导板联合导航技术用于骨盆肿瘤切除术后髋臼重建定位的研究

蔡青，党竞医，付军，刘冬，朱东泽，张昭，刘鑫成，范宏斌

(1.空军军医大学临床医学系，陕西 西安 710032；2.空军军医大学附属西京医院骨科，陕西 西安 710032)

大约10%～15%的原发恶性肿瘤会累及骨盆环结构，其中最为常见的瘤种包括骨肉瘤、软骨肉瘤、尤文肉瘤和未分化多形性肉瘤[1-2]。由于这一区域结构复杂，与多个重要脏器、血管、神经相邻，就诊时往往瘤体巨大，使得肿瘤切除与肢体重建技术面临挑战[3]。20世纪80年代前，半骨盆截肢术是处理骨盆原发肿瘤的标准手术方式，这一技术的缺陷在于以牺牲下肢功能来提高局部疾控率。近30年来，由于放、化疗技术、影像学技术和外科手术技术的迅猛发展，骨盆肿瘤的保肢手术得以开展并取得了令人欣慰的结果，患者的生活质量得以提升[4-5]。

由于肿瘤所累及的髂骨、耻骨、坐骨和髋臼均被截除，严重破坏了骨盆环的解剖结构和稳定性，造成对侧耻骨和骶骨的空间位置漂移，这些因素极大地影响了患侧重建时髋臼假体的空间定位。如何确定髋臼的旋转中心、外展角和前倾角成为困扰肿瘤外科医生的一大难题[6]。近年来，我们使用3D打印导板辅助术中髋臼假体定位取得了不错的临床效果。但是也发现包括消毒变形、组织卡压变形、软骨组织影响贴合度等诸多因素可造成导板定位的准确度下降，产生位置偏移[7]。为此，我们在使用导板定位髋臼位置的病例中加入导航技术以便校正单纯导板带来的误差。

本研究回顾性分析了在空军军医大学附属西京医院骨科接受半骨盆切除和钉棒-髋臼支架重建的29例患者，比较了导板组和导板联合导航组的肿瘤控制效果、肢体功能和髋臼重建后的影像学数据，探讨了导板联合导航技术在半骨盆切除术后用于髋臼重建定位的可行性，现报告如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料 本研究共纳入2013年1月至2015年12月间在我科治疗的29例骨盆原发恶性肿瘤患者。纳入标准：诊断为骨盆原发恶性肿瘤并接受肿瘤整块切除、假体植入重建患者；排除标准：(1)骨盆转移瘤或是血液系统来源肿瘤；(2)首诊时已发现有其他脏器转移；(3)预期生存期<3个月。所有患者均经术前穿刺活检确诊。本研究纳入病例均实施了肿瘤整块切除、钉棒重建骨盆环、人工全髋关节置换术。其中1例患者因肿瘤累计骨盆Ⅳ区，需一期行后路骶骨截骨，二期行超半骨盆切除、钉棒重建骨盆环、全髋关节置换术；剩余28例患者均为一期手术。将29例患者分为两组。导板组(仅使用导板指导重建)13例，女5例，男8例；平均年龄(40.4±7.6)岁；其中骨肉瘤4例，未分化多形性肉瘤3例，尤文肉瘤1例，软骨肉瘤5例。导板联合导航组(联合导板和导航技术指导重建)16例，女8例，男8例；平均年龄(35.6±5.6)岁；其中骨肉瘤4例，软骨肉瘤11例，未分化多形性肉瘤1例。所有患者(软骨肉瘤除外)均行术前新辅助化疗、术后辅助化疗。

1.2 手术方法 术前行骨盆X线、薄层CT、MRI确定肿瘤的侵犯部位及范围，CT血管造影(CT angiography，CTA)检查重要血管肿瘤侵犯情况。将骨盆薄层CT(层厚0.625mm)医学数字成像和通信(digital imaging and communications in medicine，DICOM)格式数据导入Mimics软件，对切除部位的解剖结构进行三维重建。同时导入MRI影像数据进行图像融合，进一步确定软组织侵犯范围以便确定安全的切除边界，在计算机上模拟半骨盆切除，并将相关数据导入计算机手术导航工作站(史塞克)。

根据健侧髋臼的解剖位置、前期力学研究优化后的钉棒植入点、肿瘤切除后残余的骨盆形态设计切除导板和髋臼重建定位导板，将导板的STL文件导入3D打印设备(EZAU 3D打印机)，使用聚乳酸基材3D打印导板，随后灭菌、封装，备手术中使用。

