3D 打印结合组配式假体治疗儿童长节段骨缺损一例报告

杨贵 田征 艾克拜尔·尤努斯 陈江涛 徐磊磊

恶性原发性骨肿瘤好发于儿童和青少年，以骨肉瘤最常见，主要侵及邻近关节部位[1]。传统常常采用截肢手术治疗骨恶性肿瘤，虽然较彻底的清除了肿瘤原发病灶，但生存率较保肢手术相比并无明显差异[2]。保肢治疗已成为目前治疗骨恶性肿瘤的常用手段。保肢治疗过程中的重点之一在于肿瘤切除后骨缺损的重建，尤以下肢长节段骨缺损的重建十分困难。目前常见的重建方法包括：大段异体骨移植，瘤骨灭活再植，自体腓骨移植，传统假体置换等。但是每种重建方法都有一定的局限，包括骨吸收，容易感染，远期假体松动等[3]。随着 3D 打印技术的不断发展，结合传统机械加工技术，使得个性化的假体在治疗长节段肿瘤性骨缺损中变得更为合理。

临床资料

患儿，女，11 岁，因“左侧大腿中部疼痛 2 月，加重伴肿胀 15 天”入院。患者自诉于 2 月前无明显诱因出现：左大腿中部疼痛，呈间歇性胀痛，持续约数分钟后自行缓解，无发热、寒战，局部皮温正常，未引起重视。 15 天前，患者左大腿中部疼痛加重，伴肿胀，持续半小时左右，遂就诊于当地医院。当地医院考虑“骨髓炎”，行“骨髓炎病灶清除术”，术中发现病变并非骨髓炎，偏向肿瘤性质可能，故临时改为取活检术，术后病理诊断为：普通型骨肉瘤，肿瘤分期 ⅡB 期。

一、术前检查

X 线片提示：左股骨中下段皮质欠规整，可见一梭形膨胀性骨质破坏区以及骨膜反应，周围软组织肿胀。CT 提示：股骨中下段膨胀性骨质破坏，局部巨大软组织肿块，大小：11.3 cm×5.5 cm，周围见骨膜增生，呈梭形改变。MRI 提示：病变呈长 T1长 T2信号，压脂序列呈明显高信号，增强扫描呈明显均匀强化。影像评估病变长度为 29.8 cm，占股骨全长的 74.3%，肿瘤未侵及股骨近、远端骨骺(图 1)。

图1 术前影像学检查 a、b：为新辅助化疗前 CT 和 MRI，其中 CT 示左股骨中下段膨胀性骨质破坏，可见骨膜反应，周围软组织块形成；MRI 示病变呈长 T1 长 T2 信号，压脂序列呈明显高信号；c～e：为新辅助化疗后 X 线、CT 和 MRI，可见肿瘤范围缩小，边界较前清楚Fig.1 Preoperative imaging a - b: CT and MRI before neoadjuvant chemotherapy; CT showed the expansive bone destruction with periosteal reaction in the middle and lower segments of the left femur, and the bone destruction area was surrounded by soft tissue mass; MRI showed the lesion with long T1 and T2 signals, and marked hyperintense signals on compression fat sequence; c - e: CT and MRI after neoadjuvant chemotherapy showed that the tumor area was reduced and the boundary was clearer than before

二、术前化疗

严格按照骨肉瘤一线化疗方案 MAID 行两个循环的化疗，其中甲氨蝶呤(12 g / m2，1 日 1 次)、阿霉素(30 mg / m2/ 天，1 日 2 次)：环磷酰胺(2 g / m2/ 天，1 日 5 次)：顺铂(120 mg / m2，1 日 1 次)。化疗结束后复查 CT、MRI 提示：病变缩小，界限比之前清楚(图 1d、e)，为完整切除肿瘤创造了条件。

三、术前设计

考虑患者为青少年，且病变未侵及两端骨骺，经讨论决定行保留骨骺的保肢治疗，为保证达到 R0 切除，结合术前最新 MRI，远端决定从股骨外上髁往上 4 cm 处截骨，近端于小转子上缘处截骨。为重建肿瘤切除后的骨缺损，决定采用 3D 打印结合组配式假体的个性化方案。根据患者术前薄层 CT 扫描数据，采用 Mimics14.0 软件进行三维重建，根据三维重建模型设计假体。假体总长 34 cm，由四部分组成，近端和远端为 3D 打印的假体，并设计为有利于骨长入的多孔结构，中间包括一个标准组配截骨段和一个定制截骨段。近端假体辅助两个螺钉用于前期固定，远端外侧采用钢板加螺钉固定(图 2)，同时合理确定螺钉方向，以避免损伤骨骺。

