APC重建技术联合3D打印个性化非限制性全膝置换在胫骨上段恶性肿瘤中的应用

王 虹，丁焕文，黄敏强

随着外科手术以及放疗、化疗技术的不断发展，胫骨上段恶性肿瘤患者的生存率和保肢率明显上升，但对于青壮年患者而言，单纯保肢治疗无法满足其日后的生活及工作需求，因而对肿瘤切除后的膝关节功能重建提出更高要求[1-2]。

我们采用同种异体骨-假体复合物（allograftprosthetic composite，APC）重建技术+3D打印个性化非限制性全膝置换术对南部战区总医院2005年1月至2015年1月收治的胫骨上段恶性肿瘤患者进行治疗，术前基于计算机辅助设计（computer-assisted design，CAD）对手术过程进行精密设计和模拟，术中以3D打印导航模板辅助切除肿瘤，通过个性化非限制性全膝置换+大段异体骨植入+侧副韧带重建膝关节功能。本文对比分析该术式与常规手术+铰链式假体重建术的临床效果，以期为胫骨上段恶性肿瘤的手术治疗提供参考依据。

1 资料与方法

1.1 病例选择标准

纳入标准：①胫骨上段恶性骨肿瘤患者；②术前行胸部 X 线片，胸腹部 CT、MRI、ECT 和/或PET-CT检查，明确排除肿瘤转移；③根据患者肿瘤穿刺活检结果及患者身体状况施行相应的化疗方案，术前常规化疗1～2个循环（4～8周），术后继续化疗3～4个循环，复查肿瘤范围缩小或未扩大；④肿瘤未侵犯重要神经血管，可行保肢手术；⑤采用APC重建技术+3D打印非限制性全膝置换或常规手术+铰链式假体重建；⑥患者及其家属签属知情同意书；⑦随访至少3年，随访资料完整。

排除标准：①肿瘤侵犯范围过大、无法保肢治疗者；②骨质疏松严重、重建难度大者；③身体基本情况差、无法耐受手术者；④严重精神疾病或术后功能锻炼不能配合者。

1.2 一般资料

2005年1月至2015年1月符合上述病例标准的胫骨上段恶性肿瘤患者共25例，其中个性化手术组12例，采用APC重建技术联合3D打印个性化非限制性全膝置换；常规手术组13例，采用常规手术切除肿瘤+定制铰链式肿瘤假体重建膝关节功能。两组患者均由主任医师带领的同一手术组施术。如表1所示，两组患者性别、年龄、病理分型、肿瘤浸润范围、Enneking肿瘤分期[3]、病程和术前视觉模拟量表（visual analogue scale，VAS）疼痛评分[4]等一般资料比较，差异无统计学意义（P＞0.05），具有可比性。

1.3 CAD手术模拟、3D打印个性化手术导板及假体制作

将患者双下肢薄层CT及肿瘤薄层MRI数据导入Mimics 16.01软件（Materialise公司，比利时）进行处理，完成患者双下肢解剖模型和肿瘤模型的划分和重建。将模型模块数据导入Imageware 13.2软件（EDS公司，美国），在裁剪模块中对肿瘤进行精确切除，利用3D模型设计模块对缺损肢体进行功能重建，采用3D打印技术制作个性化手术导板和非限制性全膝假体。为降低原始数据带来的误差，常规手术组与个性化手术组采用同等的影像学数据精度。具体步骤如下：

1.3.1 肿瘤模型建立与参数测量 采用64排螺旋CT（GE公司，美国）对患者进行从骨盆至双足部的薄层扫描，层厚0.625 mm；MRI增强扫描包括肿瘤全范围至其上下关节，层厚约5 mm。上述数据均以DICOM格式保存。

分别将CT及MRI原始数据导入Mimics软件中，通过软件中的阈值选取、区域增长模块得到原始双下肢及肿瘤3D模型；在此基础上利用蒙板工具箱中的修改、填充功能对骨块和肿瘤进行划分，然后通过区域增长、布尔运算对这些独立划分出来的骨块和肿瘤创建新蒙版，利用光顺和平滑处理获取可任意修改的独立的骨骼及肿瘤模型，以STL格式分别导出；最后将STL文件数据导入Imageware软件中，进行模型移动匹配和相关解剖参数测量（图1A，1B）。通过同样方法为术中用于骨缺损重建的大段异体骨（山西奥瑞公司）建立异体骨3D模型。