术前1天行肿瘤滋养血管栓塞以减少术中出血。取常规髂腹股沟-髂股联合切口，游离并保护男性精索、髂血管神经束和输尿管。骨盆内侧从腹膜外髂肌、外侧从臀肌处进行分离，同时保证肿瘤被正常肌肉袖套包裹。沿髂股切口的阔筋膜张肌和股直肌间隙分离，切断股直肌反折头，显露并切开髋关节囊，脱位股骨头，行股骨颈截骨，显露髋臼及坐骨支，切断附骊在坐骨支上的肌肉止点以及骶棘韧带、骶结节韧带。依据肿瘤侵犯范围前侧从耻骨联合或经耻骨支、坐骨支截骨，后侧经骶髂关节完整切除肿瘤。

将3D打印导板两端分别嵌插于骶骨翼和对侧耻骨联合或残存的坐骨支、耻骨支上，同时将特制的钛合金髋臼重建假体放入导板中以确定解剖重建髋臼位置。从椎体侧方向S1、S2植入2枚椎弓根钉，向残存的坐骨、耻骨支或者对侧耻骨上下支各植入2枚椎弓根钉，用钛棒将螺钉与髋臼支架相连。导板组仅使用术中透视证实髋臼假体的安放位置，满意后去除导板；导板联合导航组经初步使用导板确髋臼假体安放位置后，使用导航(史塞克)对安放髋臼的旋转中心，偏心距、前倾角和外展角进一步验证并做微调。最后使用骨水泥对钉棒和髋臼支架涂覆进行加强，在髋臼支架内安装超半径聚乙烯臼。股骨侧进行髓腔处理后安装生物型股骨假体柄和球头，复位髋关节，检查稳定性和活动度满意后逐层闭合创面。术后穿抗旋鞋，防止关节脱位；给予抗感染、抗凝及相关对症、支持治疗。

1.3 随访及评价 术后2年内每3个月随访1次，2年后每半年随访1次。每次随访时拍摄X线片，行肢体功能评价，必要时行增强CT和超声检查排查局部复发。术后2年内每3个月，2年后每6个月行胸部CT扫描排查转移。末次随访采用国际肌肉骨骼肿瘤学会评分(musculoskeletal tumor society，MSTS)评分标准[8]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。使用Radiant DICOM Viewer软件对X线片和CT的DICOM数据进行分析测量，主要包括4项指标：(1)旋转中心距离双侧小转子上缘连线距离评价双侧下肢是否等长；(2)旋转中心与身体中线距离评价重建髋臼的偏心距是否等长；(3)重建髋臼的外展角和健侧外展角；(4)重建髋臼的前倾角与健侧前倾角。

2 结 果

2.1 切除和重建 29例患者均成功进行了术前设计、导板制作、术中定位和导航验证。术中发现2例导板在消毒后出现轻微变形，通过C型臂透视调整位置后放置髋臼假体位置满意。余27例均成功放置髋臼重建假体。导板组手术时间(5.5±0.8)h，术中出血量(4 800±580)mL；导板联合导航组手术时间(4.7±0.6)h，术中出血量(4 600±477)mL，两组间比较差异无统计学意义(P>0.05)。

2.2 肿瘤控制及功能评价 29例患者均获得随访。其中导板组13例随访时间24～54个月，平均(39.2±10.3)个月，3例复发合并转移，其中2例末次随访时死亡，1例带瘤存活；2例局部复发，目前带瘤存活；其余8例随访期间未发现复发及转移。末次随访时MSTS评分为15～26分，平均(21.3±3.9)分。导板联合导航组16例随访时间6～54个月，平均(38.3±13.1)个月。随访期间3例出现复发和转移，其中2例末次随访时死亡，1例带瘤存活；1例出现肺转移，目前带瘤存活。其余12例随访期间未发现复发及转移。末次随访时MSTS评分为18～26分，平均(22.5±2.7)分。两组MSTS评分比较，差异无统计学意义(P>0.05)。

2.3 并发症 4例患者术后出现切口脂肪液化，经清创、抗感染等对症支持治疗后切口愈合；1例患者术后因协助翻身不当出现髋关节脱位，行切开复位后给予髋支具临时固定4周，未发生再脱位。

2.4 髋臼重建的影像学评价 两组髋臼重建术后数据采用X线片及CT测量。其中，与身体中线距离和外展角度的测量依据X线片，前倾角的测量依据CT。两组重建数据对比分析结果见表1，结果显示无论是旋转中心与身体中线距离还是髋臼安放角度，导板联合导航组较单独使用导板组更接近于生理性重建，两组间比较差异有统计学意义(P<0.05)，3D打印髋臼导板的应用具有不错的效果。

