3D打印技術輔助治療髖臼腫瘤1例報告及文獻復習

張客松，韓 青，陳炳鵬，鄒 運，楊科榮,王辰宇，王金成

(吉林大學第二醫院骨科中心，吉林 長春130041)

骨盆腫瘤切除后如何填補截骨后殘留的大范圍骨缺損，如何重建骨盆的功能和解剖形態，一直以來是困擾骨科醫生的難題[1-3]。骨盆腫瘤切除后，骨盆重建主要采用組配式骨盆假體重建術[4-5]，由于患者骨盆解剖形態與腫瘤侵襲范圍和惡性程度的個體化差異，導致腫瘤切除范圍的不同。為徹底切除腫瘤，降低復發率，術中需要切除大量骨組織及周圍組織，腫瘤切除后往往無法保證充足的骨量[6-8]。近年來，定制骨盆假體在骨盆腫瘤治療中的應用一定程度上提高了假體與骨盆的匹配性[8-10]，然而傳統技術制造的定制假體精確度差，且表面無相應微孔結構來促進骨與軟組織長入，骨盆重建后的長期生物學穩定性較差[1-3]。為解決上述問題，本研究應用3D打印骨盆模型輔助術前設計，結合3D打印截骨導板進行輔助截骨，隨后植入3D打印個體化鈦合金骨盆假體進行骨盆的重建。3D打印截骨導板可提高骨盆截骨精確度，保證假體與殘余骨盆相互匹配。另外，已有研究[1,3]表明：3D打印骨盆假體可以精確填補骨盆截骨后的骨缺損部位，達到較好的骨盆解剖重建和功能重建效果。針對傳統組配式骨盆假體松動率較高的問題，本研究應用的3D打印假體表面設計有網格結構，以期促進假體與骨融合，降低假體松動率，達到改善患者術后運動功能和生活質量的目的。

1 資料與方法

1.1 臨床資料

患者，女性，62歲。右腎透明細胞癌，右骨盆髖關節轉移癌。患者5個月前無明顯誘因右髖關節疼痛，活動后疼痛加劇，就診于吉大林大學第二醫院，診斷為“右腎透明細胞癌，右側髖臼轉移癌(EnnekingⅡB期)”。經全身骨顯像檢查(靜脈注射99mTc-MDP，20 mCi)和骨盆CT檢查未發現其他部位轉移。右髖4字實驗(+)；右髖關節活動度：伸0°，屈曲60°，內旋10°，外旋15°，內收10°，外展15°。骨盆CT檢查：右側髂骨及髖臼骨質破壞，髁間軟組織陰影最大層面51 mm×42 mm(圖1，見插頁三)。經全科會診后決定行右側半骨盆次全切及半骨盆重建術。 本研究中3D打印個體化定制半骨盆假體植入手術經吉林大學第二醫院醫學倫理學會批準。在進行充分的醫患溝通后，患者及家屬簽署手術知情同意書。

1.2 術前設計

1.2.1 數據獲取和圖像處理 骨盆CT采用日本飛利浦公司生產的256排螺旋CT 掃描。 各項參數如下：電子管電流 232 mA ，電子管電壓 120 kV,掃描層厚1 mm。掃描后導出DICOM格式的骨盆CT數據。

1.2.2 制作3D打印光固化樹脂骨盆模型 將導出的DICOM格式骨盆CT數據導入Mimics 14.0軟件對骨盆進行三維重建，獲得STL格式骨盆文件。將STL文件導入Magics軟件對骨盆模型進行前處理并生成模型支撐。從Magics軟件導出處理后的骨盆STL文件。向EOS P110尼龍粉末機和SLA450樹脂打印機導入帶有支撐數據的分層文件，打印患者光固化樹脂骨盆模型(圖2，見插頁四)。

1.2.3 設計制作3D打印截骨導板 以患者健側半骨盆鏡像圖像和術前規劃的截骨范圍作為構建3D打印鈦合金假體形狀的基本依據。在構建截骨導板時，將截骨線設計到距離腫瘤邊緣2 cm以上以保證腫瘤的徹底切除。本研究設計的3D打印截骨導板有與骨盆解剖形狀一致的結合平面，導板上設計有截骨導向槽和固定孔。術中截骨導板定位成功后，以克氏針通過固定孔固定于骨盆相應位置進行截骨。設計完成后使用EOS P 110 3D打印機制造尼龍材料截骨導板。

1.2.4 設計與制造3D打印個體化半骨盆假體 根據健側半骨盆鏡像圖像以及患側截骨范圍設計3D打印骨盆假體。在假體骨接觸面設計孔隙直徑為400 μm、孔隙率為60%的3D打印網格結構。骨盆假體選擇Ti6Al4V材料，使用ArcamA1金屬打印機以電子束熔融技術制造(圖2，見插頁四)。

