3D打印技術(shù)在骨腫瘤科中的應(yīng)用

樊笑 王佳友 鮑樹森 惠元 曾欽梅 鄧夢延 雷雨龍 吳智鋼

摘 要：目前3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用已越來越多，尤其在骨科領(lǐng)域，得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。該文綜述了3D打印技術(shù)在骨腫瘤科的應(yīng)用現(xiàn)狀，闡明了該項技術(shù)的優(yōu)勢，同時總結(jié)了目前該技術(shù)存在的不足，并提出了展望。

關(guān)鍵詞：3D打??；骨腫瘤；手術(shù)方案

中圖分類號：R738.1 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2018.06.001

文章編號：1006-1959（2018）06-0001-03

Application of 3D Printing Technology in Bone Oncology

FAN Xiao1，WANG Jia-you1，BAO Shu-sen2，HUI Yuan2，ZENG Qin-mei2，DENG Meng-yan2，LEI Yu-long2，

WU Zhi-gang2

（1.Department of Outpatient，the 63762 Army of PLA，Weinan 714000，Shaanxi，China；

2.Department of Orthopaedics，518 Hospital of PLA，Xi'an 710043，Shaanxi，China）

Abstract：At present，3D printing technology has been applied more and more in medical field，especially in orthopedics.This paper reviews the application status of 3D printing technology in bone oncology，and expounds its advantages.At the same time，the shortcomings of the technology are summarized，and the prospect is put forward.

Key words：3D printing；Bone tumor；Surgical scheme

惡性骨腫瘤常呈彌漫性、浸潤性生長，與正常組織界限不清，其體積與手術(shù)方案的選擇及治療效果等密切相關(guān)[1]。隨著近年來新輔助化療的發(fā)展，骨腫瘤患者一般采取保肢手術(shù)治療，如何精確切除腫瘤組織一直是骨腫瘤科醫(yī)師所面臨的挑戰(zhàn)；切除大面積腫瘤組織后缺損骨組織的修補、功能重建等也是保肢手術(shù)治療所面臨的難點[2]。隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)及影像學(xué)技術(shù)的發(fā)展，通過3D打印技術(shù)，患者身體內(nèi)部的解剖、病理情況可以在手術(shù)前清楚地向醫(yī)生呈現(xiàn)，避免了以往依靠臨床醫(yī)生經(jīng)驗的粗略性，讓醫(yī)生可直觀、準(zhǔn)確地按照病變情況進行數(shù)字化手術(shù)設(shè)計，并可以預(yù)期手術(shù)效果。同時還可以將CT數(shù)據(jù)進行三維重建，進而再行切割、移動、旋轉(zhuǎn)等手術(shù)操作預(yù)演，但使用傳統(tǒng)手術(shù)方式很難在術(shù)中準(zhǔn)確實現(xiàn)這些設(shè)計[3-5]?，F(xiàn)就3D打印技術(shù)在骨腫瘤科中的應(yīng)用現(xiàn)狀進行綜述。

1 3D打印技術(shù)在骨腫瘤科中的應(yīng)用

1.1頭頸骨腫瘤 頭頸部骨性支架對于外貌以及面部功能至關(guān)重要，頭頸部骨腫瘤可引起咀嚼功能的障礙、病理性的感染損傷以及面貌缺陷，不但增加患者痛苦和心理障礙，而且降低了患者的生活質(zhì)量[6，7]。傳統(tǒng)方法是用軟組織修復(fù)患者的面部骨骼，但外形與功能恢復(fù)均不佳。修復(fù)時切多少腓骨、放在什么位置，主要靠醫(yī)生的經(jīng)驗；而現(xiàn)在利用3D打印技術(shù)，可先用計算機設(shè)計好，提前打印出仿真模型，使實際手術(shù)操作更準(zhǔn)確、更安全，使頭頸腫瘤患者的生存質(zhì)量得到極大的提高。王芬等[8]在治療1例腫瘤侵及眶底，顴骨顴弓等骨骼的上頜骨腫瘤患者時，利用3D打印技術(shù)制作了上頜骨假體，并將這一個性化修復(fù)體植入患者體內(nèi)，準(zhǔn)確修復(fù)了缺失部位，并減輕了患者手術(shù)痛苦，最大限度保留了組織[9]。周燁等[10]在治療8例下頜骨腫瘤患者時，利用3D打印技術(shù)制作出模型板，進而制作出手術(shù)導(dǎo)板，術(shù)中進行參考和使用，選擇了最佳重建方案，在對于此8例患者進行36個月的隨訪后，發(fā)現(xiàn)均無局部復(fù)發(fā)，無假體周圍感染、松動及斷裂事件發(fā)生，效果良好。

