應(yīng)用3D打印個(gè)性化假體治療骨盆惡性腫瘤1例*

董樂樂，郭鵬年，劉亞雄,李滌塵，劉 瑞，左 強(qiáng)

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)包頭醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院骨二科，內(nèi)蒙古包頭 014010;2.西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049)

·短篇及病例報(bào)道·

應(yīng)用3D打印個(gè)性化假體治療骨盆惡性腫瘤1例*

董樂樂1，郭鵬年1，劉亞雄2,李滌塵2，劉 瑞1，左 強(qiáng)1

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)包頭醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院骨二科，內(nèi)蒙古包頭 014010;2.西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049)

目前，保肢治療成為骨腫瘤外科治療的首選方式[1-2]，保留肢體可以提高患者的生活質(zhì)量，減少家庭和社會(huì)負(fù)擔(dān)。骨腫瘤的保肢治療必然涉及腫瘤的切除和功能的重建兩部分內(nèi)容[3]。特別是累及髖臼的骨盆腫瘤，由于腫瘤體積大，位置特殊，解剖關(guān)系復(fù)雜，對(duì)技術(shù)要求高，術(shù)后并發(fā)癥多[4-5]。如何準(zhǔn)確切除腫瘤并對(duì)缺損骨關(guān)節(jié)行功能重建，尚無(wú)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)和完美的解決方法。

近年來(lái)，隨著科技的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)、3D打印等工學(xué)技術(shù)逐漸滲入到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，形成了新興的醫(yī)工結(jié)合交叉學(xué)科。本研究在前期理論積累的基礎(chǔ)上，應(yīng)用醫(yī)工結(jié)合的理念，運(yùn)用CAD、CAM和3D打印等技術(shù)為1例骨盆腫瘤患者進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃、設(shè)計(jì)制備個(gè)性化定制假體，切除腫瘤，精準(zhǔn)安裝假體并取得良好的療效，為復(fù)雜骨盆腫瘤的治療提供了一整套的解決方案。

1 臨床資料

患者，男性，65歲，主因“發(fā)現(xiàn)左髖部腫物半年，逐漸增大并雙下肢麻木無(wú)力2個(gè)月”，于2015年2月9日在內(nèi)蒙古科技大學(xué)包頭醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院治療。查體：神志清楚，精神可，飲食差，大便失禁，小便導(dǎo)尿。左側(cè)腹股溝區(qū)可見局部隆起，皮膚完整，無(wú)發(fā)紅，皮溫正常，可觸及15 cm×10 cm大小橢圓形腫物，質(zhì)韌，邊界尚清楚，活動(dòng)度差，壓痛陽(yáng)性，腹股溝平面以下感覺明顯減退，雙下肢肌力Ⅰ級(jí)，右側(cè)提睪反射陽(yáng)性，左側(cè)提睪反射陰性，雙側(cè)肛門括約肌收縮差，雙側(cè)Babinski癥陽(yáng)性。X線片顯示骨盆左側(cè)恥骨支、坐骨支，部分髖臼破壞，見圖1。

CT提示：左側(cè)恥骨上下支和部分髖臼骨質(zhì)破壞,髖臼上緣和股骨上段內(nèi)側(cè)肌群明顯強(qiáng)化腫塊，考慮為軟骨肉瘤。全身骨掃描提示：左側(cè)恥骨上下支及部分髖臼骨鹽代謝異常，考慮惡性病變(原發(fā)可能性大)；肺部CT，胸、腰椎磁共振成像(MRI)未見腫瘤轉(zhuǎn)移病灶。腹部彩超未見腫瘤病灶。腫瘤標(biāo)記物提示：糖原211(CA211) 9.32 ng/mL，神經(jīng)元特異性烯醇化酶(NSE) 31.61 ng/mL。術(shù)前診斷：左側(cè)骨盆腫瘤(軟骨肉瘤)。該病例所采取的治療方法和治療過(guò)程取得了患者及家屬的同意，并獲得了該院倫理委員會(huì)的批準(zhǔn)。

患者術(shù)前應(yīng)用Philips 256層Brilliance iCT對(duì)病變部位進(jìn)行掃描，掃描條件：電壓120 KV，層厚1 mm CT數(shù)據(jù)以Dicom格式存儲(chǔ)并輸出。將Dicom格式數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics Research 17.0軟件，運(yùn)用軟件的Thresholding功能使骨組織從周圍軟組織中提取出來(lái)，再運(yùn)用Edit Masks、Edit Masks和Region Growing等工具將兩側(cè)的髖骨和骶骨從其他骨組織中分離出來(lái)，運(yùn)用Calculate 3D重建骨盆的三維模型。將骨盆模型保存為STL格式的工程文件。將STL文件輸入到Stratasys Objet 24 3D打印機(jī)執(zhí)行打印指令，約40 h后，去除模型支撐便得到了與患者等比例大小的三維骨盆模型。

