数字技术在骨肿瘤外科的应用临床数字骨科（三）

张 余，马立敏，尹庆水，丁焕文

继续教育

数字技术在骨肿瘤外科的应用临床数字骨科（三）

张 余，马立敏，尹庆水，丁焕文

数字骨科学；骨肿瘤

随着医学影像技术、计算机辅助设计（computer aided design，CAD）技术、计算机辅助制造（computer aided manufacturing，CAM）技术、快速成型（rapid prototyping，RP）技术、术中导航技术、机器人辅助手术技术、数字化手术室以及基于骨科生物力学的手术分析评定与研究等数字技术的快速发展，骨科疾病的临床诊治正在向标准化、精细化、个性化和数字化方向发展[1-4]。同样，数字技术与骨科学的交叉融合，为骨肿瘤外科领域提供了更加有力的技术保障，在骨肿瘤侵犯范围的正确评估、骨肿瘤切除安全界限的设计、复杂骨肿瘤切除及缺损修复的手术设计、个性化假体制造等方面得到了广泛的应用。现将目前在骨肿瘤外科领域运用的主要数字技术介绍如下。

1 主要数字技术

1.1 骨肿瘤三维数字化模型的建立

术前在对患者行X线片检查、明确病变为骨肿瘤的同时，进行CT、MRI扫描。将扫描获得的病变骨骼的断面图像保存为DICOM格式，然后将数据导入Simpleware等三维建模软件，运用阈值分割、区域增长等功能，分别重建出病变部位骨组织和软组织的三维解剖模型。最后将CT重建的骨组织与MRI重建的软组织模型在CAD软件进行装配，生成骨肿瘤复合三维模型。

1.2 模拟截骨

运用计算机辅助技术分析肿瘤区域的形状以及肿瘤浸润的范围，根据肿瘤性质确定外科切除边界，在骨肿瘤三维重建模型的基础上模拟肿瘤切除，自肿瘤边界0.5 cm开始，每间隔0.5 cm进行1次模拟截骨，直至距离肿瘤边界3～5 cm处，并观察截骨断面有无骨质破坏。如截面存在骨质破坏，则可向远端继续模拟截骨，直至截骨面无骨质破坏为止。

1.3 数字化模板的计算机辅助设计

在Geomagic等逆向工程软件中打开三维重建模型，定位三维参考平面。设计肿瘤切除辅助模板的最佳截骨范围，提取股骨模型解剖学形态，在软件中建立与股骨前部解剖形状一致的反向模板，将模板与股骨拟合，观察切除辅助模板与股骨对应的准确性，然后以STL格式输出（图1）。1.4 RP技术

图1 肿瘤切除辅助模板

将三维重建输出的骨肿瘤模型和切除辅助模板的STL格式文件导入RP机，利用激光RP技术将病变骨骼模型和切除辅助模板同时制作出来备用（图2）。在手术前，实体模型有助于手术医师对患者病情有更加深入的掌握，也使患者及家属了解病变的复杂性以及手术操作的危险性，取得患者及其家属的理解与配合，使健康教育工作更加顺利地开展。手术中，显露骨肿瘤区域后可以安装肿瘤切除辅助模板以引导截骨，进行肿瘤的精确切除；也可将实体模型消毒后在手术台上进行实体比对，为手术精准化操作提供参考。

图2病变骨骼及肿瘤切除辅助模板的RP实物模型

1.5 术中导航技术

应用Stealthstation system等计算机辅助导航系统实现骨肿瘤手术的术中导航。具体操作过程包括：（1）CT扫描：患者行骨肿瘤CT扫描,并将影像资料录入DAT磁带中。（2）影像数据处理：将CT资料录入导航系统工作站，进行骨肿瘤的三维重建。（3）选择定位点：在重建的骨肿瘤三维影像上选择4～10个定位点。（4）计划手术入路：利用影像资料和三维模型设计最佳手术入路，以减少组织损伤。（5）设备连接注册：患者全麻后取侧俯卧位或俯卧位，常规手术暴露骨肿瘤，安置夹和带齿支柱，固定参考环，连接有线探针。（6）定位标记联合注册：用有线探针按标记顺序逐一注册病变区骨肿瘤的定位标记。（7）导航下切除肿瘤：在导航实时监测下以最小的损伤完成肿瘤切除。