1.2鎖骨及肩胛骨腫瘤 鎖骨和肩胛骨屬于肩胛帶部位的不定形骨，對于上肢活動與外表美觀性至關(guān)重要，但患惡性腫瘤時常常需要完整切除，使用傳統(tǒng)重建技術(shù)常難以獲得滿意的外觀和功能。裴延軍等[11]采用金屬3D打印技術(shù)制備出與患者鎖骨和肩胛骨完全一致的鈦合金假體，并成功植入骨腫瘤患者體內(nèi)，成為世界上肩胛帶不定形骨重建的首次應(yīng)用。該研究采用3D打印技術(shù)制備的鎖骨、肩胛骨等不定形骨個體化鈦合金假體與腫瘤切除部位完全匹配，功能及外形滿意；多孔設(shè)計使骨及軟組織附著長入率高；強度不變時彈性模量降低，減少了應(yīng)力遮擋并發(fā)癥；產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，精確度高；制備周期短，費用大幅降低。

1.3脊柱腫瘤 脊柱具有支持軀干、保護內(nèi)臟、保護脊髓和進行運動的功能，是肢體的支柱，因此脊柱因腫瘤受損后，為保證機體的正?；顒樱仨毻瓿晒δ艿闹亟?。3D打印人工椎體能量身定制，將信息輸入3D打印機，選擇合適的材料打印出所需的椎體[12]。岳麗娜等[13]利用3D打印技術(shù)量身訂做了超長人工椎體植入人體以治療脊柱脊索瘤，手術(shù)跨越5個椎體，達(dá)19 cm，涉及節(jié)段多，術(shù)后患者步行出院，功能恢復(fù)良好。Wu等[14]利用3D打印技術(shù)應(yīng)用于一名頸2椎體骨腫瘤患者，并將個性化打印鈦合金假體植入骨缺損區(qū)，術(shù)后隨訪情況較好。

1.4骨盆腫瘤 骨盆解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，與多個重要臟器、血管、神經(jīng)相比鄰。骨盆區(qū)域的原發(fā)惡性腫瘤因早期無特殊癥狀，一旦發(fā)現(xiàn)體積已較大，切除已較困難。目前，骨盆腫瘤治療仍圍繞切除和重建展開，切除是盡可能在安全邊界取出腫瘤，防止腫瘤播散，降低復(fù)發(fā)率，功能重建則是為了提高患者生存質(zhì)量。郭衛(wèi)教授帶領(lǐng)其團隊利用3D打印技術(shù)為一名骶骨惡性腫瘤患者定制了人工全骶骨假體并進行了精準(zhǔn)安裝，術(shù)后患者可步行，功能恢復(fù)良好。施鳳偉等[15]術(shù)前根據(jù)患者骨盆薄層CT三維重建患者骨盆結(jié)構(gòu)，模擬手術(shù)并設(shè)計導(dǎo)板并用于術(shù)中，完成半骨盆切除、釘棒重建骨盆環(huán)、全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)，以完成骨盆腫瘤的切除與重建，根據(jù)分析得出3D打印髖臼導(dǎo)板應(yīng)用于骨盆原發(fā)惡性腫瘤的切除重建手術(shù)中，減少了手術(shù)時間，術(shù)中出血量及透視次數(shù)，術(shù)后髖臼位置良好，具有不錯的手術(shù)效果。Sun等[16]治療患者骨盆腫瘤時，結(jié)合3D打印技術(shù)制作出與患者骨盆1∶1的模型，并利用模型預(yù)演出切除術(shù)后骨盆殘留形狀，制作出個體化骨盆假體，術(shù)中植入后發(fā)現(xiàn)完全匹配，術(shù)后效果較好。Wong等[17]利用3D打印技術(shù)，術(shù)前打印骨盆腫瘤患者手術(shù)部位的3D模型，明確各解剖層次之間的關(guān)系，明確手術(shù)入路及手術(shù)方案，并且打印出骨缺損后所需的個性化假體；該患者術(shù)后病理提示腫瘤切除干凈徹底，腫瘤切除范圍及假體放置位置最大誤差不超過4 mm，術(shù)后隨訪11個月，患者髖關(guān)節(jié)活動功能正常，未發(fā)現(xiàn)腫瘤復(fù)發(fā)及假體松動等。

