3 d打印技术应用于微创脊柱手术

文摘

3 d印刷(3 dp)技术继续受欢迎在医学专业作为一个有用的工具来改善病人护理。脊柱外科领域的利用是一个纪律;然而,信息的使用3 dp微创脊柱手术(小姐)是有限的。3 d打印技术是目前用于脊柱外科创建biomodels硬件模板和向导,和植入物。微创脊柱外科医生已经开始采用3 dp技术,特别是使用biomodeling优化术前计划。因素限制广泛采用3 dp包括增加时间,成本和有限的诊断范围3 dp迄今为止被利用。3 dp技术已经成为一个有价值的工具利用脊柱外科医生,还有无限的方向这一技术可以应用于微创脊柱手术。

1。介绍

加法制造(AM)技术,如3 d印刷(3 dp)最近用在许多医学学科包括脊柱外科领域。更具体地说,3 dp属于几个可能的微创脊柱外科领域的应用包括使用biomodels、手术指导、植入物。3 dp biomodels有潜力提高术前规划和作为一个有价值的教学工具;手术指导可以提高硬件精度和位置精度;植入物可以设计定制,以适应病人解剖以及改进生物特征相比,现有的制造方法。本文将描述潜在的病人3 dp技术优化结果在微创脊柱手术,以及当前挑战限制普遍实现。

2。背景

加法制造如3 dp利用数字计算机辅助设计建立一个三维模型通过添加连续层的材料而不是通过减去生产,可能导致减少制造废物(图1)[1]。

利用二维成像模式的概念构建一个三维解剖模型在1979年第一次描述了,和技术扩大了医疗领域的广泛从那时起(2]。口腔颌面外科和整形手术是两个第一附属专业报告的使用3 d打印(3]。其使用领域的脊柱手术是在1999年第一次描述了整个脊柱的协助打印模型可视化复杂畸形的情况下(4]。

出现以来快速原型(RP), 3 dp已经成为一个越来越有价值的辅助外科专业通过促进建立一个各种各样的手术工具,包括特定的解剖模型,硬件,和削减指南,以及植入物和假肢。随着这项技术变得更普遍,成本预计将减少而易用性将同时增加,和在一起这些因素有可能燃料采用的快速增长(3]。

3所示。Biomodels

3 dp biomodeling涉及翻译传统的2 d图像到一个特定的解剖模型,它提供了几个优势标准成像模式。Izatt等人量化骨科脊柱外科医生的感知的有用性biomodels相比标准二维成像技术在治疗复杂的脊柱畸形或脊柱肿瘤患者。biomodels被用作术前规划和术中解剖参考,据报道,解剖细节更可见biomodel在65%的情况下,只在11%的病例(biomodel可见5]。此外,使用3 d biomodel术前导致替代决策对于材料的选择超过半数的病例和植入网站在74%的情况下,平均作业时间减少了22%5]。这些数据支持biomodeling作为有用的,有时重要,成像工具用于复杂的脊柱手术。

Biomodeling脊柱手术有可能在术前计划中扮演重要角色。的能力与病人的互动以触觉方式解剖前过程本身产生一些实实在在的好处包括减少手术时间,降低血液流失,减少输血量(6- - - - - -8]。此外,创建此类biomodels允许外科医生来优化他们的术中硬件放置时间的手术前,尤其是在复杂的解剖病理包括类风湿性关节炎患者和复杂的脊柱侧凸6,9,10]。相比回顾性研究50患者3 dp脊髓biomodels由聚苯乙烯创建之前手术纠正Lenke 1型与76年青少年特发性脊柱侧凸患者接受护理的标准(无biomodeling),表明治疗组明显( )降低患者的椎弓根螺钉误放Cobb角> 50度(6]。此外,4复杂的先天性脊柱侧凸患者,阿特拉斯肿瘤,atlantoaxial错位,atlantoaxial骨折脱位治疗的帮助下3 d印刷感光树脂biomodels手术前(图创建的2)[11]。

