3D打印內植物在青少年骨惡性腫瘤保肢保骺術中的應用

李哲 艾克拜爾·尤努斯 王臻 田征 陳江濤 姜大為 徐磊磊

作者單位：830011烏魯木齊，新疆醫科大學第一附屬醫院骨科 (李哲、艾克拜爾·尤努斯、田征、陳江濤、姜大為、徐磊磊)；710032西安，空軍軍醫大學附屬西京醫院 (王臻)

骨惡性腫瘤通常發生在兒童、青少年的干骺端，隨著輔助化療、放射治療的進步以及對腫瘤生物學和分期的認知，在我國大多數骨腫瘤治療中心均采取保肢手術治療肢體骨惡性腫瘤[1-3]。對于術中須將鄰近關節一起切除，導致大段骨質缺損及骨骺的損傷，進而需再手術重建的患者，腫瘤接近骨骺且處于生長發育期的兒童、青少年，傳統重建方式易損傷骨骺，在保肢手術后，隨著生長發育，常會出現肢體不等長等復雜并發癥[4]。隨著 3D打印技術的迅速發展，基于 3D打印技術的骨惡性腫瘤的個體化治療正逐步有臨床實驗轉變為臨床常規應用，同時也為青少年骨惡性腫瘤的保骺治療提供了一個選擇。2017年 2月至 2019年 11月，我科先后為 2例惡性骨腫瘤患兒進行了腫瘤切除，術中利用 3D打印內植物重建患肢并保留骨骺。術后近期臨床療效滿意，現報告如下。

資料與方法

一、一般資料

本組 2例，男女各 1例；年齡分別為 8歲、15歲。腫瘤病理類型：骨肉瘤 1例，尤文肉瘤1例。腫瘤發生部位：股骨干 1例，脛骨干 1例。原發腫瘤按照 Enneking分期，均為 Ⅱb期。2例術前均按照腫瘤類型接受規范新輔助化療，術前常規行 X線、CT、MRI、骨掃描等檢查。

二、假體設計

患者入院后首次患處 CT檢查及患處 MRI檢查數據輸入計算機，利用 Mimics軟件加載 Dicom格式的數據，以 CT檢查為主要數據源，將 MRI檢查數據與其融合，根據入院后首次 MRI檢查判斷腫瘤范圍及水腫反應區，并在軟件中標示[5]。按距離腫瘤水腫帶外 3 cm為截骨平面進行手術規劃[6]，在軟件中完成模擬腫瘤切除截骨長度。為確保術前設計的內植物可以準確植入骨缺損處，通過逆向工程技術求得截骨面處的截骨導板，以便術中精確截骨。在模擬完整切除后，根據局部骨缺損以及健側情況設計 3D打印內植物。在內植物設計制作過程中應注意內植物形狀、強度、表面結構、成骨活性、重量、質量、材質等要素[7]。

三、手術方法

手術前再次進行腫瘤部位 MRI檢查，與首次MRI檢查結果對比，判斷腫瘤范圍是否有增大，如果無明顯增大，可按術前設計進行手術。常規手術準備，按照術前設計好的手術切口，暴露截骨平面處骨面，盡可能剔除周圍軟組織后安放導板，在導板引導下進行截骨，完成腫瘤段骨質的切除。術中留取截骨面髓腔內組織送病檢。將內植物安裝于骨缺損部位，見對位線良好后固定內植物。假體安裝后沖洗切口，充分止血，放置引流并逐層縫合。

術中放置負壓引流管，術后引流管放置至 24 h引流量 ＜ 20 ml后拔除引流管，期間給予持續負壓引流。術后常規應用抗生素至引流管拔除后第 2天。術后 2周視術區情況間斷拆線，拆線后 14天，繼續按計劃行化療治療。術后 3～6周拄雙拐部分負重行走，術后 12～16周，開始逐步完全負重。

四、術后康復及隨訪

2例于術后 1個月、3個月行 X線檢查，術后每 3個月行肺部 CT檢查、全身骨掃描及雙下肢全長 X線片，隨訪時注意測量患者身高、雙側肢體長度。療效評價指標包括患者生存狀態、腫瘤學情況、假體并發癥情況、肢體功能等，隨訪時應用MSTS評分量表評估患者患肢功能，根據全身骨掃描尤其是患肢處的掃描結果，評估骨生長情況及新生骨與內植物之間的關系，根據身高、雙下肢全長片及測量雙側肢體長度來評估患者生長發育情況。

結果

2例均按術前計劃實施手術，并在術中按術前計劃應用截骨導板引導截骨。術后病理均提示截骨處髓內組織未見明確惡性腫瘤累及。假體安裝牢固，其中鈦金屬 3D打印+帶血管腓骨移植+多孔復合假體+定制鋼板重建 1例，鈦金屬 3D打印多孔復合假體重建 1例。