1.3.2 肿瘤切除边界确定 根据MRI增强图像数据分析肿瘤的形态类型及侵犯程度，依据Enneking骨肿瘤分型确定肿瘤的外科切除边界（病灶外3～5 cm）[3]，最后根据肿瘤浸润范围及双下肢测量参数，明确截骨高度及角度，并进行相应标记（图1C，1D）。

1.3.3 模拟肿瘤切除及膝关节功能重建 根据解剖参数测量结果，应用Imageware软件中的裁剪工具和移动工具进行模拟截骨，整体切除肿瘤。以健侧肢体为参照，通过软件中的镜像功能，建立患侧正常下肢模型，以此作为大段异体骨功能修复的数据参照，裁剪出与缺损骨残端相匹配的异体骨模型，并将其与残端匹配以修补骨缺损（图1E，1F）。3D模拟手术的标准被设定为：①彻底切除肿瘤，切除边界超出瘤体边界3～5 cm；②大段异体骨与缺损肢体残端完全匹配；③双下肢力线及长度一致。

1.3.4 肿瘤切除手术导板及异体骨修剪模板的设计与制作 将模拟手术时在Imageware软件中的标注线简化导航模型以STL格式导出，并将其导入UG NX 8.0软件（EDS公司，美国），根据3D模拟手术方案，标记显露的骨组织及肿瘤切除范围，利用软件的逆向工程功能，得出反向3D模型。为使3D打印导板能更好地贴服于骨骼表面以便精准截骨，在导板相应骨性标志处设计一个直径为3.0 mm的导向克氏针固定孔。将设计好的3D模型以STL格式导出，打印出手术导板实体，以同样方法制作异体骨修剪导航模板（图1G，1H）。

表1 两组患者术前一般情况比较

1.3.5 个性化非限制性全膝假体3D设计与制作在Imageware软件中测量3D模型的股骨髓腔径、胫骨髓腔径、髋膝踝角、胫骨股骨角、膝内外翻角度等解剖参数，以股骨解剖轴、胫骨解剖轴、双下肢力线等为中心完善个性化假体模型参数设计（图1I～1K）。然后进行模拟植入，获得手术重建后的3D模式图（图1L）。

个性化非限制性全膝假体参数设计原则如下：为保证假体固定牢靠，预防因骨量太少引发的假体松动，个性化假体髓内固定杆的绝对长度必须＞12 cm、有效固定长度＞5 cm；为提高假体的生物匹配度，髓内固定杆采用与股骨髓腔外形一致的弧度设计；髓外固定杆长度与缺损骨段长度一致，且固定杆直径与异体骨髓腔直径一致；假体外翻、外旋角度以健侧肢体或常规最佳参数为依据，髓内固定杆与髓外延长杆间的连接采用锥度卡嵌方式相接（图1M）。将假体模型导入Imageware软件进行膝关节模拟重建（图1N），检验及完善假体参数，并将最终数据发送至上海思爱公司定制假体成品。

1.4 手术方法

术前肿瘤科会诊制定化疗方案，根据患者病情行术前和术后化疗。每组均有2例患者行术前血管栓塞。根据病情采用相应的麻醉方式，术前使用广谱抗生素。

1.4.1 个性化手术组 手术切口根据肿瘤侵犯部位不同，采用髌前内侧或髌前外侧切口。术中严格“无瘤化”操作，根据术前设计测量的安全范围，小心将肿瘤从周围软组织中分离出来。在分离瘤体后的骨表面套上肿瘤切除手术导板，并以3.0 mm克氏针固定于骨面，用摆锯沿导板边界将瘤体完整切除。碘伏、双氧水、蒸馏水反复冲洗浸泡创面至少30 min，高频脉冲冲洗创面和骨髓腔。

股骨端常规扩髓，常规骨水泥填充，安装股骨表面假体。在异体骨裁剪导板引导下对异体骨进行修整，将修整后的异体骨与个性化非限制性假体骨水泥结合固定；以锚钉及异体肌腱（山西奥康公司）在胫骨端韧带止点上安装内外侧副韧带，形成异体骨韧带假体复合体备用。