这四个病人术后成像证明没有椎弓根渗透或螺丝错位发生,再次证明使用biomodels协助外科医生治疗病人患有复杂的解剖病理。

微创脊柱手术(小姐)具有独特的临床外科医生每天遇到的挑战,如小接触走廊,困难的可视化,分钟工作空间,以及一个陡峭的学习曲线与低耐受性错误(12]。作为回应,biomodels可以为MIS外科医生提供触觉反馈和方便的方法理解复杂的病人在术前规划阶段解剖。这个应用程序的一个例子是治疗胸韧带的骨化flavum (TOLF)使用biomodel协助小姐。这种方法被用于研究13的病人都有3 d biomodels脊柱的解剖学TOLF显微外科减压之前(图创建的3)[13]。biomodel是用来确定解剖差异患者,术前优化的经皮插入管状角的牵引器,并划定的位置和大小有关骨空间减少损害相邻肌肉、肌腱和骨骼。

类似的方法被协助的情况下一个66岁的老人与黄韧带骨化病例T10-T12谁biomodel是打印在术前规划阶段。外科医生利用这个模型来验证他们的截骨术的角度,以及确认尺寸,位置,和黄韧带骨化病例的边界14]。

因为小姐的成功掌握技能需要彻底理解3 d脊髓架构中,这些程序有一个陡峭的学习曲线(12]。潜在的并发症包括durotomy,植入位置不正,和神经损伤。3 dp biomodels有可能发挥重要作用在新的外科医生的培训照亮了错综复杂的脊柱的解剖学和架构,不能模拟使用备用模式。通过提供实时触觉反馈,这些模型可以加速早期采用的舒适和熟悉的外科医生在这个空间。例如,经历发表在使用3 dp模型等诊断动脉瘤导致更好的术前评估得分与同行相比那些使用传统的CT成像技术15]。

4所示。指南和模板

3 dp可以方便的创建特定的指南和模板,有助于术前规划从而增加硬件处理位置的准确度和精密度。这通常利用电脑断层扫描机制的脊柱可以翻译成3 dp指南或模板。潜在益处包括更短的手术室时间和减少辐射暴露病人和外科团队(8,16- - - - - -18]。同时,3 d打印的螺钉位置指南演示了优越的精度在椎弓根,层流螺钉的放置在几项研究,从而提高病人的安全性和临床结果(17,19,20.]。由芝加哥商业交易所et al .,在一项研究中发现皮质穿孔的发生率显著降低在集团利用3 dp模板和徒手螺钉放置荧光镜的指导下(21]。此外,陆等人的研究利用反向工程biomodel和3 dp腰椎椎弓根钻指南,用来把螺丝6例(22]。钻模板精确地适合所有患者的解剖,允许快速模板定位、钻孔、螺钉位置。术后CT成像显示出高度的精密度和准确度都钻轨迹和螺钉位置被发现在他们的最佳位置。郭等人的疗效相比的另一个研究使用3 dp导向螺钉位置上颈椎(阿特拉斯和轴)与传统的透视下位置(数字4和5)[23]。

螺丝放置使用3 dp指南演示增加与减少椎弓根皮质穿孔位置精度和减少操作时间和荧光镜的频率相比,传统的位置。综合来看,这些研究证明3 dp模板的好处,包括高效、准确、精确钻轨迹和螺钉位置,从而导致更快的手术时间和改善患者的结果。

3 dp模板和导游有许多应用微创脊柱手术。特定的此类应用程序的示例包括减少接触网站和切口大小、导航变量病人解剖结构和特定的仪器。首先,3 dp可能允许较小的模板和向导,这与优化钻轨迹将推动小切口和曝光。这个领域的最终目标是建设一个装置,适合在病人的身体外部,指导钻井轨迹和螺钉位置而不需要入侵风险。然而,缺点确实存在使用更小、更精确的仪器。例如,尽管小指南和模板减少原生组织破坏,同时风险较小的风险敞口,仪器可以使适当的硬件和放置。外科医生利用微创技术的权衡应该意识到存在于使用这些工具。