图2 假体设计 a：假体设计图，可见假体由四部分组成，近端和远端为 3D 打印假体，骨接触面设计为利于骨长入的多孔结构，中间部分为传统机械加工的组配式假体；b：用 CT 扫描数据，通过 Mimics 软件建立肿瘤实体与 3D 打印与传统机械加工结合个性化假体三维数字模型；c、d：为假体实物，两端可见 3D 打印骨小梁；e：近端假体与骨接触面设计有 3 mm 厚骨小梁结构，并设计两个螺钉用于前期固定； f：远端假体与骨接触面设计有 5 mm 厚度骨小梁凸台结构沉入股骨远端松质骨Fig.2 Prosthesis design a: Prosthesis design diagram; the prosthesis was consisted of 3D printed prostheses at the proximal and distal ends, a porous structure which facilitated bone ingrowth on the bone contact surface, and a traditionally machined component prosthesis at the middle part; b: The data were scanned with CT to establish the 3D digital model that was composed of tumor entities and 3D printed prosthesis by Mimics software; c - d: Prosthesis of 3D printed trabecular bone on both ends; e: The interface between the proximal prosthesis and the bone was 3 mm thick trabecular bone structure; The bone contact section was designed with two screws for the former fixation; f: The interface between the distal prosthesis and the bone was designed with a 5 mm thickness trabecular boss structure which could sink into the cancellous bone of the distal femur

四、手术过程

麻醉生效后，患者取右侧卧位，沿左股骨大粗隆至股骨外髁做一长约 30 cm 手术切口，暴露病变及股骨，近端至小转子上缘，远端至股骨外上髁上约 4 cm，克氏针定位截骨面，按照术前确定的截骨方案进行截骨，保证肿瘤完整切除，同时保留两侧骨骺。近端扩髓后放入假体，螺钉固定，远端将假体与股骨残端对合好后，钢板螺钉固定。术后患肢髋关节和膝关节活动度可，且假体位置及固定良好(图 3、4)。

图3 手术过程 a：确定截骨平面，近端截骨面大约在小转子上缘水平，远端截骨面距离股骨外髁底部约 4 cm；b：术中克氏针定位截骨平面；c、d：X 线确定克氏针定位的截骨面位置；e：假体近端与股骨采用 2 颗螺钉固定；f：假体远端与剩余骨采用钢板螺钉固定Fig.3 Surgical procedure a: Determining the osteotomy plane; the proximal osteotomy surface was at the level of the upper edge of the lesser trochanter, and the distal osteotomy surface was about 4 cm away from the bottom of the femoral lateral condyle; b: Ascertaining the position of the osteotomy plane by using Kirschner wires during the operation; c - d: Locating the position of the osteotomy surface by X-ray; e: The proximal end of the prosthesis and the femur were fixed with 2 screws; f: The distal end of the prosthesis and the residual bone were fixed with plate screws

五、术后愈合时间及康复要点

1. 术后愈合时间：患者术后 2 个月左右可以在床上做关节活动，3 个月可以在支具辅助下下床活动，术后第 4 个月逐渐脱离支具，第 5 个月可以正常行走，且患侧髋、膝关节活动基本正常。

2. 康复要点：( A) 术后局部适当加压包扎，并抬高患肢 15°～30°，以利于静脉回流减轻水肿。( B) 术后第 5～ 7 天指导患者做踝关节的背屈、跖屈活动，同时进行股四头肌等张收缩以预防深静脉血栓。( C) 术后 3 周开始逐渐适度功能锻炼，可先在床上进行膝、髋关节的屈伸运动，然后做对抗阻力的关节活动。( D) 术后 2～3 个月开始扶拐练习行走，并逐渐增加患肢负重，可在医师指导下扶床下蹲与直立，直至最后逐渐脱离支具。

