3D打印髌骨假体治疗髌骨骨巨细胞瘤的早期疗效评估

谭淋云， 虎鑫， 文阳， 杜贵锋， 卢敏勋， 张瑀琦， 周勇， 罗翼， 闵理， 屠重棋

髌骨骨巨细胞瘤主要表现为局部骨质溶解破坏，具有侵袭性。特点为发病率低，刮除治疗后复发率高[1-3]。可根据Campanacci影像学分级系统，采取手术为主要治疗方式。由于髌骨体积较小，病灶局部膨胀、溶骨往往侵犯达髌股关节面下方软骨，导致骨皮质菲薄，无法评估合适的刮除边界，若瘤壁刮除过度，容易导致骨皮质破裂，破坏关节面，深部不够又可能会增加肿瘤复发率。故目前对于患有CampanacciⅢ级或复发性髌骨骨巨细胞瘤患者，治疗方式主要为En-bloc切除肿瘤联合功能重建[4-5]。

髌骨骨巨细胞瘤切除后主要有以下重建方式：股四头肌腱和髌韧带的断端缝合[6]、同种异体肌腱移植[5,7-9]、自体肌腱移植[10-12]。虽然有文献报道称以上重建方式能达到较好临床疗效，但追踪调查发现其缺点仍比较明显，比如供体不足、患膝伸直延迟、传播疾病和移植物的排斥反应等。此外，目前对于使用3D打印或生物型髌骨假体治疗髌骨肿瘤尚无相关报道。鉴于此，我们团队独立开发研究了3D打印髌骨假体用于临床治疗。对于实施En-bloc切除联合3D打印生物型髌骨假体重建治疗髌骨骨巨细胞瘤的患者进行单中心回顾性队列研究，并评估临床疗效，目的在于：①阐述假体创新性设计理念；②介绍相关手术技巧；③评估与探讨该假体治疗髌骨骨巨细胞瘤的早期疗效。

1 资料与方法

纳入标准为：①2016年1月至2021年8月，四川大学华西医院行En-bloc切除联合3D打印髌骨假体重建术治疗髌骨骨巨细胞瘤的患者；②病理证实为骨巨细胞瘤(Campanacci Ⅲ级或局部复发)者；③术后随访>1年的患者；④同意实施En-bloc切除联合3D打印髌骨假体重建术者；⑤随访资料完整者。排除标准为：①合并其他全身性疾病不能耐受手术者；②伴有关节内严重感染者；③患有其他影响下肢功能评定疾病者；④金属植入无法实施者；⑤随访资料不完整者。

本研究经由四川大学华西医院伦理委员会批准，所有患者均签署知情同意书。

1.2 一般资料

本研究共纳入4例患者，男女各2例，年龄为45～54岁，平均50.5岁。3例患者诊断为Campanacci Ⅲ级髌骨骨巨细胞瘤，1例患者为外院行局部病灶刮除+自体髂骨植骨术后局部复发。本组患者均以膝关节活动障碍伴局部肿胀入院。查体：膝关节局部肿胀、有明显压痛，活动受限明显。术前病理活检证实为骨巨细胞瘤，并根据CT、MRI资料建立双侧髌骨、股骨远端及胫骨近端的虚拟3D模型。术前评估膝关节活动度(range of motion，ROM)、视觉模拟评分(visual analogue scale, VAS)[13]、肌力强度、骨与软组织肿瘤协会评分(MSTS评分)[14]、insall-salvati比值(ISR)[15]。

1.3 手术方法

1.3.1 假体的设计和制造 本研究中涉及假体由四川大学华西医院骨与软组织肿瘤中心临床团队设计，由北京春立正达医疗器械有限公司制造。假体设计和制造的主要原则为个性化模拟正常的尺寸和外观。

将患者患侧髌骨、股骨远端、胫骨近端及对侧髌骨CT扫描及三维重建的数据导入MimicsV22.0软件(Materialise Corp, Leuven, 比利时)，建立双侧髌骨三维模型，以健侧髌骨模型数据为镜像制作假体的初步模型。设计重点如下：①假体主体(包含金属组件与聚乙烯衬垫)表面解剖结构完全对应健侧髌骨，位置放置在膝关节完全伸直时髌骨的自然位置，确保假体沿股骨滑车沟的轨迹；②通过MRI数据构建的软骨模型修改髌骨假体关节面，使关节面处聚乙烯衬垫与患侧髌骨关节面精准匹配(图1A)；③在假体设计时边缘向外延伸2 mm；④使用超高分子聚乙烯衬垫(Orthoplastics Ltd, Lancashire, 英国)覆盖假体关节表面，在聚乙烯衬垫表面设计卡扣结构；⑤金属组件设计聚乙烯卡扣结构，使金属组件与聚乙烯卡扣衬垫结合更加紧密。

