定制式3D打印骨盆肿瘤假体设计与临床应用专家共识

2022-11-11中国抗癌协会肉瘤专业委员会骨盆肿瘤学组中国抗癌协会肉瘤专业委员会创新与转化学组中国抗癌协会骨肿瘤和骨转移瘤专业委员会修复重建学组

中华骨与关节外科杂志 2022年7期

中国抗癌协会肉瘤专业委员会骨盆肿瘤学组，中国抗癌协会肉瘤专业委员会创新与转化学组，中国抗癌协会骨肿瘤和骨转移瘤专业委员会修复重建学组

闵理1，孙伟2△，杨毅3△，李浩淼4△，李小康5△，于胜吉6△，张清7△，屠重棋1，郭卫3，蔡郑东2，蔡建强8，董扬9，胡永成10，李建民11，林建华12，牛晓辉7，曲国蕃13，沈靖南14，邵增务15，王国文16，叶招明17，张伟滨18，郭征5

基于医学替代植入物及各类医疗相关器械的精准化临床需求，全球增材制造技术的发展浪潮更为迅猛，3D打印技术及其周边相关的数字化设计、有限元分析、计算机导航、人工导板、人工智能等技术越来越多地应用于骨科领域[1-4]。借助3D打印及其相关技术，通过医工交互合作模式，可以设计并制造出特定形状和结构的金属假体，以解决比较复杂的临床骨缺损问题。尤其在自身形态不规则、解剖关系复杂、力学性能要求高的骨盆区域，成功修复肿瘤切除所致的骨缺损显得十分棘手。

从整个骨盆骨缺损重建的演变历史来看，可分为非假体重建和假体重建两种方式。非假体重建方式包括Harrington 方法[5]、自体骨移植[6-8]、灭活再植、异体骨移植[9-12]，但存在骨不愈合、术后功能评分低、术后制动时间长、并发症多等问题。假体重建方式包括马鞍式假体[13,14]、冰淇淋柄/髂骨柄假体[15-18]、组配式半骨盆假体[19-23]、定制式半骨盆假体[24-32]，前两者要求保留大部分髂骨，且松动可能性大；组配式半骨盆假体即便改善了骨界面的网孔结构，但界面匹配欠佳、假体连接部易机械失效、术中髋关节旋转中心难以掌握等问题仍旧存在[33]；定制式半骨盆假体与骨界面的处理仍值得考量[25,27,28]。而定制式3D 打印骨盆肿瘤假体因其适形匹配、骨盆环三维重建、生物学固定、假体骨界面骨整合良好等优点，逐步成为骨盆骨缺损的修复利器，其在该领域的重要地位也被全国多家骨肿瘤医疗中心所认可[34-40]。

从全国范围而言，各级医疗单位在定制式3D 打印骨盆肿瘤假体临床应用的适应证选择、术前假体设计及验证、假体制备及后处理、安装操作及辅助手段、围手术期处理、术后随访、功能评价、并发症处理等环节的水平仍参差不齐，且尚无具有参考价值的技术指标。为进一步规范并指导定制式3D打印骨盆肿瘤假体的临床应用，提升骨盆肿瘤诊治水平，特形成本共识。

1 骨盆骨缺损的概念及分型

1.1 骨盆骨缺损的概念

本共识所涉及的骨盆骨缺损是指由于肿瘤切除造成的骨盆骨缺损。这种骨缺损会对骨盆环的稳定和/或人体力学传导造成影响，和/或对骨盆附着肌肉功能造成影响[41]。范围包括：髋臼、髂骨、耻骨、坐骨、部分骶骨及股骨近端。

1.2 骨盆骨缺损的分型

骨盆骨缺损的分型采用Enneking 和Dunham 的Ⅰ-Ⅳ型分型方法[42,43]（图1）：Ⅰ型指全部或部分髂骨，范围从同侧骶髂关节到髋臼顶以上；Ⅱ型指髋臼周围，范围从髋臼顶到耻骨上支与坐骨支外侧缘；Ⅲ型指耻骨、坐骨闭孔环；Ⅳ型指髂骨病变累及骶骨。

