肩胛骨腫瘤切除3D打印聚醚醚酮個性化定制假體重建五例報告

魏星輝 范宏斌 付軍 艾克拜爾·尤努斯 劉冬 田征 李小康 王玲 李滌塵 郭征

作者單位：710032西安，第四軍醫大學西京醫院骨科 (魏星輝、范宏斌、付軍、劉冬、李小康、郭征)；830011烏魯木齊，新疆醫科大學第一附屬醫院骨腫瘤外科 (艾克拜爾·尤努斯、田征)；710032西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室 (王玲、李滌塵)

肩胛骨惡性腫瘤約占全身骨腫瘤發病的 3%，以尤文肉瘤、軟骨肉瘤和轉移瘤為主[1]。由于肩胛骨解剖結構特殊，肩胛骨腫瘤早期無明顯癥狀，發現時往往已有較大的侵襲范圍。對于肩胛骨惡性腫瘤或良性高侵襲性腫瘤，常常需要行全肩胛骨切除。肩胛骨切除后可采用曠置 (肱骨懸吊) 或重建，現有重建方法包括瘤骨滅活再植、同種異體肩胛骨移植和肩胛骨假體置換等[2]。其中，肩胛骨假體置換因可獲得一定的外形和功能，成為目前臨床使用的主要方法[3]。

然而，傳統標準化金屬肩胛骨假體存在結構單一[4]、重量重、金屬邊緣切割作用[5]、球窩型肩關節的活動限制和磨損[6-7]以及術后復查金屬偽影影響[8]等問題，從而影響重建的效果。隨著新材料3D打印技術的發展，精確重建肩胛骨的解剖結構成為可能。本研究創新采用聚醚醚酮 (polyetheretherketone，PEEK) 材料 3D打印技術制備個性化定制肩胛骨假體，通過對 5例患者重建，評價其臨床應用效果，現報告如下。

資料與方法

一、一般資料

本組 5例肩胛骨腫瘤患者均行術前病理活檢確診。經西京醫院倫理委員會批準開展手術，術前均簽署知情同意書。根據腫瘤類型和侵襲范圍，全部患者均行全肩胛骨整塊切除，3D打印 PEEK個性化定制肩胛骨假體重建 (表 1)，其中 4例同時進行肱骨頭置換。2例尤文肉瘤患者行新輔助化療。良性組織纖維細胞瘤患者由于腫瘤侵犯廣，患者疼痛癥狀明顯，局部刮除復發風險高，故也進行全肩胛骨切除、重建。

二、術前影像采集和假體設計

本組 5例術前均行肩胛骨 X線、CT、MRI檢查，確定腫瘤邊界、累及部位，是否侵犯周圍血管組織等；行肺部 CT和全身核素骨掃描 (ECT)，明確患者是否有肺部和其它部位的轉移。對患者健側肩胛骨及肱骨上段進行薄層 CT掃描 (層厚 0.625 mm，分辨率 512×512)，獲取健側 CT斷層及三維重建圖像。將獲取的 DISCOM格式數據導入 Materialise Mimics 20.0軟件，構建健側肩胛骨 CAD三維模型，鏡像化處理為患側重建所用數據，拓撲優化假體結構，按照手術方案設計軟組織附麗孔道，保持孔徑與孔間距一致。

三、3D打印個性化假體制備

將構建的模型文件 (STL格式) 導入 3D打印設備 (英國 Invibio公司 Surgeon Plus系列)，采用控性冷沉積技術 (專利號：ZL201710495685.5)，使用PEEK材料打印個性化定制肩胛骨假體，其中 4例在PEEK材料中摻雜鋇劑形成可顯影材料。按照打印后處理流程除粉清理，對假體肩胛盂部位進行拋光處理至粗糙度達 Ra 0.8。加工完成后，假體經 Co60照射 48 h消毒滅菌密封包裝備用。

