3D打印髋臼导板辅助的骨盆肿瘤切除后精确性分析

李承铎 田征 宋兴华 艾克拜尔 陈江涛 樊雪鹏 杨晓钢

骨盆肿瘤分为良性肿瘤与恶性肿瘤，由于骨盆肿瘤解剖部位深在，且结构复杂，其治疗在骨肿瘤学科中至今是一大难题。所有原发性恶性骨肿瘤中6%～15%累及骨盆［1］；骨盆骨也是许多其他恶性肿瘤的常见转移部位，包括肾、前列腺、乳腺、肺、甲状腺和膀胱［2-3］。骨盆骨肿瘤通常表现为体积较大，可侵犯重要的解剖结构［4］，包括髂血管、股神经、坐骨神经、盆腔脏器等。手术切除是治疗骨盆肿瘤最主要的方法，且手术难度大，技术要求高，术后并发症多［5-7］。手术治疗的目的是减少局部复发，提高整体生存率［8］。近年来，越来越多的患者开始接受保肢手术而不是截肢手术，希望在不影响安全肿瘤边界的前提下提高功能和生存质量。能否达到肿瘤根治性切除是最重要的预后因素［9-10］。

近年来，随着3D打印技术在医学领域的应用逐渐成熟，其能够直观地提供给术者肿瘤的毗邻关系，帮助术中更好地定位解剖结构，明确各结构之间的空间位置，更有利于制订和实施手术方案［11-15］。3D打印技术在骨科领域应用广泛，在术前模拟、导板设计等方面均已成熟，但在骨盆肿瘤的应用相对较少。3D打印导板辅助切除骨盆肿瘤在临床上的应用效果及精确度尚不明确，是否达到切缘阴性的广泛性边界切除也是未知。

本研究回顾性分析应用3D打印技术行骨盆肿瘤切除患者的病历资料及未应用3D打印技术行骨盆肿瘤患者的病例资料，旨在探讨应用3D 打印导板辅助骨盆肿瘤切除的精确性。

1 材料与方法

1.1 临床资料

选取2014年11月至2018年11月于新疆医科大学第一附属医院接受手术治疗的所有骨盆恶性肿瘤病例资料，共20例。分为3D打印导板组（试验组）10例，其中男性4例、女性6例，年龄14～56岁，平均（41.4±12.6）岁；术前病理明确诊断：软骨肉瘤6例、骨肉瘤3例、尤文肉瘤1例。对照组10例，其中男性6例、女性4例，年龄15～63岁，平均（39.6±14.4）岁；术前病理明确诊断：软骨肉瘤5例，骨肉瘤5例。纳入标准：1）接受手术治疗的所有骨盆恶性肿瘤病例，按Enneking分期为ⅡB者；2）应用3D打印技术辅助骨盆肿瘤切除；3）未应用3D打印技术辅助，使用传统手术方法行骨盆肿瘤切除者；4）根据病例的性别、年龄、身高、体质量、肿瘤大小及肿瘤分区、分期的资料，筛选出上述参数相同或相近的病例。排除标准：1）既往放疗病史者；2）经外院治疗中途转入本院者；3）病历、影像等资料不完整者；4）合并其他影响分析结果的疾病者。详细资料见表1。

表1 骨盆肿瘤切除患者的基线资料

所有患者术前均常规行骨盆MRI、骨盆薄层CT扫描、肺CT 及全身骨显像检查。根据Enneking 骨盆切除分区，各组Ⅰ+Ⅳ区4例，Ⅰ+Ⅱ区3例，Ⅱ+Ⅲ区3例。所有骨肉瘤及尤文肉瘤患者均在术前行规范新辅助化疗。手术方法：试验组10例使用3D打印辅助骨盆肿瘤切除，对照组10 例使用传统手术方法下的骨盆肿瘤切除。两组在年龄分布、性别、BMI 指数比较差异无统计学意义。详细资料见表2。

表2 试验组与对照组一般资料与手术结果比较

1.2 方法

1.2.1 切除边界的确定 对于任何病理类型和分级的骨肉瘤，首选初始治疗方案均为切缘阴性的广泛切除。截骨边界距离肿瘤至少3 cm以上才能保证切除边缘无肿瘤残留。本研究所有患者手术切除方式均按照这一原则，将距离肿瘤边界3 cm 的位置定为最佳截骨位置，并用来设计导板。根据在最佳截骨位置上截骨后暴露的骨面设为模拟截骨面，将肿瘤切除截骨后暴露的骨面为真实截骨面。术中切缘骨及软组织常规送病理检测，确保边缘阴性和安全。