圖1 術(shù)前X線片

腫瘤切除包括骨切除和周圍軟組織的切除，骨切除范圍主要依據(jù)核磁顯示瘤外2～3 cm的正常骨骼處截骨；軟組織的切除邊界依據(jù)CT和MRI圖像，一般按瘤體邊界外2～3 cm范圍切除，具體情況根據(jù)術(shù)中情況由術(shù)者判斷實(shí)施。觀察患者影像學(xué)檢查結(jié)果和骨盆三維實(shí)物模型，可以確定腫瘤侵蝕骨質(zhì)的范圍，即：左側(cè)髖臼的內(nèi)、上壁，左側(cè)的恥骨上支，恥骨聯(lián)合面和部分恥骨下支。術(shù)前通過(guò)觀察患者的影像學(xué)資料和骨盆三維實(shí)物模型，根據(jù)腫瘤的切除原則和骨盆生物力學(xué)分析，確定截骨范圍并且可以在Mimics Research 17.0軟件上模擬截骨。為了保留足夠多的髖臼以支撐假體和股骨頭，主要截骨平面位于髂前下棘垂直于髖臼緣形成的平面，坐骨支的截骨平面與髖臼截骨平面平行，坐骨體截骨平面垂直于兩平行平面(圖2)。經(jīng)過(guò)3個(gè)平面的截骨,骨盆分為正常骨盆區(qū)域和骨盆腫瘤切除區(qū)域2個(gè)部分。確定截骨平面后，提取剩余髖臼表面特征，設(shè)計(jì)術(shù)中應(yīng)用的截骨導(dǎo)板。

設(shè)計(jì)的假體既要能恢復(fù)骨盆的形態(tài)，傳導(dǎo)骨盆環(huán)的負(fù)荷；又要重建髖關(guān)節(jié)，完成下肢的支撐和負(fù)重功能。這就要求根據(jù)骨盆切除區(qū)域的大小和形態(tài)特征設(shè)計(jì)與正常骨盆區(qū)域相匹配的個(gè)性化骨盆假體，假體應(yīng)包含髖臼、恥骨上支、恥骨聯(lián)合面，以及與正常骨盆區(qū)域固定的連接柄。假體與正常骨盆接觸部分完全匹配，主要包括:骨盆的截骨面部分，恥骨聯(lián)合面部分和固定連接柄部分。假體的髖臼與骨質(zhì)接觸部分厚度設(shè)計(jì)為2.0 mm，無(wú)骨質(zhì)支撐部分厚度為6 mm，髖臼內(nèi)表面預(yù)留直徑為3.0 mm的孔，以利于骨水泥的滲入。恥骨上支基本保留原有形態(tài)，做適度的光滑過(guò)度處理，假體恥骨聯(lián)合面預(yù)留2個(gè)矢狀面方向的固定孔，與恥骨聯(lián)合面垂直。假體內(nèi)上方設(shè)計(jì)Y型固定連接柄，與髂骨翼的表面匹配，固定柄上預(yù)留螺釘孔。所有螺孔直徑為7.0 mm，保證松質(zhì)骨螺釘(直徑6.5 mm)通過(guò)。將設(shè)計(jì)好的假體保存為STL文件輸入到3D金屬打印機(jī)，完成鈦合金個(gè)性化假體的打印約需20 h，見圖3。

圖2 術(shù)前軟件上模擬截骨

圖3 術(shù)前骨盆三維模型及鈦合金金屬假體

假體的設(shè)計(jì)和打印由手術(shù)醫(yī)生和西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室共同完成，經(jīng)有限元分析，確定危險(xiǎn)位置位于髖臼和連接板的相交處，最大應(yīng)力為344 MPa，小于鈦合金屈服強(qiáng)度(950 MPa)的40%，滿足假體的使用要求。截骨導(dǎo)板及個(gè)性化金屬假體均應(yīng)用Ti6Al4V合金在德國(guó)EOS M290金屬打印機(jī)上完成。

拿到個(gè)性化骨盆腫瘤假體后，在患者的三維骨盆實(shí)物模型上按術(shù)前規(guī)劃截骨平面截骨，髖臼銼打磨髖臼至合適大小，安裝個(gè)性化定制假體，觀察假體安放位置和匹配程度，并做適當(dāng)調(diào)整。假體預(yù)留的固定孔電鉆打孔，測(cè)量、記錄螺釘長(zhǎng)度，術(shù)中備用。整個(gè)模擬安裝過(guò)程順利。

