3D打印髖臼導(dǎo)板輔助的骨盆腫瘤切除后精確性分析

李承鐸 田征 宋興華 艾克拜爾 陳江濤 樊雪鵬 楊曉鋼

骨盆腫瘤分為良性腫瘤與惡性腫瘤，由于骨盆腫瘤解剖部位深在，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其治療在骨腫瘤學(xué)科中至今是一大難題。所有原發(fā)性惡性骨腫瘤中6%～15%累及骨盆［1］；骨盆骨也是許多其他惡性腫瘤的常見轉(zhuǎn)移部位，包括腎、前列腺、乳腺、肺、甲狀腺和膀胱［2-3］。骨盆骨腫瘤通常表現(xiàn)為體積較大，可侵犯重要的解剖結(jié)構(gòu)［4］，包括髂血管、股神經(jīng)、坐骨神經(jīng)、盆腔臟器等。手術(shù)切除是治療骨盆腫瘤最主要的方法，且手術(shù)難度大，技術(shù)要求高，術(shù)后并發(fā)癥多［5-7］。手術(shù)治療的目的是減少局部復(fù)發(fā)，提高整體生存率［8］。近年來，越來越多的患者開始接受保肢手術(shù)而不是截肢手術(shù)，希望在不影響安全腫瘤邊界的前提下提高功能和生存質(zhì)量。能否達(dá)到腫瘤根治性切除是最重要的預(yù)后因素［9-10］。

近年來，隨著3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸成熟，其能夠直觀地提供給術(shù)者腫瘤的毗鄰關(guān)系，幫助術(shù)中更好地定位解剖結(jié)構(gòu)，明確各結(jié)構(gòu)之間的空間位置，更有利于制訂和實(shí)施手術(shù)方案［11-15］。3D打印技術(shù)在骨科領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，在術(shù)前模擬、導(dǎo)板設(shè)計(jì)等方面均已成熟，但在骨盆腫瘤的應(yīng)用相對較少。3D打印導(dǎo)板輔助切除骨盆腫瘤在臨床上的應(yīng)用效果及精確度尚不明確，是否達(dá)到切緣陰性的廣泛性邊界切除也是未知。

本研究回顧性分析應(yīng)用3D打印技術(shù)行骨盆腫瘤切除患者的病歷資料及未應(yīng)用3D打印技術(shù)行骨盆腫瘤患者的病例資料，旨在探討應(yīng)用3D 打印導(dǎo)板輔助骨盆腫瘤切除的精確性。

1 材料與方法

1.1 臨床資料

選取2014年11月至2018年11月于新疆醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院接受手術(shù)治療的所有骨盆惡性腫瘤病例資料，共20例。分為3D打印導(dǎo)板組（試驗(yàn)組）10例，其中男性4例、女性6例，年齡14～56歲，平均（41.4±12.6）歲；術(shù)前病理明確診斷：軟骨肉瘤6例、骨肉瘤3例、尤文肉瘤1例。對照組10例，其中男性6例、女性4例，年齡15～63歲，平均（39.6±14.4）歲；術(shù)前病理明確診斷：軟骨肉瘤5例，骨肉瘤5例。納入標(biāo)準(zhǔn)：1）接受手術(shù)治療的所有骨盆惡性腫瘤病例，按Enneking分期為ⅡB者；2）應(yīng)用3D打印技術(shù)輔助骨盆腫瘤切除；3）未應(yīng)用3D打印技術(shù)輔助，使用傳統(tǒng)手術(shù)方法行骨盆腫瘤切除者；4）根據(jù)病例的性別、年齡、身高、體質(zhì)量、腫瘤大小及腫瘤分區(qū)、分期的資料，篩選出上述參數(shù)相同或相近的病例。排除標(biāo)準(zhǔn)：1）既往放療病史者；2）經(jīng)外院治療中途轉(zhuǎn)入本院者；3）病歷、影像等資料不完整者；4）合并其他影響分析結(jié)果的疾病者。詳細(xì)資料見表1。

