應用3D打印個性化假體治療骨盆惡性腫瘤1例*

董樂樂，郭鵬年，劉亞雄,李滌塵，劉 瑞，左 強

(1.內蒙古科技大學包頭醫學院第一附屬醫院骨二科，內蒙古包頭 014010;2.西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室，西安 710049)

·短篇及病例報道·

應用3D打印個性化假體治療骨盆惡性腫瘤1例*

董樂樂1，郭鵬年1，劉亞雄2,李滌塵2，劉 瑞1，左 強1

(1.內蒙古科技大學包頭醫學院第一附屬醫院骨二科，內蒙古包頭 014010;2.西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室，西安 710049)

目前，保肢治療成為骨腫瘤外科治療的首選方式[1-2]，保留肢體可以提高患者的生活質量，減少家庭和社會負擔。骨腫瘤的保肢治療必然涉及腫瘤的切除和功能的重建兩部分內容[3]。特別是累及髖臼的骨盆腫瘤，由于腫瘤體積大，位置特殊，解剖關系復雜，對技術要求高，術后并發癥多[4-5]。如何準確切除腫瘤并對缺損骨關節行功能重建，尚無統一的認識和完美的解決方法。

近年來，隨著科技的發展，計算機輔助設計(CAD)、計算機輔助制造(CAM)、3D打印等工學技術逐漸滲入到醫學領域，形成了新興的醫工結合交叉學科。本研究在前期理論積累的基礎上，應用醫工結合的理念，運用CAD、CAM和3D打印等技術為1例骨盆腫瘤患者進行術前規劃、設計制備個性化定制假體，切除腫瘤，精準安裝假體并取得良好的療效，為復雜骨盆腫瘤的治療提供了一整套的解決方案。

1 臨床資料

患者，男性，65歲，主因“發現左髖部腫物半年，逐漸增大并雙下肢麻木無力2個月”，于2015年2月9日在內蒙古科技大學包頭醫學院第一附屬醫院治療。查體：神志清楚，精神可，飲食差，大便失禁，小便導尿。左側腹股溝區可見局部隆起，皮膚完整，無發紅，皮溫正常，可觸及15 cm×10 cm大小橢圓形腫物，質韌，邊界尚清楚，活動度差，壓痛陽性，腹股溝平面以下感覺明顯減退，雙下肢肌力Ⅰ級，右側提睪反射陽性，左側提睪反射陰性，雙側肛門括約肌收縮差，雙側Babinski癥陽性。X線片顯示骨盆左側恥骨支、坐骨支，部分髖臼破壞，見圖1。

CT提示：左側恥骨上下支和部分髖臼骨質破壞,髖臼上緣和股骨上段內側肌群明顯強化腫塊，考慮為軟骨肉瘤。全身骨掃描提示：左側恥骨上下支及部分髖臼骨鹽代謝異常，考慮惡性病變(原發可能性大)；肺部CT，胸、腰椎磁共振成像(MRI)未見腫瘤轉移病灶。腹部彩超未見腫瘤病灶。腫瘤標記物提示：糖原211(CA211) 9.32 ng/mL，神經元特異性烯醇化酶(NSE) 31.61 ng/mL。術前診斷：左側骨盆腫瘤(軟骨肉瘤)。該病例所采取的治療方法和治療過程取得了患者及家屬的同意，并獲得了該院倫理委員會的批準。

患者術前應用Philips 256層Brilliance iCT對病變部位進行掃描，掃描條件：電壓120 KV，層厚1 mm CT數據以Dicom格式存儲并輸出。將Dicom格式數據導入Mimics Research 17.0軟件，運用軟件的Thresholding功能使骨組織從周圍軟組織中提取出來，再運用Edit Masks、Edit Masks和Region Growing等工具將兩側的髖骨和骶骨從其他骨組織中分離出來，運用Calculate 3D重建骨盆的三維模型。將骨盆模型保存為STL格式的工程文件。將STL文件輸入到Stratasys Objet 24 3D打印機執行打印指令，約40 h后，去除模型支撐便得到了與患者等比例大小的三維骨盆模型。

圖1 術前X線片

腫瘤切除包括骨切除和周圍軟組織的切除，骨切除范圍主要依據核磁顯示瘤外2～3 cm的正常骨骼處截骨；軟組織的切除邊界依據CT和MRI圖像，一般按瘤體邊界外2～3 cm范圍切除，具體情況根據術中情況由術者判斷實施。觀察患者影像學檢查結果和骨盆三維實物模型，可以確定腫瘤侵蝕骨質的范圍，即：左側髖臼的內、上壁，左側的恥骨上支，恥骨聯合面和部分恥骨下支。術前通過觀察患者的影像學資料和骨盆三維實物模型，根據腫瘤的切除原則和骨盆生物力學分析，確定截骨范圍并且可以在Mimics Research 17.0軟件上模擬截骨。為了保留足夠多的髖臼以支撐假體和股骨頭，主要截骨平面位于髂前下棘垂直于髖臼緣形成的平面，坐骨支的截骨平面與髖臼截骨平面平行，坐骨體截骨平面垂直于兩平行平面(圖2)。經過3個平面的截骨,骨盆分為正常骨盆區域和骨盆腫瘤切除區域2個部分。確定截骨平面后，提取剩余髖臼表面特征，設計術中應用的截骨導板。