2 数字化技术在骨肿瘤外科的应用

2.1 骨盆肿瘤

骨盆肿瘤分为骶骨肿瘤及髂骨（包括耻骨与坐骨）肿瘤。按照Enneking骨盆肿瘤分区，可以分为Ⅰ区（髂骨）、Ⅱ区（髋臼周围）、Ⅲ区（耻骨和坐骨，闭孔周围）和Ⅳ区（骶骨）。骨盆解剖结构复杂，与周围脏器、神经、血管关系密切，手术难度较大，肿瘤切除后骨缺损修复较困难[5-6]。

数字骨科技术的进步使骨盆肿瘤的手术治疗有了新的发展。例如，术前将CT、MRI扫描数据导入三维建模软件，重建骨盆肿瘤病变部位骨关节的三维解剖模型以及肿瘤浸润范围的三维模型；然后在三维重建模型上精确界定肿瘤范围，根据肿瘤性质确定正确的外科切除边界。在此基础上，根据骨盆肿瘤病灶部位的解剖形状设计并制作肿瘤切除辅助模板，用于术中辅助切除骨盆肿瘤；同时还可借助三维异体骨解剖模型设计和制作异体骨修剪模板，以便术中据此将异体骨修剪为与肿瘤切除后骨缺损相一致的三维外形。此外，还可通过计算机模拟骨盆肿瘤切除重建过程，进而验证设计方案的可行性并进一步完善手术方案；在术前也可明确假体安装可能存在的问题及困难，并加以改进，使制作出来的假体精确度高，与患者对侧骨盆完全匹配，且双侧髋关节对称。总之，运用数字骨科技术，保证了骨盆肿瘤手术操作的顺利进行，避免了术中可能出现的假体安装困难，缩短手术时间，减少术中出血，有效降低术后并发症的发生率，提高患者生活质量。

2.2 四肢骨肿瘤

就四肢骨肿瘤而言，术前对于肿瘤侵犯范围的确定多根据病理学分期、恶性程度、影像学改变并结合个人经验而获得。随着CAD-RP技术在医学领域的广泛应用，四肢骨肿瘤的个体化手术切除范围设计开始逐步在临床获得开展。

众所周知，四肢骨肿瘤外科边界的确定是保证无瘤操作的基本要求。常规的安全范围是距肿瘤边缘5 cm，亦有学者认为距肿瘤边缘3 cm已可保证足够的安全[7]。准确把握截骨平面，既可避免截除过多正常的骨质，又可避免因截骨平面不足而带来的肿瘤播散。因此，截骨平面的确定是肿瘤手术操作的关键步骤。应用数字化技术建立四肢骨肿瘤三维模型，并通过模拟截骨确定手术切除范围是一种新的探索和尝试：借助CT及三维建模软件重建的骨肿瘤三维模型，医师可以清晰、直观、详细地了解肿瘤的大小、形状和侵犯范围，并可借助模拟截骨来观察断面有无骨质破坏等情况，这对于术前明确手术方案、缩短手术时间以及降低术后肿瘤复发率都有积极的意义（图3，4）。此外，我们还可以在确定截骨面的基础上制作手术模板，术中直接卡在病变骨周围，直接标定截骨平面所在，省略了术中测量、反复比对等过程，使手术更加精准。

