3D 打印鈦合金胸骨治療傳統鈦板胸骨重建術失敗患者1 例報告及文獻復習

劉 帥, 商圣濤, 尹騰程, 薛錦儒, 劉曦宇, 侯奕楠, 王 巖

（1.吉林大學中日聯誼醫院胸外科，吉林 長春 130033；2.東北師范大學校醫院電診科，吉林 長春 130024）

原發或繼發的胸骨惡性腫瘤罕見［1］。目前手術切除是胸骨惡性腫瘤最佳的治療方式。胸骨切除術目前應用廣泛，但手術切除后的胸骨重建非常具有挑戰性［2］。對于行胸骨切除手術的患者，胸骨重建應考慮重建后結構的穩定性和通氣功能［3］，此外也應當重點考慮胸骨重建后患者的外觀及舒適度［4］。目前對于胸骨重建材料的選擇仍無金標準。對于如何穩定重建手術切除后遺留的巨大的骨性缺損仍是研究的熱點和難點之一。國內外對該領域研究缺乏明確的臨床證據，國外病例少見，而現代三維重建技術給胸骨切除術后重建提供了新的策略，被正畸和頜面外科醫生廣泛應用［5］。隨著3D 打印技術的發展，2019 年至今采用3D 打印胸骨重建胸壁的報道逐年增加。因為中國人口基數大，因此大部分報道集中在國內，國外報道少見。本研究探討采用傳統修補和3D 打印鈦合金胸骨重建胸骨及胸鎖關節，對比患者術后上肢功能恢復情況和圍術期恢復狀態，闡明個體化3D 打印技術對患者預后的作用，為胸骨重建提供依據。

1 資料與方法

1.1 一般資料患者，男性，59 歲，2017 年無明顯誘因出現前胸部疼痛不能緩解，于當地醫院就診，行胸部CT 檢查提示胸骨占位性病變，2017 年10 月18 日于吉林大學中日聯誼醫院就診，行胸部增強計算機斷層掃描（computed tomography，CT）檢查，結果顯示：胸骨柄內見低密度團塊影，邊界清晰，動脈期CT 值為102 HU，靜脈期CT 值為85 HU，最大橫截面為2.1 cm×3.8 cm，鄰近骨皮質變薄，部分顯示不清，局部與其后方左側頭臂靜脈分界較清晰。患者以“胸骨腫物”收入吉林大學中日聯誼醫院胸外科。入院后進一步完善相關檢查。

1.2 體格檢查和影像學檢查患者體溫36.5 ℃，心 率78 min－1，血 壓102/78 mmHg， 呼 吸 頻 率20 min－1，一般狀態良好，睡眠飲食正常，二便正常，精神尚可，體質量無明顯變化，查體配合。患者雙上肢活動自如，活動后胸骨疼痛無緩解。進一步行CT 檢查提示無全身轉移跡象，考慮胸骨單發惡性腫瘤。完善術前和入院常規檢查均未見異常。胸部增強CT 檢查和肋骨重建結果均可見胸骨明顯占位。見圖1。

圖1 胸骨腫瘤患者術前胸部CT 和肋骨重建CT 圖像Fig.1 CT images of chest and rib reconstruction of patient with sternum neoplasm before operation

1.3 常規治療方法患者未見明確手術禁忌證，2017 年10 月25 日于全麻下行沿兩側鎖骨小頭領形切口，胸骨正中“T”形切口，電刀分離至肋骨表面，探見胸骨腫物。結合影像學檢查，給予距離腫瘤安全切緣下離斷左右第1 和2 肋軟骨、鎖骨與胸骨結合處，并在胸骨角處橫斷胸骨。離斷縱隔面粘連，完整取下腫物。局部骨缺損較大，以鈦板置入，螺釘與周圍肌肉組織及肋軟骨、鎖骨固定。見圖2。術后石蠟病理回報為胸骨漿細胞瘤。患者術后僅出現上肢活動受限。常規換藥可見皮膚切口愈合良好，未見紅腫和滲出，患者術后體溫正常，各項指標未見明顯異常，患者無特殊不適主訴，未見明確免疫排斥反應。術后康復鍛煉期間，患者未出現呼吸困難，可脫氧狀態維持指脈氧為98%。術后1 年，出現術區疼痛，且前胸壁可觸及鈦網折斷及變形，嚴重影響肢體活動。隨后再次對患者予以胸部CT 和胸部三維重建檢查，可見鈦板塌陷斷裂凹陷。見圖3。

