3D 打印髋臼导板辅助骨盆肿瘤切除后精确重建

施凤伟 郭征 范宏斌 付军 李小康 黄海 裴延军 王飞 王臻

3D 打印髋臼导板辅助骨盆肿瘤切除后精确重建

施凤伟 郭征 范宏斌 付军 李小康 黄海 裴延军 王飞 王臻

目的 探讨 3D 打印髋臼导板在骨盆原发恶性肿瘤患者半骨盆切除后骨盆修复重建中的应用价值及效果。方法 回顾性分析 2014 年 9 月至 2016 年 7 月，在我科治疗的 8 例骨盆原发恶性肿瘤患者，男5 例，女 3 例，年龄 32～59 岁，平均 43.5 岁，右侧 5 例，左侧 3 例，软骨肉瘤 3 例，骨肉瘤 2 例，尤文肉瘤 1 例，多形性肉瘤 1 例，恶性纤维组织细胞瘤 1 例，根据 Enneking 骨盆病变类型分为：I＋II 区 3 例、II＋III 区 3 例、I＋II＋III 区 1 例、I＋II＋IV 区 1 例，术前根据患者骨盆薄层 CT 三维重建患者骨盆结构，模拟手术并设计导板，术中行导板辅助下半骨盆切除、钉棒重建骨盆环、全髋关节置换术。结果 8 例均成功进行术前设计、导板制作并应用于术中定位。1 例导板在消毒后出现轻微变形，经术中参考透视影像微调后放置满意，余 7 例均成功放置臼杯。手术时间 5～8.2 h，平均 6.4 h，术中出血 3500～9000 ml，平均 6200 ml。术后根据 X 线及 CT 评价示：患侧和健侧对比差异无统计学意义。1 例术后出现切口内积液，经对症支持治疗后痊愈；1 例术后 5 天因翻身不当出现髋关节脱位，行切开复位后未发生髋关节再脱位。8 例均随访，随访 2 个月～2 年，平均 10 个月，随访期间 1 例骨肉瘤患者于术后 6 个月出现肺转移，目前带瘤存活。其余患者术后恢复良好，随访期间未发现复发及转移。末次随访时 MSTS 评分为 15～24 分，平均 20 分。结论 3D 打印髋臼导板能够辅助术中正确安装髋臼网杯位置，并减少手术时间、术中出血量及透视次数，术后评估显示髋臼位置良好，具有一定的创新性及不错的效果。

打印，三维；骨盆；骨肿瘤；骨重建

骨盆原发恶性肿瘤通常体积较大，侵犯范围广。肿瘤整块切除手术要求高、难度大、术后并发症较多，但其能够降低术后复发率，延长患者生存期。随着诊疗手段和化疗技术的发展，骨盆肿瘤的切除与重建技术有了长足的进步。半骨盆切除术后骨盆环解剖结构破坏严重，肿瘤所累及的患侧髂骨、耻骨、坐骨和髋臼均被截除，对侧耻骨和骶骨的空间位置漂移。这些因素极大地增加了半骨盆重建空间定位的难度，成为困扰肿瘤外科医生的一个难题。

近年来，随着 3D 打印技术的迅速发展，3D 打印模型、导板应用于骨科临床病例的诊疗实践也方兴未艾[1-3]，其能帮助术者在手术中更好地定位解剖结构、明确各结构之间的空间位置，利于制订和实施手术方案。目前，这种技术应用于半骨盆切除后骨盆环重建，髋关节旋转中心定位却鲜有报道。2014 年 9 月至 2016 年 7 月，在我科为 8 例患者行半骨盆切除，3D 打印髋臼导板技术辅助重建骨盆环与髋臼，现报告如下。

资料与方法

一、一般资料 ( 表1 )

本组 8 例均签署知情同意书。术前均行活检确诊，因本组患者肿瘤侵犯范围广，均行半骨盆切除、钉棒重建骨盆环、全髋关节置换术。其中 1 例因肿瘤累计 IV 区，需一期行后路骶骨截骨、二期行半骨盆切除、钉棒重建骨盆环、全髋关节置换术。本组病例除软骨肉瘤外其余患者均行术前新辅助、术后辅助化疗。

