數字骨庫輔助異體骨選配在骨腫瘤中的應用及長期療效觀察

楊迪，吳智鋼，2，付軍，范宏斌，李小康，郭征*

(1.空軍軍醫大學西京醫院骨科，陜西 西安 710032；2.中國人民解放軍第518醫院，西安 710043)

隨著外科技術的不斷提高以及骨腫瘤化療技術的不斷發展，保肢術已成為骨腫瘤治療的常規術式[1]。骨腫瘤切除后骨缺損的重建是骨腫瘤保肢術后功能恢復的關鍵。盡管異體骨存在疾病傳播、排異反應等缺點，但異體骨移植可為骨腫瘤切除后骨缺損提供即刻的支撐穩定，并且為肌肉韌帶提供附驪點完成功能重建。因此，采用異體骨重建的方法與骨腫瘤假體相比更具有優勢[2-3]。在骨關節、干骺端和髓內支撐等部位的重建中，采用相同解剖部位的異體骨重建具有較好的應用效果，但是，如果宿主骨和異體骨之間匹配不良可導致骨對合不良、骨折、關節退變以及延遲愈合或不愈合等并發癥的發生。因此，如何選取和宿主骨適配的異體骨是生物重建能否成功的關鍵。

然而，傳統的選配方法主要依據X線片的測量將骨庫中的異體骨與宿主骨進行匹配[4]。但由于是手工測量，因此存在主觀、耗時和精確度不足等缺陷。盡管采用CT圖像提高了選配方法的精度，但仍然無法實現精確的三維測量。異體骨選配，尤其是對于具有不規則外形的長骨末端或者骨盆等部位，選配仍然遇到困難。在過去二十年里，仿真圖像技術和計算機輔助手術技術已經被廣泛應用于骨科手術，并且取得了滿意的治療效果[5]。異體骨和宿主骨病損部位可以通過醫學影像圖像進行三維仿真重建，因此宿主骨和異體骨之間的三維精確解剖適配成為可能。基于此，本研究采用三維模型重建的方法，建立了一套集成有管理、分析和選配的數字骨庫系統，并在計算機導航輔助下完成臨床應用14例。本文著重以2例長骨末端和骨盆兩個不規則部位患者骨適配移植的治療方法和長期隨訪結果進行闡述，期望為異體骨的選配提供一種精確快速的新方法。

1 資料與方法

1.1 數據采集，圖像分割與三維重建 依托西京醫院綜合骨庫深低溫冷凍貯存的大段異體骨，日常庫存資源>300根。按解剖學位置分類，包括：肱骨近端、肱骨遠端、尺骨、橈骨、肩胛骨、鎖骨、股骨近端、股骨遠端、脛骨近端、脛骨遠端、腓骨、骨盆、跟骨等處；首先對所有骨骼進行CT掃描(64排螺旋CT，GE公司，美國)掃描。本研究中異體骨影像掃描層距標準為0.625 mm，獲得的CT影像以DICOM(Digital Imaging and Communication inMedicine)格式存儲。圖像采用Mimics軟件系統(Leuven，Belgium)處理。骨組織與其他組織和結構分離，比如皮膚、脂肪、肌肉和CT金屬工作床等。每塊異體骨的DICOM圖像和三維模型一起組成一個數字骨庫系統(見圖1)。

a 右股骨近端冠狀位數據b 右脛骨近端冠狀位數據

c 左股骨遠端冠狀位數據 d 右脛骨近端關節面數據

1.2 異體骨選配 在數字骨庫系統中，基于異體骨長、寬、高的體積參數對異體骨進行登記。選配過程中，對腫瘤侵犯骨的三維模型和異體骨模型體積進行測量和比對，選取最佳匹配的異體骨。登記匹配過程中應選取和宿主骨CT值密度相近的異體骨。如果匹配過程中宿主骨部位由于腫瘤侵襲破壞不能用于登記匹配時，采用健側骨骼三維模型鏡像反轉的方法與異體骨進行匹配。操作者可以自由旋轉骨骼的三維模型來檢查一致性，同時二維圖像也可以測量觀察。匹配過程中，第一步是確定解剖標志，并測量距離。第二步是異體骨的二維圖像放大后與宿主骨進行圖像的重疊匹配。最后，仿真模型的三維測量使異體骨的選配更為精確。

