时间 12~19 个月,平均 16 个月。两组术后均未发生明显并发症。重复测量方差分析示,JOA 评分、VAS评分与 Cobb 角各时间点间差异均有统计学意义(P<0.05)。JOA 评分中时间与组别有交互作用(F=3.705, P=0.025),随时间延长,3D 打印组与 TMC 组 JOA 评分升高幅度不同,3D 打印组升高幅度更大。VAS 评分中时间与组别无交互作用(F=3.038,P=0.065),且两组间各时间点评分差异无统计学意义(F=0.173,P=0.681)。Cobb角的时间与组别有交互作用(F=15.581,P=0.000),随时间延长,3D 打印组与 TMC 组 Cobb 角变化幅度不同,其中 3D 打印组升高幅度更大,TMC 组下降幅度更大。末次随访时两组 JOA 评分改善率差异无统计学意义(t=0.681,P=0.502),但 3D 打印组 Cobb 角差值显著小于 TMC 组(t=5.754,P=0.000)。末次随访时 3D 打印组和TMC 组植入物融合率分别为 92.3%(12/13)和 87.5%(14/16),差异无统计学意义(P=1.000)。3D 打印组和 TMC组术后 6 个月植入物沉降发生率分别为 15.4%(2/13)和 18.8%(3/16),末次随访时分别为 30.8%(4/13)和56.3%(9/16),差异无统计学意义(P=1.000;P=0.264)。术后 6 个月和末次随访时 3D 打印组 HAB、HPB 与术后即刻的差值均低于 TMC 组(P<0.05)。


结论    ACCF 联合 ACDF 治疗多节段脊髓型颈椎病患者,与采用 TMC 和Cage 相比,采用 3D 打印人工椎体与 3D 打印 Cage 具有手术时间更短、融合椎体高度丢失更少和能更好地维持颈椎生理曲度等优点,早期疗效较好。


正 文


近年来,脊髓型颈椎病患者逐年增多[1],多节段脊髓型颈椎病患者占颈椎病患者总数的 8%~10%,严重危害患者健康[2],并且椎体后缘骨赘形成与颈椎后纵韧带骨化也随之增多[3]。目前临床上治疗颈椎病的传统手术方法包括颈前路椎间盘切除植骨融合术(anterior cervical disectomy and fusion, ACDF)和颈前路椎体次全切除减压植骨融合术(anterior cervical corpectomy and fusion,ACCF)。与单纯 ACDF 或 ACCF 相比,ACCF 联合 ACDF 治疗多节段脊髓型颈椎病因具有更好的生物力学稳定性和良好疗效,逐渐被临床医生认可[4]

ACDF 联合 ACCF 能否重建颈椎稳定性与植入材料有关。钛网笼(titanium mesh Cage,TMC)存在骨-材料界面接触不紧密,可能破坏椎体终板造成假体塌陷等问题[5-6]。3D 打印植入物的微孔结构可以增加骨-材料接触面积,使植入物与周围骨组织紧密结合以促进融合,患者满意度更高[7-8]。研究报道,3D 打印人工椎体在 ACCF 治疗单节段脊髓型颈椎病可获得与 TMC 相似的临床疗效及骨性融合率,并可有效减少植入物的沉降[9-10]。在 ACDF术中使用 Cage 作为植入物已取得了良好临床效果[11];且 3D 打印 Cage 表现出与聚醚醚酮相似的生物力学稳定性与骨性融合率[12]。因此,在单节段脊髓型颈椎病中,3D 打印人工椎体和 3D 打印 Cage 相对于 TMC 和 Cage 可取得更好的临床效果,但二者在多节段颈椎手术中的优势少见报道。鉴于此,本研究通过回顾分析 3D 打印人工椎体和 3D 打印Cage 在 ACCF 联合 ACDF 治疗多节段脊髓型颈椎病的短期临床效果,并与同期采用 TMC 和 Cage 治疗的患者进行疗效比较,为多节段脊髓型颈椎病的治疗提供参考。报告如下。


