3D打印内植物在青少年骨恶性肿瘤保肢保骺术中的应用

李哲 艾克拜尔·尤努斯 王臻 田征 陈江涛 姜大为 徐磊磊

作者单位：830011乌鲁木齐，新疆医科大学第一附属医院骨科 (李哲、艾克拜尔·尤努斯、田征、陈江涛、姜大为、徐磊磊)；710032西安，空军军医大学附属西京医院 (王臻)

骨恶性肿瘤通常发生在儿童、青少年的干骺端，随着辅助化疗、放射治疗的进步以及对肿瘤生物学和分期的认知，在我国大多数骨肿瘤治疗中心均采取保肢手术治疗肢体骨恶性肿瘤[1-3]。对于术中须将邻近关节一起切除，导致大段骨质缺损及骨骺的损伤，进而需再手术重建的患者，肿瘤接近骨骺且处于生长发育期的儿童、青少年，传统重建方式易损伤骨骺，在保肢手术后，随着生长发育，常会出现肢体不等长等复杂并发症[4]。随着 3D打印技术的迅速发展，基于 3D打印技术的骨恶性肿瘤的个体化治疗正逐步有临床实验转变为临床常规应用，同时也为青少年骨恶性肿瘤的保骺治疗提供了一个选择。2017年 2月至 2019年 11月，我科先后为 2例恶性骨肿瘤患儿进行了肿瘤切除，术中利用 3D打印内植物重建患肢并保留骨骺。术后近期临床疗效满意，现报告如下。

资料与方法

一、一般资料

本组 2例，男女各 1例；年龄分别为 8岁、15岁。肿瘤病理类型：骨肉瘤 1例，尤文肉瘤1例。肿瘤发生部位：股骨干 1例，胫骨干 1例。原发肿瘤按照 Enneking分期，均为 Ⅱb期。2例术前均按照肿瘤类型接受规范新辅助化疗，术前常规行 X线、CT、MRI、骨扫描等检查。

二、假体设计

患者入院后首次患处 CT检查及患处 MRI检查数据输入计算机，利用 Mimics软件加载 Dicom格式的数据，以 CT检查为主要数据源，将 MRI检查数据与其融合，根据入院后首次 MRI检查判断肿瘤范围及水肿反应区，并在软件中标示[5]。按距离肿瘤水肿带外 3 cm为截骨平面进行手术规划[6]，在软件中完成模拟肿瘤切除截骨长度。为确保术前设计的内植物可以准确植入骨缺损处，通过逆向工程技术求得截骨面处的截骨导板，以便术中精确截骨。在模拟完整切除后，根据局部骨缺损以及健侧情况设计 3D打印内植物。在内植物设计制作过程中应注意内植物形状、强度、表面结构、成骨活性、重量、质量、材质等要素[7]。

三、手术方法

手术前再次进行肿瘤部位 MRI检查，与首次MRI检查结果对比，判断肿瘤范围是否有增大，如果无明显增大，可按术前设计进行手术。常规手术准备，按照术前设计好的手术切口，暴露截骨平面处骨面，尽可能剔除周围软组织后安放导板，在导板引导下进行截骨，完成肿瘤段骨质的切除。术中留取截骨面髓腔内组织送病检。将内植物安装于骨缺损部位，见对位线良好后固定内植物。假体安装后冲洗切口，充分止血，放置引流并逐层缝合。

术中放置负压引流管，术后引流管放置至 24 h引流量 ＜ 20 ml后拔除引流管，期间给予持续负压引流。术后常规应用抗生素至引流管拔除后第 2天。术后 2周视术区情况间断拆线，拆线后 14天，继续按计划行化疗治疗。术后 3～6周拄双拐部分负重行走，术后 12～16周，开始逐步完全负重。

四、术后康复及随访

2例于术后 1个月、3个月行 X线检查，术后每 3个月行肺部 CT检查、全身骨扫描及双下肢全长 X线片，随访时注意测量患者身高、双侧肢体长度。疗效评价指标包括患者生存状态、肿瘤学情况、假体并发症情况、肢体功能等，随访时应用MSTS评分量表评估患者患肢功能，根据全身骨扫描尤其是患肢处的扫描结果，评估骨生长情况及新生骨与内植物之间的关系，根据身高、双下肢全长片及测量双侧肢体长度来评估患者生长发育情况。

结果

2例均按术前计划实施手术，并在术中按术前计划应用截骨导板引导截骨。术后病理均提示截骨处髓内组织未见明确恶性肿瘤累及。假体安装牢固，其中钛金属 3D打印+带血管腓骨移植+多孔复合假体+定制钢板重建 1例，钛金属 3D打印多孔复合假体重建 1例。

