3D打印半肘关节假体重建肱骨远端骨缺损的早期临床疗效

2022-11-11郭卫梁海杰杨毅杨荣利姬涛臧杰杜志业

中华骨与关节外科杂志 2022年7期

郭卫，梁海杰，杨毅，杨荣利，姬涛，臧杰，杜志业

肱骨远端是原发或转移性骨肿瘤的少见发病部位[1,2]，因其邻近上肢主要神经血管，保肢手术难度较大。然而，随着新辅助化疗的应用及影像学技术的发展，保肢手术的安全性已得到证实。肱骨远端肿瘤切除后骨缺损有多种重建方式，其中全肘关节假体置换术因其即刻稳定性好、允许早期活动、术后功能状态良好，成为肱骨远端骨缺损的主流重建方式[3-5]。然而，目前应用于大段骨缺损的全肘关节假体均为铰链式假体，需要将髓内柄固定于肱骨及尺骨髓腔内，可实现较好的功能状态，但在肘关节屈伸活动中会引起衬垫处及髓内柄周围较大的应力，最终引起磨损和假体松动[1-8]。为了减少假体应力及并发症的发生，肱骨远端半肘关节置换术（distal humeral hemi-arthroplasty,DHH）可能是一种合理的方法。

随着3D 打印技术在骨缺损重建应用的逐步推广，临床可以设计和生产任意形状的假体[9]。由于肘关节是一种复杂的关节，包含多个维度的活动度，某种简单的关节机制（如单纯铰链）难以完全模拟其生理状态。因此，本课题组摒弃传统的全肘关节的理念，设计了一款定制的肱骨远端半肘关节假体。该假体依靠患者肱骨的CT 数据，应用3D 打印技术生产出与尺骨鹰嘴、桡骨小头关节面匹配的“金属肱骨”，从而实现适型匹配和仿生重建。

本研究总结了7例使用3D打印肱骨远端半肘关节假体重建的肱骨远端恶性肿瘤患者的短期随访结果，旨在探讨应用3D 打印定制半肘关节置换术的围手术期安全性、肿瘤学预后、假体相关并发症及术后功能状态。

1 资料与方法

1.1 一般资料

纳入标准：①诊断为肱骨远端恶性肿瘤；②接受瘤段截除、假体置换术。排除标准：①非恶性肿瘤者；②未手术者；③使用其他方法重建者。

回顾性收集2018 年6 月至2019 年6 月北京大学人民医院骨与软组织肿瘤中心诊治的患者，符合纳入标准的病例共8例，其中1例使用全肘关节置换术而被剔除，最终共有7例患者纳入本研究。其中男4例，女3例，年龄12～61岁，平均年龄（34.3±21.6）岁。所有患者均为右利手。5例患者为右上肢受累。诊断包括骨肉瘤2例、尤文肉瘤2例、软组织肉瘤累及肱骨2例（包括小圆细胞肉瘤及未分化肉瘤各1例）、肾癌孤立转移1例。2例为复发病例，余5例为初治病例。1例伴有病理性骨折。5例患者接受新辅助化疗并获得显著的肿瘤应答。2例患者术前肘关节活动度受限，其中1例为伸肘30°受限，另1例肘关节60°屈曲僵直。见表1。

表1 7例患者人口学资料

本研究已通过北京人民医院伦理委员会审批，并豁免患者知情同意。

1.2 假体的适应证与禁忌证

3D打印肱骨远端半肘关节假体的适应证为肱骨远端骨缺损累及关节面。禁忌证：①肱骨远端及尺骨近端同时缺损；②合并严重肘关节炎；③肘关节周围软组织缺损严重，预期无法实现良好的软组织重建。

1.3 假体的设计及生产

所有患者在术前（通常在最后1个疗程的新辅助化疗期间）均接受患侧肱骨增强MRI及双侧肱骨CT检查。增强MRI检查以明确肱骨远端关节内切除的安全性，并确定安全的截骨长度。对侧肱骨的CT数据作镜像转换后用于假体设计。