图1 骨盆骨缺损分型

2 定制式3D 打印骨盆肿瘤假体的相关概念及分类

定制式3D 打印骨盆肿瘤假体是指，依据患者骨盆骨骼及软组织融合影像学数据，确定骨盆因肿瘤切除所致骨缺损的范围及形态，以数字化设计手段生成三维图形文件，再采用3D打印技术制备出适形匹配、假体-骨接触面仿骨小梁结构、具有良好骨整合功能的骨盆重建假体。

医学图像融合是指将不同影像学检查仪器（CT或者MRI）获得的同一患者同一部位的图像，运用融合技术合成并综合了不同影像学检查方法的优点和内容而更为丰富的影像，对于骨肿瘤，通常可以将骨肿瘤与软组织肿物同时展示，有利于确定肿瘤累及范围及周围重要毗邻[36,38,39]。

3D打印即快速成型技术的一种，又称增材制造，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或其他材料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术[3]。

根据假体的组合方式，将定制式3D 打印骨盆肿瘤假体分为组配式及一体式：组配式假体各组件或主要组件为3D 打印，各组件间以螺钉或插入式方式进行组装固定；一体式假体为整体制造。

3 定制式3D打印骨盆肿瘤假体应用的适应证及禁忌证

3.1 适应证

定制式3D 打印骨盆肿瘤假体应用的适应证包括：①患者全身状况及局部情况允许手术；②任何原因导致的骨盆骨缺损需要修复；③常规假体无法满足该骨缺损修复要求或修复难度较高；④符合肿瘤的手术治疗原则。

3.2 禁忌证

定制式3D 打印骨盆肿瘤假体应用的禁忌证包括：①患者全身状况及局部情况不允许手术，如活动感染、无法达到良好的肿瘤外科边界、无法达到良好的软组织覆盖、原发肿瘤切除后功能无法重建或重建的功能差于义肢等；②骨缺损可以通过常规假体或其他方式修复，甚至无需修复，定制式3D打印骨盆肿瘤假体修复后下肢功能与之相比无明显优势；③患者及家属无使用意愿，或无法承担相关医疗费用。

4 定制式3D打印骨盆肿瘤假体的设计

4.1 术前影像学检查

根据患者原发疾病需要，完善骨盆的X 线、三维CT、MRI，双下肢站立位X线，全身骨显像或PET-CT等影像学检查。

CT检查需要满足以下条件：①设备选择：推荐使用螺距小的多排螺旋CT；②扫描范围：以能够满足假体设计和临床需要为准；③扫描间距：推荐≤1 mm；④扫描参数设定：以能够满足假体设计和临床需要为准；⑤分辨率：推荐像素矩阵为512×512、像素尺寸范围为0.1～0.5 mm 的CT 设备；⑥扫描体位：扫描体位摆放正确对术前设计及测量有益，肢体长轴与扫描方向一致，双侧肢体摆放对称；⑦去除金属伪影：以能够满足临床需要为准；⑧血管增强：有助于明确血管与病变之间的关系。

MRI 对软组织具备很好的解析力。MRI 扫描序列中T1 成像显示解剖结构较为清楚，适用于骨关节三维模型重建及导板设计。MRI增强二维图像适用于标记肿瘤及其浸润范围，包含周围反应区。MRI水成像更有助于显示腰丛、骶丛神经。

4.2 定制式3D打印骨盆肿瘤假体的设计

定制式3D打印骨盆肿瘤假体的设计以具有资质医院的医师为主体，通过医工结合完成。其程序包括策划、输入、输出、验证和确认5 个主要步骤；在验证不满足要求的情况下，触发修改工作；根据前序已植入产品临床随访结果，对后续实施病例的产品进行设计更改（图2）。