術后按照計劃患者進行隨訪，本組 2例術后分別隨訪 12個月和 32個月。至末次隨訪時，2例均存活而且局部無腫瘤復發、遠處無轉移跡象，術區無發熱、傷口滲液、感染等情況，3D打印假體均完整，均已下地行走。1例股骨尤文肉瘤患者在術后20個月隨訪時發現鋼板斷裂，行更換鋼板并且術中可見新型骨痂已形成堅強骨愈合 (圖 1)。

末次隨訪時，2例 MSTS評分均為 26分。其中，1例隨訪時間 32個月的患者 (股骨中段尤文肉瘤，圖 2) 評分為優；1例隨訪 12個月患者 (脛骨骨肉瘤，圖 3) 評分為優。行雙下肢全長片，評估患者雙側肢體差距：第 1例，患肢較正常肢體縮短4 cm，第 2例，雙側肢體未見明顯差異。從身高來評估，2例患者在末次隨訪時，身高值均在正常范圍內，提示患者骨骺增長正常，生長發育未受限。將患者人口學特征、診斷、病灶評估、手術日期及末次 MSTS評分等一般資料進行詳細記錄 (表 1)。將患者身高及末次隨訪時雙側肢體對比進行重點記錄 (表 2)。

圖1 行鋼板置換術患者 a：發現近端已長出骨痂，并向內植物一側遷延；b：術中透視證實新生骨已越過骨與內植物連接處圖2 患者，男，16歲，2016-10-25確診為左股骨尤文肉瘤，瘤段長約 18.5 cm a：2016-10-24化療前 MRI；b：2017-01-03化療后MRI；c～d：2017-02-04術中照片；e：2017-05-29復查 X線片；f：2018-09-20復查時發現鋼板斷裂；g～h：2018-09-29再次手術，術中照片；i：2019-10-09復查 X線片；j：患者功能照Fig.1 2018-09-29 Plate replacement was performed in the first patient a:The callus had grown in the proximal end and extended to the prosthesis;b:Intraoperative fluoroscopy confirmed that the new bone had crossed the joint of bone and prosthesisFig.2 Male,16 yeas old,diagnosed as Ewing’s sarcoma of the left femur 2016-10-25,tumor length 18.5 cm a:MRI before chemotherapy 2016-10-24; b:MRI after chemotherapy 2017-01-03; c -d:Intraoperative images 2017-02-04; e:X-ray examination 2017-05-29; f:Steel plate break during the reexamination 2018-09-20; g -h:Reoperation 2018-09-29; i:X-ray examination 2019-10-09; j:General functions

表1 患者基本信息Tab.1 Basic information of patients

圖3 患兒，女，9歲，2018-09-10確診為右脛骨骨肉瘤，瘤段長約 11.5 cm a：2018-09-06化療前 MRI；b：2018-11-06化療后 MRI；c～d：2018-11-10術中照片；e：2018-11-14術后復查 X線片；f：2019-04-29復查 X線片；g～h：2019-10-16復查 X線片；i：患者功能照Fig.3 Female,9 years old,diagnosed as osteosarcoma of the right tibia 2018-09-10,tumor length 11.5 cm a:MRI before chemotherapy 2018-09-06; b:MRI after chemotherapy 2018-11-06; c -d:Intraoperative images 2018-11-10; e:X-ray examination 2018-11-14; f:X-ray examination 2019-04-29; g -h:X-ray examination 2019-10-16; i:General functions

表2 身高變化Tab.2 Changes in height

討論

在化療出現之前，截肢是肢體骨惡性腫瘤的主要治療方法，術后患者不但承受肢體殘缺和巨大心理創傷，絕大多數患者仍不可避免地死于肺轉移[9-11]。20世紀 80年代初，Rosen等[12]提出新輔助化療的理論后，新輔助化療成為提高患者生存率及保肢率的關鍵，目前形成了術前新輔助化療 → 手術 → 術后化療的骨惡性腫瘤標準治療模式。同時，因手術技術的進步、內植物材料的發展，骨惡性腫瘤切除后大段骨缺損重建技術取得飛速發展，保肢手術方法迅速發展。嚴格按照 Enneking外科分期的指導下手術切除腫瘤，骨惡性腫瘤保肢治療的安全性已得到廣泛證實，與截肢治療的生存率幾乎相當[13]。