四、手術重建過程

采用全麻健側臥位，取肩后方弧形切口，逐層切開皮膚、皮下及深筋膜，沿肩胛岡切斷斜方肌止點及三角肌起點，向后翻起斜方肌，結扎其下頸橫動脈。切斷肩鎖韌帶、喙鎖韌帶，游離并切斷肩胛上神經，結扎肩胛上動脈。于肩胛骨內側切斷肩胛提肌、大小菱形肌、上后鋸肌止點，于肩胛骨骨面切斷肩胛下肌、岡下肌、大小圓肌以及前鋸肌起點。切開肩關節囊，切斷肱二頭肌、肱三頭肌長頭于肩關節盂起點，將病變肩胛骨及軟組織包塊整塊切除，保證腫瘤切除的安全邊界。4例患者顯露肱骨近端，擺鋸截骨，打入相應大小帶有肱骨柄的骨水泥型肱骨頭人工關節假體。精準植入 3D打印 PEEK個性化定制肩胛骨假體，通過術前定制預留孔道，使用愛惜邦縫線重新附麗假體周圍肌肉，使肩胛骨的各邊分別與三角肌、大小菱形肌、大圓肌、斜方肌縫合，其中三角肌用于恢復外展功能，大小菱形肌、大圓肌、斜方肌用于穩定肩胛骨于胸壁表面，并可以進行滑動。將殘留的肩鎖和喙鎖韌帶附麗于假體，重建肩鎖、喙鎖韌帶，將不可吸收的人工關節囊材料縫合于肱骨頭周圍的殘存關節囊，另一邊縫合于肩胛骨關節盂周圍的小孔。重建肩關節囊，達到解剖復位。活動患側肩關節，觀察肩胛骨穩定性和運動軌跡。

表1 5例患者基本信息Tab.1 Basic information of 5 patients

五、術后處理

復查 X線片、CT掃描，觀察假體位置、肩關節位置，給予抗感染、抗凝及相關對癥治療。術后外展支具功能位固定后 3周，開始指導患者進行功能鍛煉。

六、隨訪及功能評價

術后 2年內，每 3個月隨訪 1次，2年后每半年隨訪 1次。每次隨訪進行體格檢查，肩關節功能評價和 X線、CT等影像學檢查，記錄患者肩關節活動范圍、肌力，評價腫瘤控制情況。末次隨訪采取Constant-Murley肩關節評分對患者進行肩關節功能評價，包括主觀評分和客觀評分，共四個方面：(1) 疼痛 (總分 15分)；(2) 日常活動 (總分 20分)；(3) 關節活動度 (總分 40分)；(4) 肌力 (總分 25分)，合計 100分[9-10]。

結果

一、術中與術后情況

本組 5例均成功實施肩胛骨腫瘤全肩胛骨整塊切除，順利完成 3D打印個性化定制 PEEK肩胛骨重建，其中 4例成功實施患側肱骨頭置換。手術時間 90～150 min，平均 124 min，手術出血量 400～1100 ml，平均 780 ml (表 2)。術中每例患者 C型臂透視平均 2次，術后 X線及 CT掃描顯示 3D打印PEEK個性化定制肩胛骨假體結構清晰 (可顯影假體)，與對側肩胛骨位置對稱，人工肩胛骨顯影密度與正常肩胛骨基本一致，肩關節、肩鎖關節位置良好。所有患者術后均未出現假體脫位、深部感染和傷口不愈合等并發癥。患者術后身體恢復良好，術后平均 6天出院。

圖1 化療前 CT斷層圖像 Fig.1 CT cross-sectional images before chemotherapy

圖2 化療后 CT斷層圖像 Fig.2 CT cross-sectional images after chemotherapy

二、隨訪及功能評價

本組 5例均獲 3～24個月隨訪，平均 12個月。術后 3個月隨訪，X線片及 CT掃描提示假體無移位和斷裂，肩關節位置關系滿意，無肱骨頭磨損表現。末次隨訪患者自覺外形滿意，無肩部下墜感，未增加肩部負荷，無肩部畸形和活動時疼痛，肩關節功能 Constant評分 64～69分，平均 66.8分 (表 2)。隨訪期內所有患者均未出現腫瘤局部復發和遠隔轉移。