错过另一个重要应用是在竞技场craniocervical手术,在解剖结构之间可以高度可变的患者(24]。钻模板和轨迹,可以优化手术前将宝贵的导航在这个错综复杂的解剖空间和可以减轻椎动脉损伤的风险,一个潜在的威胁生命的并发症。未来3 dp的应用指南和模板可能针对病人的工作特别的仪器在每个病人的独特结构的解剖学。一个可能的例子是引入生物制剂在一个小后椎体空间,外科医生可以使用3 dp乐器独有的病人的阀瓣和开放空间的大小。此类仪器的特异性可能促进使用小姐的情况下病人解剖事先妨碍了这种技术的应用。在所有的这些例子中,使用3 dp可以缓解的难度将硬件或生物制剂在压缩空间和有限的能见度。

5。植入物

3 d打印也可以有助于通过创建专门设计的小姐和患者植入插入。此外,这些进程允许微调的材料特性,可以作为组织工程支架的一个平台,促进骨愈合(25,26]。

例子包括一个定制的印刷脊髓假肢后c1融合在一个65岁的女性患者以及假肢重建C2椎骨的儿科患者尤因肉瘤(数字6和7)[27,28]。

在另一起案件中,调查人员与特定的维度创建一个定制的脊柱融合笼使用病人的CT扫描数据(29日]。我们的目标是创建一个定制适合的植入患者的椎体终板。研究人员首先做了一个3 d重建患者的脊椎从CT DICOM,随后恢复通过调整脊柱前凸的矢状面平衡的角度提出植入。3 d模型还允许术前模拟骨赘切除和移植。设计钛笼使用加法制造直接制造金属印刷(DMP)的技术。在所有情况下,患者植入渲染可以解剖的设备,最大限度地减少植入漂移或沉降的机会。

3 dp植入从不同的材料也可以创建可定制的刚度和孔隙度,使他们能够最大化骨的生成和骨整合30.]。麦吉尔夫雷等人直接比较了骨向内成长潜力和生物力学性质的小说3 dp多孔钛合金(PTA)椎体与商用polyetheretherketone笼(PEEK)和等离子体喷涂多孔钛涂层PEEK (PSP)椎体笼在一个绵羊的椎体间融合术模型(31日]。调查报告统计上显著减少弯曲伸缩范围的运动生物力学测试,和一个统计上显著的增加刚度相比,PTA笼子PEEK和PSP的笼子里( 和 、职责)。MicroCT显示骨体积显著增加( )相比,PTA笼子PEEK和PSP笼子在8周和16周的时间点。作者认为这些发现增加高骨明显histomorphometric分析,在综合分析理论,增加了长在肉内表面所提供的3 dp PTA笼有助于增加植入物的稳定性和fusion-promotion。

调查3 dp脊柱植入物已被应用于融合,人工椎间盘,如果关节植入物。概念验证模型的目的,减少手术率微创SI关节融合,调查人员相比,3 d打印,添加剂制造(AM),多孔三角形与固体植入钛浆喷雾(TPS)多孔涂层植入在双边绵羊的远端股骨缺损模型。他们发现是植入更骨到显示设备的核心与TPS涂层植入表面向内成长。作者建议孔隙度的增加是植入更紧密地模仿本土骨头和可能提高MIS SI关节融合的生物力学稳定性(32]。