图2 定制式3D打印骨盆肿瘤假体的设计程序

策划步骤主要包括临床手术方案规划、假体要求确认等；输入步骤主要包括影像学输入、患骨三维CT 重建、CT/MRI 图像融合、假体设计与分析（包括硬/软组织的固定位置/附着点数量）等；输出步骤主要包括假体三维计算机辅助设计（computer aided design,CAD）模型等；验证步骤主要包括设计复验和假体理化性能测试；确认步骤主要包括假体与设计结果的吻合性等；修改步骤根据相应触发条件来制定修改工作内容等；更改步骤主要包括临床随访、更改建议等。

假体设计要符合骨缺损、软组织修复、力学传导等复合要求。在适形匹配的前提下，根据实际情况重建骨盆环完整性；假体由实心结构和类骨小梁多孔结构组成[44-46]，实心结构包括沿弓状缘延伸的弧形支撑结构、螺钉孔、髋臼和耻骨支，保证假体重量在适当范围；适当去掉或缩小不必要部位的假体体积有利于安放和覆盖，如缩小髂骨翼、移除髂后上下棘及坐骨棘；众多缝线孔沿假体嵴分布用以重建臀肌及髂肌；流线型外形设计。对于组配式假体，难以精准预知缺损范围，可能需要结合机械加工假体部件。

将CT数据导入Mimics软件建立虚拟三维模型，再利用图像融合技术将MRI数据整合至虚拟三维模型以显示软组织情况，尤其对于肿瘤和感染患者。术前模拟确定病变/骨缺损范围及手术方案，确认髋臼、骶髂关节、耻骨联合是否保留。

对于累及不同区域的骨盆定制式3D打印假体的设计还具有一定的特异性：①Ⅰ区，髂骨：髂骨内侧沿坐骨大孔弧形缘是骶骨向髋臼力学传导的重要路径，因此对于此处的设计要求为实心高强度结构，单纯髂骨翼病变设计要求为类骨小梁多孔低强度结构。②Ⅱ区，髋臼：设计要求为整体实心高强度结构，类骨小梁多孔接骨面，配合标准髋臼假体。③Ⅲ区，耻骨、坐骨形成的闭孔环：骨盆Ⅲ区缺损是否重建存在争议，维持骨盆环的完整有利于远期功能康复，但Ⅲ区的重建很可能会导致内固定折断、松动等机械并发症的发生。如果选择重建，在耻骨上下支或耻骨上支与坐骨支共同缺损的情况下，假体设计要求可为整体实心高强度结构，类骨小梁多孔接骨面。对于耻骨联合的重建，可选择插入式固定或者以微动关节缝合重建。坐骨支重建由坐骨结节的保存情况决定。④Ⅰ+Ⅳ区，髂骨病变累及骶骨：北京大学人民医院对此进行了分类[47]（图3），切除范围在骨盆骶骨区（pelvisacral,Ps）Ⅰ区和Ps a区之间的假体设计与Ⅰ区缺损相同，其他类型则需兼顾实心高强度结构对L5椎体的承托，以及与L5和对侧骶骨髂骨实现骨整合的类骨小梁多孔结构设计。上述类型的假体均需要辅以椎弓根钉棒系统固定。⑤累及Ⅱ区的骨缺损，包含Ⅱ+Ⅰ区、Ⅱ+Ⅰ+Ⅲ区、Ⅱ+Ⅲ区、Ⅱ+Ⅰ+Ⅳ区、Ⅱ+Ⅰ+Ⅲ+Ⅳ区：设计要求为类骨小梁多孔结构为主，实心高强度结构为辅，以满足力学传导及稳定作用，配合标准髋臼假体，必要时辅以椎弓根钉棒系统固定。当然，在骨盆假体翻修、严重感染治愈后等某些特定情况下，由于纤维瘢痕组织遮挡，可不进行Ⅲ区假体设计[48]。

图3 髂骨病变累及骶骨切除范围北大人民医院分类[47]