表1 两组髋臼安放位置参数比较

典型病例一为导板组36岁男性患者，右侧超半骨盆未分化多形性肉瘤(I+Ⅱ+Ⅲ+Ⅳ)，术前CT显示右侧超半骨盆病变(见图1)，术前常规新辅助化疗后，I期俯卧位，行后路经骶骨中线纵行截骨；Ⅱ期侧卧位，采用髂腹股沟—髂股联合切口，行超半骨盆切除、钉棒重建骨盆环、全髋关节置换术。术中将3D打印的髋臼导板两端分别嵌插于残存骶骨和对侧耻骨上，将特制的髋臼重建支架放入髋臼导板中进行定位(见图2)，将钉棒与髋臼支架重建固定后拆除导板(见图3)。使用骨水泥在髋臼支架内内固定聚乙烯髋臼衬垫，行全髋关节置换。手术后复查X线、CT评价髋臼假体位置。患侧和健侧股骨头旋转中心距离小转子上缘水平线垂直距离分别为43.4 mm和50.6 mm，相差7.2 mm；距正中线距离分别为69.8 mm和99.0 mm，相差29.2 mm。患侧和健侧的外展角分别为29.4°和46.8°，相差17.4°；前倾角分别为21.6°和12.8°，相差8.8°(见图4～5)。末次随访时局部复发，无肺转移，MSTS评分18分。

图1 术前CT示肿瘤范围超过骶髂关节，侵犯骶骨 图2 术中使用导板定位髋臼假体

图3 钉棒替换导板后最终固定髋臼假体 图4 旋转中心距离和外展角测量示意图 图5 CT上测量前倾角示意图

典型病例二为导板联合导航组45岁男性患者，右侧半骨盆骨肉瘤(I+Ⅱ+Ⅲ)，术前X线片和CT显示右侧半骨盆病变(见图6)，术前常规新辅助化疗后，侧卧位，采用髂腹股沟—髂股联合切口，行半骨盆切除、钉棒重建骨盆环、人工全髋关节置换术。术中将3D打印的髋臼导板两端分别嵌入骶骨耳状面和对侧耻骨上，将特制的髋臼重建支架放入导板中进行定位(见图7)，将钉棒与重建网杯连接，使用导航笔针验证，对位置进行微调后最终连接钉棒固定(见图8)。在网杯内使用骨水泥固定聚乙烯髋臼衬垫，行全髋关节置换。手术后复查X线、CT评价髋臼假体位置。患侧和健侧股骨头旋转中心距离小转子上缘水平线垂直距离分别为54.8 mm和54.4 mm，相差0.4 mm；距正中线距离分别为97.0 mm和96.5 mm，相差0.5 mm。患侧和健侧的外展角分别为39.5°和41.8°，相差2.3°；前倾角分别为16.3°和14.3°，相差2.0°(见图9～10)。末次随访时无局部复发，有肺转移，MSTS评分24分。

图6 术前X线片及CT示肿瘤侵犯髋臼，临近髂骨 图7 术中使用导板对髋臼初步定位

图8 使用导航微调髋臼位置 图9 旋转中心距离和外展角测量示意图 图10 CT上测量前倾角示意图

3 讨 论

按照肿瘤在骨盆解剖位置分布的不同可分为Ⅰ区：累及髂骨；Ⅱ区：累及髋臼周围；Ⅲ区：累及坐骨、耻骨；Ⅳ区：累及骶骨。Ⅰ区肿瘤切除后若骨盆环连续性不受影响则不重建，若连续性中断可使用髂骨瓣或腓骨进行生物重建；Ⅲ区肿瘤切除后因未对髋关节造成影响，早期的观点认为可以不用重建，但对于耻骨联合在肿瘤切除中离断的病例建议进行重建，维持骨盆环的连续性，否则易导致骶髂关节受力增加，造成骶髂关节分离和疼痛；Ⅱ区肿瘤切除后造成骨盆与下肢的连续性中断，影响负重与行走，必须进行重建。目前切除后的重建方法主要包括同侧的髂骨-股骨或坐骨-股骨关节融合术，但手术方式最大缺点是可能造成肢体短缩和跛行；使用大块异体骨或自体瘤骨灭活后回植行生物重建，该方法的缺点是排异反应和局部复发率升高，并且经处理后的骨质力学强度降低；个性化定制钛合金假体与残余的骨盆做到了最大程度的骨质贴合，但因设计复杂、制备时间长且假体昂贵，无法普及；马鞍状假体或组配假体近年来也多有应用，但该方法对骨盆的残余骨量有一定要求，并且残余的骨盆缺失了很多解剖标志，对于准确安放髋臼假体有一定影响[9-11]。