术后按照计划患者进行随访，本组 2例术后分别随访 12个月和 32个月。至末次随访时，2例均存活而且局部无肿瘤复发、远处无转移迹象，术区无发热、伤口渗液、感染等情况，3D打印假体均完整，均已下地行走。1例股骨尤文肉瘤患者在术后20个月随访时发现钢板断裂，行更换钢板并且术中可见新型骨痂已形成坚强骨愈合 (图 1)。

末次随访时，2例 MSTS评分均为 26分。其中，1例随访时间 32个月的患者 (股骨中段尤文肉瘤，图 2) 评分为优；1例随访 12个月患者 (胫骨骨肉瘤，图 3) 评分为优。行双下肢全长片，评估患者双侧肢体差距：第 1例，患肢较正常肢体缩短4 cm，第 2例，双侧肢体未见明显差异。从身高来评估，2例患者在末次随访时，身高值均在正常范围内，提示患者骨骺增长正常，生长发育未受限。将患者人口学特征、诊断、病灶评估、手术日期及末次 MSTS评分等一般资料进行详细记录 (表 1)。将患者身高及末次随访时双侧肢体对比进行重点记录 (表 2)。

图1 行钢板置换术患者 a：发现近端已长出骨痂，并向内植物一侧迁延；b：术中透视证实新生骨已越过骨与内植物连接处图2 患者，男，16岁，2016-10-25确诊为左股骨尤文肉瘤，瘤段长约 18.5 cm a：2016-10-24化疗前 MRI；b：2017-01-03化疗后MRI；c～d：2017-02-04术中照片；e：2017-05-29复查 X线片；f：2018-09-20复查时发现钢板断裂；g～h：2018-09-29再次手术，术中照片；i：2019-10-09复查 X线片；j：患者功能照Fig.1 2018-09-29 Plate replacement was performed in the first patient a:The callus had grown in the proximal end and extended to the prosthesis;b:Intraoperative fluoroscopy confirmed that the new bone had crossed the joint of bone and prosthesisFig.2 Male,16 yeas old,diagnosed as Ewing’s sarcoma of the left femur 2016-10-25,tumor length 18.5 cm a:MRI before chemotherapy 2016-10-24; b:MRI after chemotherapy 2017-01-03; c -d:Intraoperative images 2017-02-04; e:X-ray examination 2017-05-29; f:Steel plate break during the reexamination 2018-09-20; g -h:Reoperation 2018-09-29; i:X-ray examination 2019-10-09; j:General functions

表1 患者基本信息Tab.1 Basic information of patients

图3 患儿，女，9岁，2018-09-10确诊为右胫骨骨肉瘤，瘤段长约 11.5 cm a：2018-09-06化疗前 MRI；b：2018-11-06化疗后 MRI；c～d：2018-11-10术中照片；e：2018-11-14术后复查 X线片；f：2019-04-29复查 X线片；g～h：2019-10-16复查 X线片；i：患者功能照Fig.3 Female,9 years old,diagnosed as osteosarcoma of the right tibia 2018-09-10,tumor length 11.5 cm a:MRI before chemotherapy 2018-09-06; b:MRI after chemotherapy 2018-11-06; c -d:Intraoperative images 2018-11-10; e:X-ray examination 2018-11-14; f:X-ray examination 2019-04-29; g -h:X-ray examination 2019-10-16; i:General functions

表2 身高变化Tab.2 Changes in height

讨论

在化疗出现之前，截肢是肢体骨恶性肿瘤的主要治疗方法，术后患者不但承受肢体残缺和巨大心理创伤，绝大多数患者仍不可避免地死于肺转移[9-11]。20世纪 80年代初，Rosen等[12]提出新辅助化疗的理论后，新辅助化疗成为提高患者生存率及保肢率的关键，目前形成了术前新辅助化疗 → 手术 → 术后化疗的骨恶性肿瘤标准治疗模式。同时，因手术技术的进步、内植物材料的发展，骨恶性肿瘤切除后大段骨缺损重建技术取得飞速发展，保肢手术方法迅速发展。严格按照 Enneking外科分期的指导下手术切除肿瘤，骨恶性肿瘤保肢治疗的安全性已得到广泛证实，与截肢治疗的生存率几乎相当[13]。