1.5四肢骨關(guān)節(jié)腫瘤 骨腫瘤以四肢居多[18]，傳統(tǒng)關(guān)節(jié)周圍骨腫瘤的切除多憑借臨床醫(yī)生經(jīng)驗，切除為大致范圍，常造成定制的假體與缺損骨質(zhì)匹配不完全，甚至造成手術(shù)失敗，且四肢關(guān)節(jié)因承擔(dān)人體運動等功能，韌帶、肌肉等軟組織的重建也更應(yīng)受到重視。3D打印技術(shù)可通過計算機完成術(shù)前設(shè)計，精確測量出切除部位大小，制作出個性化假體。而且3D打印技術(shù)可輔助個體化韌帶、肌肉的設(shè)計，使定制假體更符合個人要求，以免影響患者術(shù)后功能恢復(fù)。馬立敏等[19]將3D打印技術(shù)應(yīng)用于股骨遠(yuǎn)端腫瘤患者，通過設(shè)計手術(shù)導(dǎo)板，制作實體導(dǎo)板等完成患者腫瘤切除及功能重建，術(shù)后平均隨訪48個月，患者無局部腫瘤復(fù)發(fā)，無假體周圍感染、松動及斷裂事件發(fā)生。付軍等[20]通過計算機完成個體化手術(shù)、導(dǎo)板設(shè)計，同時采用3D打印技術(shù)，術(shù)前完成腫瘤切除設(shè)計及重建手術(shù)，術(shù)后X線或CT掃描均顯示腫瘤完整切除。程維等[21]在1例脛骨近端外側(cè)骨肉瘤患者、1例股骨遠(yuǎn)端骨肉瘤患者治療中，在3D打印假體上對于韌帶附麗點進行調(diào)整，以確保骨質(zhì)與假體的穩(wěn)定固定，使關(guān)節(jié)的功能得到大部分的保留，而根據(jù)患者的實際病情調(diào)整假體形態(tài)、韌帶及肌肉的附麗點是傳統(tǒng)定制的關(guān)節(jié)假體無法做到的。真正為患者做到了“個體化”，同時也可使假體及韌帶、肌肉更適應(yīng)患者。

2 3D打印技術(shù)在骨腫瘤科應(yīng)用的不足

雖然3D打印技術(shù)在骨腫瘤科有如此廣泛的應(yīng)用，且具有傳統(tǒng)治療手段無可比擬的優(yōu)點，但仍有一些存在的問題：①3D打印假體制作要求高。打印出的假體最終目的是成功植入患者體內(nèi)，因此假體的設(shè)計和制作需要極富經(jīng)驗的臨床醫(yī)生進行把關(guān)，首先需確保三維重建時數(shù)據(jù)保存完好，在CT圖像中，因松質(zhì)骨成像與軟組織結(jié)構(gòu)很難徹底分離，若三維重建時數(shù)據(jù)有所損失，那制作出的假體必然與人體所需的假體無法完全契合；其次需處理好假體的固定方式，即釘?shù)篮徒孛?，既要保證入釘后不會損傷患者自身的神經(jīng)及血管，還需保證固定的牢固性。②人才儲備不足。目前假體的制作多為醫(yī)院提供通過CT、MRI等影像技術(shù)，重建得到的骨骼三維圖像，再由廠家負(fù)責(zé)假體的加工和制作，這一過程中，若廠家的工作人員不具有足夠的醫(yī)療知識和技術(shù)水平，很有可能制作出的假體與理想假體存在較大誤差。因此，應(yīng)盡快加強教育培訓(xùn)，配備專業(yè)的人才，培養(yǎng)懂醫(yī)療且掌握3D打印技術(shù)的復(fù)合型人才，為醫(yī)院今后應(yīng)用和發(fā)展3D打印技術(shù)儲備足夠的人才。

3 小結(jié)

3D打印技術(shù)在骨腫瘤科個體化手術(shù)治療方面發(fā)揮了無可替代的作用。不僅為骨科醫(yī)師提供了更為合理的術(shù)前手術(shù)方案，實現(xiàn)了更為直觀的術(shù)前模擬，減少了術(shù)中透視次數(shù)，保護了醫(yī)護人員，降低了出血量，提高了手術(shù)效率，實現(xiàn)了更為優(yōu)良的功能重建。目前，3D打印技術(shù)應(yīng)用還未發(fā)揮最大價值，相信隨著技術(shù)的發(fā)展，人才建設(shè)與法律制度的完善，這項技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域必將發(fā)揮強大的作用。

參考文獻：

[1]Shin KH，Moon SH，Suh JS，et al.Tumor volume change as apredictor of chemotherapeutic response in osteosarcoma[J].Clin Orthop Relat Res，2000（376）：200-208.

[2]丁煥文，易燦，涂強，等.計算機輔助骨盆腫瘤精確切除和功能重建[J].中國修復(fù)重建外科雜志，2011，25（10）：1218-1223.

