3D打印导航模板辅助个性化非限制性肿瘤型假体重建对膝关节周围恶性肿瘤的近远期疗效分析

柴 臻 任龙龙

3D打印其基础是三维模型，通过逐层打印的方式对物体结构进行构造[1]，在医疗技术中，3D打印技术已逐渐应用于疾病诊断、医学教育、设计治疗方案、定制个性化的医疗器械、术前评估等方面有了显著方案[2]。3D打印技术已为精准化医疗、数字化微创技术、个体化医疗等技术的发展提供了依据[3]，在骨科、整形外科、牙科等领域已有了广泛应用[4]。而由3D打印技术制作的骨科植入物已批量投入到了临床应用中，3D打印已可成功制作反向模板、骨科实物模型、定制化骨科植入物[5]。膝关节原发性肿瘤的好发部位，保肢手术是膝关节原发性肿瘤的常用治疗手段，对膝关节肿瘤切除术后的功能重建已有了较高的要求，因此选择合适的假体对膝关节周围恶性肿瘤患者非常重要[6]。目前3D打印导航模板辅助个性化非限制性肿瘤型假体在临床中应用较少，因此本文回顾性分析了其与传统的膝关节肿瘤切除联合肿瘤型铰链式假体对膝关节周围恶性肿瘤患者的近远期疗效，现报告如下。

1 资料与方法

1.1 资料

回顾性选择我院2014年1月至2017年12月收治的80例膝关节周围恶性肿瘤患者，其中男性45例，女性35例，年龄为14～41岁，平均年龄为(25.9±4.1)岁，肿瘤部位：左膝43例，右膝37例，肿瘤类型：骨软骨肉瘤者17例，骨肉瘤38例，骨巨细胞瘤25例，肿瘤直径大小为4～24 cm，平均肿瘤直径为(9.8±2.1)cm，病程为3～14个月，平均病程为(9.1±1.9)个月。本研究所有患者经病理诊断为膝关节周围恶性骨肿瘤，术前经CT、X线、MRI等确诊无明确的肿瘤转移，排除严重骨质疏松者、不能耐受手术者。根据所用假体类型不同，将所有患者分为两组，其中对照组采用传统的膝关节肿瘤切除联合肿瘤型铰链式假体(48例)，观察组采用3D打印导航模板辅助个性化非限制性肿瘤型假体(32例)，两组患者的性别、年龄、肿瘤部位、肿瘤类型、平均病程等资料对比无统计学意义(P>0.05)，见表1。本研究所有患者知情同意且符合医学伦理。