4.3 截骨导板和安装导板的设计

截骨导板属于3D 打印骨科手术导板类型之一，主要用于骨科手术截骨部位的空间位置、角度控制，以提高假体或内植物与受区的吻合程度，有助于优化手术方式及路径，提高手术效率。截骨导板的设计以具有资质医院的医师为主体，通过医工结合完成[2,49,50]。

截骨导板设计主要建立在术前骨盆三维CT 和MRI的融合图像上，设计方法是：选择导板合适的贴附骨面，增厚成为实体后进行外形改良以避开重要解剖结构、方便贴附和观察、减轻重量等，然后补充设计各种引导管道、截面等。导板设计特别注意导板的硬度一定、厚度适中和结构合理。导板厚度与引导手木操作所需的强度要求、选择3D 打印工艺等有关。结构合理包括合理的力学结构、消除不安全的锐利边缘与尖角、有利于以后3D打印模型支撑去除等。

安装导板亦属于3D 打印骨科手术导板类型之一，主要用于骨盆肿瘤截骨后假体安置的引导，提高假体与受区吻合程度，有助于优化手术方式及路径，提高手术效率。安装导板的设计同样以具有资质医院的医师为主体，通过医工结合完成。

安装导板（图4）是多段手臂连接式设计，具有万向旋转特点，主要用于非髋关节外切除的骨盆肿瘤。设计依赖于术前的影像学评估，确定截骨部位后在残留骨上选择安装导板固定位置，该位置需有足够骨量且便于安装，多选择髂骨翼和耻骨上支；安装导板位置通常需要患侧髋关节脱位后通过髋臼进行确认，骶骨侧或者耻骨侧需要根据髋臼位置做相应调整。

图4 安装导板

5 定制式3D 打印骨盆肿瘤假体的制备、后处理及评价

5.1 定制式3D打印骨盆肿瘤假体与导板的制备

将设计完成的假体与导板三维数据转换成3D打印机可识别的文件格式，根据临床需求选择合适的3D打印方式、材料及参数，完成假体与导板制备。假体材料以金属为主，推荐钛合金、钽金属等，但钽金属价格较为昂贵。陶瓷、聚醚醚酮（polyetheretherketone,PEEK）材料的使用仍在研发当中。假体加工方式包括激光（需后期热处理）和电子束（需注意多孔设计尺寸）[51,52]。截骨导板可采用光固化技术进行生产。对假体、导板进行适当的后处理，如去除支撑、打磨表面、金属部件的热处理去除内应力等。同时3D 打印聚乳酸酯骨盆切除模型。

5.2 定制式3D打印骨盆肿瘤假体外观要求

多孔部分应无镶嵌物、终加工沉积物和其他污染物。实体部分不得有连续性缺陷，应避免经过机械加工的表面锋棱、毛刺附着物等。表面粗糙度应参考YY 0341.2—2020第4章的要求。应确定增材制造金属半骨盆假体多孔结构的孔径、丝径、孔隙率，孔径参考范围为500～900µm，孔隙率参考范围为58%～85%。尺寸应根据预期骨缺损大小及植入位置来确定[44-46,53]。

5.3 定制式3D 打印骨盆肿瘤肿瘤假体材料生物安全性的验证

应按照GB/T 16886.1的要求进行。

5.4 定制式3D打印骨盆肿瘤假体机械性能分析

参考GB/T 4340.1、YY/T 0959和YY/T 0960规定的方法进行。

6 定制式3D打印骨盆肿瘤假体使用辅助及安装操作

6.1 术前肿瘤范围再确认

定制假体的时间需要预估，如果设计定制时间超过1个月，患者在此期间未进行其他辅助治疗或肿瘤有明显进展，术前应再次进行影像学检查，再次确定原设计手术方案的合理性及切除范围的安全性[54]。