二、术前处理

所有患者术前均行肺部 CT 和全身核素扫描( ECT ) 了解患者有无肺部及其它部位的转移。行骨盆平片、CT、MRI 检查确定肿瘤部位、累及范围以及周围血管有无侵犯等情况，术前行肿瘤滋养血管栓塞以减少术中出血。将骨盆薄层 CT ( 层距 0.625 mm )数据导入 Mimics 10.01 软件 ( Materialise 公司，比利时 )，对手术区域进行三维重建，确定肿瘤边缘，在计算机上模拟半骨盆切除。根据对侧髋臼的空间位置结合半骨盆切除后的骨盆形态设计髋臼导板，将髋臼导板的 STL 文件导入 3D 打印设备 ( 熔融沉积成型，EZAU 3D 打印机，陕西东望科贸有限公司 ) ( PLA 聚乳酸 )，导板加工完成后，灭菌封装。

表1 本组 8 例患者的基本情况Tab.1 The basic information of 8 patients

三、手术重建过程

取髂腹股沟－髂股联合切口，游离并保护髂血管、股神经，骨盆内侧从髂肌表面、外侧从臀中肌表面在正常肌肉袖套内分离肿瘤。前侧从耻骨联合、后侧从骶髂关节、远端从股骨小转子上 1.5 cm截骨。显露髋臼及坐骨支，切断在坐骨支上附力的半腱肌、半膜肌及盆底肌肉，以及骶棘韧带和骶结节韧带，完整切除半骨盆。将 3D 打印的髋臼导板两端分别嵌插于骶骨翼和对侧耻骨上，将特制的髋臼重建网杯放入髋臼导板中，S1、2椎体植入椎弓根螺钉，将 2 枚螺钉用钛棒与髋臼网杯相连，术中透视证实髋臼网杯安放位置满意，而后去除导板，行剩余钉棒复合固定，使用骨水泥加强，安装聚乙烯衬垫。髓腔锉扩大同侧股骨髓腔，安装非骨水泥股骨假体柄和球头。牵引下将髋关节复位，检查各项动度良好，无松弛。逐层闭合创面，穿抗外旋鞋，防止髋关节脱位。术后给予抗感染、抗凝及相关对症支持治疗，指导患者行肌肉功能锻炼，复查骨盆平片和 CT 评价髋臼假体位置。

四、随访及功能评价

术后 2 年内每 3 个月随访 1 次，随后每半年随访 1 次。每次随访时行体格检查、肢体功能评价、拍摄 X 线片，必要时行肢体 CT、MRI 检查。术后每3 个月，行 1 次胸部 CT 扫描直到术后 2 年，随后每6 个月行胸部 CT 扫描评价转移。末次随访采用国际肌肉骨骼肿瘤学会评分标准[4]( Musculoskeletal tumor society scores，MSTS ) 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。

五、统计学处理

使用 SPSS 13.0 进行统计学分析，用配对 t 检验分析患者术后患侧髋臼和健侧髋臼对比情况，P＜0.05 差异有统计学意义。

结 果

一、3D 打印髋臼导板临床应用

8 例均成功进行术前设计、导板制作并应用于术中定位。术中应用 3D 打印髋臼导板引导臼杯定位中 1 例导板在消毒后出现轻微变形，经术中参考透视影像微调后放置满意。余 7 例均成功放置臼杯。手术时间 5～8.2 h，平均 6.4 h，术中出血3500～9000 ml，平均 6200 ml，术中无失血性休克及输血不良反应。术后 X 线及 CT 评价结果见表2，其中，距离和外展角的测量依据 X 线，前倾角的测量依据 CT，统计分析结果见表3，结果显示无论是旋转中心距离或是髋臼角度，患侧和健侧对比 P 值均＞0.05，差异无统计学意义，3D 打印髋臼导板的应用具有不错的效果。