1.2.5 術前體外模擬匹配實驗 本研究使用3D打印截骨導板對患者患側半骨盆樹脂模型進行體外模擬截骨。截骨后的殘余骨盆模型與3D打印半骨盆假體進行模擬匹配，以驗證截骨導板與骨盆、3D打印半骨盆假體和殘余骨盆匹配性(圖2，見插頁四)。

1.3 手術過程

全身麻醉生效后，患者取左側臥位，采用右髖部K-L切口，顯露股骨頸后垂直，暴露骨盆腫瘤區，將3D打印導板定位于骨盆相應位置，固定于骨盆后進行截骨，隨后植入3D打印鈦合金骨盆假體并用螺釘進行固定。安裝46/28 mm骨水泥髖臼杯，固定牢固后，選用10號生物型股骨頸假體及28/-4 mm球頭，插入股骨柄，復位髖關節，活動髖關節見活動度良好，沖洗術野，縫合各層組織，無菌輔料包扎。

1.4 隨訪結果

術后2 d囑患者行下肢功能鍛煉,術后21 d出院。術后1、3、6和12月分別復查骨盆X線及CT，可見假體位置良好(圖3)。術后隨訪記錄：健康調查簡表(SF-36)評分術后6個月108.15分，12個月75.35分；肌肉骨骼腫瘤協會(MSTS)評分術后6個月16分，術后12個月11分；髖關節Harris評分術后6個月27分，術后12個月52分。術后12個月，患者能無輔助行走約1 km以上，日常生活能自理。

圖3 髖臼轉移癌患者術中(A)和術后12個月(B)X線片

Fig.3 X-ray images in operation (A) and 12 months after operation (B) of patient with metastatic acetabulum tumor

2 討 論

骨盆腫瘤尤其是繼發性骨盆腫瘤患者5年生存率較低，且術后復發率高[9]。傳統骨盆假體難以滿足形態學方面的個體化需求，通常不能達到對骨盆的解剖重建。在截骨方面，植入傳統組配式假體需要進行大量截骨，使骨盆周圍肌腱失去原有附著點，周圍軟組織失去了骨盆的承托作用，導致患者術后下肢運動功能下降[5-9]。本研究采用了3D打印技術進行骨盆腫瘤精確切除及骨盆解剖和功能重建，其優勢如下。

2.1 精確截骨

截骨導板是一種可以明顯提高截骨精確度的輔助截骨工具。目前個體化截骨導板已經開使廣泛應用于骨盆腫瘤切除術[9-10]、股骨遠端骨肉瘤切除術[11]和全膝關節置換術[12]等手術中。相對于截骨導航系統，截骨導板具有更高的截骨精度，更短的定位時間。Jentzsch等[13]研究顯示：在4例骨盆腫瘤切除重建術中，1例患者應用截骨導板輔助截骨，術后測量截骨線與術前規劃對比最大誤差為0.4 cm，而另1例無輔助截骨的患者截骨線與術前規劃最大誤差達到了2.8 cm。 Cartiaux等[14]報道了應用骨盆截骨導板對24個骨盆模型進行體外模擬截骨的研究，共規劃96條截骨線，在骨盆截骨導板的輔助下，髂骨前、髂骨后截骨精度分別達到了1.0和 1.2 mm 的高精確度。上述研究表明：應用骨盆截骨導板可以明顯提高骨盆截骨精度，骨盆截骨導板在提高截骨精確度的同時，也降低了術中骨盆附近重要血管神經損傷的發生率，減少了術中出血量。本研究采用截骨導板進行截骨，術中截骨導板術中與骨盆完美匹配，可完全按照術前計劃進行截骨。該方式既提高了截骨的精準度，又明顯縮短了手術時間，為下一步植入3D打印個體化骨盆假體，最后完成對骨盆的解剖重建奠定了基礎。

2.2 簡化手術流程

骨盆腫瘤切除重建手術流程復雜，手術時間長，術中出血量大。Wei 等[1]報道的3D打印骶骨假體骨盆重建手術時間為5 h，出血量3 400 mL。Sun 等[7]報道的16例原發骨盆腫瘤患者植入定制假體半骨盆重建研究中，平均手術時間為3.5 h，平均出血量2 600 mL。 Laffosse 等[15]研究顯示：10例髖臼腫瘤患者自體同側股骨頭骨移植骨盆重建手術平均手術時間5.2 h，平均出血量2 700 mL。本研究中由于應用3D打印骨盆模型進行術前規劃以及模擬手術，術中應用3D打印截骨導板輔助截骨增強術中術前對病情以及手術流程的了解，手術時間僅為104 min，術中出血量僅為900 mL，遠低于上述報道。骨盆腫瘤切除手術中使用3D打印骨盆模型、3D打印截骨導板及3D打印骨盆假體進行術前模擬和術中使用，能簡化手術流程，明顯縮短手術時間，減少術中出血量。