設計的假體既要能恢復骨盆的形態，傳導骨盆環的負荷；又要重建髖關節，完成下肢的支撐和負重功能。這就要求根據骨盆切除區域的大小和形態特征設計與正常骨盆區域相匹配的個性化骨盆假體，假體應包含髖臼、恥骨上支、恥骨聯合面，以及與正常骨盆區域固定的連接柄。假體與正常骨盆接觸部分完全匹配，主要包括:骨盆的截骨面部分，恥骨聯合面部分和固定連接柄部分。假體的髖臼與骨質接觸部分厚度設計為2.0 mm，無骨質支撐部分厚度為6 mm，髖臼內表面預留直徑為3.0 mm的孔，以利于骨水泥的滲入。恥骨上支基本保留原有形態，做適度的光滑過度處理，假體恥骨聯合面預留2個矢狀面方向的固定孔，與恥骨聯合面垂直。假體內上方設計Y型固定連接柄，與髂骨翼的表面匹配，固定柄上預留螺釘孔。所有螺孔直徑為7.0 mm，保證松質骨螺釘(直徑6.5 mm)通過。將設計好的假體保存為STL文件輸入到3D金屬打印機，完成鈦合金個性化假體的打印約需20 h，見圖3。

圖2 術前軟件上模擬截骨

圖3 術前骨盆三維模型及鈦合金金屬假體

假體的設計和打印由手術醫生和西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室共同完成，經有限元分析，確定危險位置位于髖臼和連接板的相交處，最大應力為344 MPa，小于鈦合金屈服強度(950 MPa)的40%，滿足假體的使用要求。截骨導板及個性化金屬假體均應用Ti6Al4V合金在德國EOS M290金屬打印機上完成。

拿到個性化骨盆腫瘤假體后，在患者的三維骨盆實物模型上按術前規劃截骨平面截骨，髖臼銼打磨髖臼至合適大小，安裝個性化定制假體，觀察假體安放位置和匹配程度，并做適當調整。假體預留的固定孔電鉆打孔，測量、記錄螺釘長度，術中備用。整個模擬安裝過程順利。

患者全身麻醉，仰臥位。取左側延長髂腹股溝入路，并沿股骨前外側逐層切開，顯露腫瘤，沿腫瘤邊界分離。見腫瘤位于腹膜外，腫瘤將左側全部恥骨支、部分坐骨支及部分髖臼侵犯，沿瘤體外2 mm將腫瘤完整切除。根據術前設計利用截骨導板切除左側恥骨支、部分坐骨支和內側髖臼。徹底沖洗傷口，髖臼銼打磨髖臼，安裝3D打印鈦合金半骨盆假體，透視下見假體位置佳，與周圍組織貼合緊密。分別鉆孔，螺釘固定。取髖關節外側直切口，長約10 cm，切開闊筋膜、股外側肌，將左髖脫位，股骨矩上2 cm切斷股骨頸，擴髓。3D打印半骨盆假體髖關節用全髖關節髖臼試模為50#，取46#髖臼聚乙烯假體用骨水泥固定，再安裝2#股骨假體，安裝28XL股骨頭球頭假體，將關節復位，各方向活動可見關節穩定。沖洗傷口，徹底止血，放置負壓引流，關閉切口。手術時間約4 h，出血量4 000 mL，輸懸浮紅細胞6 U，血漿1 430 mL，血小板400 mL。術后X線片提示定制化個性假體與骨盆匹配好(圖4)。病理回報提示骨盆轉移性低分化癌。術后6個月隨訪，患者左髖部切口愈合好，無感染，破潰，下肢無靜脈血栓形成，假體無松動、脫位。左側髖關節被動活動好，活動范圍正常，主動活動范圍較小，屈髖約30°，內收、外展約10°，主被動活動均無疼痛，雙下肢感覺正常，左髖關節屈伸、內收、外展肌力約Ⅲ級。