1.2.2 模型重建及导板设计过程 两组患者术前均行骨盆X线片、薄层CT扫描、MRI增强扫描检查及术后骨盆薄层CT平扫。获取医学数字成像和通信文件（DICOM）。将DICOM 导出到Mimics 软件。根据CT扫描参数重建骨性骨盆结构及病变附近血管。根据MRI确定骨内异常信号范围，确定肿瘤大小侵蚀程度及范围，并用MRI 重建出肿瘤组织。将CT 与MRI 重建结果融合，获得三维数字模型。仔细分析重建的三维模型肿瘤的空间位置，肿瘤与血管、神经等的毗邻关系，确定截骨位置、手术边界及重建位点。根据肿瘤切除范围及重建方法，进行模拟手术切除与功能重建。利用3D 打印快速成型技术，打印出1:1 实物模型。选取具有一定形态学骨面特性后进行光滑处理，再通过反复运用扩增及布尔运算，设计出该处骨面的反向曲面，即为导板的接骨面，将骨连接面与切割面融合完成导板设计。

1.2.3 试验方案 两组患者手术均按照相同的肿瘤切除原则，且由同一组医生完成。试验组均在术前骨盆CT 薄层扫描，获取DICOM 文件。将DICOM 文件导入Mimics 软件重建出3D模型，在软件上模拟手术切除，获取模拟截骨面。根据模拟截骨面设计截骨导板，用3D 打印机打印出3D 模型及导板，在导板辅助下切除肿瘤组织。手术后患者复查骨盆CT，并将获取DICOM文件导入Mimics软件重建出肿瘤切除及截骨后的3D 模型，获取真实截骨面。将术前模拟与术后真实肿瘤切除的3D模型文件同时导入Mimics软件，将两个模型文件放置到同一坐标使之叠加，测量真实截骨面与模拟截骨面的最大线性距离。对照组使用传统手术方法切除肿瘤，通过骨盆CT 薄层扫描获取DICOM文件，通过Mimics软件模拟手术切除，从而获取模拟截骨面；继续用Mimics 重建出肿瘤切除后的3D模型文件，获取真实截骨面，将两个模型文件放置到同一坐标叠加后，测量真实截骨面与模拟截骨面的最大线性距离。

1.2.4 随访及功能评价 记录两组手术时间、出血量情况，美国骨肿瘤学会评分系统（musculoskeletal tumor society，MSTS）功能评分情况［16］。术后第1、2年，每3个月门诊随访；术后第3年，每4个月1次；术后第4、5年，每6个月1次；之后每年1次。随访内容包括体格检查、胸片、影像学检查（X线片、局部及肺部CT、MRI等）、PETCT扫描或骨扫描、每次随访重新评估功能。采用MSTS评分系统评价术后功能。末次随访采用MSTS进行评价。该评分包括6个方面内容，即疼痛程度、肢体功能丧失情况、患者满意度、是否需要使用工具辅助、行走受限情况及有无步态异常等，每项0～5分，满分为30分。

1.3 统计学分析

采用SPSS 22.0 软件进行统计学分析，数据采用表示，两组性别采用χ2检验，两组年龄、BMI指数、肿瘤最大直径、出血量、手术时间、MSTS 评分采用两独立样本t检验，以P＜0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 3D打印导板临床应用

20例患者手术顺利完成，均获得整块切除，试验组手术时间（4.4±1.4）h，与对照组（4.5±1.4）h比较差异无统计学意义（P=0.83）；试验组术中出血量（1 980±1 158）mL，与对照组（2 785±1 784）mL比较差异无统计学意义（P=0.16）；试验组线性差距平均（3.8±1.9）cm，与对照组（8.7±1.0）cm比较差异具有统计学意义（P=0.001）。

2.2 并发症

本组18例患者未发生术后伤口感染、皮肤坏死，术后转入康复理疗进行术后康复训练。1 例术后出现切口感染，经清创、加强引流、抗感染等对症支持治疗后痊愈；1例术后两个月出现髋关节脱位，行1次闭合复位及1次切开复位后未再发生髋关节脱位。