胫骨端扩髓填充骨水泥，安装胫骨髓内固定杆及预先准备好的APC，在维持下肢正常力线条件下等待骨水泥固化，异体骨与胫骨残端连接处以钢丝固定，植入自体髂骨，安装胫骨平台衬垫。屈膝30°，取异体韧带编织，以锚钉将异体韧带末端固定于股骨、胫骨髁上，重建内外侧副韧带。对于未侵犯到腓骨的胫骨上段肿瘤，尽量保留腓骨；一旦侵犯，需切除腓骨。因胫骨上段肿瘤切除时常损伤伸膝装置，缝合时以“8”字钢丝张力带+螺钉固定于大段异体骨上再重建伸膝装置。冲洗并逐层缝合伤口，留置负压引流。

1.4.2 常规手术组 取髌前内/外侧切口，于髌骨内缘保留部分股四头肌扩张部以利于缝合，根据影像学检查结果确定肿瘤切除范围，然后切除瘤体。安放股骨假体，胫骨近端扩髓，安装胫骨假体并予以骨水泥固定。置入合适厚度的聚乙烯垫片，安装旋转轴（缓冲销）。髌韧带编织后固定于胫骨假体上端的金属缝合孔中，以重建伸膝装置。如假体骨界面有骨缺损，则植入部分自体髂骨，冲洗缝合伤口，留置负压引流，关闭切口。

1.5 术后处理

术后当天开始股四头肌等长功能锻炼及踝泵锻炼，支具0°伸直位固定1周，然后行屈膝功能锻炼，支具每周增加10°。2周后扶拐下地，患肢部分负重，4周后逐步增加负重量。康复训练困难者可适当配合CPM机行被动功能锻炼。佩戴膝关节支具3～6个月，以保护侧副韧带。伤口愈合后根据术前化疗方案按时完成术后化疗。

图1 3D打印个性化手术导板及假体设计+CAD模拟手术过程 1A双下肢CT三维重建，测量解剖参数 1B膝关节肿瘤3D模型建立 1C确定肿瘤切除范围 1D标记截骨范围 1E模拟肿瘤切除及膝关节功能重建 1F膝关节功能重建效果 1G肿瘤切除手术导板 1H异体骨修剪导航模板 1I胫骨假体髓内固定杆参数设计 1J衬垫宽度设计 1K假体模型参数设计 1L模拟植入后的3D模式 1M 防旋转卡槽设计 1N模拟重建效果

1.6 评估指标

对比两组患者瘤段切除长度、术中出血量、手术时间以及术后双下肢长度差、力线偏移、并发症发生情况，观察随访期间肿瘤复发情况，比较术后1、3年膝关节活动度、骨与软组织肿瘤学会（Musculoskeletal Tumor Society，MSTS）膝关节功能评分的差异[5]。

1.7 统计学方法

采用SPSS 19.0统计软件进行数据分析。计量资料以均数±标准差（±s）表示，两组比较采用两独立样本t检验；计数资料以例表示，比较采用Fisher确切概率法。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 术中及术后一般情况比较

术程顺利，术后病理标本边界未发现肿瘤细胞。如表2所示，两组患者瘤段切除长度、术中出血量无统计学差异（P＞0.05）。个性化手术组手术时间和双下肢长度差明显少于常规手术组（P＜0.05）；个性化手术组术后下肢力线完全恢复，常规手术组力线基本恢复，两组术后双下肢力线偏移度比较，差异有统计学意义（P＜0.05）。

2.2 随访疗效比较

两组患者随访36～75个月，平均随访时间47.6个月。个性化手术组术后X线片证实，实际手术效果与术前CAD辅助模拟手术完全一致。

2.2.1 并发症 个性化手术组并发症2例，其中骨巨细胞瘤术后排异反应1例，经伤口换药、抗免疫治疗及自体骨移植后痊愈；骨肉瘤术后切口轻度感染致不愈合1例，经抗感染、伤口清创等治疗后痊愈。未有假体周围骨折，假体松动、断裂、脱位，神经损伤并发症发生。常规手术组并发症4例，其中假体周围骨折1例，需再次手术；假体松动1例；感染1例（骨肉瘤），治疗后感染控制不理想，行截肢手术；伤口不愈合1例，行转移肌皮瓣术后痊愈。术后并发症发生率比较，个性化手术组低于常规手术组，但差异无统计学意义（2/12vs4/13，P=0.645）

术后1年随访X线片提示，个性化手术组8例患者有新生骨桥形成，伴大段异体骨不同程度骨吸收，3例自体骨-异体骨界面未见骨桥形成，大段异体骨有部分吸收；常规手术组排除1例截肢患者，假体周围骨环形成7例，未见骨环形成3例。