典型病例：

患者，男，18歲，右肩胛骨尤文肉瘤。收治于新疆醫科大學第一附屬醫院骨腫瘤外科。術前行常規新輔助化療，化療后病灶較前明顯縮小 (圖 1，2)。薄層 CT掃描健側肩胛骨，三維重建后經鏡像化處理獲得患側假體數據，按照重建固定方案設計軟組織附麗孔道 (圖 3)。將假體數據導入 3D打印設備制備PEEK個性化定制假體。

采用前述切除方式，完整切除肩胛骨及周邊軟組織腫瘤，切除邊界以化療前腫瘤范圍為依據。植入 3D打印個性化定制肩胛骨假體，假體精準適配，重建肩胛骨周圍結構 (圖 4)。術后 X線和 CT重建顯示假體可顯影，解剖重建位置滿意 (圖 5)。術后3個月隨訪，肩關節可外展至 50°，患者自覺外形和功能滿意 (圖 6)。末次隨訪肩關節 Constant功能評分 68分，無腫瘤復發和遠隔轉移。

表2 5例患者手術及隨訪信息Tab.2 Surgical and follow-up information of 5 patients

討論

肩胛骨腫瘤發病較少，Rizzoli研究所的流行病學數據顯示，肩胛骨腫瘤僅占全身骨腫瘤發病的3%[1]。然而，肩胛骨腫瘤惡性占比達 64.46%，腫瘤類型主要為尤文肉瘤、軟骨肉瘤和轉移瘤[11]。由于肩胛骨特殊的解剖學位置，腫瘤早期癥狀不明顯，發現時易伴有較大侵襲范圍[2]，通常肩胛骨腫瘤切除范圍大，重建困難及效果不佳。

肩胛骨腫瘤全肩胛骨切除后可選擇曠置 (肱骨頭懸吊) 和重建，腫瘤肩胛骨的滅活再植、異體肩胛骨置換及肩胛骨假體是目前的重建選擇。肱骨懸吊能夠提供相對穩定的肩關節，但是肩關節功能尤其是外展功能恢復較差，并且懸吊的上肢會引起疼痛，使長期的左右應力不對稱，造成習慣性側彎，影響肩關節的外形，因此患者滿意度差[12-13]；同種異體肩胛骨置換能夠提供較好的軟組織連接，但存在異體骨來源不足、結構不匹配、穩定性差和并發癥較多等問題[14]。肩胛骨假體置換能一定程度上恢復肩關節的穩定性和功能，被認為是目前最有效的方法[3]，但廣泛使用的定制型金屬假體依然無法精準匹配復雜不定型的肩胛骨缺損，同時由于傳統肩胛骨假體置換時同時需要將肩關節置換成球窩式肩關節，從而影響了術后功能效果。

隨著 3D打印技術的發展，利用計算機三維重建技術設計的 3D打印個性化定制假體滿足了復雜不定型骨的重建要求。3D打印肩胛骨不僅可以恢復肩關節的外形，而且能夠為周圍的肌肉提供良好的附著點，還能為鞏固的運動提供依托。2014年，3D打印金屬個性化定制肩胛骨假體首次應用于肩胛骨腫瘤患者[15]，相比于傳統個性化假體制備，應用3D打印技術可以通過鏡像化處理健側肩胛骨影像數據，定制精確匹配的患側肩胛骨假體。其具有匹配性高、制備周期短、術后外觀和肩關節功能滿意等優點。然而金屬肩胛骨存在的重量重、邊緣軟組織切割及偽影等問題影響了其使用效果。

圖3 假體軟組織附麗孔道設計 Fig.3 Design of soft tissue attached orifice of prosthesis

圖4 術中個性化定制假體植入 Fig.4 Customized prosthesis implantation in operation

圖5 術后 X線片和 CT三維重建 Fig.5 Postoperative X-ray and CT 3D reconstruction images

圖6 術后 3個月 Fig.6 Functions 3 months postoperatively

圖7 可顯影 PEEK個性化定制假體 (左) 與不可顯影的個性化定制假體術后X線對比Fig.7 Comparison of developable and non-developable customized PEEK prosthesis