表1 骨盆腫瘤切除患者的基線資料

所有患者術(shù)前均常規(guī)行骨盆MRI、骨盆薄層CT掃描、肺CT 及全身骨顯像檢查。根據(jù)Enneking 骨盆切除分區(qū)，各組Ⅰ+Ⅳ區(qū)4例，Ⅰ+Ⅱ區(qū)3例，Ⅱ+Ⅲ區(qū)3例。所有骨肉瘤及尤文肉瘤患者均在術(shù)前行規(guī)范新輔助化療。手術(shù)方法：試驗(yàn)組10例使用3D打印輔助骨盆腫瘤切除，對照組10 例使用傳統(tǒng)手術(shù)方法下的骨盆腫瘤切除。兩組在年齡分布、性別、BMI 指數(shù)比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。詳細(xì)資料見表2。

表2 試驗(yàn)組與對照組一般資料與手術(shù)結(jié)果比較

1.2 方法

1.2.1 切除邊界的確定 對于任何病理類型和分級的骨肉瘤，首選初始治療方案均為切緣陰性的廣泛切除。截骨邊界距離腫瘤至少3 cm以上才能保證切除邊緣無腫瘤殘留。本研究所有患者手術(shù)切除方式均按照這一原則，將距離腫瘤邊界3 cm 的位置定為最佳截骨位置，并用來設(shè)計(jì)導(dǎo)板。根據(jù)在最佳截骨位置上截骨后暴露的骨面設(shè)為模擬截骨面，將腫瘤切除截骨后暴露的骨面為真實(shí)截骨面。術(shù)中切緣骨及軟組織常規(guī)送病理檢測，確保邊緣陰性和安全。

1.2.2 模型重建及導(dǎo)板設(shè)計(jì)過程 兩組患者術(shù)前均行骨盆X線片、薄層CT掃描、MRI增強(qiáng)掃描檢查及術(shù)后骨盆薄層CT平掃。獲取醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信文件（DICOM）。將DICOM 導(dǎo)出到Mimics 軟件。根據(jù)CT掃描參數(shù)重建骨性骨盆結(jié)構(gòu)及病變附近血管。根據(jù)MRI確定骨內(nèi)異常信號范圍，確定腫瘤大小侵蝕程度及范圍，并用MRI 重建出腫瘤組織。將CT 與MRI 重建結(jié)果融合，獲得三維數(shù)字模型。仔細(xì)分析重建的三維模型腫瘤的空間位置，腫瘤與血管、神經(jīng)等的毗鄰關(guān)系，確定截骨位置、手術(shù)邊界及重建位點(diǎn)。根據(jù)腫瘤切除范圍及重建方法，進(jìn)行模擬手術(shù)切除與功能重建。利用3D 打印快速成型技術(shù)，打印出1:1 實(shí)物模型。選取具有一定形態(tài)學(xué)骨面特性后進(jìn)行光滑處理，再通過反復(fù)運(yùn)用擴(kuò)增及布爾運(yùn)算，設(shè)計(jì)出該處骨面的反向曲面，即為導(dǎo)板的接骨面，將骨連接面與切割面融合完成導(dǎo)板設(shè)計(jì)。

1.2.3 試驗(yàn)方案 兩組患者手術(shù)均按照相同的腫瘤切除原則，且由同一組醫(yī)生完成。試驗(yàn)組均在術(shù)前骨盆CT 薄層掃描，獲取DICOM 文件。將DICOM 文件導(dǎo)入Mimics 軟件重建出3D模型，在軟件上模擬手術(shù)切除，獲取模擬截骨面。根據(jù)模擬截骨面設(shè)計(jì)截骨導(dǎo)板，用3D 打印機(jī)打印出3D 模型及導(dǎo)板，在導(dǎo)板輔助下切除腫瘤組織。手術(shù)后患者復(fù)查骨盆CT，并將獲取DICOM文件導(dǎo)入Mimics軟件重建出腫瘤切除及截骨后的3D 模型，獲取真實(shí)截骨面。將術(shù)前模擬與術(shù)后真實(shí)腫瘤切除的3D模型文件同時導(dǎo)入Mimics軟件，將兩個模型文件放置到同一坐標(biāo)使之疊加，測量真實(shí)截骨面與模擬截骨面的最大線性距離。對照組使用傳統(tǒng)手術(shù)方法切除腫瘤，通過骨盆CT 薄層掃描獲取DICOM文件，通過Mimics軟件模擬手術(shù)切除，從而獲取模擬截骨面；繼續(xù)用Mimics 重建出腫瘤切除后的3D模型文件，獲取真實(shí)截骨面，將兩個模型文件放置到同一坐標(biāo)疊加后，測量真實(shí)截骨面與模擬截骨面的最大線性距離。

