3D打印髕骨假體治療髕骨骨巨細(xì)胞瘤的早期療效評(píng)估

譚淋云， 虎鑫， 文陽(yáng)， 杜貴鋒， 盧敏勛， 張瑀琦， 周勇， 羅翼， 閔理， 屠重棋

髕骨骨巨細(xì)胞瘤主要表現(xiàn)為局部骨質(zhì)溶解破壞，具有侵襲性。特點(diǎn)為發(fā)病率低，刮除治療后復(fù)發(fā)率高[1-3]?？筛鶕?jù)Campanacci影像學(xué)分級(jí)系統(tǒng)，采取手術(shù)為主要治療方式。由于髕骨體積較小，病灶局部膨脹、溶骨往往侵犯達(dá)髕股關(guān)節(jié)面下方軟骨，導(dǎo)致骨皮質(zhì)菲薄，無(wú)法評(píng)估合適的刮除邊界，若瘤壁刮除過(guò)度，容易導(dǎo)致骨皮質(zhì)破裂，破壞關(guān)節(jié)面，深部不夠又可能會(huì)增加腫瘤復(fù)發(fā)率。故目前對(duì)于患有CampanacciⅢ級(jí)或復(fù)發(fā)性髕骨骨巨細(xì)胞瘤患者，治療方式主要為En-bloc切除腫瘤聯(lián)合功能重建[4-5]。

髕骨骨巨細(xì)胞瘤切除后主要有以下重建方式：股四頭肌腱和髕韌帶的斷端縫合[6]、同種異體肌腱移植[5,7-9]、自體肌腱移植[10-12]。雖然有文獻(xiàn)報(bào)道稱(chēng)以上重建方式能達(dá)到較好臨床療效，但追蹤調(diào)查發(fā)現(xiàn)其缺點(diǎn)仍比較明顯，比如供體不足、患膝伸直延遲、傳播疾病和移植物的排斥反應(yīng)等。此外，目前對(duì)于使用3D打印或生物型髕骨假體治療髕骨腫瘤尚無(wú)相關(guān)報(bào)道。鑒于此，我們團(tuán)隊(duì)獨(dú)立開(kāi)發(fā)研究了3D打印髕骨假體用于臨床治療。對(duì)于實(shí)施En-bloc切除聯(lián)合3D打印生物型髕骨假體重建治療髕骨骨巨細(xì)胞瘤的患者進(jìn)行單中心回顧性隊(duì)列研究，并評(píng)估臨床療效，目的在于：①闡述假體創(chuàng)新性設(shè)計(jì)理念；②介紹相關(guān)手術(shù)技巧；③評(píng)估與探討該假體治療髕骨骨巨細(xì)胞瘤的早期療效。

1 資料與方法

納入標(biāo)準(zhǔn)為：①2016年1月至2021年8月，四川大學(xué)華西醫(yī)院行En-bloc切除聯(lián)合3D打印髕骨假體重建術(shù)治療髕骨骨巨細(xì)胞瘤的患者；②病理證實(shí)為骨巨細(xì)胞瘤(Campanacci Ⅲ級(jí)或局部復(fù)發(fā))者；③術(shù)后隨訪(fǎng)>1年的患者；④同意實(shí)施En-bloc切除聯(lián)合3D打印髕骨假體重建術(shù)者；⑤隨訪(fǎng)資料完整者。排除標(biāo)準(zhǔn)為：①合并其他全身性疾病不能耐受手術(shù)者；②伴有關(guān)節(jié)內(nèi)嚴(yán)重感染者；③患有其他影響下肢功能評(píng)定疾病者；④金屬植入無(wú)法實(shí)施者；⑤隨訪(fǎng)資料不完整者。

本研究經(jīng)由四川大學(xué)華西醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，所有患者均簽署知情同意書(shū)。