1.3 典型病例 a)11歲男性患者，術前活檢診斷為右側髖臼尤文肉瘤。術前影像學提示右側髖臼和右側恥骨溶骨性病變(見圖2)。b)16歲男性患者，術前活檢診斷為左側脛骨遠端骨肉瘤(見圖3)。術前影像學提示左側脛骨遠端溶骨和成骨混合性病變。影像數據輸入計算機導航系統后，在重建的骨骼三維模型內確定腫瘤邊界和切除平面，并在數字骨庫系統內完成異體骨匹配。術中，腫瘤在計算機導航輔助下整塊切除，然后將異體骨采用接骨板和螺釘的方式與殘留宿主骨進行固定。

1.4 診療計劃 所有患者在術前行X線、CT掃描、磁共振和核素骨掃描，確定腫瘤邊界、分期和截骨平面。在計算機模型上模擬腫瘤切除后的骨缺損，并采用如上所述的選配方法，在數字骨庫系統中選取最佳適配的異體骨，并在三維模型上進行異體骨的模擬修剪與安裝固定。安全邊界、切除平面、植入部位和螺釘固定位置與方向均按照預訂手術入路和顯露情況進行規范和確定。腫瘤的精確切除和異體骨的精準植入固定依靠計算機導航輔助進行。術后隨訪指標主要包括局部復發、遠處轉移、功能恢復和并發癥等。保肢術后功能評分采用國際骨與軟組織腫瘤協會(musculoskeletal tumor society，MSTS)評分進行評估。術后3年內，每3個月隨訪1次。術后第4年起每半年隨訪一次。

a 骨盆正位片示病變部位b 三維CT冠狀位 c三維CT矢狀位 d 骨盆三維模型

e 骨盆異體骨選配流程

a 脛骨正側位X線片 b 三維CT c 三維CT冠狀位d 脛骨病變三維模型重建

e 脛骨遠端異體骨選配流程f 異體骨和宿主骨之間呈最佳匹配 g 異體骨模擬安裝

2 結果

2.1 典型病例一 影像學信息提示該例患者腫瘤位于髖臼前方及恥骨，溶骨性病變局限于右髖臼前方和右側恥骨，手術方案確定為導航下髖臼前部和恥骨的腫瘤整塊切除并異體骨重建內固定術，手術時間215 min，失血量2 100 mL。術中異體骨匹配滿意，固定位置良好。術后6個月，患者MSTS評分24分。術后按期隨訪，異體骨固定良好，異體骨恥骨部分逐漸骨吸收(見圖4～5)。術后5年隨訪，患者未見局部復發及遠處轉移，MSTS評分26分。

2.2 典型病例二 左側脛骨遠端骨肉瘤，手術方案為導航下左側脛骨遠端病變部位整塊切除并異體骨重建內固定術，手術時間180 min，失血量300 mL。術中異體骨匹配滿意，固定良好。術后6個月，患者MSTS評分27分。術后18個月時，X線及核素骨掃描均提示異體骨與宿主骨發生愈合。術后5年隨訪，未發現局部復發或遠處轉移，內固定位置滿意，無螺釘松動及骨吸收(見圖6～9)，患者MSTS評分29分。

圖4 術后即刻正位X線片示異體骨固定效果滿意圖5 術后5年正位X線片示內固定位置良好，右恥骨部分骨吸收

圖6 術后即刻脛骨正位X線片示骨折線明顯圖7 術后18個月脛骨正位X線片示骨折線消失圖8 術后18個月核素骨掃描示植骨愈合 圖9 術后5年X線片示內固定滿意

3 討論

隨著外科技術的不斷提高以及骨腫瘤化療水平的不斷發展，大段異體骨移植的生物重建優勢日益得到關注和重視。異體骨重建可能的并發癥主要包括感染、骨不愈合、骨折、免疫排斥和內固定失敗等。但異體骨重建的優勢在于，它不僅能提供足夠力學強度、外形和尺寸，更能提供良好的關節面以及肌肉韌帶附驪點。現代骨庫的建立保證了異體骨的持續和優質的供應。然而，異體骨的精確匹配和固定，尤其在涉及關節等復雜形態時仍是臨床的挑戰。解決這一問題的關鍵就在于如何快速地篩選形態相似，能夠最佳匹配的異體骨。