圖4 術后X線片

2 討 論

3D打印技術又稱為快速成型技術，是通過逐層堆疊累積的方式制造三維實體的先進技術。近年來，3D打印技術在醫學等領域的應用越來越廣泛[6]。骨盆腫瘤位置深，解剖關系復雜，診斷、治療困難，加之惡性骨腫瘤對周圍骨質破壞，傳統二維觀察手段難以對三維形態結構有準確的認識。運用3D打印技術可以術前將患者的骨盆實物模型打印出來，真實地反映骨盆原貌，術者可以多角度、多方位地觀察腫瘤的位置、骨質的侵蝕范圍、周圍的毗鄰關系，確定截骨的范圍和平面，保證盡可能保留正常組織的情況下完整切除腫瘤組織。按照確定好的截骨平面在Mimics Research 17.0上模擬截骨，根據截骨后的骨盆形態和剩余骨質，設計符合力學原理和解剖形態的個性化定制假體，并應用3D打印技術制作鈦合金金屬假體。這樣，術者在術前利用骨盆實物模型和個性化定制假體模擬手術操作，提前了解截骨平面、髖臼的打磨深度、假體安放位置、假體的匹配程度及固定螺釘的方向和長度，多次反復地演練模擬手術，熟悉手術操作，手術安全性提高。在術前與患者及家屬的溝通和交流，在骨盆三維實物模型上進行講解，使患者及家屬在短時間內了解病情和治療方案，更好地理解和配合醫生的治療[7]。

腫瘤切除后，如何有效地重建骨盆，恢復功能是手術療效的關鍵。傳統的骨盆重建方式有生物學重建和人工假體重建[8]。由于生物學重建骨盆適應證狹窄，并發癥發生率高，功能差等原因，目前均已較少使用。腫瘤切除后人工假體重建逐漸成為骨盆腫瘤治療的首選方法。應用假體重建骨盆環、傳遞下肢和軀干的負荷，恢復髖關節的活動和負重功能，符合生物學和力學的要求，被多數學者采納。目前可用于重建的人工假體有馬鞍式[9]，“冰激凌”式，組配式[10]和定制型[11-12]幾種類型。馬鞍式和“冰激凌”式人工假體要求腫瘤切除后能保留足夠多的髂骨來提供支撐[13]，對病例的要求較高。傳統定制式假體受限于假體的設計和安裝水平，假體尺寸無法根據術中缺損情況來調整，可能出現假體與殘余骨質不匹配，安裝困難。為了改進安裝問題，出現了組合式假體，可以根據術中缺損范圍臨時裝配，但假體的整體強度和穩定性備受質疑。

在這個病例中，本研究采用計算機輔助設計，3D打印技術為患者定制了個性化的骨盆假體，結合傳統人工髖關節置換術一期解決了骨盆腫瘤切除和功能重建的問題，提供了新的方案和思路。前期的整個設計過程中，數字化設計與實體模型上模擬手術相互配合，互為指導，將數字化設計的方案在模型上實施，發現問題再在軟件上修改，改進后的方案在模型上實踐，這樣反復幾個來回，最后確定最佳的假體設計和治療方案。個性化定制3D打印假體與傳統假體比較具有一定的優勢：通過計算機輔助設計，個性化假體與剩余骨骼的匹配性良好；經過力學分析，一體化假體的力學強度有了保證；術前在骨盆模型上試裝假體，使術者熟悉手術過程，螺釘固定位置，角度和長度等參數提前測量，手術操作難度減小，準確性增大，術中安裝快捷；個性化假體的形態與切除的骨骼形態一致，符合原有生理解剖。本研究設計的個性化骨盆假體與國內報道過的利用3D打印技術制作的個性化骨盆假體都是按照患者骨骼的缺損情況“量身定做”，符合精準醫療的要求。但個性化假體從前期設計到后期的手術有其獨有的特點，假體的設計和制作過程由專業醫療團隊和工程學團隊合作完成，在生物力學方面經過嚴格測試，符合人體負重要求；假體的形態符合人體骨骼解剖，術后外觀及功能好，不存在軟組織凹陷因此的功能欠缺；假體的即刻穩定性依靠早期的螺釘固定和骨水泥填充固定，遠期穩定性依靠假體微孔結構的骨長入。但3D打印個性化假體也存在一定的不足，術者與熟悉假體設計的軟件操作者必須密切配合，共同參與設計過程，因此術前準備時間較長，假體制作受3D打印機及生產廠家的限制，需要一定的制作周期；成功的病例數仍不足，缺乏長期的臨床觀察和功能隨訪。但隨著技術的成熟，3D打印的產業化，計算機輔助設計和3D打印在骨盆腫瘤甚或骨科疾病的治療中必有廣闊的前景，為患者提供精確化手術和個性化醫療。

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C

1671-8348(2017)26-3739-04

2017-02-18

2017-06-06)

10.3969/j.issn.1671-8348.2017.26.052

包頭市科學技術局社會發展科技支撐項目(2014S2003-5-1)；包頭醫學院科學研究基金項目(BYJJ-QM2016108)。

董樂樂(1963-)，主任醫師，本科，主要從事關節外科、骨腫瘤方面研究。