1.2 一般資料

本研究共納入4例患者，男女各2例，年齡為45～54歲，平均50.5歲。3例患者診斷為Campanacci Ⅲ級(jí)髕骨骨巨細(xì)胞瘤，1例患者為外院行局部病灶刮除+自體髂骨植骨術(shù)后局部復(fù)發(fā)。本組患者均以膝關(guān)節(jié)活動(dòng)障礙伴局部腫脹入院。查體：膝關(guān)節(jié)局部腫脹、有明顯壓痛，活動(dòng)受限明顯。術(shù)前病理活檢證實(shí)為骨巨細(xì)胞瘤，并根據(jù)CT、MRI資料建立雙側(cè)髕骨、股骨遠(yuǎn)端及脛骨近端的虛擬3D模型。術(shù)前評(píng)估膝關(guān)節(jié)活動(dòng)度(range of motion，ROM)、視覺(jué)模擬評(píng)分(visual analogue scale, VAS)[13]、肌力強(qiáng)度、骨與軟組織腫瘤協(xié)會(huì)評(píng)分(MSTS評(píng)分)[14]、insall-salvati比值(ISR)[15]。

1.3 手術(shù)方法

1.3.1 假體的設(shè)計(jì)和制造 本研究中涉及假體由四川大學(xué)華西醫(yī)院骨與軟組織腫瘤中心臨床團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)，由北京春立正達(dá)醫(yī)療器械有限公司制造。假體設(shè)計(jì)和制造的主要原則為個(gè)性化模擬正常的尺寸和外觀。

將患者患側(cè)髕骨、股骨遠(yuǎn)端、脛骨近端及對(duì)側(cè)髕骨CT掃描及三維重建的數(shù)據(jù)導(dǎo)入MimicsV22.0軟件(Materialise Corp, Leuven, 比利時(shí))，建立雙側(cè)髕骨三維模型，以健側(cè)髕骨模型數(shù)據(jù)為鏡像制作假體的初步模型。設(shè)計(jì)重點(diǎn)如下：①假體主體(包含金屬組件與聚乙烯襯墊)表面解剖結(jié)構(gòu)完全對(duì)應(yīng)健側(cè)髕骨，位置放置在膝關(guān)節(jié)完全伸直時(shí)髕骨的自然位置，確保假體沿股骨滑車(chē)溝的軌跡；②通過(guò)MRI數(shù)據(jù)構(gòu)建的軟骨模型修改髕骨假體關(guān)節(jié)面，使關(guān)節(jié)面處聚乙烯襯墊與患側(cè)髕骨關(guān)節(jié)面精準(zhǔn)匹配(圖1A)；③在假體設(shè)計(jì)時(shí)邊緣向外延伸2 mm；④使用超高分子聚乙烯襯墊(Orthoplastics Ltd, Lancashire, 英國(guó))覆蓋假體關(guān)節(jié)表面，在聚乙烯襯墊表面設(shè)計(jì)卡扣結(jié)構(gòu)；⑤金屬組件設(shè)計(jì)聚乙烯卡扣結(jié)構(gòu)，使金屬組件與聚乙烯卡扣襯墊結(jié)合更加緊密。

2018年12月11日，唐納森無(wú)錫新工廠奠基儀式在華平（無(wú)錫）智造園成功舉行。無(wú)錫新吳區(qū)領(lǐng)導(dǎo)及區(qū)黨政辦、宣傳部、經(jīng)發(fā)局等各部門(mén)負(fù)責(zé)人、星洲股份公司負(fù)責(zé)人、唐納森公司董事長(zhǎng)兼首席執(zhí)行官Tod Carpenter先生、亞太區(qū)副總裁Franklin Cardenas先生、大中華區(qū)總裁畢明先生以及唐納森的重點(diǎn)客戶(hù)和供應(yīng)商代表一同出席了奠基儀式。

采用電子束熔煉技術(shù)制造假體金屬，計(jì)算機(jī)數(shù)控雕刻技術(shù)制造超高分子量聚乙烯襯墊(圖1B)。為防止縫線(xiàn)被切割，假體所有縫合孔行拋光處理。