通过CT数据模拟，设计时假体的关节面与患者肱骨远端的关节面一致，同时将内、外侧髁缩小至实际的80%以利于软组织覆盖（图1A）。假体远端两侧留3～4个侧孔用于重建软组织附着，鹰嘴窝留1个主孔用于重建前关节囊（图1B）。假体长度由计划的截骨长度决定，通常是肿瘤边缘外3 cm。假体均使用骨水泥型髓内柄固定，髓内柄粗细由CT 数据来设计，通常准备3 个型号供术中选择。假体使用Ti6Al4V 合金通过电子束熔融技术（electron beam melting,EBM）生产。

图1 3D打印肱骨远端半肘关节假体

1.4 假体的安装步骤

肿瘤切除手术步骤与文献报道[8]基本一致，肿瘤切除过程中可能需要切开肱三头肌作舌形肌瓣来增加暴露范围。肿瘤切除后，先准备肱骨髓腔，使用软钻扩髓至合适大小。体外组装假体，并用LARS韧带（Ligament Advanced Reinforcement System，法国）包裹假体并缝合固定（图1B）。然后使用骨水泥固定假体，注意维持正常力线，待骨水泥干结后进行软组织重建。先将内侧关节囊及屈肌总腱缝合至假体内侧髁上的钉孔，收紧缝线时即复位肘关节。然后通过主孔缝合固定前关节囊，并将外侧关节囊及伸肌总腱缝合于外侧髁的钉孔上。最后缝合切开的肱三头肌，留置引流管1根，逐层关闭伤口。

1.5 术后管理

引流量少于20 ml/d即可拔除引流管。术后使用第三代头孢预防感染至拔除引流管（通常3～4 d），之后序贯口服抗生素1 周。患者术后4 周内建议佩戴肘关节支具。期间，术后1 周内肘关节制动于屈肘15°，但鼓励活动肩关节及手部；术后第2周可开始肘关节屈伸被动活动；术后第3周可开始肘关节屈伸主动活动。患者应避免提物超过5 kg。术后化疗通常在术后2～3周开始。

1.6 随访计划及评价标准

所有患者均按计划随访：术后2年内每3个月随访1 次，第3～5 年每6 个月随访1 次。随访内容包括肘关节及胸部影像学检查、全身骨显像及必要的实验室检查。鼓励患者于本中心门诊随访，行动不便者可由家属携带影像学资料前来复查，逾期未来复查者安排电话随访。疗效评价指标包括生存状态、疾病状态、假体并发症情况及其他。末次随访时评估肘关节活动度，并使用美国肌肉骨骼肿瘤学会-93量表（Musculoskeletal Tumor Society-93,MSTS-93）及Mayo 肘关节功能评分（Mayo elbow performance score,MEPS）评估存活患者肘关节功能状态[10,11]。本研究末次随访时间为2020年9月。

2 结果

2.1 围手术期安全性

本组病例假体准备时间为7～12 d，平均（8.4±1.9）d。无一例患者在假体准备期间出现明显肿瘤进展。手术时间100～240 min，平均（137±51）min；术中失血量50～750 ml，平均（207±254）ml；肱骨切除比例（肱骨切除长度/肱骨全长）为19.4%～58.1%，平均（37.0±12.8）%。所有病例均获得边缘性或广泛性切除，术中假体均顺利安装，无一例患者术中发生并发症。见表2。

2.2 肿瘤学预后及假体相关并发症

本组病例随访12～24个月，平均随访（18.4±5.0）个月。所有患者均为存活状态（6例无瘤生存、1例带瘤生存）。1 例患者（患者编号6）术后4 个月出现皮下复发，予以局部切除，余患者未见复发。术后并发症包括2例早期并发症：1 例为术后第1 天出现桡神经麻痹，表现为垂腕，术后2个月后自行恢复；另1例为术后第5天行X线片检查时发现假体半脱位，该患者术中并未使用LARS 韧带，只是将关节囊、侧副韧带和肌腱直接缝合于假体孔洞上，发现半脱位后予以切开复位并重新缝合上述软组织附着，并严格支具制动6周。该患者术后随访未再出现假体脱位，且功能满意。至末次随访，本组病例未见伤口愈合不良、假体松动、断裂、感染或退行性关节炎等并发症出现。见表2。