2.2.2 肿瘤复发 术后1年随访时个性化手术组骨肉瘤复发肺转移死亡1例，骨软骨肉瘤复发L1椎体转移1例，带瘤生存；常规手术组骨肉瘤复发肺转移死亡2例，骨软骨肉瘤复发带瘤生存1例。个性化手术组术后1年复发率与常规手术组比较，差异无统计学意义（2/12vs3/13，P=1.000）。术后3年随访时个性化手术组骨软骨肉瘤复发1例行截肢手术，对照组无新增复发、转移及死亡的病例。

2.2.3 其他疗效指标 排除死亡和截肢病例，个性化手术组术后1、3年膝关节主动屈曲度及MSTS评分明显高于常规手术组（P＜0.05）。见表3。典型病例见图2。

表2 两组患者术中及术后一般指标比较（±s）

表2 两组患者术中及术后一般指标比较（±s）

组别个性化手术组常规手术组t值P值例数12 13瘤段切除长度/cm 15.8±4.3 14.7±3.9 0.117 0.909术中出血量/mL 666±330 759±468 0.485 0.637手术时间/h 4.7±1.2 6.3±1.9 7.953 0.000术后双下肢长度差/cm 0±0.2 5.5±2.3 7.840 0.000术后双下肢力线偏移/°0±0.5 2.0±2.5 3.066 0.011

3 讨论

3.1 胫骨上段肿瘤的手术切除与功能重建

胫骨上段肿瘤属于膝关节周围肿瘤，发病率较高。国内外较为常用的手术方法是瘤段广泛切除+旋转铰链式假体重建，但该方法存在假体设计精度差、术后并发症多、重建功能不理想等缺陷[6-7]。为解决上述问题，人们尝试采用保留膝关节周围韧带的膝关节表面置换术，以及以瘤段切除灭活再植术为代表的各种生物学重建术式。然而，常规膝关节表面置换术主要根据X线片及CT、MRI二维图像设计肿瘤切除边界，精确性欠佳；术中凭借目测、尺量、手感等确定病变组织切除范围，可能导致假体放置失误，假体松动、断裂几率较高；肿瘤切除范围过大还将导致下肢功能重建困难，且部分病例保留韧带，复发风险加大。本研究将数字骨科技术，即CAD和3D技术应用于APC重建+非限制性全膝置换手术中，从而为胫骨上段肿瘤的个性化治疗提供一种新的手术选择。

表3 两组患者术后随访疗效比较

图2 APC重建+3D打印个性化非限制性全膝置换治疗右胫骨上段骨巨细胞瘤手术前后图片（女，35岁）2A，2B 术前X线片和CT扫描 2C膝关节肿瘤3D模型建立 2D确定肿瘤截骨范围 2E个性化肿瘤切除手术导板的3D设计 2F个性化非限制性全膝假体的3D设计 2G 模拟重建效果 2H 肿瘤切除手术导板辅助切除肿瘤2I切除瘤体 2J术中安装好的同种异体骨-假体复合物 2K 安放个性化非限制性全膝假体 2L术后病理图片 2M～2O术后1年X线片示假体位置良好、无松动，下肢力线正常

3.2 APC重建联合3D打印技术在胫骨上段恶性肿瘤手术中的应用价值

3.2.1 APC技术的优势 该技术结合了异体骨移植和人工假体的优点，在获得更好功能的同时能够降低远期并发症。异体骨移植既可为韧带、肌腱等提供良好附着，提高关节稳定性[8-9]，又可为假体提供有效的力学支撑，使假体应力得以分散，延长假体寿命。Gebhardt等[10]报道，应用大段异体骨重建肿瘤切除后骨缺损虽然在功能评分上与其他重建方式没有统计学差异，但当异体骨与宿主骨融合后，其使用期限比单纯肿瘤假体重建要长。此外，大段异体骨与人工假体复合使用后能够使肢体重建达到更完美的效果。

3.2.2 CAD和3D打印技术的特点

3.2.2.1 提高肿瘤切除的精确度 CAD和3D打印技术目前已广泛应用于骨肿瘤外科手术[11-12]。纪玉清等[13]将CAD和3D打印截骨导板技术应用于股骨远端骨肉瘤切除及假体重建，在计算机辅助下将数据转化为三维模型，有助于准确评估复杂的解剖结构，确定截骨平面，减少人为误差。Ma等[14]采用CAD及3D打印技术设计并制作导航模板，用以切除高度恶性骨肿瘤，减少组织创伤，降低神经血管损伤风险，短期效果良好。潘伟等[15]对16例行旋转铰链型人工膝关节置换术的胫骨近端恶性骨肿瘤病例，建立膝关节三维解剖模型、模拟手术并设计制作个体化数字导板，平均31个月的随访结果表明，该手术技术可减少手术时间，提高假体安装精度，手术效果更佳。