2.3 骨盆的解剖和功能重建

骨盆腫瘤切除重建手術中，最大可能恢復骨盆原有的形態和功能并盡可能保留未侵及的骨質是骨盆重建的目標[1-3]。3D打印骨盆假體是以患者骨盆形態為基礎進行個體化設計的，在恢復患者骨盆原有解剖形態方面具有難以比擬的優勢。3D打印鈦合金骨盆假體可以達到骨盆的解剖重建，并能提高患者下肢運動功能，改善患者術后生活質量。Wei 等[1]曾經報道了1例植入“U型”3D打印鈦合金骶骨假體進行的骶骨腫瘤切除重建的病例，術后患者骨盆環恢復了完整性，并且達到了骨盆解剖重建的標準。Chen 等[2]報道：1例髂骨腫瘤患者應用3D打印髂骨假體精確填補骨盆腫瘤切除后的骨缺損部位，聯合應用截骨導航系統提高了截骨精確度。Fan 等[3]報道：應用3D打印技術在骨腫瘤保肢手術研究中分別設計了3D打印鎖骨假體和3D打印骨盆假體，其中在3D打印髂骨假體骨盆重建研究中，手術時間僅為130 min，術中出血量僅為800 mL，術后18個月隨訪患者MSTS評分達到27分。 3D打印半骨盆假體形狀以患者健側半骨盆鏡像與規劃截骨范圍為構建依據，最大程度地達到對骨盆的解剖重建。3D打印半骨盆假體的研究中，大多結合了3D打印骨盆模型進行術前規劃和模擬手術，且術中結合3D打印截骨導板和骨盆截骨導航系統等技術手段提高截骨精確度。這些輔助手段也成為了3D打印骨盆假體能保證匹配性并達到滿意的骨盆重建效果的重要因素。

在保證骨盆解剖重建的同時，改善患者術后運動功能和生活質量也十分重要[1-2，16]。研究[5-6]表明：定制骨盆假體骨盆重建術后較組配式假體功能更加優越。Danlman等[6]報道了7例髖臼腫瘤患者，4例植入組配式鞍狀骨盆假體進行骨盆腫瘤切除骨盆重建術，3例植入定制骨盆假體，定制骨盆假體組術后平均MSTS評分達總分的79%，而組配式假體組平均MSTS評分僅為總分的44%。Sun等[7]對16例原發骨盆腫瘤患者植入定制骨盆假體進行骨盆重建術，患者術后平均MSTS評分達到總分的72%。Wang等[5]報道的50例植入組配式假體進行骨盆腫瘤切除重建的研究中，最近一次隨訪患者平均MSTS評分僅達到總分的61.4%。本研究中，由于患者腎透明細胞癌惡性程度較高，后期發生擴散，生活質量評分和MSTS評分有所降低，SF-36評分由術后6個月的108.15分降低至術后12個月的75.35分，MSTS評分由術后6個月的16分降低至術后12個月的11分；但是在局部評分方面，本例患者患側髖關節Harris評分由術后6個月的27分提高至術后12個月的52分,說明植入3D打印骨盆假體進行骨盆重建對于患者下肢功能具有明顯的改善。

2.4 骨盆長期穩定

骨盆的長期穩定狀態對于改善患者術后下肢功能至關重要。為了骨盆的長期穩定，本研究在假體與骨盆交界面設計了孔隙直徑400 μm、孔隙率60%的3D打印網格結構。表面粗糙的3D打印網格結構有利于促進骨長入，促進假體與骨的融合，從而有利于骨盆重建后的長期穩定[1-3]。3D打印網格的形態十分復雜，通過傳統的工業制造技術難以達到[1-2]，這就突出了3D打印技術在假體制造方面的優勢。在Wei 等[1]的研究中，研究團隊設計并制造了孔隙直徑800 μm、孔隙率為50%～80%的網格結構的3D打印鈦合金骶骨髂骨假體來促進假體與骨的融合。Fan 等[3]在骨腫瘤的保肢手術中，分別設計并制造了3D打印鈦合金鎖骨假體、肩胛假體和骨盆假體，假體表面均設計有3D打印鈦合金網格結構。上述3D打印網格與本研究應用的類似，被證明具有良好的促進骨長入和軟組織黏附的效果。

本研究應用3D打印技術進行骨盆腫瘤的精準切除和重建并獲得了成功，在術后為期12個月的隨訪中也取得了較為滿意的短期隨訪效果，為類似骨盆腫瘤切除重建提供了一個可行的方法。因本研究僅以1例髖臼腫瘤患者為例探索了3D打印技術在骨盆腫瘤切除重建術中的應用，其效果尚需更多的生物學、生物力學試驗和臨床試驗來驗證。