患者全身麻醉，仰臥位。取左側(cè)延長(zhǎng)髂腹股溝入路，并沿股骨前外側(cè)逐層切開，顯露腫瘤，沿腫瘤邊界分離。見腫瘤位于腹膜外，腫瘤將左側(cè)全部恥骨支、部分坐骨支及部分髖臼侵犯，沿瘤體外2 mm將腫瘤完整切除。根據(jù)術(shù)前設(shè)計(jì)利用截骨導(dǎo)板切除左側(cè)恥骨支、部分坐骨支和內(nèi)側(cè)髖臼。徹底沖洗傷口，髖臼銼打磨髖臼，安裝3D打印鈦合金半骨盆假體，透視下見假體位置佳，與周圍組織貼合緊密。分別鉆孔，螺釘固定。取髖關(guān)節(jié)外側(cè)直切口，長(zhǎng)約10 cm，切開闊筋膜、股外側(cè)肌，將左髖脫位，股骨矩上2 cm切斷股骨頸，擴(kuò)髓。3D打印半骨盆假體髖關(guān)節(jié)用全髖關(guān)節(jié)髖臼試模為50#，取46#髖臼聚乙烯假體用骨水泥固定，再安裝2#股骨假體，安裝28XL股骨頭球頭假體，將關(guān)節(jié)復(fù)位，各方向活動(dòng)可見關(guān)節(jié)穩(wěn)定。沖洗傷口，徹底止血，放置負(fù)壓引流，關(guān)閉切口。手術(shù)時(shí)間約4 h，出血量4 000 mL，輸懸浮紅細(xì)胞6 U，血漿1 430 mL，血小板400 mL。術(shù)后X線片提示定制化個(gè)性假體與骨盆匹配好(圖4)。病理回報(bào)提示骨盆轉(zhuǎn)移性低分化癌。術(shù)后6個(gè)月隨訪，患者左髖部切口愈合好，無(wú)感染，破潰，下肢無(wú)靜脈血栓形成，假體無(wú)松動(dòng)、脫位。左側(cè)髖關(guān)節(jié)被動(dòng)活動(dòng)好，活動(dòng)范圍正常，主動(dòng)活動(dòng)范圍較小，屈髖約30°，內(nèi)收、外展約10°，主被動(dòng)活動(dòng)均無(wú)疼痛，雙下肢感覺正常，左髖關(guān)節(jié)屈伸、內(nèi)收、外展肌力約Ⅲ級(jí)。

圖4 術(shù)后X線片

2 討 論

3D打印技術(shù)又稱為快速成型技術(shù)，是通過(guò)逐層堆疊累積的方式制造三維實(shí)體的先進(jìn)技術(shù)。近年來(lái)，3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[6]。骨盆腫瘤位置深，解剖關(guān)系復(fù)雜，診斷、治療困難，加之惡性骨腫瘤對(duì)周圍骨質(zhì)破壞，傳統(tǒng)二維觀察手段難以對(duì)三維形態(tài)結(jié)構(gòu)有準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)。運(yùn)用3D打印技術(shù)可以術(shù)前將患者的骨盆實(shí)物模型打印出來(lái)，真實(shí)地反映骨盆原貌，術(shù)者可以多角度、多方位地觀察腫瘤的位置、骨質(zhì)的侵蝕范圍、周圍的毗鄰關(guān)系，確定截骨的范圍和平面，保證盡可能保留正常組織的情況下完整切除腫瘤組織。按照確定好的截骨平面在Mimics Research 17.0上模擬截骨，根據(jù)截骨后的骨盆形態(tài)和剩余骨質(zhì)，設(shè)計(jì)符合力學(xué)原理和解剖形態(tài)的個(gè)性化定制假體，并應(yīng)用3D打印技術(shù)制作鈦合金金屬假體。這樣，術(shù)者在術(shù)前利用骨盆實(shí)物模型和個(gè)性化定制假體模擬手術(shù)操作，提前了解截骨平面、髖臼的打磨深度、假體安放位置、假體的匹配程度及固定螺釘?shù)姆较蚝烷L(zhǎng)度，多次反復(fù)地演練模擬手術(shù)，熟悉手術(shù)操作，手術(shù)安全性提高。在術(shù)前與患者及家屬的溝通和交流，在骨盆三維實(shí)物模型上進(jìn)行講解，使患者及家屬在短時(shí)間內(nèi)了解病情和治療方案，更好地理解和配合醫(yī)生的治療[7]。