2018年12月11日，唐纳森无锡新工厂奠基仪式在华平（无锡）智造园成功举行。无锡新吴区领导及区党政办、宣传部、经发局等各部门负责人、星洲股份公司负责人、唐纳森公司董事长兼首席执行官Tod Carpenter先生、亚太区副总裁Franklin Cardenas先生、大中华区总裁毕明先生以及唐纳森的重点客户和供应商代表一同出席了奠基仪式。

采用电子束熔炼技术制造假体金属，计算机数控雕刻技术制造超高分子量聚乙烯衬垫(图1B)。为防止缝线被切割，假体所有缝合孔行抛光处理。

1A：根据患者MRI数据构建的软骨模型修改关节面；1B：假体3D打印金属部分以及假体3D打印超高分子聚乙烯衬垫

1.3.2 手术方式 全麻后，患者取仰卧位，通过髌骨正中长约15 cm切口暴露肿瘤。术中首先行髌骨肿瘤En-bloc切除术(图2A)，确保髌韧带、股四头肌肌腱以及髌旁支持带与假体之间可对接缝合时，组装假体两个组件。髌骨高度由ISR确定。通过“无拇指技术”[16]使膝关节屈曲30°～90°检查髌骨轨迹。在膝关节完全伸直下安置假体，使用5号EthibondTM缝线将假体与周围韧带进行缝合，在所有缝线放置好之前不打结。然后先固定远端边缘缝线，再固定近端边缘缝线，最后同时拉紧髌旁支持带内外侧缝线以平衡髌骨周围的张力。在获得良好的假体高度和髌骨轨迹后，所有缝线同时打结，并用不可吸收缝线固定(图2B)。测得股四头肌肌腱最大拉力为3 200 N，髌韧带的最大拉力为2 800 N。为加强固定和增强其耐用性，特别设计了一个加厚的圆形缝合孔，用来加强假体周围浅筋膜和深筋膜之间的滑动。对于髌韧带无法保留者，行自体肌腱移植术。

2A：切除的髌骨肿瘤；2B：髌骨肿瘤剖面；2C髌骨软组织重建

1.3.3 术后处理 术后用石膏夹板固定患膝4周，然后膝关节行被动伸屈运动2周。指导患者逐渐进行下肢舒缩活动锻炼，穿弹力袜预防深静脉血栓。

1.4 术后随访及疗效评价标准

术后前半年每月随访，后半年每3个月随访，1年后每半年随访1次。肿瘤学评估记录包括局部复发、转移和死亡。功能学评估包含膝关节主动屈曲角度、肌力强度、VAS评分、MSTS评分、髌骨运动轨迹及ISR比值。并发症评估记录包括肌腱断裂、假体松动、脱位、周围感染。通过影像学评估生物型假体稳定性、膝关节退变。

1.5 统计学处理

2 结果

2.1 术中情况

本组4例中1例术中切除髌韧带，使用自体肌腱移植术，术后患者功能较差。其余3例股四头肌肌腱、髌韧带及膝关节周围软组织未受肿瘤侵犯，术中直接重建。

2.2 膝关节活动度与功能评价

本组术后患侧膝关节最小屈曲角度、最大屈曲角度均有改善，差异具有统计学意义(P<0.05)；术后MSTS评分较术前上升，差异有统计学意义(P<0.05)；术后ISR比值较术前下降，差异有统计学意义(P<0.05)，见图3、4，表1。

3A：术前X片提示髌骨溶骨性病变，局部皮质断裂以及病理性骨折；3B：术前磁共振成像(MRI)提示病灶T2像呈高信号，伴有多个小液性囊肿，可见出血以及皮质断裂；3C：术后X片提示髌股关节无骨关节炎；3D：X片髌骨轴位片显示有良好的髌骨运动轨迹；3E：术后主动屈曲弧度为0°～120°，无伸直延迟，无伸直受限

4A：术前X片提示髌骨溶骨性破坏伴病理性骨折；4B：术前磁共振成像(MRI)提示病灶呈膨胀性生长，累计髌骨全层；4C：术后X片，髌骨位置良好，无骨关节炎；4D： X片髌骨轴位片，髌骨轨迹良好；4E：术后主动屈曲弧度为0～110°