圖2 胸骨腫瘤患者術中置入鈦板與周圍組織固定Fig.2 Titanium plate fixed with surrounding tissue of patient with sternum neoplasm during operation

圖3 接受傳統鈦板胸骨重建術后患者胸部CT 和肋骨重建CTFig.3 CT images of chest and rib reconstruction of patient after sternal reconstruction with traditional titanium plate

1.4 3D 打印個體化治療方法采用患者在吉林大學中日聯誼醫院原始CT 數據和特殊的數據處理軟件，包括CAD 制圖軟件，Mimics （Materialize 公司，比利時） 和Geomagic Design X （3D Systems公司，美國），在2 周內制作出1 個電腦3D 模型，包括胸骨和肋骨植入物的3D 模型。見圖4。采用直接金屬激光燒結（direct metal laser sintering，DMLS）技術（EOSINT M280 機器，EOS GmbH Electro Optical Systems 公司，德國），制作出人工3D 打 印 鈦 合 金 植 入 物［6］。3D 打 印 胸 肋 骨 質 量 為83.07 g，體積為180 mm×170 mm×28 mm。上下幅度：左胸鎖關節90°、右胸鎖關節45°；前后幅度：左和右各30°。見圖5。

圖4 接受再次手術的傳統鈦板胸骨重建術失敗患者胸骨和肋骨植入物的3D 打印模型Fig.4 3D printed model of sternal and rib implants of patient with failed conventional titanium plate sternal reconstruction who underwent repeat surgery

圖5 接受再次手術的傳統鈦板胸骨重建術失敗患者3D 打印鈦合金植入物Fig.5 3D printed titanium alloy implants of patients with failed conventional titanium plate sternal reconstruction who underwent repeat surgery

術前準備工作完成后，2019 年2 月27 日在吉林大學中日聯誼醫院于全身麻醉下行手術治療，沿原切口取“T”字型切口，切口橫徑約為16 cm、豎徑約為15 cm，切開皮膚、皮下組織，逐層分離。皮下組織形成瘢痕極易滲血，以電刀電凝止血。探查皮下淺筋膜深層可見鈦網，鈦網邊角部分變形及中間部位折斷，圍繞鈦網以電刀銳性及分離鉗鈍性游離，將鈦網完整游離取出。創面少量滲血以電刀電凝及紗布壓迫止血。游離兩側近端鎖骨長約8 cm，為重建胸鎖關節及安裝3D 鎖骨連接部，以線鋸切除部分鎖骨頭，長約1.5 cm，斷端涂抹骨蠟。游離兩側胸大肌至充分暴露第二肋骨及胸骨體，將3D 胸骨各連接部按照患者胸廓形態植入安裝，貼合度滿意。電鉆鉆孔，鉆取兩側鎖骨各3 孔，胸骨體8 孔，測深，后分別擰入螺釘固定。采用3D 肋軟骨自帶一體式環抱器固定于第二肋骨，給予“Y”字型切口縫合。術后患者上肢活動尚可，恢復良好，復查胸部X 線見對位良好（圖6）。

