计算机导航辅助下切除四肢干骺端恶性肿瘤保留自体关节的安全性及长期随访疗效评估

陈国景 李明辉 王凤伟 王臻 肖鑫 鲁亚杰 罗卓荆 李靖

近年来，随着临床技术的进步和多学科联合诊疗的发展，四肢骨肉瘤的5年存活率已经提高到60%～70%，保肢率达到90%以上[1-2]。随着生存率的提高，如何提高患肢的长期使用及保留良好的肢体功能受到越来越多的医生重视[3]。目前，四肢恶性骨肿瘤切除后的保肢方法主要有人工假体置换、瘤骨灭活回植及异体骨移植重建等，但假体的松动、移植骨不愈合及感染等并发症是困扰临床医生的主要问题。

核磁共振、CT等影像学技术可以精确地确定肿瘤侵犯长骨干骺端的范围，这使得外科医生可以在术前精确定位肿瘤切缘，在保证充分的肿瘤外科边界的前提下，可以将肿瘤未突破骺板或侵犯小部分骺板的肢体实施骺板下或骨骺内切除，从而保留自体的关节面，使得患者的关节可以长期使用。但在切除的过程中，外科医生面临的最大挑战是肿瘤边界的立体定位，计算机术中辅助导航系统可以实时帮助医生在术中做到精准切除，确保肿瘤边界安全[4-10]。

笔者随访了本科于2007年1月至2011年9月的10例在术中计算机导航系统辅助下精确切除肿瘤保留自体关节的患者，通过10年以上的长期随访评价这些患者的肢体功能及预后，从而评估术中计算机导航系统在四肢恶性肿瘤切除保肢中所体现的价值。

1 资料与方法

1.1 纳入与排除标准

纳入标准：①病理学诊断为骨肉瘤或尤文肉瘤者；②具备保肢手术条件，无手术禁忌证；③肿瘤邻近干骺端骺板或仅侵犯一侧部分骨骺者；④新辅助化疗反应良好者。

排除标准：①多发转移病灶或不可切除肿瘤者；②心肺功能不全或合并其他系统重大疾病者；③肿瘤侵犯全部骨骺者；④新辅助化疗期间肿瘤进展者。

本研究共纳入10例患者，男6例，女4例；年龄8～18岁，平均12.5岁；7例骨肉瘤，3例尤文肉瘤；所有患者Enneking分期均为ⅡB期；按肿瘤侵犯部位，胫骨近端5例，股骨远端3例，股骨近端1例，肱骨近端1例。术前均无肺部及其他脏器转移病灶，所有患者均完成新辅助化疗。本研究已经通过空军军医大学西京医院伦理委员会批准，患者均知情同意并签署知情同意书。

1.2 手术方法

1.2.1 导航准备

术前2 d，在局麻下于远离肿瘤的患肢骨的中段用魔钻在骨皮质打磨3～5个约3 mm的孔，用于术中计算机导航的注册定位标记点。此次术后患肢行CT和MRI检查，CT要求行0.625 mm的薄层扫描，三维重建。将CT和MRI数据输入导航系统（史赛克导航系统），然后在计算机内将CT和MRI图像进行融合，如果CT/MRI融合图像上的骨轮廓在1 mm误差范围内匹配，则认为融合图像可用于导航，融合图像的数据被传输至导航系统，用于制订术前切除计划。通过评估轴位、冠状位和矢状位MRI图像，确定肿瘤的侵犯范围，确定术中截骨的正确位置和方向。

1.2.2 导航辅助下肿瘤切除

手术开始，在适当的显露后，导航跟踪器附在肿瘤所在的骨骼上。通过与前次局麻手术所制造的骨标记点或5个固定的解剖定位点匹配，再在骨暴露表面上至少选择50个点，对患者进行图像/患者配准，以匹配术前CT图像和患者术中真实解剖结构之间的对应点。通过将配准探针置于骨表面并检查特定的已知标志点，评估实体解剖部位和虚拟图像之间的实时匹配。导航探头和安装有导航跟踪器的仪器根据系统进行校准。这样就可以在导航显示器体现出相对于患者解剖结构的实时空间位置。使用导航探头，在导航显示器屏幕上显示的虚拟CT/MRI图像中显示肿瘤范围。确定清晰的肿瘤边缘，并使用导航探头标记预定的截骨线。肿瘤通过导航预定的截骨线截骨，完成整块切除。

1.2.3 肿瘤切除后重建

所有骨缺损均采用带血管腓骨和大段同种异体骨复合移植进行生物修复。对于3例保留部分关节的患者，修整同种异体骨关节移植物的形状与肿瘤切除后骨缺损相匹配。带蒂局部转移腓骨瓣重建胫骨，游离带血管蒂腓骨瓣修复股骨或肱骨。用螺钉固定残余关节面和同种异体骨。所有病例均采用锁定接骨板固定同种异体骨和宿主骨。精心修复关节周围软组织结构。