1

临 床 资 料


1.1    患者选择标准

纳入标准:① 影像学检查存在多节段(≥3 个节段)椎间盘突出压迫脊髓;② 连续或不连续椎体后缘骨质增生,骨赘形成导致硬膜囊或脊髓受压;③ 连续性后纵韧带骨化;④ 连续性椎管狭窄且脊髓前方受压;⑤ 行 ACCF 联合 ACDF 治疗。排除标准:① 合并局部或全身感染;② 对本研究植入物过敏;③ 与其他疾病相关的颈脊髓病,如强直性脊柱炎、类风湿性脊柱炎、先天性畸形、肿瘤和结核病等;④ 颈椎有其他手术史。

2018 年 5 月—2019 年 12 月共 29 例患者符合选择标准纳入研究,根据植入物不同分为两组,其中13 例采用 3D 打印人工椎体和 3D 打印 Cage(3D 打印组),16 例采用 TMC 和 Cage(TMC 组)。

1.2    一般资料

3D 打印组:男 10 例,女 3 例;年龄 35~82岁,平均 55 岁。手术节段:C3~6 9 例,C3~7 1 例, C4~7 3 例。脊髓症状 Nurick 分级:1 级 5 例,2 级6 例,3 级 2 例。病程 1~12 个月,平均 6.2 个月。TMC 组:男 12 例,女 4 例;年龄 37~71 岁,平均60 岁。手术节段:C3~6 5 例,C3~7 1 例,C4~7 10 例。脊髓症状 Nurick 分级:1 级 4 例,2 级 9 例,3 级3 例。病程 1~18 个月,平均 5.9 个月。

所有患者术前均行 X 线片、CT 三维重建及MRI 检查。两组患者性别、年龄、手术节段、Nurick分级、病程及术前日本骨科协会(JOA)评分、疼痛视觉模拟评分(VAS)、融合节段 Cobb 角等一般资料比较差异均无统计学意义(P>0.05),具有可比性。见表 1~3。


 


1.3    手术方法

两组均由同一组医师进行 ACCF 联合 ACDF治疗。患者于全麻下取仰卧位,颈部轻度后伸,标记术区;取颈部右侧斜行切口(长约 6 cm),逐层切开显露损伤椎体;G 臂 X 线机透视定位后,于损伤椎体上下椎体置入椎体撑开器,然后行椎间盘及伤椎椎体次全切除以充分减压脊髓及神经根,彻底冲洗。

3D 打印组:选取合适大小的 3D 打印 Cage(北京爱康宜诚医疗器材有限公司)1 枚,其内填充自体切除椎体碎骨及骨优导材料(杭州九源基因工程有限公司)后植入椎间隙;选取合适长度及角度的3D 打印人工椎体(北京爱康宜诚医疗器材有限公司),其内填充自体切除椎体碎骨及骨优导材料(杭州九源基因工程有限公司)后植入损伤椎体位置。安装长度合适的颈前路钢板系统,植入 6 枚松质骨螺钉,G 臂 X 线机透视见植入物位置及深度适中。生理盐水冲洗切口,切口内置负压引流管1 根,逐层关闭切口。

TMC 组:选取合适大小的 TMC(美敦力公司,美国)填充自体切除椎体碎骨后植于损伤椎体部位;选取合适大小的 Cage(强生公司,美国)植入损伤椎间隙。安装长度合适的颈前路钛板固定,依次拧紧 6 枚螺钉。G 臂 X 线机透视见钛网及钛板长度合适,螺钉深度满意。生理盐水冲洗切口,切口内置负压引流管 1 根,逐层关闭切口。见图 1。


 

图 1 3D 打印人工椎体(上)和 3D 打印椎间融合器(下)实物图


1.4    术后处理

术后常规应用抗生素、激素、脱水剂 3 d,待每日引流量<30 mL 后拔除引流管,拔管后第 2 天可佩戴颈托下床活动,常规佩戴颈托至术后 8 周。 

1.5    疗效评价标准

记录并比较两组患者手术时间、术中出血量和住院时间,以及并发症发生情况(包括疼痛、神经损伤、血肿、感染、植入物移位及断裂、吞咽困难等)。

术前、术后即刻、术后 6 个月及末次随访时进行以下评价:① 采用 JOA 评分评价神经功能改善情况,并计算末次随访时 JOA 评分改善率,公式为:(末次随访时评分−术前评分)/(17−术前评分)×100%。② 采用 VAS 评分评价上肢和颈部疼痛改善情况。③ 于颈椎侧位 X 线片上测量融合节段Cobb 角(融合节段头椎上终板与尾椎下终板之间的夹角),并计算末次随访时与术后即刻 Cobb 角的差值。