腫瘤切除后，如何有效地重建骨盆，恢復(fù)功能是手術(shù)療效的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的骨盆重建方式有生物學(xué)重建和人工假體重建[8]。由于生物學(xué)重建骨盆適應(yīng)證狹窄，并發(fā)癥發(fā)生率高，功能差等原因，目前均已較少使用。腫瘤切除后人工假體重建逐漸成為骨盆腫瘤治療的首選方法。應(yīng)用假體重建骨盆環(huán)、傳遞下肢和軀干的負(fù)荷，恢復(fù)髖關(guān)節(jié)的活動(dòng)和負(fù)重功能，符合生物學(xué)和力學(xué)的要求，被多數(shù)學(xué)者采納。目前可用于重建的人工假體有馬鞍式[9]，“冰激凌”式，組配式[10]和定制型[11-12]幾種類型。馬鞍式和“冰激凌”式人工假體要求腫瘤切除后能保留足夠多的髂骨來(lái)提供支撐[13]，對(duì)病例的要求較高。傳統(tǒng)定制式假體受限于假體的設(shè)計(jì)和安裝水平，假體尺寸無(wú)法根據(jù)術(shù)中缺損情況來(lái)調(diào)整，可能出現(xiàn)假體與殘余骨質(zhì)不匹配，安裝困難。為了改進(jìn)安裝問題，出現(xiàn)了組合式假體，可以根據(jù)術(shù)中缺損范圍臨時(shí)裝配，但假體的整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性備受質(zhì)疑。

在這個(gè)病例中，本研究采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，3D打印技術(shù)為患者定制了個(gè)性化的骨盆假體，結(jié)合傳統(tǒng)人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)一期解決了骨盆腫瘤切除和功能重建的問題，提供了新的方案和思路。前期的整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，數(shù)字化設(shè)計(jì)與實(shí)體模型上模擬手術(shù)相互配合，互為指導(dǎo)，將數(shù)字化設(shè)計(jì)的方案在模型上實(shí)施，發(fā)現(xiàn)問題再在軟件上修改，改進(jìn)后的方案在模型上實(shí)踐，這樣反復(fù)幾個(gè)來(lái)回，最后確定最佳的假體設(shè)計(jì)和治療方案。個(gè)性化定制3D打印假體與傳統(tǒng)假體比較具有一定的優(yōu)勢(shì)：通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，個(gè)性化假體與剩余骨骼的匹配性良好；經(jīng)過(guò)力學(xué)分析，一體化假體的力學(xué)強(qiáng)度有了保證；術(shù)前在骨盆模型上試裝假體，使術(shù)者熟悉手術(shù)過(guò)程，螺釘固定位置，角度和長(zhǎng)度等參數(shù)提前測(cè)量，手術(shù)操作難度減小，準(zhǔn)確性增大，術(shù)中安裝快捷；個(gè)性化假體的形態(tài)與切除的骨骼形態(tài)一致，符合原有生理解剖。本研究設(shè)計(jì)的個(gè)性化骨盆假體與國(guó)內(nèi)報(bào)道過(guò)的利用3D打印技術(shù)制作的個(gè)性化骨盆假體都是按照患者骨骼的缺損情況“量身定做”，符合精準(zhǔn)醫(yī)療的要求。但個(gè)性化假體從前期設(shè)計(jì)到后期的手術(shù)有其獨(dú)有的特點(diǎn)，假體的設(shè)計(jì)和制作過(guò)程由專業(yè)醫(yī)療團(tuán)隊(duì)和工程學(xué)團(tuán)隊(duì)合作完成，在生物力學(xué)方面經(jīng)過(guò)嚴(yán)格測(cè)試，符合人體負(fù)重要求；假體的形態(tài)符合人體骨骼解剖，術(shù)后外觀及功能好，不存在軟組織凹陷因此的功能欠缺；假體的即刻穩(wěn)定性依靠早期的螺釘固定和骨水泥填充固定，遠(yuǎn)期穩(wěn)定性依靠假體微孔結(jié)構(gòu)的骨長(zhǎng)入。但3D打印個(gè)性化假體也存在一定的不足，術(shù)者與熟悉假體設(shè)計(jì)的軟件操作者必須密切配合，共同參與設(shè)計(jì)過(guò)程，因此術(shù)前準(zhǔn)備時(shí)間較長(zhǎng)，假體制作受3D打印機(jī)及生產(chǎn)廠家的限制，需要一定的制作周期；成功的病例數(shù)仍不足，缺乏長(zhǎng)期的臨床觀察和功能隨訪。但隨著技術(shù)的成熟，3D打印的產(chǎn)業(yè)化，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和3D打印在骨盆腫瘤甚或骨科疾病的治療中必有廣闊的前景，為患者提供精確化手術(shù)和個(gè)性化醫(yī)療。

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C

1671-8348(2017)26-3739-04

2017-02-18

2017-06-06)

10.3969/j.issn.1671-8348.2017.26.052

包頭市科學(xué)技術(shù)局社會(huì)發(fā)展科技支撐項(xiàng)目(2014S2003-5-1)；包頭醫(yī)學(xué)院科學(xué)研究基金項(xiàng)目(BYJJ-QM2016108)。

董樂樂(1963-)，主任醫(yī)師，本科，主要從事關(guān)節(jié)外科、骨腫瘤方面研究。