數(shù)字骨庫輔助異體骨選配在骨腫瘤中的應(yīng)用及長期療效觀察

楊迪，吳智鋼，2，付軍，范宏斌，李小康，郭征*

(1.空軍軍醫(yī)大學(xué)西京醫(yī)院骨科，陜西 西安 710032；2.中國人民解放軍第518醫(yī)院，西安 710043)

隨著外科技術(shù)的不斷提高以及骨腫瘤化療技術(shù)的不斷發(fā)展，保肢術(shù)已成為骨腫瘤治療的常規(guī)術(shù)式[1]。骨腫瘤切除后骨缺損的重建是骨腫瘤保肢術(shù)后功能恢復(fù)的關(guān)鍵。盡管異體骨存在疾病傳播、排異反應(yīng)等缺點(diǎn)，但異體骨移植可為骨腫瘤切除后骨缺損提供即刻的支撐穩(wěn)定，并且為肌肉韌帶提供附驪點(diǎn)完成功能重建。因此，采用異體骨重建的方法與骨腫瘤假體相比更具有優(yōu)勢(shì)[2-3]。在骨關(guān)節(jié)、干骺端和髓內(nèi)支撐等部位的重建中，采用相同解剖部位的異體骨重建具有較好的應(yīng)用效果，但是，如果宿主骨和異體骨之間匹配不良可導(dǎo)致骨對(duì)合不良、骨折、關(guān)節(jié)退變以及延遲愈合或不愈合等并發(fā)癥的發(fā)生。因此，如何選取和宿主骨適配的異體骨是生物重建能否成功的關(guān)鍵。

然而，傳統(tǒng)的選配方法主要依據(jù)X線片的測(cè)量將骨庫中的異體骨與宿主骨進(jìn)行匹配[4]。但由于是手工測(cè)量，因此存在主觀、耗時(shí)和精確度不足等缺陷。盡管采用CT圖像提高了選配方法的精度，但仍然無法實(shí)現(xiàn)精確的三維測(cè)量。異體骨選配，尤其是對(duì)于具有不規(guī)則外形的長骨末端或者骨盆等部位，選配仍然遇到困難。在過去二十年里，仿真圖像技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于骨科手術(shù)，并且取得了滿意的治療效果[5]。異體骨和宿主骨病損部位可以通過醫(yī)學(xué)影像圖像進(jìn)行三維仿真重建，因此宿主骨和異體骨之間的三維精確解剖適配成為可能?；诖耍狙芯坎捎萌S模型重建的方法，建立了一套集成有管理、分析和選配的數(shù)字骨庫系統(tǒng)，并在計(jì)算機(jī)導(dǎo)航輔助下完成臨床應(yīng)用14例。本文著重以2例長骨末端和骨盆兩個(gè)不規(guī)則部位患者骨適配移植的治療方法和長期隨訪結(jié)果進(jìn)行闡述，期望為異體骨的選配提供一種精確快速的新方法。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)采集，圖像分割與三維重建 依托西京醫(yī)院綜合骨庫深低溫冷凍貯存的大段異體骨，日常庫存資源>300根。按解剖學(xué)位置分類，包括：肱骨近端、肱骨遠(yuǎn)端、尺骨、橈骨、肩胛骨、鎖骨、股骨近端、股骨遠(yuǎn)端、脛骨近端、脛骨遠(yuǎn)端、腓骨、骨盆、跟骨等處；首先對(duì)所有骨骼進(jìn)行CT掃描(64排螺旋CT，GE公司，美國)掃描。本研究中異體骨影像掃描層距標(biāo)準(zhǔn)為0.625 mm，獲得的CT影像以DICOM(Digital Imaging and Communication inMedicine)格式存儲(chǔ)。圖像采用Mimics軟件系統(tǒng)(Leuven，Belgium)處理。骨組織與其他組織和結(jié)構(gòu)分離，比如皮膚、脂肪、肌肉和CT金屬工作床等。每塊異體骨的DICOM圖像和三維模型一起組成一個(gè)數(shù)字骨庫系統(tǒng)(見圖1)。

a 右股骨近端冠狀位數(shù)據(jù)b 右脛骨近端冠狀位數(shù)據(jù)

c 左股骨遠(yuǎn)端冠狀位數(shù)據(jù) d 右脛骨近端關(guān)節(jié)面數(shù)據(jù)

