3D打印(3D printing)又称作为增材制造(additive manufacturing,AM),是现在工业制造业新兴的一种快速成型技术(Rapid prototyping manufacturing,RP),最初是于上世纪八十年代中期诞生于美国,经过二十多年不断地发展与完善现已经日趋成熟。随着本世纪工业制造业科学技术的整体迅猛发展,3D打印快速制造技术已经广泛地应用到了许多高新技术领域,如:航空、航天领域、汽车生产领域和医学相关产业等领域。目前,国内也正在积极深入地开展研究,在医学方面,临床与科研比较多的集中在牙科、整形和骨科专业,脊柱外科由于其解剖组织结构复杂和精细等特性,成为了3D打印技术在骨科领域重点研发的方向之一。现在社会建设与发展越来越快,骨科外伤尤其是脊柱方面损伤的患者越来越多,适应选择外科手术治疗方案的病例也越来越多。脊柱椎弓根内固定技术是根据脊柱“三柱”理论原理,常用的外科治疗临床脊椎相关疾病的脊柱内固定方法之一,已经获得了很好的临床治疗效果和应用推广情景,对于脊柱外科学的发展和进步起到了很重要的作用。腰椎椎弓根螺钉内固定系统自从发明并使用至今,经过了一段较为漫长地探索研究过程。King早在1948年的时候发明出了一种新型椎弓根螺钉,他将此种新型的椎弓根螺钉经过脊柱的关节突钻入抵达至椎体的椎弓根部位,想通过进行脊椎椎体的关节突间固定来促进脊柱间的融合,但是实验失败了。到了1959年,Boucher等首次在腰椎融合内固定手术中使用长的螺钉经椎体的椎弓根内通过拧入到椎体内部,获得了较好的椎体融合临床效果。之后,经过Roy-Camille等研究者对椎弓根螺钉进行持续改良和反复临床实验,终于证实这种新的置入方法应用在脊柱椎弓根固定技术治疗脊柱骨折疾病能够提供更为安全、坚强牢固的较短节段之间的脊柱后路固定,并且具有非常好的临床治疗效果。到了1977年,美国FDA组织正式批准椎弓根螺钉置入技术是一种可行的脊柱后路固定方法,此后,该技术得到了迅速发展。目前,临床上较为常用的脊柱椎弓根固定的方法主要包括如下几种:X线透视辅助法、解剖标志部位法、计算机导航辅助置钉法、机器人法以及个体化腰椎椎弓根螺钉导航模板法。但是,由于脊柱椎体周边毗邻组织的重要性,以及椎弓根结构的复杂性和对手术医师技术要求的严格性等多种因素的影响,椎弓根螺钉的置入精准程度并不是十分理想,还有待于提高,不同的脊柱椎弓根螺钉植入方法,也各自有着不同的优缺点。近些年,随着3D打印技术在医学领域内得到了迅速和广泛地发展。现在的医学研究中,从最简单地打印出人体的器官或组织的三维实体模型,能够将器官或组织局部结构的细节真实地突显出来,使医生更为直观地观察解剖组织,更加详细地了解患者的病情,比如:复杂类型的骨折或者具有严重畸形的组织病变等等,到3D打印技术可以提供了比现有的影像学资料更加具体的信息,实现了由虚拟和现实、二维和三维、平面和立体之间的转变,使医生可以直接在打印出来的三维实体模型上进行手术设计及提前模拟演练,既开拓了诊疗思路,熟练手术操作,又增加了手术成功的概率。总体来说,目前3D打印技术可以为临床医务人员的诊断和治疗疾病提供新的思路和方法,在国家发展精准医疗的大环境下,有助于个性化医疗的发展与进步,但是,为了促进该技术的临床应用与发展,尚需做进一步研究和探讨。第一部分3D打印个性化腰椎椎弓根钉导航模板设计制作的精准性分析目的通过对国人正常结构腰椎标本的三维CT影像学数据采集,经过3D打印技术软件进行格式转化重建腰椎椎体模型,并设计、制作出实用性、针对性强的个性化椎弓根螺钉置入导向模板,评估其辅助置钉的准确性。方法选取正常结构腰椎解剖标本3段(L1-L5节),获得腰椎三维CT图像,使用3D软件获得重建数据,然后再导入到三维设计软件定位并设计螺钉定位导向孔,并提取该椎骨椎弓根螺钉的最佳钉道轴线,以该轴线为基准生成中空的圆柱体管道;以后部椎板表面为基准裁剪掉在椎体内部的中空圆柱体管道,椎体外部的管道即为椎弓根螺钉定位导向孔,双侧共两个,长度根据实际情况选择设计中间连接部分,提取后椎板和棘突的解剖形态曲面并对其进行裁剪,得到理想的曲面片,接下来把曲面片进行向外侧加厚处理,并且由面生成实体,此实体即为与后椎板和棘突根部背侧解剖形状互补的反向模板,可以实现表面无缝贴合。再视连接部掌握稳定情况增打握持把手。