我们于2006年起将3D导航模板技术应用于骨科肿瘤手术，积累了大量的相关病例[16-17]。针对胫骨上段肿瘤，术者通过分析胫骨上段肿瘤的三维重建解剖模型，可以在计算机上准确设计外科切除边界，明确截骨高度及角度；而基于CAD方法进行模拟手术，并在3D打印手术导板的指引下切除肿瘤，则更加有助于提高肿瘤切除的精准度。

3.2.2.2 促进术后功能恢复 采用计算机辅助模拟手术，设计最佳匹配的个性化修复体，并在虚拟模型上模拟骨缺损的修复过程，有助于术者对手术的理解，达到精确手术的目的，术后功能得到有效恢复[18-19]；与此同时，在个性化假体模型的参数设计中增加有效固定长度，保证髓内固定杆弧度与胫骨近端髓腔弧度一致，胫骨假体外旋与外翻角度均以患者自身或健侧肢体为参照，术中无需再次测量，节省手术时间，个性化假体与自体骨接合紧密且更稳定，从而最大限度地保留了下肢功能。而以患者健侧正常解剖参数为依据的3D打印技术可进一步提高膝关节假体的解剖精度和匹配度，弥补假体参数的设计缺陷。本研究中个性化手术组术后膝关节功能更优，其原因还在于，术者基于CAD辅助技术准确切除肿瘤的同时，精确恢复了患者的肢体长度和下肢解剖力线。而肢体长度和下肢力线的准确恢复，是术后功能恢复的前提；同时还可最大程度地减少假体因受力不均导致的机械性磨损，提高假体寿命。

此外，假体自身的活动度、稳定性及软组织平衡与术后功能恢复关系密切[20-21]。本研究以大段异体骨移植修复缺损胫骨残端，为假体提供良好的力学支撑；而个性化非限制性假体的设计与标准膝关节表面置换相似，能最大程度地保证膝关节的活动范围。肿瘤切除后软组织有不同程度的缺如，软组织平衡受到影响，易导致假体松动、断裂、脱位，常规手术通常辅以铰链式假体弥补不足，其固有缺陷在于安装时仅轻度误差即可能导致假体松动及应力集中处折断，术后活动功能也无法达到常规膝关节置换的水平。本术式应用3D打印手术导板，可确保肿瘤在安全彻底切除的同时，尽可能保留更多的骨量及正常软组织，避免因过度切除正常组织而造成后期功能重建困难。本研究还采用异体肌腱重建内外侧副韧带，以支具辅助康复锻炼，其目的就在于提高术后假体稳定性，避免发生脱位。

3.3 并发症问题

除肿瘤复发外，并发症是导致胫骨上段恶性肿瘤手术失败的另一主要原因。常见并发症包括术后感染、假体松动、脱位、假体断裂、周围骨折等，其中术后假体感染和无菌性松动是导致手术失败和翻修的最常见原因[22-24]。

本研究中两组假体感染、假体松动等并发症均发生于术后12个月内。其中个性化手术组排异反应1例、感染1例；常规手术组感染、假体松动、周围骨折、伤口不愈合各1例。由于个性化手术组应用大段异体骨和侧副韧带同时重建骨的力学支撑和软组织平衡，因此减少了假体松动、骨折的发生风险；而CAD结合3D打印辅助肿瘤切除重建手术减少了手术创伤，提高了假体安装的匹配度，但目前仍无法避免异体骨吸收和排异反应的问题，需要进行深入的材料学研究。常规手术组根据影像学目测界定肿瘤切除范围，一般遵循“宁大勿小”的原则，为保证安全边界，很容易将切除范围扩大，加重手术创伤，易造成切口愈合困难，假体周围亦无异体骨支撑，应力集中易导致假体周围骨折的发生。

本研究的不足之处在于病例数较少，缺乏更长时间的随访比较研究；异体肌腱侧副韧带重建在运动医学中虽为常规手术，但应用于APC技术重建膝关节功能的报道仍较少；异体骨、自体骨联合植骨是否能提高骨愈合率，仍缺乏临床证据的支持。这些问题需要在今后的工作中予以研究和解决。