2.3 术后功能状态

末次随访时，本组患者最大屈肘为100°～135°，平均（119.3±11.7）°，伸肘受限为0°～30°，平均（10.0±13.8）°（表2），因此肘关节活动度为70°～135°，平均（109.3±23.0）°。MSTS-93 评分为26～28 分，平均（27.6±0.8）分。除了提物能力受限以外，本组患者在疼痛、上肢功能、情感接受、手的位置、手灵巧度方面均获得较高的得分（表3）。MEPS评分为95～100分，平均（98.6±2.4）分。全部7 例患者的肘关节均为稳定、无疼痛状态，具有良好的活动度，并能完成量表上的所有任务（表4）。

表2 7例患者手术及预后资料

表3 7例患者MSTS-93评分系统评估上肢功能情况

表4 7例患者MEPS评分评估肘关节功能情况

典型病例见图2和图3。

图2 病例4，男，14岁，右肱骨远端尤文肉瘤，接受术前化学药物治疗、手术治疗及术后化疗。手术方案为肱骨远端瘤段截除、3D打印肱骨远端半肘关节假体置换术

图3 病例7，女，12岁，右肱骨远端骨肉瘤，接受术前化学药物治疗、手术治疗及术后化疗。手术方案为肱骨远端瘤段截除、3D打印肱骨远端半肘关节假体置换术

3 讨论

肱骨远端的恶性肿瘤非常少见。虽然假体置换术是该部位骨缺损的主流重建方式，但肘关节假体置换术在肿瘤病例中的应用只有小宗病例报道（表5）。总结而言，肿瘤型全肘关节假体和假体异体骨复合物（如Coonrad-Morrey 假体+异体骨）为最常见的假体类型。这些用于肿瘤病例的假体均为铰链式全肘关节，可维持满意的关节稳定性并实现良好的肘关节活动度，因而适合重建肿瘤切除后骨和软组织均缺损较大的状态[1-8,12-14]。然而，这样的铰链式假体在患者运动中会在铰链接触面及假体柄周围产生较大的应力，最终导致磨损和假体松动[1,2,6-8,12,15,16]。为了降低远期松动的风险，临床需要一种更加接近正常肘关节活动的重建方式，如半肘关节假体置换术。实际上，DHH 的理念曾有零星报道用于创伤性关节炎或炎症性关节炎的治疗中，但因其匹配度不高，导致功能状态不满意，且并发症发生率较高[17,18]。随着3D 打印技术的应用，这种适型匹配的假体理念最终得以实现[19,20]。本研究创新性地设计并应用了一款3D 打印的肱骨远端半肘关节假体，不仅实现了关节面匹配、关节稳定性及活动性的短期要求，还降低了假体周围应力，解决了远期磨损和松动的关键问题。短期随访结果显示，这种3D 打印定制型肱骨远端半肘关节假体具有良好的应用安全性，并可实现满意的功能状态。

表5 有关肘关节周围肿瘤切除后行假体置换的主要文献

3.1 围手术期安全性

应用3D打印定制假体首先要考虑的就是其时效性。如果假体制作周期太长，可能会出现肿瘤进展，延误患者治疗。根据作者的医工交互经验，这种半肘关节假体一般需要1～2 d 进行设计、3 d 进行3D 打印、1～2 d进行打印后加工。因此，本研究中的假体制作周期均较短，且大部分患者在最后一轮新辅助化疗期间即开始假体制作，因此无一例患者在等待假体制作期间出现肿瘤进展。

定制假体另一个要考虑的问题就是匹配。为了术中安装具有更多灵活性，本研究中假体均为分体式设计，假体主体和髓内柄使用锥接连接，髓内柄根据CT测量的肱骨髓腔大小准备3个粗细型号。半肘关节假体的一大优势在于不需要尺骨部件的固定，后者往往是全肘关节置换手术的难点，需要较长的学习曲线，并有可能出现尺骨的劈裂性骨折[6]。此外，对于儿童患者或本研究中曾行尺骨手术的患者（患者编号7），尺骨的情况不允许置入假体柄，3D 打印DHH 可能是现有最好的重建方式[21]。本研究中所有假体均顺利安装，无一例患者出现术中并发症，且手术时间较短，术中失血量少，提示良好的手术安全性。