表1 两组患者一般资料对比

1.2 方法

术前观察组患者先建立、测量膝关节肿瘤三维模型，行MRI增强扫描，范围为肿瘤、上下关节，64排螺旋CT扫描骨盆至足部。将CT扫描所得的原始数据录入至Mimics 10.01软件中，并初步建立双下肢的骨骼模型，在此基础上，用局部阈值设置、编辑蒙版工具分隔、填充骨块，并用布尔运算及区域增长为每个骨骼建立新蒙版，再将双下肢骨骼模型进行光顺和平滑处理。行MRI扫描后，将其原始数据导致如Mimics 10.01软件中，按照双下肢骨骼的三维模型建模方法对肿瘤三维模型进行建立，之后将该模型导入至Imageware 13.2软件中行模型匹配，测量股骨颈前倾角、双下肢力线、股骨颈扭转角、股骨颈干角、胫骨近端内翻角、患肢骨髓腔直径等解剖参数。此外，用CT扫描大段骨缺损修复的同种异体骨，之后导入原始数据至Mimics 10.01软件中，以建立同种异体骨的三维模型；再设计肿瘤外科的切除边界，将肿瘤模型与双下肢骨骼模型在Imageware 13.2软件进行精确匹配，从而得到其肿瘤骨骼的三维结合整体模型，根据Enneking骨肿瘤分期设计骨肿瘤切除的外科边界，之后根据双下肢的解剖参数结果选择截图角度及截图位置后进行标记；模拟手术切除肿瘤并行功能重建，在Imageware 13.2软件中根据设计结果采用剪裁、移动工具模拟切除肿瘤，用裁剪工具将同种异体骨三维模型修剪，直至与患肢骨缺损部位完全匹配，之后通过移动、旋转修复骨缺损处，之后根据肿瘤的切除范围，在骨骼及肿瘤模型及同种异体骨三维模型中，建立肿瘤切除导航模板、同种异体骨修剪导航模板轮廓模型；肿瘤切除模板及骨修复体剪裁导航模板设计、制作：在Imageware 13.2软件中，用缝合功能缝合各曲面、平面，再根据手术的方式，在肿瘤切除范围及预定标记显露的骨组织范围设定标记点，在标记点设计3 mm的圆柱形的导向固定孔，得到导航模板三维模型，再采用光敏树脂打印制作导航模板实体；设计、制作非限制性肿瘤型的全膝关节假体，用人工关节及同种异体骨对肿瘤切除后的大段骨缺损进行修复，并对膝关节功能进行重建，之后在Imageware 13.2软件中，用划线及曲面构建方式对全膝关节假体模型进行初步建立，再经缝合、光顺处理，得到最终的假体三维模型，再将其导入Imageware 13.2软件中，匹配肿瘤切除后的骨骼三维模型，以实现个性化的假体模拟输入。之后将全膝关节假体三维模型导入Imageware 13.2软件中对膝关节功能进行重建，并得到完善的假体参数。对照组经CT、MRI得到数据，明确肿瘤的侵犯范围，确定铰链式假体的型号。

两组患者均用硬膜外麻醉方式，根据肿瘤的部位对切口进行选择。观察组术中将肿瘤切除导航模板贴服于骨面上固定，将肿瘤沿导航模板边界行完整切除，用脉冲对创面、髓腔进行反复冲洗后蒸馏水浸泡30 min，之后在同种异体骨修剪导航模板的指引下对同种异体骨进行修剪，并将其与膝关节假体进行结合以形成复合体。股骨端肿瘤先安装胫骨平台假体，之后在残端扩髓，填充骨水泥，装配同种异体骨的假体复合体，在同种异体骨与残端植入自体的髂骨，用钢丝进行捆绑后促进接口形成骨桥愈合，重建患者的内、外侧副韧带；胫骨近端肿瘤可先安装股骨表面假体，后在股骨端安装同种异体骨假体复合体，肌腱固定方法同股骨端肿瘤。对照组患者行肿瘤广泛切除或根治术，在MRI信号改变区的2～5 cm处切除软组织，切除后行残端扩髓，将创面及骨髓腔进行反复冲洗后蒸馏水浸泡30 min，按照安装顺序对肿瘤型的铰链式假体进行安装并用骨水泥固定，本研究42例患者均未行髌骨置换。若患者软组织缺损多获肿瘤侵犯范围大时，行腓肠肌内侧头肌皮瓣移位覆盖假体；胫骨近端肿瘤者缝合髌韧带止点于假上重建伸膝装置。

术后两组患者均佩带膝关节支具，时间为3～6个月，保护患者的侧副韧带，术后鼓励患者行主动锻炼，根据切口及患者的骨愈合情况确定负重时间。

1.3 观察指标

①对比两组术中的出血量及瘤段长度；②两组患者术后均随访12个月，对比两组的术后并发症及肿瘤复发率；③对比两组术后1年膝关节功能评分，用骨与软组织肿瘤协会的保肢功能系统进行评定。总分为0～30分，分值越高，膝关节功能越好。