1.5 術后康復治療方法術后2 d 患者可下地進行簡單活動，每日常規換藥見傷口愈合良好，胸壁外形正常，傷口無紅腫破潰，皮溫正常，患者自述較前次術后痛感減輕，術后患者可進行緩慢爬樓實驗（因術后疼痛，采用制動措施保證上肢相對固定狀態），與術前爬樓試驗結果比較無明顯差異，肺功能未受影響。早期為防止3D 打印假體與胸鎖關節的連接處松動，進一步使肉芽纖維組織與3D 打印假體融合，囑患者2 周內避免肩關節的劇烈活動，先進行前臂（手指、腕關節和肘關節）和雙下肢的活動，在鍛煉肌肉力量的同時又可以預防下肢深靜脈血栓的發生。2 周后根據傷口恢復情況逐漸開始肩關節的活動，進行外展、前屈和回旋等運動，幅度由小到大，由被動活動過渡到主動活動，逐漸恢復肩關節的正常活動范圍。術后3 個月復查顯示患者上肢活動較術前改善較多。術后6個月電話隨訪患者上肢基本恢復正常活動范圍。此次手術采取可拆卸式胸鎖關節連接，目的在于前期起到固定作用，待形成穩定且結實的纖維結締組織連接后，拆除人工植入胸鎖關節，避免植入物長時間位于體內造成患者不適（圖7）。患者由于皮下脂肪較少且相對運動較多，胸鎖關節摩擦皮膚導致皮膚破裂并露出植入物，經檢查已形成穩定纖維連接，于2020 年11 月6 日行手術治療，拆除雙側人工打印胸鎖關節。術后患者恢復順利，肩關節活動范圍進一步擴大，外展、抬臂、側平舉和上舉等動作均有所提升，生活質量大幅提高。

圖6 接受3D 打印鈦合金胸骨植入物患者術后胸部X 線圖像Fig.6 Chest X-ray image of patient treated with 3D printed titanium alloy sternal implants after operation

圖7 患者拆除雙側3D 打印胸鎖關節后胸部X 線圖像Fig.7 Chest X-ray image of patient after removed bilateral 3D printed sternoclavicular joint

2 討 論

2.1 胸骨腫瘤的治療方法胸骨腫瘤分為原發性和繼發性兩大類，臨床發病率極低，發病率不到骨腫瘤的1%，僅約占胸壁腫瘤的15%［7］。原發性胸骨腫瘤按照病理類型分類可分為良性腫瘤和惡性腫瘤。胸骨良性腫瘤包括內生軟骨瘤、巨細胞瘤、纖維瘤、血管瘤和動脈瘤樣骨囊腫。胸骨惡性腫瘤包括軟骨肉瘤、骨肉瘤、漿細胞瘤、多發性骨髓瘤、Ewing 肉瘤和淋巴瘤，以軟骨肉瘤最常見［8］。手術治療是目前大部分胸骨腫瘤患者的首選治療方法，但依據病理類型不同，具體治療方案選擇不同，胸骨腫瘤患者的治療方案應個體化定制，但骨肉瘤、漿細胞瘤、骨髓瘤、淋巴瘤和Ewing 肉瘤患者的治療方案應以化療或放療為主［9］。因此術前明確患者的病理類型對患者治療方式選擇和預后至關重要。

2.2 傳統胸壁重建方法胸骨惡性腫瘤發病率低，尤其是漿細胞瘤更為少見，對于胸骨惡性腫瘤，多數外科醫生認為手術切除為最好的治療方式，手術切除后的胸骨重建是治療的關鍵點［10］。修復是傳統重建方法之一，如采用自體游離胸壁肌肉對攏縫合，優點是自身融合性好和免疫排斥等不良反應較少，但該方式的缺點是穩定性欠佳，容易造成胸壁軟化、反常呼吸和縱隔擺動等嚴重并發癥，術后可能會造成胸壁的塌陷影響美觀。另一種方法是骨性重建，適用于胸壁缺損大于6 cm×6 cm 的患者［11］。骨性重建取材分為：①自體組織。因自體組織取材便利和組織相容性好等優點被廣泛應用，但取材同時破壞了其他組織結構從而造成更大的手術傷害［12］。楊博等［13］進行了相關病例報道；②人工合成材料。人工合成材料包括鈦網、鈦板、滌綸布和有機玻璃等［14-18］，部分材料組織相容性差，部分材料硬度不夠或塑形困難并且不易剪裁，從而無法保證胸廓的穩定性，易導致胸廓畸形；③生物源性材料。多取材于動物組織，因這些材料有抗原性，易產生排斥反應［19］。目前廣泛使用的金屬鈦網和高分子聚合材料存在各自的優缺點，可成型的材料（陶瓷）和骨移植物應用于胸骨重建的報道也越來越多。植入材料在胸腔中的承受力（胸腔負壓及上肢活動扭轉力）和穩定性是患者術后恢復的重要因素。該患者采用傳統鈦板治療后發生折斷變形，原因可能是鈦板形狀不能與患者胸壁形成完美的解剖適配，導致硬度不足以對抗上肢活動造成的巨大壓力；傳統鈦板與鎖骨等連接處不具備正常解剖受力結構，運動時受力傳導不均衡；另外患者較瘦弱，胸壁肌肉不夠發達，無法進一步加固植入鈦板，導致受力不均。