PEEK材料是常用骨科植入材料，已在脊柱椎間融合器中大量使用，其具有耐磨、低彈、生物相容性好等特點[16]。相比與金屬假體，PEEK材料重量輕，與軟組織生物相融性好，容易制作，加工周期短，彈性模量、熱導性更接近人體骨，且更好地兼容 X線、CT、磁共振等設備，檢測中不產生偽影，具有廣闊的臨床應用前景[17]。全肩胛骨切除術后，重建的假體周圍沒有需要融合的骨組織，因此，金屬多孔結構的成骨優勢難以發揮，PEEK材料因為良好的軟組織生物相容性更適合在肩胛骨處應用。

本研究創新采用控性冷沉積 3D打印技術制備的 PEEK個性化定制肩胛骨假體，其發揮了 3D打印技術和 PEEK材料的優勢，仿真重建肩胛骨的解剖結構和肩胛帶的功能。術中通過肩胛骨假體預留孔道，肩胛骨周圍的軟組織與肌肉可以與假體牢固縫合，達到重建的穩定性要求。同時在肩胛骨假體設計時，在保證假體體積盡量小的同時，兼顧了肌肉起點的重建，有效控制了重建后局部的軟組織張力，使創面愈合平穩。相比傳統鈦合金假體，3D打印個體化定制 PEEK肩胛骨假體具有以下應用特點：(1) 在術前設計中，可結合患者健側肩胛骨 CT重建資料設計出與患側肩胛骨缺損完全匹配的假體，恢復肩胛帶的解剖學結構；(2) 采用 PEEK材料制備假體，在同體積下具有更輕的質量，減少患者術后肩部負擔；(3) 個體化定制肩胛骨假體置換時可同時置換肱骨頭假體或不置換，最大限度地保持了肩關節的結構，而傳統肩胛骨假體需將肩關節置換為球窩式肩關節，限制了肩部的功能；(4) 與 3D打印金屬假體相比，PEEK打印溫度要求低，制備時間短，縮短了患者的等待時間；(5) 通過在 PEEK材料中摻雜一定比例的鋇劑，在不影響 PEEK材料強度的情況下使 PEEK材料可顯影，術中透視可直接觀測到假體相對位置，術后影像顯示 PEEK假體與周圍骨組織具有相似的透光度，假體位置清晰可見 (圖 7)，CT及 MRI檢查無偽影，有利于局部腫瘤復發的觀察。

3D打印 PEEK個性化定制假體在非負重區骨腫瘤切除后重建中可以發揮重要的作用，是復雜不定型骨結構重建的新選擇。但這一創新技術也面臨著一些問題和挑戰。PEEK材料的力學強度低于傳統鈦合金材料，因此，目前 3D打印 PEEK假體主要應用于非負重區骨缺損的重建，如顱骨、胸壁、鎖骨和肩胛骨等，隨著材料和制備工藝的提高，這一問題或將得到解決；與金屬材料特別是多孔金屬材料相比，PEEK材料的骨傳導和界面骨整合能力較弱，需通過表面改性等方法進一步提高材料與骨之間的整合；PEEK材料對 3D打印機有較高的要求，目前的打印機尚不能完全適應 PEEK材料的特性，制備效率并不高，因此，亟待研發新型的 PEEK專用 3D打印機[17]。本研究屬臨床探索性研究，目前樣本較小，隨訪時間較短，后期需加大樣本量，延長隨訪時間，進一步觀察遠期療效，追蹤患者功能恢復情況，以獲得更可靠的研究數據。

綜上所述，3D打印 PEEK個性化定制肩胛骨假體可以較好滿足肩胛骨腫瘤肩胛骨整塊切除后精準重建的要求，假體具有制備周期短、質輕、生物相容性好和彈性模量更接近皮質骨等特點。術中操作簡單，重建后功能和外形恢復較好，其遠期效果尚待進一步評價。