1.3 术后处理和随访

术后对重建肢体进行制动2个月。当X线片显示在宿主骨与移植骨接触端有骨痂形成时，患者可以部分负重，根据影像学提示的骨愈合进展，负重逐渐增加。直到X线片显示同种异体骨与宿主骨完全愈合，患者可以完全负重，可从事日常运动。术后10 d进行骨扫描以评估腓骨移植物是否成活。术后1个月和3个月进行随访，然后3年内每3个月随访一次，3年后每半年随访一次。每次随访时进行体格检查、X线平片及胸部CT检查，观察有无肿瘤复发、转移，是否感染，骨愈合情况，同种异体骨是否吸收等。随访时利用国际骨骼肌肉肿瘤保肢（musculoskeletal tumor society，MSTS）功能评分系统对肢体的功能状态进行评估[11]，包括疼痛、整体功能、情感上的接受程度、支持能力、行走、步态6个指标，每个指标0～5分，总分30分。

2 结果

2.1 导航匹配结果

术前虚拟CT/MRI融合图像与术中患者的解剖结构吻合良好，术中导航定位误差平均为0.41 mm（范围为0.32～0.61 mm）。8例保留整个关节软骨（见图1），2例保留部分胫骨平台（见图2、图3）。切除标本的范围完全符合计划。组织学检查证实所有肿瘤标本均获得阴性切缘。截骨线与肿瘤边缘之间的平均最近距离为9.9 mm（范围为6～14 mm）。具体数据见表1。

表1 入组病例的临床资料及手术信息

2.2 随访结果

所有患者术后10 d进行的骨骼扫描显示所有腓骨皮瓣均存活。腓骨愈合总是先发生，同种异体骨愈合较慢。所有病例均获得骨愈合，平均随访140个月（22～177个月）。在该组病例中，无患者出现局部复发。2例患者发生肺转移：其中1例患者发生孤立性肺转移灶，接受了肺转移灶切除术，随访137个月处于无瘤生存状态；另1例患者发生多发性肺转移，随访22个月死亡。其余患者在本研究结束时均处于无瘤生存状态。直到本研究最后一次随访，所有患者MSTS评分为26～30分，平均27.8分。具体数据见表2。

表2 入组病例的随访结果

2.3 术后并发症及处理

所有患者均出现不同程度的患肢短缩，平均短缩1.35 cm（范围0.5～2.5 cm）。患肢短缩2.5 cm的患者出现轻度跛行。1例患者术后3年出现爪形趾，给予趾屈肌腱松解术后症状改善。1例术后2 d出现腓总神经麻痹症状，3周后恢复症状。1例术后出现膝关节不稳，需支具辅助行走，2年后随着骨愈合及关节周围软组织粘连，通过功能锻炼，患者膝关节不稳逐渐改善，无需支具辅助即可正常行走。所有患者均未发生感染，腓骨瓣复合异体骨的内固定均未发生断裂。

典型病例1：患者，男，15岁，患左胫骨近端骨肉瘤（见图1）。

图1 A.导航系统内MRI影像绘出肿瘤范围（粉色虚线）、截骨长度（绿色虚线）、粉色十字实线交叉点定位为关节下截骨线；B.导航图像和躯体进行实时匹配，切口远端竖箭头所指为固定的导航跟踪器，横向箭头所指为导航探头指在躯体骨骼实时部位反应在导航图像的解剖位置配准；C.导航实时指导下整块切除瘤段；D.随访137个月的术后X线片提示腓骨瓣复合异体骨重建与自体骨完全愈合为一体，自体膝关节结构正常

典型病例2：患者，男，12岁，患右胫骨近端骨肉瘤（见图2）。

图2 A.MRI显示胫骨近端外侧肿瘤范围，红色箭头显示肿瘤区域，黄色箭头显示反应区，黑色虚线的内侧区域为未被肿瘤侵犯的内侧胫骨平台及交叉韧带的付丽点，导航下沿黑色虚线截骨，保留虚线内侧的结构；B.切除标本冠状位剖面，红色虚线区域为肿瘤区，浅蓝色虚线区域为反应区，显示手术截骨面在安全区域内；C.术后随访136个月的X线片，显示腓骨瓣复合异体骨重建与自体骨完全愈合为一体，自体膝关节结构正常，箭头所指为保留的自体胫骨内侧平台

典型病例3：患者，女，15岁，患右胫骨近端骨肉瘤（见图3）。

图3 A.MRI显示胫骨近端内侧肿瘤范围，黑色虚线的外侧区域为未被肿瘤侵犯的外侧胫骨平台及交叉韧带的付丽点，导航下沿黑色虚线截骨，保留虚线内侧的结构；B.固定的导航跟踪器与导航探头指在躯体骨骼实时部位和导航图像的解剖位置进行配准；C.导航下切除的瘤段标本和保留的外侧平台结构及交叉韧带付丽结构（白色箭头所指）；D.术后随访155个月的X线片，显示腓骨瓣复合异体骨重建与自体骨愈合为一体，自体膝关节结构保留