1.2.4 隨訪及功能評價 記錄兩組手術(shù)時間、出血量情況，美國骨腫瘤學(xué)會評分系統(tǒng)（musculoskeletal tumor society，MSTS）功能評分情況［16］。術(shù)后第1、2年，每3個月門診隨訪；術(shù)后第3年，每4個月1次；術(shù)后第4、5年，每6個月1次；之后每年1次。隨訪內(nèi)容包括體格檢查、胸片、影像學(xué)檢查（X線片、局部及肺部CT、MRI等）、PETCT掃描或骨掃描、每次隨訪重新評估功能。采用MSTS評分系統(tǒng)評價術(shù)后功能。末次隨訪采用MSTS進(jìn)行評價。該評分包括6個方面內(nèi)容，即疼痛程度、肢體功能喪失情況、患者滿意度、是否需要使用工具輔助、行走受限情況及有無步態(tài)異常等，每項(xiàng)0～5分，滿分為30分。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 22.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，數(shù)據(jù)采用表示，兩組性別采用χ2檢驗(yàn)，兩組年齡、BMI指數(shù)、腫瘤最大直徑、出血量、手術(shù)時間、MSTS 評分采用兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，以P＜0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 3D打印導(dǎo)板臨床應(yīng)用

20例患者手術(shù)順利完成，均獲得整塊切除，試驗(yàn)組手術(shù)時間（4.4±1.4）h，與對照組（4.5±1.4）h比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.83）；試驗(yàn)組術(shù)中出血量（1 980±1 158）mL，與對照組（2 785±1 784）mL比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.16）；試驗(yàn)組線性差距平均（3.8±1.9）cm，與對照組（8.7±1.0）cm比較差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.001）。

2.2 并發(fā)癥

本組18例患者未發(fā)生術(shù)后傷口感染、皮膚壞死，術(shù)后轉(zhuǎn)入康復(fù)理療進(jìn)行術(shù)后康復(fù)訓(xùn)練。1 例術(shù)后出現(xiàn)切口感染，經(jīng)清創(chuàng)、加強(qiáng)引流、抗感染等對癥支持治療后痊愈；1例術(shù)后兩個月出現(xiàn)髖關(guān)節(jié)脫位，行1次閉合復(fù)位及1次切開復(fù)位后未再發(fā)生髖關(guān)節(jié)脫位。

2.3 腫瘤控制及功能評價

20例患者均獲得隨訪，術(shù)后隨訪11～48個月，平均30 個月。隨訪期間19 例未見局部腫瘤復(fù)發(fā)及遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移，1例骨肉瘤患者于術(shù)后9個月出現(xiàn)肺轉(zhuǎn)移，目前帶瘤生存。其余患者術(shù)后恢復(fù)良好。3D打印導(dǎo)板組術(shù)后MSTS 功能評分（20.4±0.98）分，與常規(guī)組（20.2±1.29）分比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.78）。