6.2 术中计算机导航辅助技术的应用及其与截骨导板的协同效应

计算机导航辅助技术在骨肿瘤手术中的应用价值在于骨性外科边界的确认，尤其是对于骨盆这类复杂解剖部位的骨肿瘤切除[55-57]。导航在术中协助术者完成术前设计骨性边界的精确切除，其目的在于：首先，精准的骨性切缘的获得有助于肿瘤切缘的阴性，从而期望获得更好的肿瘤局部控制；其次，精准的骨性切缘有助于个体化3D 打印假体的安装，获得更多的骨接触面，利于假体的初始稳定性及长期的骨长入。在导航使用过程中，其精度亦在不断提高，目前使用的导航在骨性结构中的误差可达2.0～5.0 mm，术中导航结合截骨导板极大提高截骨的精确性，将导航毫米级的“点精准度”通过导板转化为“面精准度”，从而减少医源性误差。

6.3 假体试模和安装导板的使用

假体试模（图5）及假体安装导板均用于术中假体安置，在假体准确放置方面为手术医师带来极大的便利性和可及性。假体试模与假体外形完全相同，树脂材料打印成型，表面光滑，直接用于假体安装前试模，操作方便且避免假体污染和掉落等情况。

图5 假体试模

安装导板依靠残留正常骨结构固定，打印合适的安装导板，引导并验证髋臼旋转中心的位置，可提高安装假体的精确性，并减少术后脱位的发生。术中可调节式安装导板是在3D 打印安装导板的设计原理下，通过可调节安装棒固定部件稳定固定于残留骨（耻骨、髂骨），调节安装棒使得髋臼部件完全与髋臼匹配（前倾角、外展角及旋转中心），在肿瘤切除后假体半骨盆安装时，引导髋臼安放。但对于需要行全髋关节外切除的病例，该设计原理下的安装导板并不适用。

6.4 手术假体安装操作

视肿瘤范围决定患者体位及切口。在分离过程中，髋关节周围肌肉起止点连同周围骨皮质尽可能保留。达成精准截骨的方法主要为定制截骨导板及术中导航。使用截骨导板时，应依据术前截骨导板设计，将导板附近骨表面软组织尽量分离，以精确放置截骨导板辅助截骨。目前，单纯的计算机辅助导航在控制截骨精度上仍有一定欠缺，但计算机辅助导航可以增加截骨导板安置的准确性。

截骨完成后可使用3D打印聚乳酸酯切除模型与标本比对验证截骨精度。假体植入前，对于保留的骶髂关节面，使用咬骨钳显露松质骨；对于保留的髋臼，采用髋臼锉或其他方式处理骨面，并使用3D打印聚乳酸酯假体模型验证匹配度。假体在界面处理完成后开包并一次植入。经模型确认复位良好时，可优先固定耻骨后，再复位假体，行髂骨或骶骨固定；经模型确认复位欠佳时，可优先固定骶骨或髂骨，后固定耻骨，并使用自体股骨头重建良好界面。在坐骨保留的情况下，通常最后进行固定。在骨盆重建完成后，评估金属外杯前倾角及外展角后，使用骨水泥将聚乙烯超半径内杯以20°～25°前倾角、40°～45°外展角固定至金属髋臼内，并完成股骨侧的安装及髋关节的复位。最后重建肌肉附着点。

7 定制式3D打印骨盆肿瘤假体的术后处理

单纯Ⅰ区假体1周站立负重。

对于累及髋臼的Ⅱ区假体，术后患肢处于旋转中立位，15°～25°外展，15°髋关节屈曲位和15°膝关节屈曲位，并辅以梯形枕和防旋鞋维持体位。术后3 d内，通过两项测试评估髋臼周围肌力及稳定性。测试一是检查患者髋关节周围稳定性：患者主动保持患肢髋关节外展15°～25°、屈曲60°～80°、膝关节屈曲90°的能力。测试二是测试患者股四头肌力量：将患者髋关节外展15°～25°、屈曲20°～30°、膝关节屈曲30°～45°的情况下主动伸膝并维持。