骨惡性腫瘤好發于青少年骨骼生長較為活躍的干骺端，由于青少年骨骺尚未閉合，傳統重建方式需切除一側或雙側骨骺，這勢必會造成患者術后患肢的生長障礙、致使雙側肢體不等長或關節畸形，并可能出現嚴重跛行或代償性脊柱側凸[14-16]。在保證手術安全邊界的情況下，盡可能保留骨骺，保留骨骺，可以降低青少年術后畸形的發生，但對此要嚴格把握適應證。保肢術的適應證：腫瘤位于干骺端，骺板尚未閉合；術前通過一系列影像學檢查證實腫瘤尚未侵犯骨骺，且術后病理對此進一步證實；嚴格遵循新輔助化療的治療原則，且病理證實化療有效[17-18]。傳統保骺手術包括：保留骨骺的滅活再植術、骨骺牽開保骺術、保留骨骺的轉移性骨生長術、保留骨骺的關節假體置換術，前三種方式存在感染、移植骨吸收、骨折端延遲愈合或不愈合、骨折、內固定物松動或斷裂、肢體僵硬等問題。腫瘤型假體置換是骨腫瘤肢治療機械性重建的重要方法，但保留骺的腫瘤型假體應用較少[19]。

因腫瘤生長部位、腫瘤病理類型、腫瘤大小的不同，以及患者年齡、體型、體質等差異等因素，導致手術方式存在差異較大，重建方式的個性化設計成為手術治療成敗的關鍵[20-21]。3D打印通過個體化定制以匹配腫瘤切除后獨特的骨缺損，實現較為完美的重建[22-23]。多項臨床研究表明，3D打印假體臨床應用的中短期隨訪顯示該技術可使假體與骨缺損匹配精確，獲得早期穩定性，內植物與宿主骨結合牢固，假體松動等并發癥少見，取得較滿意的效果[24-26]。

本組 2例均為未成年人，處于生長發育期，為肢體長骨惡性腫瘤，位于骨干且臨近骨骺，同時術后骨缺損范圍大。若采用傳統保肢保骺手術，在進行重建時勢必會損傷骨骺且破壞關節穩定性，術后隨著生長發育，會出現肢體不等長、假體松動等并發癥。術前經充分研討后，決定利用 3D技術制作個體化內植物進行術中重建，術中僅切除腫瘤所侵犯的骨干，不傷及長骨端的骨骺及關節。同時為達到精確截骨的目的，在術前設計假體時，在截骨平面位置設計截骨導板。術中按照術前設計進行腫瘤切除+重建術，在盡可能大的切除腫瘤所在骨的同時未傷及骨骺且未破壞臨近關節結構，這為患者的關節發育預留了空間，同時也保證了患者術后關節的穩定。術后隨訪，患者臨近關節活動度良好，患者身高均在正常身高范圍內，且患肢未見明顯的縮短畸形，與傳統手術方式相比，降低了術后并發癥的發生。

3D打印假體與保留骨骺的保肢術相結合，為兒童骨肉瘤保肢治療提供了一種新的選擇。本組患者根據術前影像學資料，確定腫瘤邊界，利用 3D打印技術，預先設計好截骨導板及腫瘤假體，這樣可以更加準確地進行腫瘤邊界的切除，盡可能多地保留自身健康的骨組織進行假體重建，在確保腫瘤完整切除基礎上，盡可能保留患者骨骺，降低患者術后短縮畸形的發生率。這一手術方案為青少年骨惡性腫瘤保肢、保骺治療提供了一個新思路。此外，利用 3D打印技術可將假體表面設計為多孔結構，這一設計可以減輕假體重量，滿足骨組織長入的需要，提高成骨活性增加穩定性，同時可以減少假體表面產生積液的可能性，降低術后感染發生率[7]。

就 3D打印內植物而言，其臨床應用仍有局限性。包括內植物的高昂成本、設計和制造以滿足手術期限所需的籌備時間、術中缺乏靈活性，以及難以實現準確放置內植物，最好從術前計劃、植入物的設計和制造、手術過程的實施和遠期臨床結果四個方面來評估總手術效益[19]。在未來，為了使 3D打印內植物更多的應用到臨床治療，需解決的限制包括植入物的高成本、制造的提前期以及術中靈活性的缺乏。同時為了提高 3D打印技術在臨床的普及程度，應該開發一個集成的一體式計算機平臺，以便在不同的護理提供者 (如放射科醫生、臨床醫生、工程師和植入物加工公司) 之間進行輕松地規劃和無縫溝通[27]。

綜上所述，本組病例中長期隨訪結果證實，3D打印內植物重建方法減少臨近關節的損害，維持正常的關節功能；早期避免骨骺損傷，預留關節發育的空間，降低患者術后短縮畸形的發生率；同時利于新生骨的長入，實現生物重建。與傳統手術方式相比，降低了術后并發癥的發生，也避免了沒有合適腫瘤假體的尷尬局面。但在內植物設計及手術技術上仍有改進之處，同時因本研究病例數量較少，隨訪時間短，可能會低估肢體縮短畸形等相關并發癥的發生率，仍需大樣本實驗及長期隨訪進一步證實。