3 討論

3.1 3D骨盆模型重建

通過應(yīng)用CT 薄層掃描獲取DICOM 數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 軟件，重建出骨盆，能較好的評估腫瘤對骨骼侵襲破壞的程度［17］。通過對軟件閾值的調(diào)整可以改變骨骼的能見程度，閾值越小，骨骼顯示越清晰。調(diào)整適宜閾值后重建出骨盆。骨盆腫瘤通常瘤體巨大，常出現(xiàn)局部破壞性生長，累及骨盆多個分區(qū)，且侵襲鄰近器官組織，甚至出現(xiàn)腫瘤包繞周圍血管、神經(jīng)的情況，術(shù)前準(zhǔn)確認(rèn)識腫瘤顯得尤為重要。MRI能很好的顯示病變組織與周圍重要臟器、血管、神經(jīng)的毗鄰關(guān)系［18］。通過應(yīng)用MRI薄層掃描獲取DICOM數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics軟件，軟組織腫瘤重建過程中，軟件無法區(qū)分腫瘤組織與肌肉信號，需要有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生徒手在每張層面中繪出腫瘤的范圍，重建出腫瘤組織。這一過程存在主觀性，若腫瘤區(qū)范圍內(nèi)水腫信號、間隙中脂肪、不均勻骨髓信號與腫瘤邊界相混淆時，則重建出的腫瘤與真實(shí)腫瘤存在誤差。骨盆腔內(nèi)供應(yīng)下肢、臀部及會陰部動靜脈血管，血管側(cè)支供應(yīng)豐富，術(shù)中一旦出血，由于位置較深且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，止血十分困難［19］，會給后續(xù)的腫瘤安全切除帶來困難。本研究術(shù)前通過應(yīng)用CT獲取的DICOM數(shù)據(jù)，通過閾值分割，重建出盆腔內(nèi)血管，能較好的顯示血管與腫瘤的毗鄰關(guān)系。3D骨盆模型能幫助術(shù)者在手術(shù)中更好地定位解剖結(jié)構(gòu)、明確各結(jié)構(gòu)之間的空間位置，利于制訂和實(shí)施手術(shù)方案。

3.2 導(dǎo)板設(shè)計(jì)與應(yīng)用分析

骨盆解剖結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，且盆腔內(nèi)有許多重要的內(nèi)臟器官，有豐富的血管和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。而骨盆腫瘤切除的難度遠(yuǎn)高于普通的骨盆手術(shù)，要求對腫瘤周圍的組織結(jié)構(gòu)有確切的認(rèn)識，并在腫瘤組織的安全外科邊界內(nèi)進(jìn)行腫瘤切除［20］。手術(shù)導(dǎo)板的設(shè)計(jì)可以在保留最大骨量的前提下，實(shí)現(xiàn)在安全邊界內(nèi)進(jìn)行腫瘤切除。既不會污染盆腔內(nèi)其余臟器，又能精確切除腫瘤，從而降低腫瘤復(fù)發(fā)率。導(dǎo)板設(shè)計(jì)需要有豐富骨盆手術(shù)經(jīng)驗(yàn)的外科醫(yī)生設(shè)計(jì)，根據(jù)手術(shù)暴露空間、需要手術(shù)切除的邊緣、術(shù)中骨性標(biāo)志、鄰近的臟器、附近走行的血管神經(jīng)等方面綜合考慮來設(shè)計(jì)導(dǎo)板。導(dǎo)板需要盡可能的簡潔，體積盡可能的小，盡可能多的貼附于骨面，從而達(dá)到一個穩(wěn)定支持的結(jié)構(gòu)。導(dǎo)板設(shè)計(jì)還需具有唯一性，能夠準(zhǔn)確的放置于截骨平面上，若位置安放錯誤，將不能貼附于骨面。導(dǎo)板安裝過程中需要鏟除骨面上的一切軟組織，暴露出皮質(zhì)骨，讓導(dǎo)板緊密的貼附于骨皮質(zhì)上。用克氏針將導(dǎo)板固定，再將固定長度的定位針通過導(dǎo)向圓筒打入骨組織內(nèi)，透視驗(yàn)證定位針位置及標(biāo)記范圍與術(shù)前設(shè)計(jì)無誤差后，按照定位針?biāo)甘疚恢霉纬≡罨蜻M(jìn)行截骨。

綜上所述，本研究中使用3D打印骨盆模型，有助于了解骨盆腫瘤與重要解剖結(jié)構(gòu)的毗鄰關(guān)系，擬定手術(shù)方案，并模擬手術(shù)，驗(yàn)證術(shù)前方案的可行性，有助于手術(shù)順利進(jìn)行。3D打印截骨導(dǎo)板輔助骨盆腫瘤切除，可指導(dǎo)術(shù)中精確截骨，方便操作，簡化手術(shù)，具有推廣應(yīng)用價值。本研究中3D 打印在手術(shù)時間、出血量等方面未體現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，但在腫瘤邊緣切除精確度方面優(yōu)勢明顯。

致謝：空軍軍醫(yī)大學(xué)西京醫(yī)院王臻教授、郭征教授以及新疆唯美空間三帝智能科技有限公司。