1.2 異體骨選配 在數(shù)字骨庫系統(tǒng)中，基于異體骨長、寬、高的體積參數(shù)對(duì)異體骨進(jìn)行登記。選配過程中，對(duì)腫瘤侵犯骨的三維模型和異體骨模型體積進(jìn)行測(cè)量和比對(duì)，選取最佳匹配的異體骨。登記匹配過程中應(yīng)選取和宿主骨CT值密度相近的異體骨。如果匹配過程中宿主骨部位由于腫瘤侵襲破壞不能用于登記匹配時(shí)，采用健側(cè)骨骼三維模型鏡像反轉(zhuǎn)的方法與異體骨進(jìn)行匹配。操作者可以自由旋轉(zhuǎn)骨骼的三維模型來檢查一致性，同時(shí)二維圖像也可以測(cè)量觀察。匹配過程中，第一步是確定解剖標(biāo)志，并測(cè)量距離。第二步是異體骨的二維圖像放大后與宿主骨進(jìn)行圖像的重疊匹配。最后，仿真模型的三維測(cè)量使異體骨的選配更為精確。

1.3 典型病例 a)11歲男性患者，術(shù)前活檢診斷為右側(cè)髖臼尤文肉瘤。術(shù)前影像學(xué)提示右側(cè)髖臼和右側(cè)恥骨溶骨性病變(見圖2)。b)16歲男性患者，術(shù)前活檢診斷為左側(cè)脛骨遠(yuǎn)端骨肉瘤(見圖3)。術(shù)前影像學(xué)提示左側(cè)脛骨遠(yuǎn)端溶骨和成骨混合性病變。影像數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)后，在重建的骨骼三維模型內(nèi)確定腫瘤邊界和切除平面，并在數(shù)字骨庫系統(tǒng)內(nèi)完成異體骨匹配。術(shù)中，腫瘤在計(jì)算機(jī)導(dǎo)航輔助下整塊切除，然后將異體骨采用接骨板和螺釘?shù)姆绞脚c殘留宿主骨進(jìn)行固定。

1.4 診療計(jì)劃 所有患者在術(shù)前行X線、CT掃描、磁共振和核素骨掃描，確定腫瘤邊界、分期和截骨平面。在計(jì)算機(jī)模型上模擬腫瘤切除后的骨缺損，并采用如上所述的選配方法，在數(shù)字骨庫系統(tǒng)中選取最佳適配的異體骨，并在三維模型上進(jìn)行異體骨的模擬修剪與安裝固定。安全邊界、切除平面、植入部位和螺釘固定位置與方向均按照預(yù)訂手術(shù)入路和顯露情況進(jìn)行規(guī)范和確定。腫瘤的精確切除和異體骨的精準(zhǔn)植入固定依靠計(jì)算機(jī)導(dǎo)航輔助進(jìn)行。術(shù)后隨訪指標(biāo)主要包括局部復(fù)發(fā)、遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移、功能恢復(fù)和并發(fā)癥等。保肢術(shù)后功能評(píng)分采用國際骨與軟組織腫瘤協(xié)會(huì)(musculoskeletal tumor society，MSTS)評(píng)分進(jìn)行評(píng)估。術(shù)后3年內(nèi)，每3個(gè)月隨訪1次。術(shù)后第4年起每半年隨訪一次。

a 骨盆正位片示病變部位b 三維CT冠狀位 c三維CT矢狀位 d 骨盆三維模型

e 骨盆異體骨選配流程

a 脛骨正側(cè)位X線片 b 三維CT c 三維CT冠狀位d 脛骨病變?nèi)S模型重建

e 脛骨遠(yuǎn)端異體骨選配流程f 異體骨和宿主骨之間呈最佳匹配 g 異體骨模擬安裝

2 結(jié)果

2.1 典型病例一 影像學(xué)信息提示該例患者腫瘤位于髖臼前方及恥骨，溶骨性病變局限于右髖臼前方和右側(cè)恥骨，手術(shù)方案確定為導(dǎo)航下髖臼前部和恥骨的腫瘤整塊切除并異體骨重建內(nèi)固定術(shù)，手術(shù)時(shí)間215 min，失血量2 100 mL。術(shù)中異體骨匹配滿意，固定位置良好。術(shù)后6個(gè)月，患者M(jìn)STS評(píng)分24分。術(shù)后按期隨訪，異體骨固定良好，異體骨恥骨部分逐漸骨吸收(見圖4～5)。術(shù)后5年隨訪，患者未見局部復(fù)發(fā)及遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移，MSTS評(píng)分26分。