图3 模拟股骨截骨并标定截骨面

图4 股骨肿瘤的切除范围

2.3 肿瘤型人工假体置换

图5 骨肿瘤部位的三维重建和肿瘤范围的测量

在骨肿瘤患者的外科治疗中，肿瘤切除与切除后重建是主要的治疗方式。目前常用的重建方式主要有异体半关节及肿瘤型人工假体[8-9]。而对于恶性骨肿瘤患者，尤其是骨肉瘤患者来说，他们大多为青少年，年龄以10～20岁居多，普通的假体难以满足日常生活的需要，因此，定制化肿瘤假体的开发和研制逐渐成为研究者关注的热点[10-11]。广州军区广州总医院丁焕文等[12]采用CAD技术对患者骨肿瘤部位进行三维重建、肿瘤范围测量（图5）及计算机模拟，据此设计了个性化半关节假体。西安交通大学张虎等[13]、西京医院王臻等[14]应用逆向工程和快速原型技术相结合的方法研制基于数字技术的个体化半关节假体，临床应用结果显示，该假体能够与异体骨及对侧关节面良好匹配，患者关节功能恢复理想。其主要制作过程是：（1）对患者进行CT扫描、三维重建和测量分析，计算出假体的相关参数；（2）将数据输入三维成型机，层层累加打印，根据实体体积大小成品为蜡模；（3）将蜡模整个包围在阴模制作材料中，然后开1个注液孔和出气孔；（4）利用关节的RP模型做模壳，采用具有良好生物相容性的钛合金（Ti6Al4V）离心浇注，使液态物质借助离心力通过注液孔进入阴模物质，再将蜡模融化成气态，由出气孔排出，最终用液态钛合金取代蜡模在阴模里冷却成型；（5）去除表面阴模材料，最终制得个体化人工关节假体。

3 骨肿瘤外科数字技术的优势

数字技术在骨肿瘤外科应用中最重要的两个优势体现在：（1）精确化：借助数字技术，骨肿瘤医师可以在术前精确评估骨肿瘤的侵犯范围、外科边界和截骨平面，在有效阻止肿瘤复发转移的前提下降低骨关节手术难度，减少过度的手术创伤；术中在导航系统辅助下可有效避免操作失误和定位偏差；辅助肿瘤切除模板亦可辅助术中肿瘤的精确切除[15]。（2）个性化：术前的个性化计算机模拟手术完全是为个体患者量身定做，在结合患者及家属个人意愿的基础上选择出最佳的手术方案；借助RP技术研制出的个性化假体匹配良好，重建效果满意。

4 典型病例

患者，男，42岁。主因“右股骨下段疼痛2周、发现肿物1周”来院就诊。查体：左大腿下内侧触及5 cm×3 cm肿物，压痛，界限较清楚，不能移动，无明显红肿及静脉曲张。MRI检查示：左股骨下段肿瘤（图6A，6B）。入院后完善检查，行CT引导下穿刺活检，病理检查结果示左股骨下段骨肉瘤。

4.1 数据获取和三维重建

行CT扫描，导入Simpleware软件进行软硬组织建模，扫描电压120 kV，电流205.50 mAs，扫描矩阵512×512，进行骨组织解剖学模型重建。进一步通过MRI容积扫描进行肿瘤重建，将CT重建的骨组织模型与根据MRI重建的肿瘤三维模型在Simpleware软件CAD模块中进行配准、对齐，以STL格式导出。

4.2 模拟截骨

对三维重建模型进行测量分析，明确肿瘤范围，依据肿瘤根治性切除的标准，切除5 cm长交界区域的正常骨干，加上肿瘤本身的长度，共切除（肿瘤大小+5 cm）的距离，在这一点行模拟截骨。

4.3 肿瘤切除辅助模板的建立和制造

将复合三维STL肿瘤模型导入逆向工程软件Geomagic，定位三维参考平面。提取肿瘤的测量范围，在软件中建立与骨组织形状一致的反向模板，将模板与骨肿瘤三维模型进行拟合，观察模板与肿瘤三维模型对应的准确性。通过激光RP技术，将实体模型和肿瘤切除辅助模板同时制造出来，在打印模型上进行手术的模拟训练（图6C）。

4.4 术中应用

将术前经高温消毒的肿瘤切除辅助模板和实体模型带入手术室，术中进行装配和截骨（图6D），待切除辅助模板与肿瘤骨精确匹配后，行骨瘤段切除+大段异体骨移植内固定术。2年随访结果显示，患者恢复良好，临床效果满意（图6E，6F）。

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图6 数字技术在左股骨下段骨肉瘤手术的应用 6A，6B术前MRI影像 6C模拟装配 6D术中装配切除模板进行截骨 6E，6F术后1年X线片

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R-05，R68，R738

A

1674-666X(2012)01-0068-05

2011-12-15；

2012-01-11）

（本文编辑 白朝晖）

10.3969/j.issn.1674-666X.2012.01.011

510010广州军区广州总医院骨科医院实验室

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