最后,这个制造技术已经被用于促进骨再生不需要,自体移植或BMP-2等外生因素。使用自体和同种异体有限由于供体部位疼痛,发病率增加,有限的可用性,和潜在的疾病传播,同时rh-BMP2能导致重大并发症supraphysiologic剂量(33- - - - - -35]。Jakus等人利用3 dp生产超弹性的“骨”(HB)合成仿生与本机骨弹性性质相似。在这项研究中,HB不仅支持细胞生长,而且还促进了bmsc的分化在体外如果没有文化媒体成骨的因素。另外Jakus等人发现高意味着融合得分与一只老鼠PL HB脚手架融合模型和胶原蛋白支架控制(36]。3 d打印一个合成的能力,growth-factor-free材料可能代表一个优越的和更安全的方法再生骨比现有技术。

这些例子为MIS的外科医生提供机会。由于狭隘的工作通道,能够创建硬件和生物制剂针对病人的解剖学可能是无价的。微调的能力植入材料的论述自然会减少假关节利率,这是一个已知的并发症从这些类型的程序。减少手术时间,需要收回周围神经结构,和骨折不愈合率都是激动人心的这项技术的潜在好处MIS外科医生。

5.1。“现成的”植入物

除了用于开发自定义,针对病人植入3 dp技术也被用于优化半成品“现成的”的几何性质(OTS)植入物(37]。麦吉尔夫雷如前所述,et al ., 3 dp材料的可定制的孔隙度和刚度可以更紧密地模仿本机骨骼,促进骨的生成(30.- - - - - -32]。OTS产品是由任何植入各种大小和适合,从而减少所需的额外时间额外成像研究和定制植入印刷(37]。因此,3 dp植入的核心吸引力,即他们的可定制的孔隙度和维度,维护,同时也使3 dp技术更具成本效益和更少的时间。总的来说,这一过程将使3 dp植入更广泛使用,同时还赋予这个新兴技术所提供的独特的结构优势。

6。限制

尽管赋予的好处使用3 dp手术,障碍仍然阻止了它的广泛应用。最重要的这些障碍似乎是利用3 dp技术产生的额外成本(包括启动、清洁和维护),发展3 dp设备,所需的时间和缺乏数据支持的使用3 dp例行程序(38,39]。3 dp仍然是一个高度专业化的过程,需要大量的资本投资于复杂的设计软件,相机,和3 d印刷机本身39]。这种投资的价格可能会降低医院采用3 dp的意愿以及对病人造成高昂的成本负担。通过减少医院和病人对这种技术的需求方面,3 dp的财政负担严重削弱其在更广泛的范围内采用。

此外,开发3 dp设备所需的时间不是无关紧要的。为病人创造单一设备的过程可能需要额外的成像过程,开发的3 d建模空间和设备本身的印刷(39]。这些冗长的时间需求可能阻止病人不能或不会容忍更多的时间花在临床环境。

最后,好处3 dp在脊柱手术中迄今为止仅限于复杂的情况下,由一个非常有限的专业外科医生(38]。这项技术为外科医生提供了无可比拟的能力,在这种情况下提供特定的干预措施。然而,并非所有的脊柱外科病例具有特异性的复杂性需要这个学位,和提供的好处3 dp并不总是可翻译。因此,3 d打印技术目前存在于相对小众的情况下,降低其市场潜力和普遍性,并限制其整体使用。

7所示。结论

使用3 d打印技术在脊柱外科领域的迅速发展,包括其新兴用来提高微创脊柱外科领域。无数潜在的应用程序,包括biomodels、手术指导、植入物。Biomodels与术前计划,可以帮助减轻并发症发生在最初的学习曲线与小姐,和服务来增加病人的理解和满意。3 d印制手术指导可以提高硬件位置的准确性和特异性。最后,3 d打印的植入物促进优越适合和osteoinductivity,破坏最小的原则协同工作,是小姐,虽然成本,时间,和相对专业市场目前抑制3 dp技术的广泛采用,它仍然是一个有价值的区域价值进行研究。

的利益冲突

惠灵顿许博士是下面的公司和组织的顾问委员会:Stryker公司,美敦力公司,Mirus生物Bioventus, AgNovos医疗、Xtant医疗、Allosource,赖特医疗集团。

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