1A：根據(jù)患者M(jìn)RI數(shù)據(jù)構(gòu)建的軟骨模型修改關(guān)節(jié)面；1B：假體3D打印金屬部分以及假體3D打印超高分子聚乙烯襯墊

1.3.2 手術(shù)方式 全麻后，患者取仰臥位，通過(guò)髕骨正中長(zhǎng)約15 cm切口暴露腫瘤。術(shù)中首先行髕骨腫瘤En-bloc切除術(shù)(圖2A)，確保髕韌帶、股四頭肌肌腱以及髕旁支持帶與假體之間可對(duì)接縫合時(shí)，組裝假體兩個(gè)組件。髕骨高度由ISR確定。通過(guò)“無(wú)拇指技術(shù)”[16]使膝關(guān)節(jié)屈曲30°～90°檢查髕骨軌跡。在膝關(guān)節(jié)完全伸直下安置假體，使用5號(hào)EthibondTM縫線(xiàn)將假體與周?chē)g帶進(jìn)行縫合，在所有縫線(xiàn)放置好之前不打結(jié)。然后先固定遠(yuǎn)端邊緣縫線(xiàn)，再固定近端邊緣縫線(xiàn)，最后同時(shí)拉緊髕旁支持帶內(nèi)外側(cè)縫線(xiàn)以平衡髕骨周?chē)膹埩?。在獲得良好的假體高度和髕骨軌跡后，所有縫線(xiàn)同時(shí)打結(jié)，并用不可吸收縫線(xiàn)固定(圖2B)。測(cè)得股四頭肌肌腱最大拉力為3 200 N，髕韌帶的最大拉力為2 800 N。為加強(qiáng)固定和增強(qiáng)其耐用性，特別設(shè)計(jì)了一個(gè)加厚的圓形縫合孔，用來(lái)加強(qiáng)假體周?chē)鷾\筋膜和深筋膜之間的滑動(dòng)。對(duì)于髕韌帶無(wú)法保留者，行自體肌腱移植術(shù)。

2A：切除的髕骨腫瘤；2B：髕骨腫瘤剖面；2C髕骨軟組織重建

1.3.3 術(shù)后處理 術(shù)后用石膏夾板固定患膝4周，然后膝關(guān)節(jié)行被動(dòng)伸屈運(yùn)動(dòng)2周。指導(dǎo)患者逐漸進(jìn)行下肢舒縮活動(dòng)鍛煉，穿彈力襪預(yù)防深靜脈血栓。

1.4 術(shù)后隨訪(fǎng)及療效評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

術(shù)后前半年每月隨訪(fǎng)，后半年每3個(gè)月隨訪(fǎng)，1年后每半年隨訪(fǎng)1次。腫瘤學(xué)評(píng)估記錄包括局部復(fù)發(fā)、轉(zhuǎn)移和死亡。功能學(xué)評(píng)估包含膝關(guān)節(jié)主動(dòng)屈曲角度、肌力強(qiáng)度、VAS評(píng)分、MSTS評(píng)分、髕骨運(yùn)動(dòng)軌跡及ISR比值。并發(fā)癥評(píng)估記錄包括肌腱斷裂、假體松動(dòng)、脫位、周?chē)腥?。通過(guò)影像學(xué)評(píng)估生物型假體穩(wěn)定性、膝關(guān)節(jié)退變。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

2 結(jié)果

2.1 術(shù)中情況

本組4例中1例術(shù)中切除髕韌帶，使用自體肌腱移植術(shù)，術(shù)后患者功能較差。其余3例股四頭肌肌腱、髕韌帶及膝關(guān)節(jié)周?chē)浗M織未受腫瘤侵犯，術(shù)中直接重建。

2.2 膝關(guān)節(jié)活動(dòng)度與功能評(píng)價(jià)