2.3 肿瘤控制及功能评价

20例患者均获得随访，术后随访11～48个月，平均30 个月。随访期间19 例未见局部肿瘤复发及远处转移，1例骨肉瘤患者于术后9个月出现肺转移，目前带瘤生存。其余患者术后恢复良好。3D打印导板组术后MSTS 功能评分（20.4±0.98）分，与常规组（20.2±1.29）分比较差异无统计学意义（P=0.78）。

3 讨论

3.1 3D骨盆模型重建

通过应用CT 薄层扫描获取DICOM 数据导入Mimics 软件，重建出骨盆，能较好的评估肿瘤对骨骼侵袭破坏的程度［17］。通过对软件阈值的调整可以改变骨骼的能见程度，阈值越小，骨骼显示越清晰。调整适宜阈值后重建出骨盆。骨盆肿瘤通常瘤体巨大，常出现局部破坏性生长，累及骨盆多个分区，且侵袭邻近器官组织，甚至出现肿瘤包绕周围血管、神经的情况，术前准确认识肿瘤显得尤为重要。MRI能很好的显示病变组织与周围重要脏器、血管、神经的毗邻关系［18］。通过应用MRI薄层扫描获取DICOM数据导入Mimics软件，软组织肿瘤重建过程中，软件无法区分肿瘤组织与肌肉信号，需要有经验的医生徒手在每张层面中绘出肿瘤的范围，重建出肿瘤组织。这一过程存在主观性，若肿瘤区范围内水肿信号、间隙中脂肪、不均匀骨髓信号与肿瘤边界相混淆时，则重建出的肿瘤与真实肿瘤存在误差。骨盆腔内供应下肢、臀部及会阴部动静脉血管，血管侧支供应丰富，术中一旦出血，由于位置较深且结构复杂，止血十分困难［19］，会给后续的肿瘤安全切除带来困难。本研究术前通过应用CT获取的DICOM数据，通过阈值分割，重建出盆腔内血管，能较好的显示血管与肿瘤的毗邻关系。3D骨盆模型能帮助术者在手术中更好地定位解剖结构、明确各结构之间的空间位置，利于制订和实施手术方案。

3.2 导板设计与应用分析

骨盆解剖结构极其复杂，且盆腔内有许多重要的内脏器官，有丰富的血管和神经网络。而骨盆肿瘤切除的难度远高于普通的骨盆手术，要求对肿瘤周围的组织结构有确切的认识，并在肿瘤组织的安全外科边界内进行肿瘤切除［20］。手术导板的设计可以在保留最大骨量的前提下，实现在安全边界内进行肿瘤切除。既不会污染盆腔内其余脏器，又能精确切除肿瘤，从而降低肿瘤复发率。导板设计需要有丰富骨盆手术经验的外科医生设计，根据手术暴露空间、需要手术切除的边缘、术中骨性标志、邻近的脏器、附近走行的血管神经等方面综合考虑来设计导板。导板需要尽可能的简洁，体积尽可能的小，尽可能多的贴附于骨面，从而达到一个稳定支持的结构。导板设计还需具有唯一性，能够准确的放置于截骨平面上，若位置安放错误，将不能贴附于骨面。导板安装过程中需要铲除骨面上的一切软组织，暴露出皮质骨，让导板紧密的贴附于骨皮质上。用克氏针将导板固定，再将固定长度的定位针通过导向圆筒打入骨组织内，透视验证定位针位置及标记范围与术前设计无误差后，按照定位针所指示位置刮除病灶或进行截骨。

综上所述，本研究中使用3D打印骨盆模型，有助于了解骨盆肿瘤与重要解剖结构的毗邻关系，拟定手术方案，并模拟手术，验证术前方案的可行性，有助于手术顺利进行。3D打印截骨导板辅助骨盆肿瘤切除，可指导术中精确截骨，方便操作，简化手术，具有推广应用价值。本研究中3D 打印在手术时间、出血量等方面未体现出明显优势，但在肿瘤边缘切除精确度方面优势明显。

致谢：空军军医大学西京医院王臻教授、郭征教授以及新疆唯美空间三帝智能科技有限公司。