二、并发症

本组 8 例未发生术后伤口感染、皮肤坏死，均于术后 7～10 天转入康复理疗科进行术后康复训练。1 例术后出现切口内积液，经清创、加强引流、抗感染等对症支持治疗后痊愈；1 例术后 5 天因翻身不当出现髋关节脱位，行切开复位后未发生髋关节再脱位。

三、肿瘤控制及功能评价

本组 8 例均获 2 个月～2 年随访，平均 10 个月。随访期间 1 例骨肉瘤患者于术后 6 个月出现肺转移，目前带瘤存活。其余患者术后恢复良好，随访期间未发现复发及转移。末次随访时 MSTS 评分为 15～24 分，平均 20 分。

表2 术后患侧健侧数据对比Tab.2 The data comparison of postoperative lesion side and normal side

表3 统计分析结果Tab.3 Statistical analysis results

典型病例

患者，男，46 岁，主因右髋部疼痛 3 个月余入院，术前 X 线、MRI 示右侧髋臼周围病变 ( 图1 )，行右髋关节病变切开活检术，术后病理回报骨肉瘤，常规新辅助化疗后，行骨盆薄层 CT 扫描 ( 层距0.625 mm )，将扫描数据导入 Mimics 10.01 软件( Materialise 公司，比利时 ) 行三维重建、模拟半骨盆切除、设计导板及打印 ( 图2 )。

患者于全麻下取左侧卧位，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、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骶骨翼和对侧耻骨上，将特制的髋臼重建网杯放入髋臼导板中 ( 图3 )，行钉棒复合固定及全髋关节置换。术后复查 X 线、CT 评价髋臼假体位置 ( 图4 )，患侧髋臼外展角 41.7°，健侧髋臼外展角 44.3°，相差 -2.6°；患侧髋臼前倾角 21.2°，健侧髋臼前倾角 22.5°，相差 1.3°；患侧股骨头旋转中心距通过健侧小转子上沿水平线垂直高度 59.6 mm，健侧股骨头旋转中心距通过健侧小转子上沿水平线垂直高度 51.2 mm，相差 8.4 mm；患侧股骨头旋转中心距正中线 85.1 mm，健侧股骨头旋转中心距正中线 100.4 mm，相差 -15.3 mm。出院后在我院行间断周期性化疗，术后 3 个月患者随访可正常坐下 ( 图5 )，末次随访患者无肺转移，MSTS 评分21 分。

图1 患者术前 X 线片、MRI Fig.1 Preoperative X-ray and MRI图2 设计及打印导板 Fig.2 The design and print of guide plate图3 导板术中应用 Fig.3 Application of guide plate in operation图4 术后 X 线片及 CT Fig.4 Postoperative X-ray and CT