术后即刻、术后 6 个月及末次随访时,于颈椎侧位 X 线片上测量融合节段椎体前缘高度(height of the anterior bord,HAB)和椎体后缘高度(heightof the posterior bord,HPB),其中 HAB 为融合节段椎体前上缘至前下缘之间的距离,HPB 为融合节段椎体后上缘至后下缘之间的距离。计算术后 6 个月及末次随访与术后即刻的 HAB 或 HPB 差值,差值≥3 mm 均视为发生植入物(Cage 或人工椎体)沉降[13]

椎体融合标准:末次随访时行 CT 扫描,应用Brantigan&Steffee 脊柱融合分级评估人工椎体稳定性、界面骨融合情况,将 4、5 级合并视为融合并计算融合率[14]

1.6    统计学方法

采用 SPSS24.0 统计软件进行分析。计量资料均符合正态分布,数据以均数±标准差表示,两组JOA 评分、VAS 评分和融合节段 Cobb 角手术前后各时间点间比较采用重复测量方差分析,若不满足球形检验,采用 Greenhouse-Geisser 法进行校正;两组间手术时间、住院时间、术中出血量、末次随访 JOA 评分改善率、末次随访与术后即刻 Cobb 角差值、术后 6 个月和末次随访时 HAB 及 HPB 差值比较采用独立样本 t 检验。计数资料以率表示,组间比较采用秩和检验或 Fisher 确切概率法。检验水准 α=0.05。


2

结 果


3D 打印组手术时间显著少于 TMC 组,差异有统计学意义(t=3.336,P=0.002);两组住院时间和术中出血量比较差异均无统计学意义(P>0.05),见表 4。两组患者均获随访,随访时间 12~19 个月,平均 16 个月。两组术后均未发生明显并发症,仅3D 打印组术后第 2 天出现 1 例反流性咽喉炎,系术中操作引起,1 周内消失。见图 2、3。


 


 

图 2     3D 打印组患者,男,48 岁,C3~6脊髓型颈椎病     a. 术前 X 线片;b. 术后即刻 X 线片;c. 术后 6 个月 X 线片示植入物沉降不明显,颈椎曲度尚可;d. 术后 15 个月 X 线片示植入物沉降不明显,颈椎曲度尚可;e、f. 术后 15 个月 CT 示植入物融合,沉降不明显


 

图 3     TMC 组患者,男,55 岁,C4~7脊髓型颈椎病     a. 术前 X 线片;b. 术后即刻 X 线片;c. 术后 6 个月 X 线片示植入物出现沉降,颈椎曲度减小;d. 术后 13 个月 X 线片示植入物沉降明显,颈椎曲度变直;e、f. 术后 13 个月 CT 示植入物融合,沉降明显


重复测量方差分析示,JOA 评分、VAS 评分与Cobb 角各时间点间差异均有统计学意义(P<0.05)。JOA 评分中时间与组别有交互作用(F=3.705,P=0.025),随时间延长,3D 打印组与TMC 组 JOA 评分升高幅度不同,3D 打印组升高幅度更大。VAS 评分中时间与组别无交互作用(F=3.038,P=0.065),且两组间各时间点评分差异无统计学意义(F=0.173,P=0.681)。Cobb 角的时间与组别有交互作用(F=15.581,P=0.000),随时间延长,3D 打印组与 TMC 组 Cobb 角变化幅度不同,其中 3D 打印组升高幅度更大,TMC 组下降幅度更大。末次随访时两组 JOA 评分改善率差异无统计学意义(t=0.681,P=0.502),但 3D 打印组 Cobb 角差值显著小于 TMC 组,差异有统计学意义(t=5.754,P=0.000)。见表 1~3、图 4。


 

图 4 两组患者手术前后各时间点临床指标比较 a. JOA 评分;b. VAS 评分;c. 融合节段Cobb 角


末次随访时 3D 打印组和 TMC 组植入物融合率分别为 92.3%(12/13)和 87.5%(14/16),差异无统计学意义(P=1.000)。3D 打印组和 TMC 组术后6 个月植入物沉降发生率分别为 15.4%(2/13)和18.8%(3/16),末次随访时分别为 30.8%(4/13)和56.3%(9/16),差异均无统计学意义(P=1.000;P=0.264)。术后 6 个月和末次随访时 3D 打印组HAB、HPB 差值均低于 TMC 组,差异有统计学意义(P<0.05)。见表 5。