3.2 假体相关并发症

在肿瘤病例中，对比其他部位的假体置换术，全肘关节置换术的并发症发生率较高（表5）。根据文献报道，随访25～96 个月中，全肘关节置换术后翻修率为5.5%～41.7%[1,2,4-8,17,22,23]。无菌性松动，尤其是肱骨部件的松动，是假体失败的最常见原因，发生率可达30%[5]。尺骨侧部件的并发症如松动、骨折等亦比较常见。半肘关节假体的理念优势在于，通过降低关节界面及假体柄周围的应力，降低衬垫磨损和假体柄松动的风险。本研究随访中未见无菌性松动或退行性关节炎，验证了半肘关节的合理性。

本研究中1例患者发生术后早期假体半脱位，分析原因可能是因为术中没用LARS 韧带重建软组织附着。虽然这种3D打印定制假体的关节面能与尺骨和桡骨完全匹配，但其稳定性依赖于假体周围软组织重建，尤其是关节囊的重建。为实现良好的关节稳定性，在设计上假体留有侧孔和主孔用于缝合关节囊、侧副韧带及伸/屈肌总腱。通过这样精细的软组织重建，能恢复正常肘关节的稳定性。然而，将软组织附丽直接缝于光滑孔洞上不能提供足够的即刻稳定性，术后早期锻炼时容易出现缝合处撕裂、脱落而导致半脱位。先使用LARS韧带包裹假体，再将上述软组织结构缝合至LARS 韧带和假体上（穿过侧孔），可实现更为满意的即刻固定，从而允许早期功能锻炼。术后随着LARS韧带与软组织逐步愈合，则可提供更加牢固的远期固定。本组6 例使用LARS韧带重建的患者中，无一例出现假体脱位，并允许术后1周开始功能锻炼。

神经受损是肘关节周围肿瘤切除假体置换术后常见的并发症之一，发生率为5.6%～25.5%（表5）[1-8,12-14]。本研究中1例患者在术后24 h出现桡神经麻痹。该患者术后即刻桡神经功能正常。桡神经麻痹可能与术后早期软组织肿胀及包扎过紧有关。术中应注意保护桡神经及尺神经，并在术后应持续留意手部感觉和运动状态。

3.3 术后功能状态

肘关节周围恶性肿瘤切除后行全肘关节置换术可获得满意的功能状态（表5）。根据既往文献报道结果，末次随访时肘关节活动度为40°～108°，大部分病例活动度均＞100°；MSTS-93 评分为76%～85%，MEPS评分为75～84分[1,2,4-8]。本研究患者末次随访时肘关节平均活动度为（109.3±23.0）°，与文献报道结果相当[1,3-5]。平均MSTS-93 评分、MSTS-93 百分比和MEPS评分分别为（27.6±0.8）分、91.9%和（98.6±2.4）分，优于既往大部分文献报道结果。7 例患者除了提物受限外，在日常生活中无任何限制。上述结果证实，3D打印肱骨远端半肘关节假体可实现关节面的完美匹配，允许正常肘关节的活动。此外，本假体的侧孔可用于重建前臂伸肌和屈肌的止点，这是传统的全肘关节假体或以前的肱骨远端表面半关节假体无法实现的。LARS韧带的辅助重建，有利于提供足够的即刻稳定性，并允许早期功能锻炼，避免关节僵硬。这种新型的3D打印肱骨远端半关节假体可达到较传统肘关节假体相似甚至更好的功能状态。

3.4 本研究的局限性

本研究的局限性：①这是一个单臂的回顾性研究，纳入病例数较少，随访时间较短。虽然短期随访提示极低的并发症发生率及优良的功能状态，但本研究尚需纳入更多病例及更长时间的随访来评估这种新型假体的预后。②这是一个单臂研究，未设置对照组，仅将本研究结果与既往文献报道结果比较。然而，肘关节周围恶性肿瘤发病率较低，难以进行随机对照研究来探讨这种新型假体的优劣。③由于假体关节面为金属（假体）对软骨（尺骨和桡骨），有磨损和退行性关节炎的可能，需要更长时间的随访来评估这些并发症的发生率。④虽然在早期设计时假体的内、外侧髁大小缩小为正常大小的80%，作者发现缩小后的内侧髁仍会造成皮肤突起，这在瘦小的患者中有可能会造成皮肤破溃等问题。因此，作者在后期设计中会将内侧髁完全移除，形成一个光滑的弧面，更有利于软组织覆盖和降低伤口问题的风险。