模型结构设计定型后,将信息导出储存,使用医用光敏树脂作为打印材料,打印出与实验椎体相符合的个性化椎弓根钉导板。结果使用3D打印技术可以设计并制作出来与标本实体相互匹配的个性化椎弓根螺钉置入导航模板,具有很好的与椎板后部解剖结构表面紧密连接贴合互补,可以精确辅助置入螺钉的作用。结论3D打印技术可以根据腰椎各个节段的实际情况,设计制作出符合相应椎体精确置钉要求的个体化导航模板,在理论上经过3D打印技术所设计出来的三维椎体模型与其个性化椎弓根钉导航模板是接近完全匹配的,但也有其实际误差和不足。不过随着料学的进步发展,这些不足应该会得到很好的改善,3D打印椎弓根钉导板辅助置钉技术是一种有效的精确制导技术,在临床脊柱手术中具有广阔的应用和推广前景。第二部分3D打印腰椎椎弓根钉导航模板精确植入技术的实验性研究目的使用3D打印技术书将腰椎解剖标本的三维CT扫描学数据进行转换,设计出与实验标本相匹配的个体化腰椎椎弓根螺钉导航模板三维构型,并制作出导航模板实体,后使用导航模板辅助在腰椎标本上进行螺钉植入试验,并将其置钉后的实际钉道分别与使用解剖标志法置钉以及电脑中设计的理想钉道做比较分析,验证导航模板的可行性及精确性优势。方法选实验分为3组:A组的3段腰椎采用传统的解剖标志法置入椎弓根螺钉;B组的3段腰椎使用3D打印技术设计、制作出个体化腰椎椎弓根螺钉导航模板,并辅助植入椎弓根螺钉;C组是3段模拟腰椎,即B组在3D打印技术中设计的模拟理想钉道组。然后再将B组置钉后的实际钉道分别与使A组用解剖标志法置钉以及C组电脑中设计的理想钉道做比较分析,以验证导航模板辅助置钉的可行性及精确性等优势,评价使用个性化腰椎椎弓根钉导航模板辅助置钉的实验效果。结果使用3D打印技术制作出个性化腰椎椎弓根螺钉导航模板15个,并以此组导航模板辅助置入的30枚椎弓根螺钉,检查全部辅助植入的螺钉的进钉点,进钉方向均在椎弓根内位置良好,无一例螺钉穿破椎弓根皮质。分析发现实际钉道较解剖标志法置钉精确率高,而与设计理想钉道相比较结果差异无统计学意义。结论3D打印技术是随着现代计算机、影像学、工业制造业和材料学等多学科领域的交叉结合而成就的科技进步结晶,现已经逐渐成为了人们关注和研究的热门。随着3D打印技术实现了椎弓根螺钉的个体化置入原则,可以更好的提高置钉准确性,我们利用3D打印技术、逆向工程原理及快速成型技术可以对结构复杂的椎体进行高精度的个体化置钉,该技术设计原理科学、制作方法操作方便简单、对操作者的手术经验和技术要求相对低。第三部分3D打印个性化腰椎椎弓根钉导航模板辅助置钉技术的临床应用研究目的根据患者术前腰椎的三维CT扫描数据,使用3D打印技术设计制造出相匹配的个体化腰椎椎弓根螺钉导航模板,并用于该患者的腰椎椎弓根内固定手术中,检验个体化腰椎椎弓根螺钉导航模板在临床手术中辅助置入腰椎椎弓根螺钉的可行性及精确性。方法将临床需要进行腰椎后路椎弓根钉内固定手术的患者随机分为A组,使用个性化腰椎椎弓根钉导航模板辅助置钉;B组,使用目前临床上常规使用的解剖标志联合C型臂下透视定位置钉法进行手术;C组,是将A组的手术腰椎椎体通过3D打印技术中设计出的模拟理想螺钉通道组。之后,分析A、B两组术中相关指标的差异,并以grade分级评分法,评估两组置钉的效果;并将术后A组患者的椎弓根钉道和C组设计的理想钉道进行相关参数值比较。结果A组可以使用3D打印技术制作与腰椎匹配的个体化腰椎椎弓根螺钉导航模板并辅助置入的52枚螺钉均位于腰椎椎弓根内部,且位置良好,没有发现螺钉穿破椎体椎弓根的皮质,也无并发症的产生,置钉的精确性与B组使用解剖标志联合C型臂下透视定位置钉法置钉的精确率无差异,且与C组模拟设置的理想钉道相关参数无明显差异,但是在手术平均每枚螺钉的置入时间、平均术中出血量、术中平均使用透视C型臂机的次数较B组有明显优势。结论随着医学技术和科技水平的进步,腰椎常用的置钉方法经过了不断的发展,虽然置钉精确度有所提高,但是每种方法均有其不足之处,或者是技术要求很高,或者是术中放射量大,价格昂贵学习曲线长、不易开展等。使用3D打印技术设计制作的腰椎椎弓根钉导航模板进行辅助置钉技术克服了以往常用置钉方法的一些不足,术中置钉的准确性较高,提高手术效率。随着3D产业的发展,此种技术有便于推广到基层医院的趋势,可以帮助缺乏椎弓根螺钉置入技术经验的年轻医生有效地完成腰椎椎弓根螺钉植入手术。