1.4 统计学方法

2 结果

2.1 两组术中出血量及瘤段长度对比

两组术中出血量及瘤段长度对比无统计学意义(P>0.05)，见表2。

表2 两组术中出血量及瘤段长度对比

2.2 两组术后并发症及复发情况对比

观察组中的免疫排斥反应经抗免疫治疗后痊愈，1例感染者经清创缝合、置管冲洗及抗炎治疗后痊愈，术后1年复查时发现1例死亡，1例带瘤生存；对照组中1例假体周围骨折，行骨折内固定术及假体翻修术愈合；1例感染者清创缝合、置管冲洗及抗炎治疗后痊愈，2例切口不愈合者给予肌皮瓣移位修复后痊愈，1例腓总神经损伤者给予理疗、营养神经治疗后恢复，术后1年复查时发现3例死亡，1例带瘤生存。两组患者术后并发症发生率及术后1年复发率对比无统计学意义(P>0.05)，见表3。

2.3 两组术后1年膝关节功能评分对比

观察组股骨远端肿瘤评分及股骨近端肿瘤评分均明显高于对照组(P<0.05)，见表4。

表3 两组术后并发症及复发情况对比

3 讨论

膝关节恶性肿瘤切除的保肢手术多包括两种，一类是自体骨、异体骨移植重建、瘤段切除灭活回植术，另一类为肿瘤型人工假体置换术[7]。前者治疗后患者容易出现易骨折、骨不愈合、关节功能差、排异反应等不足，而人工假体置换手术在保留肢体外观、功能基础上，又可给患者提供较好的活动范围及稳定性，从而提高患者的生活质量[8]。以往采用的铰链式假体多根据患者的肿瘤部位、大小，再根据患者的影像学资料进行个性化设计，满足患者的需求，但其存在并发症较多、设计缺陷及术后功能患者功能恢复不理想等缺陷，而3D打印可依照人体结构打印出实物的模型，且其材质、精确度、强度符合患者的要求[9]，因此本文采用3D打印导航模板辅助个性化非限制性肿瘤型假体重建对膝关节周围恶性肿瘤的近远期疗效。

表4 两组术后1年膝关节功能评分对比分)

本文结果表明，两组的术中出血量及瘤段长度对比无统计学意义，观察组股骨远端肿瘤评分及股骨近端肿瘤评分均明显高于对照组，表明采用3D打印导航模板辅助个性化非限制性肿瘤型假体重建可提高膝关节周围恶性肿瘤的关节功能，主要是由于大段的同种异体骨修复骨缺损，假体力学支撑不足[10]，而采用3D打印导航模板辅助个性化非限制性肿瘤型假体，其与标准膝关节表面置换生物结构类似，可极大提高患者术后膝关节的活动度，提高患者的生活质量[11]；此外，肿瘤切除会导致软组织缺失，造成关节不稳、脱位，而术前对患者用3D打印导航模板，辅助术中肿瘤精确切除，可保证医师在准确切除肿瘤的同时，尽可能的将正常软组织保留下来，避免了铰链式假体对软组织的破坏性切除，从而观察组患者的术后评分较高。观察组患者术后并发症发生率及术后1年复发率低于对照组，主要是由于3D打印导航模板辅助个性化非限制性肿瘤型假体重建，术前用计算机行三维测量、设计，可提高患者的匹配精确度[12]，同时采用3D打印导航模板可避免假体安装的失误，从而降低了术后感染的发生情况。但本研究组间对比无统计学意义，可能与本研究病例较少有关，有待扩大样本量进行下一步分析。

本研究术者分析，采用3D打印导航模板辅助个性化非限制性肿瘤型假体重建时，对于患者体质量较大，容易发生假体脱位、下沉者，瘤段切除较大，且软组织较多者及无法行保肢手术者不宜采用该手术方式[13]。

综上所述，与铰链式假体相比，3D打印导航模板辅助个性化非限制性肿瘤型假体重建对膝关节周围恶性肿瘤的近期疗效相当，但其可改善患者的关节功能。本研究中对患者的术后观察时间较短，有待进一步延长术后随访时间，对比两种方式对膝关节周围肿瘤患者的长期疗效。