2.2 典型病例二 左側(cè)脛骨遠(yuǎn)端骨肉瘤，手術(shù)方案為導(dǎo)航下左側(cè)脛骨遠(yuǎn)端病變部位整塊切除并異體骨重建內(nèi)固定術(shù)，手術(shù)時(shí)間180 min，失血量300 mL。術(shù)中異體骨匹配滿意，固定良好。術(shù)后6個(gè)月，患者M(jìn)STS評(píng)分27分。術(shù)后18個(gè)月時(shí)，X線及核素骨掃描均提示異體骨與宿主骨發(fā)生愈合。術(shù)后5年隨訪，未發(fā)現(xiàn)局部復(fù)發(fā)或遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移，內(nèi)固定位置滿意，無螺釘松動(dòng)及骨吸收(見圖6～9)，患者M(jìn)STS評(píng)分29分。

圖4 術(shù)后即刻正位X線片示異體骨固定效果滿意圖5 術(shù)后5年正位X線片示內(nèi)固定位置良好，右恥骨部分骨吸收

圖6 術(shù)后即刻脛骨正位X線片示骨折線明顯圖7 術(shù)后18個(gè)月脛骨正位X線片示骨折線消失圖8 術(shù)后18個(gè)月核素骨掃描示植骨愈合 圖9 術(shù)后5年X線片示內(nèi)固定滿意

3 討論

隨著外科技術(shù)的不斷提高以及骨腫瘤化療水平的不斷發(fā)展，大段異體骨移植的生物重建優(yōu)勢(shì)日益得到關(guān)注和重視。異體骨重建可能的并發(fā)癥主要包括感染、骨不愈合、骨折、免疫排斥和內(nèi)固定失敗等。但異體骨重建的優(yōu)勢(shì)在于，它不僅能提供足夠力學(xué)強(qiáng)度、外形和尺寸，更能提供良好的關(guān)節(jié)面以及肌肉韌帶附驪點(diǎn)?，F(xiàn)代骨庫的建立保證了異體骨的持續(xù)和優(yōu)質(zhì)的供應(yīng)。然而，異體骨的精確匹配和固定，尤其在涉及關(guān)節(jié)等復(fù)雜形態(tài)時(shí)仍是臨床的挑戰(zhàn)。解決這一問題的關(guān)鍵就在于如何快速地篩選形態(tài)相似，能夠最佳匹配的異體骨。

在三維數(shù)字骨庫系統(tǒng)中，異體骨選配可以完全在術(shù)前進(jìn)行，并在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行體外的模擬裝配完成驗(yàn)證。然后通過計(jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)指導(dǎo)術(shù)者的手術(shù)操作，將術(shù)前模擬切除和裝配的手術(shù)方案在術(shù)中精確實(shí)施。本研究納入的2例異體骨應(yīng)用病例均在2012年實(shí)施，其選骨和手術(shù)操作流程與阿根廷學(xué)者在2017年報(bào)道的數(shù)字骨庫操作流程方面具有較強(qiáng)的一致性，但實(shí)施時(shí)間與國外相比領(lǐng)先5年[6]。本文納入的2例患者，選取的異體骨與腫瘤切除后的宿主骨均實(shí)現(xiàn)了安全的外科邊界和精準(zhǔn)的匹配安裝。術(shù)后5年隨訪腫瘤無復(fù)發(fā)，且功能恢復(fù)良好。骨盆尤文肉瘤患者在術(shù)后隨訪中發(fā)現(xiàn)異體骨的骨吸收，以恥骨區(qū)域尤為明顯，該現(xiàn)象可能與恥骨區(qū)域以松質(zhì)骨為主的骨質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)，也可能與該區(qū)域的受力特點(diǎn)有關(guān)。脛骨異體骨移植患者在術(shù)后1年半時(shí)骨折線已經(jīng)完全消失，并且核素骨掃描提示宿主骨和異體骨結(jié)合部位核素?cái)z取，提示骨愈合。異體骨的不愈合與延遲愈合是異體骨移植的常見并發(fā)癥。異體骨顆粒的填充移植被認(rèn)為是一種可替代自體骨顆粒的有效手段[7]，但大段異體骨移植的并發(fā)癥仍被臨床醫(yī)生所擔(dān)憂。有報(bào)道指出，異體骨匹配不良可導(dǎo)致骨關(guān)節(jié)骨折，關(guān)節(jié)退變和延遲愈合或不愈合。有學(xué)者報(bào)道，異體骨假體的骨延遲愈合率可高達(dá)50%[8]，但是在匹配良好的條件下異體骨的不愈合率可低至20%[9]。國內(nèi)學(xué)者馮毅等[10]在股骨中段骨肉瘤切除后異體骨重建成功的病例報(bào)道中也指出異體骨的外形修整匹配是手術(shù)成功的關(guān)鍵因素。因此，本研究中異體骨的精確匹配可能對(duì)異體骨與宿主骨之間的骨愈合起到積極的作用。