2.3 3D 打印技術個體化治療方法近年來3D 打印技術開始被胸外科醫生應用于胸骨重建，采用的打印材料包括聚醚醚酮［poly （ether-etherketone），PEEK］、鈦合金和碳纖維等［20］。3D 打印鈦合金胸骨在解剖結構層面上有更穩定的生理結構，而在材料選擇性層面上，鈦合金結構具有更高強度的硬度，能夠承受術后胸腔內長期負壓和術后的日常活動力。患者術后恢復狀態良好，3D 打印假體與活體組織相融性好，力學性能和彈性性能良好，術后患者胸壁塌陷及陣發性呼吸困難發生率明顯降低［21］。研究［22］顯示：可用骨移植技術在胸壁重建中的效果較好，但因其取材多從人的尸體中獲取，因此應用于臨床時，必須注意醫學倫理學問題；其次，移植的胸骨仍需進行數據采集和再次加工，才可應用于具體的患者中。采用3D 打印技術能滿足個體化需求，實現精準治療。現已有成功證明3D 打印技術可行性的相關報道［23］。3D 打印技術的優點：①鈦合金材料的強度和彈性均符合骨性胸廓替代原則，可與周圍骨關節形成有效固定，保持正常的肺功能，防止術后胸壁浮動及反常呼吸；②組織相容性好，排異反應小，不易感染，可長期植入；③假體完全根據患者原有胸廓的生理形態設計，植入后胸廓塑形性良好，無畸形。3D 打印技術的缺點：鈦合金胸骨存在結構金屬的缺陷。首先，金屬材質的胸骨在胸鎖關節的銜接處，仍使用金屬螺孔裝置，與人體肩鎖關節比較活動順暢度較低，容易與皮膚磨損，造成遠期皮瘺，可能需要行遠期皮瓣移植手術［10］。其次，金屬材料更為沉重，因此術后舒適度方面仍有提升的空間。對于3D 假體力學性能和彈性性能來講，每個假體的等效應力分布是唯一的［24］，針對3D 打印材料的選擇和關節連接處的連接方式仍需改進。此外，植入物的數量、位置和方向等參數為術前固定值，需要在術中根據患者情況重新調整，這可能會對患者產生一定程度的創傷及組織磨損，因此對于患者遠期愈合來說，存在改進空間［25］。

目前數字醫學技術和3D 打印技術在胸外科手術中得到了進一步應用。已有學者嘗試將 3D 打印技術應用于胸外科手術并取得了豐碩的成果［26-27］。3D 打印技術能夠實現良好的解剖匹配，可避免胸骨植入物翻轉、破損和取出等二次傷害。此外，重建胸骨時，鈦合金的穩定性使其可以與周圍骨關節有效固定，保持正常的肺功能，防止術后胸壁浮動和反常呼吸。但是，鈦合金的關節連接和材料自重導致的舒適度方面的劣勢是目前3D 打印技術應用于胸壁重建手術亟須解決的問題之一。