表1 4例患者手术前后膝关节功能比较

2.3 并发症及预后

本组随访29～41个月，平均(36.25±5.5)个月。均未见重建肌腱断裂、假体不稳、伤口无菌性延迟愈合、假体无菌性松动、假体折断及假体周围骨折、需要行假体部分或全部翻修的假体周围感染、肿瘤局部复发等相关并发症。至末次随访为止，无肿瘤复发及转移。

3 讨论

3.1 假体创新设计理念利于精准重建髌骨，更高效恢复功能

以健侧髌骨为镜像模型来制作假体模型，假体放置在膝关节完全伸展时髌骨的自然位置，微调假体方向，确保假体沿股骨滑车沟的轨迹。根据MRI数据构建的软骨模型精修关节面，假体部件中的金属部件嵌入聚乙烯卡扣，使其与聚乙烯组件结合更加紧密，设计假体边缘向外延伸2 mm，可灵活调节髌骨周围软组织张力，假体边缘分布缝合孔，以固定伸肌装置和周围韧带。

改良后的关节面可降低髌股关节退变的发生率，在膝关节屈伸过程中，髌股关节所受压力是巨大的[17-18]。Berkmortel等[19]曾证明，只有弹性模量低于300 MPa的材料才能将软骨接触应力降到最低。但目前很少有材料满足这一点，我们选用了超高分子量聚乙烯，特点为重量轻，强度高以及耐磨性好[20-21]。当假体与股骨滑车关节面有良好匹配时，便能扩大接触面积、减小应力，拥有良好的运动轨迹[18,21]。因此，本组术后关节功能改善明显。

3.2 术前精准方案设计与手术技巧利于患者功能重建

En-bloc切除在治疗CampanacciⅢ级GCTB或髌骨恶性肿瘤中已有报道[5-6, 9, 12, 22]，既往的重建方法包括股四头肌腱和髌韧带断端缝合[6]、同种异体肌腱移植[5,8-9]和自体肌腱移植[11-12]，然而，每一种都有其缺点[5-6, 23-25]。股四头肌腱和髌韧带的断端缝合导致伸膝装置过短，限制了膝关节的活动范围。自体肌腱移植延长了伸膝装置，然而供体短缺和力学性能不足仍限制了应用。有报道称同种异体肌腱或人工肌腱移植后的功能恢复较佳，但也有传播疾病和移植物排斥反应等缺点，除此之外，同种异体肌腱移植后的血管化也会影响其长期的耐久性[26]。术后针对髌骨肿瘤En-bloc切除术后的功能恢复仍有较大争议。随着计算机辅助设计技术的发展和3D打印技术的进步，逐渐实现了使用定制假体来重建复杂骨缺损的目标[27-29]。利用3D打印技术来设计制作髌骨假体，对髌骨肿瘤En-bloc切除后的功能进行重建修复。本研究在患者平均随访时间(36.25±5.5)个月里，髌骨假体无明显松动发生。腓肠肌皮瓣的转位使早期软组织得以覆盖假体，增强了功能[30]。良好的髌骨轨迹增加了力臂，提高了股四头肌效率，从而使膝关节能更高效地完成伸展运动。伸膝装置过长则会导致伸直延迟，影响患者术后功能[31-32]。本研究中，假体的精准贴合、股四头肌肌腱和髌韧带的保留、假体边缘延伸的2 mm、在完全伸直下的缝合等保证了髌骨原位重建，最大限度地提高了重建后的功能，临床疗效满意。

3.3 注重术前手术模拟与实际手术操作利于并发症防治

本研究采用基于CT并融合MRI数据的多模态图像融合技术，生成虚拟三维图像。通过精准的设计，手术模拟以及严格按照计划的手术操作，最终完成良好的功能重建。为减少脱位，术前进行了对髌骨位置及方向的精准设计，确保假体沿股骨滑车沟的轨迹，并调整了恰当的肌肉软组织张力；为加强固定和增强其耐用性，我们设计了加厚的圆形缝合孔，来增加假体周围浅筋膜和深筋膜之间的滑动；为平衡髌骨周围软组织张力，假体设计的边缘向外延伸了2 mm。本组术后无重建肌腱断裂、假体不稳、伤口延迟愈合、假体无菌性松动、假体折断及假体周围骨折、需要行假体部分或全部翻修的假体周围感染、肿瘤局部复发等并发症发生。

综上，3D打印髌骨假体治疗髌骨骨巨细胞瘤早期疗效显著，其个性化的精确设计有助于减少并发症的发生。