我科在国内较早使用标准椎弓根钉棒系统联合定制髋臼假体进行Ⅱ区肿瘤切除后骨盆环和髋关节重建，取得了不错的中短期随访结果[12]。该重建方法是用钛棒连接椎弓根钉(置于同侧骶骨、同侧残余耻骨、坐骨或者对侧耻骨)与定制髋臼假体上的“U”形帽，可以灵活地调节髋臼的偏心距、外展角和前倾角，从而确定重建髋臼的位置。但由于肿瘤切除术后大量的骨性解剖结构丧失，对于上述髋臼安放参数的调整来源于术者的经验和术中透视，术中需要反复多次调整，费时费力，精度和可重复性均较差。

近年来计算机辅助外科手术导航系统逐渐应用于临床各种复杂手术，其精确的术中定位、灵活多变的应用场景和适时地影像反馈都给了手术医生极大的帮助。然而其先期投资高、学习曲线长、术中装配复杂等短板也有待进一步改进。3D打印导板的出现可在一定程度上从另一途径解决术中髋臼定位这一难题。既往有关3D打印导板用于椎弓根螺钉植入、四肢精确截骨矫形和微创经皮处理深部病灶等方面已有诸多报道[13-14]。我们前期的研究已经积累了使用3D打印导板进行髋臼定位和骨盆环重建的经验。整个流程包括：(1)根据患者的薄层CT扫描数据重建患者骨盆结构，模拟切除，并根据对侧髋臼的镜像结构设计髋臼定位导板；(2)3D打印导板、消毒、封装以备手术中使用。使用该导板的优势：(1)术中快速确定髋臼位置、减少透视次数、出血量和手术时间；(2)导板采用镂空设计既能临时辅助髋臼定位，又便于拆除。前期我们研究组报道了髋臼导板辅助8例原发性恶性骨盆肿瘤患者病变切除后骨盆环精确重建中的作用，结果表明导板能辅助正确安放髋臼杯位置、减少手术时间、出血量和透视次数。

在前期研究结果上进一步优化方案，设想能否在导板初步定位的基础上加入导航进一步微调？为此，本研究目的是比较单纯使用导板组和导板联合导航组在髋臼重建定位中的准确性。结果提示，导板组术后影像学测量健侧和患侧的旋转中心位置，其距离正中线和距离小转子上缘连线的距离差分别为(9.96±7.98)mm和(6.48±3.46)mm，患侧、健侧髋臼外展角度差和前倾角度差分别是(5.59±5.28)°和(3.56±2.33)°；导板联合导航组相应的数据分别是(2.19±0.64)mm、(1.86±1.09)mm，(1.46±0.61)°和(1.57±0.65)°。导航联合导板组的准确性显著高于单纯导板组(P<0.05)。导板组的定位产生偏移，可能原因如下：(1)在消毒、包装过程中导板易产生轻微形变；(2)在有限手术操作空间内安放导板时易造成导板与组织之间的卡压、变形；(3)导板按照骨组织切除后的结构来设计，但术中导板的两端分别与耻骨联合或骶骨耳状面结合，这些部位有较厚的软骨层，从而造成导板贴合的误差。上述因素最终造成髋臼定位的漂移。目前3D打印导板的使用越来越普遍，对于复杂的解剖结构部位，例如骨盆，即使在设计阶段注意了手术方式、手术部位、术野软组织等几方面问题，但是由于软骨层阻碍了导板与骨质贴合，仍然存在定位漂移，而加入导航和后期的微调校正，确保了髋臼定位的准确性。末次随访时导板联合导航组MSTS功能评分为(22.5±2.7)分，比导板组的(21.3±3.9)分略高，虽然差异无统计学意义，但是前者更接近于生理性重建，可能会获得更好的功能。末次随访时两者的无病生存率差异无统计学意义表明，无论是导板组还是导板联合导航组都能获得较好的无瘤边界，保证了肿瘤切除的安全性。

综上所述，尽管3D打印髋臼导板用于骨盆原发恶性肿瘤的切除后髋臼重建定位有较好的临床效果，但由于诸多因素易造成髋臼定位的漂移，联合导航进行微调既避免了单纯使用导航的费时和繁琐，又避免了因单独使用导板漂移而造成的误差，术后评估显示髋臼位置良好，患肢功能恢复好，临床疗效明显，该方法预期有良好的应用前景。