本研究中異體骨庫系統(tǒng)以異體骨體積作為入庫登記的主要參數(shù)指標(biāo)。目前報(bào)道的登記方法主要包括人工選擇，自動(dòng)化體積匹配登記和自動(dòng)化表面匹配登記三種方式。Ritacco等[11]比較三種登記方式后發(fā)現(xiàn)自動(dòng)化登記的方式在尺寸參數(shù)匹配方面要明顯優(yōu)于人工方法，而兩種自動(dòng)化匹配方法之間的尺寸參數(shù)匹配方面則沒有明顯差異。另外一篇報(bào)道指出以體積為參數(shù)的登記方法比以平面和標(biāo)志點(diǎn)為參數(shù)的登記方法更為精確[12]。因此，以體積為參數(shù)的登記方法是異體骨選配的可靠方案之一。此外，Zhang[4]提出在異體骨選配中采用宿主骨截骨平面標(biāo)志點(diǎn)的鑲邊登記方法(bandregistration)，也比傳統(tǒng)的表面登記和外形登記更加精確。在關(guān)節(jié)部位的異體骨選配中應(yīng)當(dāng)考慮關(guān)節(jié)軟骨的厚度。由于CT值并不能有效區(qū)分軟組織，所以就需要將CT圖像和磁共振圖像進(jìn)行融合來獲得更為精確的腫瘤三維模型。該圖像融合后的模型可以用于為異體骨精確選配和進(jìn)一步的術(shù)前異體骨修整。

目前，我國建有很多傳統(tǒng)的骨庫，保證了異體骨的供應(yīng)。為了滿足在大量異體骨中進(jìn)行快速選配的要求，我院骨科于2010年在國內(nèi)率先建立數(shù)字骨庫。采用DICOM格式數(shù)據(jù)和Mimics軟件系統(tǒng)建立的數(shù)字骨庫系統(tǒng)具有便于管理、精確選配、省時(shí)快速、與計(jì)算機(jī)導(dǎo)航無縫對(duì)接指導(dǎo)手術(shù)等優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)依靠術(shù)者經(jīng)驗(yàn)的手術(shù)方式相比，數(shù)字骨庫和計(jì)算機(jī)導(dǎo)航相結(jié)合的手術(shù)方式，可以在術(shù)中將解剖部位、假體和工具等的定位信息向術(shù)者實(shí)時(shí)傳遞[13]。術(shù)中的信息反饋提升使手術(shù)醫(yī)生所受的透視相關(guān)射線暴露明顯減少[14]。

盡管取得了數(shù)字骨科應(yīng)用滿意的臨床效果，但是本研究依然存在一些不足。例如應(yīng)用例數(shù)較少，并且只有單中心的臨床應(yīng)用。如果能夠?qū)崿F(xiàn)多中心數(shù)字骨庫的互聯(lián)，則可以進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，同時(shí)數(shù)字骨庫互聯(lián)后能夠大幅提升骨庫內(nèi)異體骨的規(guī)模，從而實(shí)現(xiàn)更加便利和精確的選配。此外，異體骨在通過術(shù)前的計(jì)算機(jī)模擬匹配和安裝后，可以在術(shù)前完成異體骨的修剪，從而大幅減少手術(shù)時(shí)間。盡管存在上述不足，但是本研究對(duì)數(shù)字骨庫應(yīng)用的探索仍然為今后數(shù)字骨庫的應(yīng)用提供了重要的實(shí)踐基礎(chǔ)和理論依據(jù)。