本組術(shù)后患側(cè)膝關(guān)節(jié)最小屈曲角度、最大屈曲角度均有改善，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；術(shù)后MSTS評(píng)分較術(shù)前上升，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；術(shù)后ISR比值較術(shù)前下降，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，見(jiàn)圖3、4，表1。

3A：術(shù)前X片提示髕骨溶骨性病變，局部皮質(zhì)斷裂以及病理性骨折；3B：術(shù)前磁共振成像(MRI)提示病灶T2像呈高信號(hào)，伴有多個(gè)小液性囊腫，可見(jiàn)出血以及皮質(zhì)斷裂；3C：術(shù)后X片提示髕股關(guān)節(jié)無(wú)骨關(guān)節(jié)炎；3D：X片髕骨軸位片顯示有良好的髕骨運(yùn)動(dòng)軌跡；3E：術(shù)后主動(dòng)屈曲弧度為0°～120°，無(wú)伸直延遲，無(wú)伸直受限

4A：術(shù)前X片提示髕骨溶骨性破壞伴病理性骨折；4B：術(shù)前磁共振成像(MRI)提示病灶呈膨脹性生長(zhǎng)，累計(jì)髕骨全層；4C：術(shù)后X片，髕骨位置良好，無(wú)骨關(guān)節(jié)炎；4D： X片髕骨軸位片，髕骨軌跡良好；4E：術(shù)后主動(dòng)屈曲弧度為0～110°

表1 4例患者手術(shù)前后膝關(guān)節(jié)功能比較

2.3 并發(fā)癥及預(yù)后

本組隨訪(fǎng)29～41個(gè)月，平均(36.25±5.5)個(gè)月。均未見(jiàn)重建肌腱斷裂、假體不穩(wěn)、傷口無(wú)菌性延遲愈合、假體無(wú)菌性松動(dòng)、假體折斷及假體周?chē)钦邸⑿枰屑袤w部分或全部翻修的假體周?chē)腥?、腫瘤局部復(fù)發(fā)等相關(guān)并發(fā)癥。至末次隨訪(fǎng)為止，無(wú)腫瘤復(fù)發(fā)及轉(zhuǎn)移。

3 討論

3.1 假體創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念利于精準(zhǔn)重建髕骨，更高效恢復(fù)功能

以健側(cè)髕骨為鏡像模型來(lái)制作假體模型，假體放置在膝關(guān)節(jié)完全伸展時(shí)髕骨的自然位置，微調(diào)假體方向，確保假體沿股骨滑車(chē)溝的軌跡。根據(jù)MRI數(shù)據(jù)構(gòu)建的軟骨模型精修關(guān)節(jié)面，假體部件中的金屬部件嵌入聚乙烯卡扣，使其與聚乙烯組件結(jié)合更加緊密，設(shè)計(jì)假體邊緣向外延伸2 mm，可靈活調(diào)節(jié)髕骨周?chē)浗M織張力，假體邊緣分布縫合孔，以固定伸肌裝置和周?chē)g帶。

改良后的關(guān)節(jié)面可降低髕股關(guān)節(jié)退變的發(fā)生率，在膝關(guān)節(jié)屈伸過(guò)程中，髕股關(guān)節(jié)所受壓力是巨大的[17-18]。Berkmortel等[19]曾證明，只有彈性模量低于300 MPa的材料才能將軟骨接觸應(yīng)力降到最低。但目前很少有材料滿(mǎn)足這一點(diǎn)，我們選用了超高分子量聚乙烯，特點(diǎn)為重量輕，強(qiáng)度高以及耐磨性好[20-21]。當(dāng)假體與股骨滑車(chē)關(guān)節(jié)面有良好匹配時(shí)，便能擴(kuò)大接觸面積、減小應(yīng)力，擁有良好的運(yùn)動(dòng)軌跡[18,21]。因此，本組術(shù)后關(guān)節(jié)功能改善明顯。