骨恶性肿瘤好发于青少年骨骼生长较为活跃的干骺端，由于青少年骨骺尚未闭合，传统重建方式需切除一侧或双侧骨骺，这势必会造成患者术后患肢的生长障碍、致使双侧肢体不等长或关节畸形，并可能出现严重跛行或代偿性脊柱侧凸[14-16]。在保证手术安全边界的情况下，尽可能保留骨骺，保留骨骺，可以降低青少年术后畸形的发生，但对此要严格把握适应证。保肢术的适应证：肿瘤位于干骺端，骺板尚未闭合；术前通过一系列影像学检查证实肿瘤尚未侵犯骨骺，且术后病理对此进一步证实；严格遵循新辅助化疗的治疗原则，且病理证实化疗有效[17-18]。传统保骺手术包括：保留骨骺的灭活再植术、骨骺牵开保骺术、保留骨骺的转移性骨生长术、保留骨骺的关节假体置换术，前三种方式存在感染、移植骨吸收、骨折端延迟愈合或不愈合、骨折、内固定物松动或断裂、肢体僵硬等问题。肿瘤型假体置换是骨肿瘤肢治疗机械性重建的重要方法，但保留骺的肿瘤型假体应用较少[19]。

因肿瘤生长部位、肿瘤病理类型、肿瘤大小的不同，以及患者年龄、体型、体质等差异等因素，导致手术方式存在差异较大，重建方式的个性化设计成为手术治疗成败的关键[20-21]。3D打印通过个体化定制以匹配肿瘤切除后独特的骨缺损，实现较为完美的重建[22-23]。多项临床研究表明，3D打印假体临床应用的中短期随访显示该技术可使假体与骨缺损匹配精确，获得早期稳定性，内植物与宿主骨结合牢固，假体松动等并发症少见，取得较满意的效果[24-26]。

本组 2例均为未成年人，处于生长发育期，为肢体长骨恶性肿瘤，位于骨干且临近骨骺，同时术后骨缺损范围大。若采用传统保肢保骺手术，在进行重建时势必会损伤骨骺且破坏关节稳定性，术后随着生长发育，会出现肢体不等长、假体松动等并发症。术前经充分研讨后，决定利用 3D技术制作个体化内植物进行术中重建，术中仅切除肿瘤所侵犯的骨干，不伤及长骨端的骨骺及关节。同时为达到精确截骨的目的，在术前设计假体时，在截骨平面位置设计截骨导板。术中按照术前设计进行肿瘤切除+重建术，在尽可能大的切除肿瘤所在骨的同时未伤及骨骺且未破坏临近关节结构，这为患者的关节发育预留了空间，同时也保证了患者术后关节的稳定。术后随访，患者临近关节活动度良好，患者身高均在正常身高范围内，且患肢未见明显的缩短畸形，与传统手术方式相比，降低了术后并发症的发生。

3D打印假体与保留骨骺的保肢术相结合，为儿童骨肉瘤保肢治疗提供了一种新的选择。本组患者根据术前影像学资料，确定肿瘤边界，利用 3D打印技术，预先设计好截骨导板及肿瘤假体，这样可以更加准确地进行肿瘤边界的切除，尽可能多地保留自身健康的骨组织进行假体重建，在确保肿瘤完整切除基础上，尽可能保留患者骨骺，降低患者术后短缩畸形的发生率。这一手术方案为青少年骨恶性肿瘤保肢、保骺治疗提供了一个新思路。此外，利用 3D打印技术可将假体表面设计为多孔结构，这一设计可以减轻假体重量，满足骨组织长入的需要，提高成骨活性增加稳定性，同时可以减少假体表面产生积液的可能性，降低术后感染发生率[7]。

就 3D打印内植物而言，其临床应用仍有局限性。包括内植物的高昂成本、设计和制造以满足手术期限所需的筹备时间、术中缺乏灵活性，以及难以实现准确放置内植物，最好从术前计划、植入物的设计和制造、手术过程的实施和远期临床结果四个方面来评估总手术效益[19]。在未来，为了使 3D打印内植物更多的应用到临床治疗，需解决的限制包括植入物的高成本、制造的提前期以及术中灵活性的缺乏。同时为了提高 3D打印技术在临床的普及程度，应该开发一个集成的一体式计算机平台，以便在不同的护理提供者 (如放射科医生、临床医生、工程师和植入物加工公司) 之间进行轻松地规划和无缝沟通[27]。

综上所述，本组病例中长期随访结果证实，3D打印内植物重建方法减少临近关节的损害，维持正常的关节功能；早期避免骨骺损伤，预留关节发育的空间，降低患者术后短缩畸形的发生率；同时利于新生骨的长入，实现生物重建。与传统手术方式相比，降低了术后并发症的发生，也避免了没有合适肿瘤假体的尴尬局面。但在内植物设计及手术技术上仍有改进之处，同时因本研究病例数量较少，随访时间短，可能会低估肢体缩短畸形等相关并发症的发生率，仍需大样本实验及长期随访进一步证实。