[3]Ciocca L，Mazzoni S，F(xiàn)antini M，et al.CAD CAM guided secondarymandibular reconstruction of a discontinuity defect after ablative cancer surgery[J].J Craniomaxillofac Surg，2012，40（8）：e511-e515.

[4]Levine JP，Patel A，Saadeh PB，et al.Computer-aided design andmanufacturing in craniomaxillofacial surgery：the new state of the art[J].J Craniofac Surg，2012，23（1）：288-293.

[5]Ciocca L，Mazzoni S，F(xiàn)antini M，et al.A CAD CAM-prototypedanatomical condylar prosthesis connected to a custom-made bone plateto support a fibula free flap[J].Med Biol Eng Comput，2012，50（7）：743-749.

[6]Knoll WD，Gaida A，Maurer P.Analysis of mechanical stress in reconstruction plates for bridging mandibular angle defects[J].J Craniomaxillofac Surg，2006，34（4）：201-209.

[7]Shibahara T，Noma H，F(xiàn)uruyaY，et al.Fracture of mandibular reconstruction plates used aRer tumor resection[J].J Oral Maxillofac Surg，2002，60（2）：182-185.

[8]王芬.3D打印技術(shù)修復(fù)上頜骨骨巨細(xì)胞瘤切除后缺損1例[J].中華老年口腔醫(yī)學(xué)雜志，2017，15（5）：302-303.

[9]張濤，唐曉平，余定庸，等.侵犯顱底及頜面部骨巨細(xì)胞瘤（附三例報道）[J].中華神經(jīng)醫(yī)學(xué)雜志，2010，9（1）：51-53.

[10]周燁，馬立敏，周霞，等.3D打印技術(shù)在下頜骨腫瘤中的應(yīng)用[J].海南醫(yī)學(xué)，2013，24（23）：3486-3487.

[11]裴延軍，吳智鋼.世界首例3D打印金屬鎖骨和肩胛骨植人手術(shù)在西京醫(yī)院成功實施[J].中華創(chuàng)傷骨科雜志，2014，16（5）：34.

[12]錢文彬，楊欣建，藍(lán)濤，等.3D技術(shù)打印椎體在全脊椎整塊切除術(shù)中應(yīng)用的初步探索[J].生物骨科材料與臨床研究，2015，12（2）：9-11.

[13]岳麗娜，劉忠軍，許蕊鳳，等.1例3D打印超長人工椎體植入治療脊柱脊索瘤的護理[J].中國微創(chuàng)外科雜志，2017，17（9）：861-864.

[14]Wu ZX，Huang LY，Sang HX，et al.Accuracy and safety assessment of pedicle screw placement using the rapid prototyping technique in severe congenital scoliosis[J].Journal of Spinal Disorders&Techniques;，2011，24（7）：444.

[15]施鳳偉，郭征，范宏斌，等.3D打印髖臼導(dǎo)板輔助骨盆腫瘤切除后精確重建[J].中國骨與關(guān)節(jié)雜志，2017，6（2）：108-113.

[16]Sun W，Li J，Li Q，et al.Clinical effectiveness of hemipelvicreconstruction using computer-aided custom-made prostheses afterresection of malignant pelvic tumors[J].J Arthroplassty，2011，26（8）：1508-1513.

[17]Wong KC，Kumta SM，Geel NV，et al.One-step reconstruction with a 3D-printed，biomechanically evaluated custom implant after complex pelvic tumor resection[J].Comput Aided Surg，2015，20（1）：14-23.

[18]顏來鵬，湯發(fā)強.人工假體置換術(shù)應(yīng)用于40例四肢骨腫瘤保肢療法的療效分析[J].腫瘤學(xué)雜志，2016，22（7）：594-596.

[19]馬立敏，張余，周燁，等.3D打印技術(shù)在股骨遠(yuǎn)端骨腫瘤的應(yīng)用[J].中國數(shù)字醫(yī)學(xué)，2013，8（8）：70-72.

[20]付軍，王臻，郭征，等.數(shù)字化結(jié)3D打印個體化導(dǎo)板的設(shè)計加工及其在骨腫瘤手術(shù)中的應(yīng)用[J].中華創(chuàng)傷骨科雜志，2015，17（1）：50-54.

[21]程維，白長雙，郝立昌，等.3D打印假體技術(shù)治療四肢骨關(guān)節(jié)腫瘤[J].中國矯形外科雜志，2017，25（9）：844-847.

收稿日期：2018-3-1；修回日期：2018-3-9

編輯/楊倩