3.2 術(shù)前精準(zhǔn)方案設(shè)計(jì)與手術(shù)技巧利于患者功能重建

En-bloc切除在治療CampanacciⅢ級(jí)GCTB或髕骨惡性腫瘤中已有報(bào)道[5-6, 9, 12, 22]，既往的重建方法包括股四頭肌腱和髕韌帶斷端縫合[6]、同種異體肌腱移植[5,8-9]和自體肌腱移植[11-12]，然而，每一種都有其缺點(diǎn)[5-6, 23-25]。股四頭肌腱和髕韌帶的斷端縫合導(dǎo)致伸膝裝置過(guò)短，限制了膝關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍。自體肌腱移植延長(zhǎng)了伸膝裝置，然而供體短缺和力學(xué)性能不足仍限制了應(yīng)用。有報(bào)道稱(chēng)同種異體肌腱或人工肌腱移植后的功能恢復(fù)較佳，但也有傳播疾病和移植物排斥反應(yīng)等缺點(diǎn)，除此之外，同種異體肌腱移植后的血管化也會(huì)影響其長(zhǎng)期的耐久性[26]。術(shù)后針對(duì)髕骨腫瘤En-bloc切除術(shù)后的功能恢復(fù)仍有較大爭(zhēng)議。隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展和3D打印技術(shù)的進(jìn)步，逐漸實(shí)現(xiàn)了使用定制假體來(lái)重建復(fù)雜骨缺損的目標(biāo)[27-29]。利用3D打印技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)制作髕骨假體，對(duì)髕骨腫瘤En-bloc切除后的功能進(jìn)行重建修復(fù)。本研究在患者平均隨訪(fǎng)時(shí)間(36.25±5.5)個(gè)月里，髕骨假體無(wú)明顯松動(dòng)發(fā)生。腓腸肌皮瓣的轉(zhuǎn)位使早期軟組織得以覆蓋假體，增強(qiáng)了功能[30]。良好的髕骨軌跡增加了力臂，提高了股四頭肌效率，從而使膝關(guān)節(jié)能更高效地完成伸展運(yùn)動(dòng)。伸膝裝置過(guò)長(zhǎng)則會(huì)導(dǎo)致伸直延遲，影響患者術(shù)后功能[31-32]。本研究中，假體的精準(zhǔn)貼合、股四頭肌肌腱和髕韌帶的保留、假體邊緣延伸的2 mm、在完全伸直下的縫合等保證了髕骨原位重建，最大限度地提高了重建后的功能，臨床療效滿(mǎn)意。

3.3 注重術(shù)前手術(shù)模擬與實(shí)際手術(shù)操作利于并發(fā)癥防治

本研究采用基于CT并融合MRI數(shù)據(jù)的多模態(tài)圖像融合技術(shù)，生成虛擬三維圖像。通過(guò)精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)，手術(shù)模擬以及嚴(yán)格按照計(jì)劃的手術(shù)操作，最終完成良好的功能重建。為減少脫位，術(shù)前進(jìn)行了對(duì)髕骨位置及方向的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，確保假體沿股骨滑車(chē)溝的軌跡，并調(diào)整了恰當(dāng)?shù)募∪廛浗M織張力；為加強(qiáng)固定和增強(qiáng)其耐用性，我們?cè)O(shè)計(jì)了加厚的圓形縫合孔，來(lái)增加假體周?chē)鷾\筋膜和深筋膜之間的滑動(dòng)；為平衡髕骨周?chē)浗M織張力，假體設(shè)計(jì)的邊緣向外延伸了2 mm。本組術(shù)后無(wú)重建肌腱斷裂、假體不穩(wěn)、傷口延遲愈合、假體無(wú)菌性松動(dòng)、假體折斷及假體周?chē)钦?、需要行假體部分或全部翻修的假體周?chē)腥?、腫瘤局部復(fù)發(fā)等并發(fā)癥發(fā)生。

綜上，3D打印髕骨假體治療髕骨骨巨細(xì)胞瘤早期療效顯著，其個(gè)性化的精確設(shè)計(jì)有助于減少并發(fā)癥的發(fā)生。