图5 术后 3 个月患者随访情况Fig.5 The follow-up of the patients after 3 months

讨 论

骨盆解剖结构复杂，与多个重要脏器、血管、神经相比邻。骨盆区域的原发恶性肿瘤早期无特殊症状，一旦发现体积相对较大，给切除带来很大困难。骨盆肿瘤治疗的基本步骤依然是切除和重建，切除是尽可能在安全边界下去除肿瘤，防止肿瘤播散，减少肿瘤对生命的威胁；而进行功能重建则为了提高患者的生活质量[5]。I 区的肿瘤切除后若不造成骨盆环连续性中断则无需重建，若影响到骨盆环稳定性和髋关节功能就要采取适宜的术式进行重建，可采取自体髂骨或腓骨移植进行骨盆环重建[6]；III 区的肿瘤切除即单纯的坐骨和耻骨切除而未累及髋关节者，一般不进行重建；对于病变累及II 区的骨盆肿瘤，切除与重建存在多种方式，Steel等[7]最先报道了股骨头旷置术，即将股骨头旷置，利用周围的瘢痕组织限制股骨头，术后患者下肢出现不同程度的肢体短缩，虽可以行走，但跛行明显；也有学者行骨融合术，即采用股骨颈与髂骨、坐骨或骶骨残端融合，该方法虽然术后稳定性好，但丧失髋关节功能[8]；瘤骨壳灭活再植有大小、外形合适、无排异反应、愈合后能达到生物固定的效果，但缺点是局部复发率高[9]；异体半骨盆移植愈合后可达到生物固定的效果并且局部复发率低，但缺点是排异反应引起伤口不愈、骨质吸收，同时异体骨来源存在严重短缺等[9]；机械性骨盆重建早期可达到坚固的固定，局部复发率低，但后期可出现骨盆松动、关节脱位等。总体而言，随着外科技术及计算机技术的发展，机械性重建应用相对较多，常用的包括组配型和计算机模拟设计型假体[10]。在骨盆的重建过程中，髋臼位置的确定仍较困难，一般来说，需要术中多次透视调整和确定髋臼的正确位置，不但消耗了大量的手术时间，也给患者和手术医生带来了一定的放射损伤。近年来发展的计算机辅助导航系统定位精确，术中操作灵活性强，具有很强的应变性，术中可给予实时图像支持，肿瘤切除后可辅助髋臼位置的确认，但其硬件投资较大，学习曲线长，术中定位装置的安装会造成患者二次损伤[11]。

近年来，随着计算机技术、材料技术及 3D 打印技术的迅速发展，其在骨科的应用也越来越普遍。Bagaria 等[12]先后在髋臼、跟骨、Hoffa 骨折中使用 3D 打印等比例实体模型，辅助确定骨折复位顺序、内植物选择、内植物预塑形、甚至确定螺钉长度及植入角度，制订个体化治疗方案。严斌等[13]在应用 3D 打印导航模板辅助腰椎椎弓根螺钉精确植入的实验性研究中，取得了良好的效果。本研究中根据患者的骨盆薄层 CT 在计算机中三维重建患者骨盆结构，模拟肿瘤切除，并通过对侧髋臼位置及形态，根据切除后的骨盆结构设计髋臼导板，并通过 3D 打印技术进行打印，将打印好的导板消毒应用于手术中，术后的疗效评估和对比分析都显示该方法具有不错的效果。首先，在导板的设计上，由于导板具有安放髋臼网杯部分，相对于常规的截骨导板，髋臼导板的设计更薄，同时采用镂空技术，方便术中操作及导板的去除。其次，术中导板的应用减少了因髋臼放置消耗的时间及术中出血量，同时大大减少了因为不断调整髋臼位置的透视次数，一般来说只需在导板确定位置后透视一次进行位置的确认，偶尔需要再次透视进行位置的微调，很好地解决了过去安放髋臼带来的手术困难。手术时间缩短可减少患者伤口暴露时间，降低并发症发生几率；术中透视次数明显减少也有利于保护患者和医护人员。再次，相对于计算机导航技术而言，术中导板的优势在于设备价格低廉，术中定位准确，不造成过多损伤。最后，术后的跟踪随访及评价结果显示导板的应用具有不错的疗效，患侧和健侧的对比差异无统计学意义。当然，本研究的随访时间相对较短，对于患者的疗效及相关并发症仍需进一步随访观察。

3D 打印导板在临床的应用越来越普遍，但还存在一定的问题和挑战。首先是在导板的前期设计工作中需要消耗一定的时间，这在一定程度上增加了外科医生的工作量；其次，导板设计是非常重要的一个环节，在导板设计阶段需同时注意手术方式、部位、术野周围软组织等几方面问题，确保导板在应用中不易移动，导板的设计者不仅要具有一定的临床专业知识，还要对计算机技术、相关软件的应用有很好的掌握，这对导板的设计者提出了很高的要求；最后，导板的应用过程中产生了一定的额外费用，这给本来就费用较高的患者带来了额外的经济负担。相信，随着 3D 打印技术的不断发展和普及、材料技术的不断进步，这些问题都能一步步迎刃而解。