 


3

讨 论


ACCF 和 ACDF 能够恢复颈椎椎间高度,直接解除脊髓压迫,具有稳定性强、恢复快、疗效好的特点,是目前临床常用的治疗脊髓型颈椎病和颈脊髓损伤的手术方式。作为治疗多节段脊髓型颈椎病的传统前入路手术,ACDF 或 ACCF 各有优缺点。ACDF 已广泛用于治疗单节段脊髓型颈椎病并取得肯定疗效[15-16]。但治疗多节段颈椎病时,前路减压融合术后,颈椎前凸恢复不充分会造成颈椎不稳、轴向疼痛,并对植入物融合率有重要影响,可能影响功能恢复。Li 等[17]研究表明,ACDF 治疗多节段颈椎病术后可保持良好的颈椎前凸,但手术视野较窄,可能造成减压不充分,术中需植入多个Cage,增加手术难度和操作时间,且医疗费用也相应增加。相对于 ACDF,ACCF 操作空间更大,一定程度上降低了手术难度,且对脊髓刺激较小,利于术后恢复。但 Liu 等[18]认为在多节段颈椎手术中需植入较长的 TMC,从而降低了颈椎稳定性,且颈椎前凸恢复不充分,术后骨性融合率较低,增加了植入物沉降风险。

ACCF 联合 ACDF 治疗多节段脊髓型颈椎病由Singh 等[19]首次提出,他们认为与单纯 ACCF相比,ACDF 联合 ACCF 在颈椎屈伸和侧弯重建中具有更强的生物力学稳定性。研究表明[4,18],联合减压方式能够减少术中出血与创伤;良好的术中视野有助于植入物准确放置;术后能够恢复良好的颈椎前凸,增加融合节段稳定性,且不需要额外后路稳定,提高了融合率,减少了术后并发症。

ACDF 联合 ACCF 能否重建颈椎稳定性,主要因素之一为植入材料的选择。目前常用植入材料有自体三面皮质骨块、TMC、Cage、3D 打印人工椎体和较少使用的同种异体骨等。TMC 具有强度高、中空网格状结构可结合自体骨植入、能够重建即刻稳定性等优点,广泛应用于临床[14]。Ji 等[20]研究表明,钛网与终板的接触为点状接触,易引起终板塌陷、造成钛网沉降,部分患者可引起神经症状,加速邻近节段退变[5]。而 3D 打印人工椎体和Cage 因其微孔结构增加了骨-材料接触面积,能够很好地与周围骨组织结合,以达到骨性融合,从而减少了植入物沉降,更好地维持了颈椎高度与生理曲度[10,12]

本研究结果显示,两组患者住院时间和术中出血量并无显著差异,但 TMC 组手术时间显著长于3D 打印组。由于钛网在植入前需要修剪,中空的钛网中心需要填塞更多骨泥,且与椎体上下终板不能紧密接触,可能导致植入困难,从而延长手术时间。术后各时间点两组间 JOA 评分和改善率及VAS 评分均无显著差异,是因为这两种评分结果取决于手术减压效果,说明两种植入物均能重建颈椎即刻稳定性,具有相似的减压效果。TMC 组椎体高度丢失大于 3D 打印组,且在随访期内随时间增加椎体高度丢失进一步加重,末次随访时 TMC 组16 例患者中有 9 例发生植入物沉降。尽管部分患者影像学提示已出现植入物沉降,但临床疗效未受明显影响,这与 Ji 等[21]的观点一致。