3 讨论

骨原发恶性肿瘤80%～90%发生在关节的干骺端，目前最常见的手术方式为肿瘤切除后行人工关节置换，但人工关节无法获得持久性的功能[12]。从功能方面讲，四肢关节旁骨恶性肿瘤患者保肢手术后的肢体功能取决于肿瘤切除后关节结构的保留和骨缺损接近解剖的修复。对于化疗疗效好且关节结构未完全被肿瘤侵犯的患者，保留自身关节意味着患者可以获得持久性的关节功能。外科医生面临的挑战是如何选择合适的患者施行这种保留自身关节的手术，以及采取什么样的措施来保证手术的质量，使得患者既保留了自身关节，又能避免肿瘤局部复发[13-16]。

首先，患者长期存活是获得持久性患肢功能的前提，故需选择预估可能长期存活的患者，本研究入组的10例患者，均为术前新辅助化疗疗效满意，经过化疗后肿瘤有缩小及边界变清晰，且没有远处转移者。直至本研究最后一次随访，10例患者中仅1例发生肺转移死亡，剩余9例均随访大于10年，处于无瘤存活状态。

其次，肿瘤的安全边界是所有肿瘤外科医生关注的焦点，肿瘤局部复发是灾难性的，患者将不得不面临截肢的局面，所以大多数外科医生为了获得可靠的外科边界而选择牺牲关节，因为勉强保留关节可能会造成肿瘤切除的阳性边界，并且骨缺损的重建技术难度高，未经过培训的医生难以完成此类手术。随着计算机导航技术在临床的应用[17-18]，使得医生在切除肿瘤过程中可以更精细化，此项技术已经被证明可以提高脊柱手术、创伤和关节置换的准确性[19-22]，它涉及虚拟图像的生成，允许外科医生接收手术器械和引导装置精确位置的实时视觉反馈。在精确的骨肿瘤切除和计划性重建中，导航系统被引入术中指导，作为透视的替代方案，它可以给术者提供全方位立体视觉观察，有效减少肿瘤局部复发，可使术者做到术中有效组织保留最大化，为肿瘤未完全侵犯骨骺的患者保留自身关节提供了保障[6,9]。

计算机导航需要提前输入肿瘤的MRI和CT数据。MRI被认为是准确确定骨肿瘤骨髓范围的最佳方法[23]，因此在理论上，它可以安全地作为术中导航指南，用于规划保留关节的肿瘤切除范围。然而，在骨肿瘤中很难获得精确配准所需的1 mm厚扫描的MRI数据集，并且在长时间扫描过程中可能会产生运动伪影。因此，仅基于MRI数据导航在骨肿瘤手术中可能会存在误差，而图像融合技术已经成功地解决了这个问题[24]。本研究所有患者CT检查均为0.625 mm的扫描数据，利用CT和MRI图像融合实时导航应用于保留自身关节的肿瘤切除中。CT和MRI的融合产生混合图像，结合两种影像的关键特性，通过MRI确定肿瘤的范围，同时MRI图像与CT图像更好地配准提高了导航图像的精确性。3D图像的即时视觉反馈使外科医生能够获得精确的方向感，尤其是与肿瘤的骨内范围相关的方向感，从而确保安全边界与术前MRI计划的一样精确。

导航辅助骨肿瘤手术的准确性取决于导航系统图像对应患者术区结构的准确性和图像融合的质量。然而，躯体上的一个点与导航图像上对应点的精确匹配是困难的。图像配准和骨骼对应点之间的不精确匹配导致了精度的误差，这种误差有两种方法解决：一种是使用暂时植入的人工骨性标记点，另一种是使用固定突出的骨性结构解剖点[25]。本研究中，笔者术前先在肿瘤所在骨骼的正常区域行3到4个骨性标记点（魔钻打磨的孔），以供术中点对点配准使用；此外，还使用显著的解剖标志和表面匹配点进行配准。因此，通过同时使用两种配准方法，可以最大限度地减少配准错误，简化配准过程，而无需暴露过多骨性标志物，也不会有肿瘤污染的风险。实现了术区骨骼上的一个点与图像上对应点的精确匹配，并且在术中验证是准确的，平均误差为0.43 mm。本研究中的手术导航实现了按照术前MRI计划的肿瘤精准切除，产生最小6 mm的清晰边缘，且标本经组织病理学证实均获得阴性边界。

这种经术中导航辅助切除肿瘤，使得自体有效组织保留最大化，保留的自体关节能否获得持久的功能，需要长时间的随访评估。本研究入组的所有病例除1例死于肺转移外，其余病例随访均大于10年，平均随访140个月，且都处于无瘤生存状态。最重要的是所有病例均没有局部肿瘤复发，MSTS评分平均为27.8分，说明入组患者经过本研究的手术方式可以获得持久的关节功能。

综上所述，计算机导航辅助下精确切除肿瘤、生物重建保留自体关节长期随访显示临床疗效满意。分析原因主要包括：①选择了化疗疗效好的患者，预估患者可以长期存活；②导航下最大程度地保留了自体关节组织，是保证良好关节功能的前提；③腓骨瓣复合异体骨的生物重建是修复骨缺损成功的关键因素，它可有效避免骨不愈合、内固定断裂等并发症。本研究的不足之处是病例数较少，需要积累更多的病例评估来促进此项临床技术开展。