在三維數字骨庫系統中，異體骨選配可以完全在術前進行，并在計算機上進行體外的模擬裝配完成驗證。然后通過計算機導航技術指導術者的手術操作，將術前模擬切除和裝配的手術方案在術中精確實施。本研究納入的2例異體骨應用病例均在2012年實施，其選骨和手術操作流程與阿根廷學者在2017年報道的數字骨庫操作流程方面具有較強的一致性，但實施時間與國外相比領先5年[6]。本文納入的2例患者，選取的異體骨與腫瘤切除后的宿主骨均實現了安全的外科邊界和精準的匹配安裝。術后5年隨訪腫瘤無復發，且功能恢復良好。骨盆尤文肉瘤患者在術后隨訪中發現異體骨的骨吸收，以恥骨區域尤為明顯，該現象可能與恥骨區域以松質骨為主的骨質結構有關，也可能與該區域的受力特點有關。脛骨異體骨移植患者在術后1年半時骨折線已經完全消失，并且核素骨掃描提示宿主骨和異體骨結合部位核素攝取，提示骨愈合。異體骨的不愈合與延遲愈合是異體骨移植的常見并發癥。異體骨顆粒的填充移植被認為是一種可替代自體骨顆粒的有效手段[7]，但大段異體骨移植的并發癥仍被臨床醫生所擔憂。有報道指出，異體骨匹配不良可導致骨關節骨折，關節退變和延遲愈合或不愈合。有學者報道，異體骨假體的骨延遲愈合率可高達50%[8]，但是在匹配良好的條件下異體骨的不愈合率可低至20%[9]。國內學者馮毅等[10]在股骨中段骨肉瘤切除后異體骨重建成功的病例報道中也指出異體骨的外形修整匹配是手術成功的關鍵因素。因此，本研究中異體骨的精確匹配可能對異體骨與宿主骨之間的骨愈合起到積極的作用。

本研究中異體骨庫系統以異體骨體積作為入庫登記的主要參數指標。目前報道的登記方法主要包括人工選擇，自動化體積匹配登記和自動化表面匹配登記三種方式。Ritacco等[11]比較三種登記方式后發現自動化登記的方式在尺寸參數匹配方面要明顯優于人工方法，而兩種自動化匹配方法之間的尺寸參數匹配方面則沒有明顯差異。另外一篇報道指出以體積為參數的登記方法比以平面和標志點為參數的登記方法更為精確[12]。因此，以體積為參數的登記方法是異體骨選配的可靠方案之一。此外，Zhang[4]提出在異體骨選配中采用宿主骨截骨平面標志點的鑲邊登記方法(bandregistration)，也比傳統的表面登記和外形登記更加精確。在關節部位的異體骨選配中應當考慮關節軟骨的厚度。由于CT值并不能有效區分軟組織，所以就需要將CT圖像和磁共振圖像進行融合來獲得更為精確的腫瘤三維模型。該圖像融合后的模型可以用于為異體骨精確選配和進一步的術前異體骨修整。

目前，我國建有很多傳統的骨庫，保證了異體骨的供應。為了滿足在大量異體骨中進行快速選配的要求，我院骨科于2010年在國內率先建立數字骨庫。采用DICOM格式數據和Mimics軟件系統建立的數字骨庫系統具有便于管理、精確選配、省時快速、與計算機導航無縫對接指導手術等優勢。與傳統依靠術者經驗的手術方式相比，數字骨庫和計算機導航相結合的手術方式，可以在術中將解剖部位、假體和工具等的定位信息向術者實時傳遞[13]。術中的信息反饋提升使手術醫生所受的透視相關射線暴露明顯減少[14]。

盡管取得了數字骨科應用滿意的臨床效果，但是本研究依然存在一些不足。例如應用例數較少，并且只有單中心的臨床應用。如果能夠實現多中心數字骨庫的互聯，則可以進一步擴大應用范圍，同時數字骨庫互聯后能夠大幅提升骨庫內異體骨的規模，從而實現更加便利和精確的選配。此外，異體骨在通過術前的計算機模擬匹配和安裝后，可以在術前完成異體骨的修剪，從而大幅減少手術時間。盡管存在上述不足，但是本研究對數字骨庫應用的探索仍然為今后數字骨庫的應用提供了重要的實踐基礎和理論依據。