本研究发现,钛网与椎体终板接触的尖端不规则,增加了植入难度,术中可能需要撑开更大空间,使得钛网两端压强增加,从而增加了术后钛网沉降率。由于钛网与椎体终板的接触为点状接触,缩小了与相邻椎体终板的接触面积,术后可能发生钛网尖端刺入椎体,导致植入物沉降。发生沉降后,除了直接导致椎间高度丢失外,间接影响是减小颈椎生理前凸角度,其减小程度与沉降高度和位置有关。本研究中我们发现,两组 HAB 丢失大于 HPB,导致颈椎融合节段 Cobb 角减小,且 TMC 组颈椎融合节段 Cobb 角减小程度大于 3D 打印组。钛网多为圆柱形,其结构无法与术前颈椎生理前凸角度相吻合,也是造成颈椎融合节段生理曲度丢失的另一原因。而颈椎生理曲度的丢失又降低了颈椎生物力学稳定性,增加颈椎退变发生率,导致疼痛等各种不适症状,同时也降低了对外力的抵抗作用,增加了颈椎受损伤的潜在风险。

3D 打印人工椎体与 3D 打印 Cage 适合不同患者不同椎体终板形态,能够与椎体上下终板的解剖形态相吻合,最大限度接近颈椎生理状态,有效增加了接触面积,从而达到 3D 打印人工椎体和 3D打印 Cage 与椎板界面密切咬合,减少了植入物和椎体终板间的压强,恢复了颈椎生理曲度[22-23]。本研究结果显示,3D 打印人工椎体和 3D 打印 Cage显著减少了融合节段颈椎高度及融合节段 Cobb 角丢失,维持了颈椎生理曲度。3D 打印人工椎体与3D 打印 Cage 具有微孔结构,类似人体骨骼的骨小梁,大大增加了骨-材料接触面积,从而使植入物更好地与周围骨组织结合,缩短融合时间,达到更稳定的融合。3D 打印人工椎体与 3D 打印 Cage 为中空状结构,可以将术中咬除的椎体制成骨泥填充其中,诱导骨生长。术前通过 CT 三维立体重建,模拟完全复位后的椎体,从 3D 打印椎体库选出与患者自身颈椎相仿的通用 3D 打印人工椎体与 3D 打印 Cage(高度误差不超过 2 mm)。术中减压后,在撑开器撑开状态下直接植入即可,放松撑开器后就能达到即刻稳定。既节省了修剪、选择假体的步骤,有效缩短了手术时间,也使植入更方便,手术更加微创、精确。

本研究局限性:① 病例数较少,需要更大样本量来研究论证;② 随访时间短,需要远期进一步随访结果;③ 植入物为钛合金材料,术后存在影像学上的遮挡,对测量结果和融合率的精确判断造成了一定影响。

综上述,在 ACCF 联合 ACDF 治疗多节段脊髓型颈椎病中,采用 3D 打印人工椎体和 3D 打印Cage 能达到与 TMC 和 Cage 相似的临床效果。由于其微孔结构以及与自身椎体相仿的形态和高度,与 TMC 组相比,3D 打印组手术时间更短,具有更好的骨-材料结合界面,在短期研究中假体沉降高度更少,在维持颈椎高度与曲度方面优于 TMC组,为多节段脊髓型颈椎病的手术治疗提供了参考。


通讯作者


孙麟,医学博士,副主任医师,博士研究生导师。山西省“三晋英才”支持计划青年优秀人才,山西医科大学杰出科技工作者。研究方向为脊柱脊髓损伤和疾病,重点为颈椎疾病诊治与脊柱微创治疗。现任中国康复医学会脊柱脊髓专业委员会青年委员,中华医学会骨科学分会创新与转化学组青年委员,中华医学会骨科学分会微创外科学组青年委员,中国康复医学会颈椎病专业委员会基础学组委员,山西省医学会骨科学专业委员会青年委员会副主任委员,山西省医学会骨科学专业委员会基础与转化学组副组长,山西省康复医学会脊柱脊髓专业委员会委员。作为项目负责人承担国家自然科学基金2项,以第一作者发表学术论文20余篇,其中SCI收录期刊论文5篇。参编人民卫生出版社出版著书1部《颈椎损伤外科学》。


第一作者



王志强,硕士研究生,现就读于山西医科大学第三医院(山西白求恩医院 山西医学科学院 同济山西医院)。研究方向为脊柱脊髓损伤和疾病,重点为颈椎疾病诊治与脊柱微创治疗。作为主要参与者完成国家自然科学基金1项,参与研究山西省医学重点攻关专项科研项目1项。


参考文献:

本文由作者自行上传,并且作者对本文图文涉及知识产权负全部责任。如有侵权请及时联系(邮箱:nanxingjun@hmkx.cn
关键词:
打印,融合,植入物,随访

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