3D打印仿生人工椎体替换手术在粤完成



 当前,新一轮的数字化制造浪潮已在世界各国兴起, “3D打印”将成为实现数字化制造的关键技术。据了解,3D打印在医学领域,尤其是骨科方面可根据病人的病变部位切除重建的需要设计个性化的重建椎体,植入体内,使其功能的重建,并获得理想部位的功能。但切除后人的脊柱如何重建?上下节段的椎体将如何固定连接?近期,南方医院为一名35岁男性患者成功置换了3D打印仿生人工椎体。

据了解,这一3D打印仿生人工椎体由南方医院脊柱骨科历时100余天完全自主设计研发,从上千种设计方案中反复筛选测试后,确定了与患者的各项生理参数精准匹配的方案。该手术也是广东首例3D打印仿生人工椎体植入手术。

男子因患脊柱肿瘤 致椎体严重破坏

35岁的男性患者黄某,5个月前双下肢不明原因出现疼痛、麻木、无力等症状,且症状逐渐加重,仅能缓慢行走。在南方医科大学南方医院脊柱骨科进行相关检查后诊断为:骨巨细胞瘤合并动脉瘤样骨囊肿,相应层面椎管狭窄,压迫脊髓,导致胸12椎体及其附件骨质破坏。病人因脊椎肿瘤压迫神经,疼痛剧烈,生活质量严重下降。

据了解,骨巨细胞瘤是一种侵袭性肿瘤,又称破骨细胞瘤。其在我国的发病率仅次于骨软骨瘤和骨肉瘤,居骨肿瘤的第三位;绝大多数骨巨细胞瘤患者在20-40岁之间,15岁以下罕见,10岁以下极罕见;最常发生在长骨的骨端,常见于股骨下端、胫骨上端与橈骨下端,呈溶骨性,脊柱上比较少见。动脉瘤样骨囊肿又称良性骨动脉瘤,具有侵袭性的骨病损;60%-75%发生于股骨上端、椎体和附件,主要表现为局部肿痛,靠近关节时出现运动障碍,侵犯胸腰椎可以出现疼痛和下肢萎缩,大小便失禁甚至截瘫;多发生于10-20岁年龄段的人群。

南方医科大学南方医院脊柱骨科副主任医师郑明辉介绍,骨巨细胞瘤合并动脉瘤样骨囊肿很少见。面对如此棘手的肿瘤,全科室讨论后认为,该肿瘤虽然是良性肿瘤,但是以恶性肿瘤方式生长,有可能发展为恶性肿瘤,且该肿瘤已严重影响患者生活,最好的办法就是切除病灶椎体,置换一个新椎体。

然而,目前市场上现有的脊柱内固定产品,无法匹配病人的生理参数。如经常用于脊柱重建固定的钛网,由于过于细小,易下沉陷入骨头中,继而出现钉板系统断裂可能;而市面上传统的人工椎体的大小固定,无法精准匹配病人的切除部位。

3D打印仿生人工椎体手术 使其恢复正常生活

据了解,研究团队根据病人脊柱的CT扫描数据,为患者的脊柱建立了精准的3D图像。根据这个图像,设计出属于病人的个性化植入物,并进行3D打印。为了使个性化定制的人工椎体与病人椎体之间更好的融合,研究团队设计二十余种承受荷载的框架结构,数十种骨小梁拓扑结构,圆柱形、肾形、笑脸型、香蕉型等十余种外形及大小,组合达到上千种。

最后,经过测试筛选,结合该患者为单节段椎体破坏,并且位于胸12(胸腰段),治疗团队选择了一体化结构、12面体骨小梁拓扑结构、原始椎体。与黄生自己的椎体形状一致,与人自身的骨头一样有着致密的小孔隙,孔隙率达到75%,有利于骨细胞在其中生长。椎体中有一个空腔,用于注入患者自身的骨泥,骨泥也可诱导患者自身骨头的生长,将植入的椎体与自身的骨头紧密黏合。

据了解,治疗团队通过患者术前脊柱CT,同时应用“逆向形技术”获取临近椎体终板形态作为人工椎体的上下面,这样可以让人工椎体与患者脊柱骨界面完全贴合,提高其接触面积、降低内植入物与骨界面应力,减少甚至避免终板骨折、人工椎体下沉。

“人工椎体坚强的内部框架结构支撑力,能够通过人工椎体轻松承载人体上半身重量,不仅恢复脊柱整体高度,同时提高脊柱整体稳定性,减少脊柱内固定松动和断裂的风险。这样患者术后尽早下地活动甚至进入正常生活。”

由于肿瘤所在的位置血管丰富,2月6日,在人工椎体置换手术的前一天,治疗团队为黄生进行了血管栓塞术,堵住肿瘤段的供血血管,以减少术中出血。

2月7日,置换手术正式进行。医生从黄生的后背入路,切除胸12椎体。此时,脊髓没有了椎体的保护暴露在外。医生将3D打印仿生人工椎体轻轻旋入,“填补”了脊柱的空缺。

该院脊柱骨科副主任瞿东滨介绍,3D仿生人工椎体比患者自身的椎体要略小,这样在手术时就可以从手术区域旋进上下两段椎体之间,而不会伤到脊髓。

3D打印的钛合金仿生人工椎体,植入黄先生体内的就是这样的人工椎体,上面由螺钉与脊柱固定

在为椎管减压后,接着,手术团队在仿生人工椎体的中部空腔中注入患者自身的骨泥。植骨完成后,接着用螺钉内固定住患者的椎弓根。

最后,在手术团队和设计团队的共同努力下,手术取得圆满成功,患者术后3天便可自由下地活动,获得理想的治疗效果。

据悉,该3D打印仿生人工椎体/间盘一体化植入物已拥有自主知识产权,达到国际领先水平。郑明辉表示,通过3D打印仿生人工椎体的设计,团队摸索了一套优化流程,目前可以将从患者获取病变椎体参数开始到最后个性化3D打印仿生人工椎体完工控制在2周左右。该3D打印仿生人工椎体已拥有自主知识产权,达到国际领先水平。(图片由南方医院提供)

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