若患者均顺利通过两个测试，则认为髋关节稳定性及伸膝肌力良好，符合早期康复的条件。这类患者在术后1 周内继续同测试方案加强髋部肌肉的力量和平衡训练。术后2周内，进行站立不负重屈髋训练。术后2 周后，患肢的负重从10 kg 逐渐增加直至与健肢受力相等（持续时间一般为2周）。术后4周，允许患者进行髋关节外展、内收、后伸训练，并配合助行器练习行走。

若患者难以完成任意一项测试，则认为髋关节稳定性差或缺乏肌肉力量，此时采用骨盆-大腿支具固定是必要的（15°～25°髋关节外展，15°髋关节屈曲，15°膝关节屈曲）。该两项测试在患者术后2～3周内作为日常床上训练进行，待达到标准后再进行下一步康复训练。一般而言，术后3 周，患者可进行站立不负重屈髋训练。术后4 周，患肢的负重10 kg 开始逐渐增加直至全重（持续时间一般为2 周）。术后6～8 周进行髋关节外展、内收、后伸训练，并采用助行器练习行走。

术后3个月内，患者睡眠情况下均需T型枕及防旋鞋辅助。此后，鼓励所有患者在没有拐杖的情况下行走，并开始为期1周的翘二郎腿和下蹲训练。之后患者可以不需要辅助器械行走并屈髋≥90°。

8 定制式3D 打印骨盆肿瘤假体的随访要求、疗效及并发症评估

8.1 随访要求

骨盆正位X 线检查用于评价患者双下肢长度和髋臼高度、偏心距及外展角，术前及术后前3 个月每个月1 次，此后每3 个月1 次。下肢长度测量标准为术后同侧小转子最低处与骨盆坐骨结节连线或经对侧坐骨结节与中轴线垂线的距离。髋臼高度测量标准为同侧髋臼顶点与坐骨结节连线或对侧坐骨结节与中轴线垂线的距离。承重力臂测量标准为髋臼中心到中轴线的距离。髋臼外展角为髋臼外侧最高点与最低点连线和中轴线之间的夹角。

骨盆三维CT 用于评价手术切除范围是否符合术前设计、患者术后髋关节旋转中心较术前位移情况、髋臼假体前倾角，术后及术后每3 个月1 次。术后髋关节旋转中心较术前位移情况评价标准为：通过三维CT，在冠状面、矢状面、横断面中，以术前术后同一平面髋关节旋转中心位移情况来综合判断术后假体安置与手术计划是否相符。髋臼假体前倾角评价标准为：在髋臼最大横断面上，以髋臼缘最前点与最后点连线和身体水平面垂线之间的夹角。

有条件的医院或科室可采用断层融合成像技术（tomosynthesis-shimadzu metal artefact reduction technology,T-SMART）评估骨整合情况，术后每3 个月检查1次。也可进行步态分析。

8.2 肿瘤学预后评估

肿瘤学预后评估包括记录局部复发、转移和死亡情况[58]。

8.3 功能评估

功能评估采用骨与软组织肿瘤协会（Musculoskeletal Tumor Society,MSTS）评分、Harris髋关节功能评分（Harris hip score,HSS）和多伦多肢体保肢评分（Toronto extremity salvage score,TESS）[59,60]。MSTS 评分包含肿瘤学评估；HHS 评分注重髋关节功能评估，TESS 评分增加了患者对某种功能下降的主观感受。

8.4 并发症评估

并发症评估包括记录机械性并发症（软组织重建失败、松动、脱位、假体断裂、假体周围骨折）和非机械并发症（感染）等发生情况。

9 医疗机构资质

三级综合或者三级专科医院，具有符合资质的3D 打印医疗器械生产企业提供假体生产，具有与使用的3D 打印医疗器械相适应的备案文件及诊疗项目；有在医疗机构注册的、能够设计及使用3D打印医疗器械的主诊医师，具备医工交互能力；具备使用同类已上市产品的经验，已开展同种疾病研究和治疗，临床专业水平国内先进；具备较高的医疗器械管理水平，已建立完善的医疗器械使用质量管理体系，具备医疗器械使用评价和医疗器械不良事件监测能力。