六、术后化疗与随访

1. 术后化疗：术后继续行 6 个循环化疗，方案与术前化疗方案相同。

2. 随访：术后 1 年复查 X 线提示假体位置及固定良好，且双下肢等长，复查肺部 CT 未发现转移病灶，患肢髋关节和膝关节活动度基本正常，MSTS 评分为 29 分 (图 5)。

图4 手术结束后 a～c：术后 X 线提示假体固定良好；d：术后可见假体重建位置良好Fig.4 After the operation a - c: X-ray suggested a good fixation of the prosthesis; d: Prosthesis reconstruction was in good position

图5 术后随访 a：术后 5 个月复查双下肢全长 X 线片示假体稳定，位置良好；b：术后 1 年复查双下肢全长 X 线片示双下肢等长，且假体位置良好；c～e：术后 1 年患者肢体活动状况，可见患侧肢体功能基本正常Fig.5 Postoperative follow-up a: The full-length X-ray of both lower limbs showed the prosthesis was stable and in good position 5 months after operation; b: The full-length X-ray film of lower limbs showed that both lower extremities were equal in length and the prosthesis was placed well 1 year after surgery; c - e: Activity status showed that the affected limb function was basically normal during the first year after operation

讨 论

骨恶性肿瘤手术治疗最主要的关键是病变切除过后骨缺损的重建问题，而缺损长度的大小直接影响重建方式的选择。目前对于人肿瘤性骨缺损长度的量化标准还没有明确的定义，只有在动物实验中，Schmitz 和 Hollinger 将特定生命周期和特定骨上不能自行愈合的最小骨缺损，称为极量骨缺损；同时将骨缺损长度等于或大于长骨直径的 1.5～2.0 倍时称为大段骨缺损或临界骨缺损[4-6]。本例病变长度为 29.8 cm，占股骨全长的 74.3%，属于比较大的缺损长度，难以通过自体骨搬运或移植进行重建，如果采用传统人工假体置换，无法保留骨骺，由于患者是青少年，随着时间的推移，必然出现双侧肢体发育不等长而需再次手术翻修的可能。由于本例肿瘤并未侵及双侧骨骺，而且符合目前比较认可的保留骨骺的适应证，即：肿瘤位于干骺端且骺板未闭合，影像学提示肿瘤未侵及骨骺，同时肿瘤对化疗反应敏感且已行规范的术前化疗[7]，因此，保留骨骺从而为患者保留骨关节发育的“储备空间”可能是一种更好的选择。

随着 3D 打印技术的发展，3D 打印个性化的假体结合传统机械加工技术给肿瘤性骨缺损的重建提供了一种新的方向。为了实现早期的固定及后期的生物性稳定，个性化的超长假体两端与剩余骨的融合非常重要，尤其是接触面的骨长入问题。王钟汉等[8]通过总结分析 3D 打印钛合金支架的各种参数时发现，合适的孔隙尺寸、孔隙率、孔隙形状和表面处理方式对于骨长入效果或者体外支架内成骨都有着极其重要的作用。孔隙尺寸和孔隙率可以影响支架内组织的氧供和血管的生成，而孔隙的形状以及不同的表面处理方式则对支架内成骨细胞有着很好的诱导作用，从而促进细胞的黏附、增殖以及分化。通过综合分析最适合于骨长入的几项参数，然后结合 3D 打印技术生产出最适宜的支架，使支架与骨接触面获得良好的骨长入效果，从而保证骨 - 支架界面达到良好的稳定性，为后期的生物性稳定奠定了良好的基础。由于超长段的肿瘤病变彻底切除后剩余骨量变得很少，因此假体两端与剩余骨的固定力臂较短将是一个需要考虑的问题。张忠等[9]通过在猪的股骨进行的实验表明，在保留骨骺的保肢手术中，采用钢板加螺钉垂直固定或交叉固定的方式，使骨骺与大段移植骨的固定实现了早期的稳定性。

本例采用两端使用 3D 打印的特殊金属多孔结构以利于骨长入 + 机械加工组配式假体 + 辅助钢板螺钉的设计，同时保留两侧骨骺为患者保留骨关节发育空间。中段采用可更换的机械加工的组配式假体为后期可能出现的肢体不等长提供了解决策略，避免了大的手术翻修造成的巨大损伤。通过前期的随访效果来看，这种 3D 打印骨长入结合传统机械加工组配式假体对于长节段骨缺损的治疗可能是一种很好的选择，有着不错的应用前景。