综上所述，3D 打印髋臼导板应用于骨盆原发恶性肿瘤的切除重建手术中，在设计和应用中都具有一定的创新性，同时能够减少手术时间、术中出血量及透视次数，有利于术中对于患者和医护人员的保护，指导髋臼假体的正确安装，术后评估显示髋臼位置良好，具有不错的手术效果，加上术前术后有效的综合治疗，临床疗效明显，有着良好的应用前景。

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( 本文编辑：裴艳宏 )

Application of 3D printing acetabulum guide plate for assisting accurate reconstruction after the excision of pelvic tumor

SHI Feng-wei, GUO Zheng, FAN Hong-bin, FU Jun, LI Xiao-kang, HUANG Hai, PEI Yan-jun, WANG Fei, WANG Zhen. Department of Orthopaedic Oncology, Xijing Hospital, the fourth Military Medical University, Xi’an, Shanxi, 710032, China

GUO Zheng, Email: guozheng@fmmu.edu.cn

ObjectiveTo evaluate the value and effect of application of 3D printing acetabulum guide plate for conf rming center of rotation and reconstruction of semi-pelvic in the patients with primary malignancy in pelvis.MethodsBetween September 2014 and July 2016, 8 patients with primary malignancy in pelvis were treated. There were 5 males and 3 females with an average age of 43.5 years ( range: 32 - 59 years ). In 5 cases the tumor was in right side and in 3 cases in left side. The 3 of the cases had chondrosarcoma, 2 cases had osteosarcoma, l case had Ewing sarcoma, 1 case had pleomorphic sarcoma and l case had malignant f brous histiocytoma. According to the Enneking system for staging musculoskeletal tumors, the lesion involved ilium ( region I ) and acetabulum ( region II ) in 3 cases, acetabulum ( region II ) and ischium ( region III ) in 3 cases, ilium ( region I ), acetabulum ( region II ) and ischium ( region III ) in 1 case, acetabulum ( region II ), ischium ( region III ) and sacrum ( region IV ) in 1 case. For all the patients reconstruction of pelvic structure and surgical simulation were performed and guide plate was designed before surgery and application of 3D printing acetabulum guide plate for hemipelvectomy, reconstruction of pelvic ring and total hip arthroplasty.ResultsAll the patients were succeeded with preoperative design, production and application of guide plate. Slight deformation of guide plate occurred in 1 case, and was adjusted for correct position in surgery; in the others acetabular cup was in correct position. The average surgical time was 6.4 hours ( range: 5 -8.2 hours ). The average blood loss was 6200 ml ( range: 3500 - 9000 m1 ). The data comparison of postoperative lesion side and normal side had no statistical signif cance based on the postoperative X ray and CT. Effusion in the woundoccurred in 1 case, and was cured with symptomatic and supportive treatment; dislocation of hip joint occurred in 1 case because of improper turning over on the 5th day after the operation. All the patients were followed up, and the average follow-up time was 10 months ( range: 2 - 24 months ). During the follow-up, lung metastasis occurred in 1 case with osteosarcoma after 6 months, and was alive; the other patients had no local recurrence and metastasis. At the last follow-up, the average musculoskeletal tumor score ( MSTS ) was 20 ( range: 15 - 24 ). Conclusions The application of 3D printing acetabulum guide plate which could assist the installation of acetabular cup in the right location, reduce the operation time, blood loss and number of X-ray fluoroscopy, postoperative evaluation shows accurate acetabulum position. This technique has certain innovation and functional effectiveness.

Printing; Three-dimensional; Pelvis; Bone neoplasms; Bone remodeling

10.3969/j.issn.2095-252X.2017.02.007

R738.1, R687.3

国家重点研发计划 ( 2016YFB1101104 )；陕西省科技统筹创新工程计划项目 ( 2012KTCG01-14 )

710032 西安，第四军医大学西京骨科医院骨肿瘤科

郭征，Email: guozheng@fmmu.edu.cn

2016-11-08 )