董樂樂，郭鵬年，劉亞雄,李滌塵，劉 瑞，左 強

(1.內蒙古科技大學包頭醫(yī)學院第一附屬醫(yī)院骨二科，內蒙古包頭 014010;2.西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室，西安 710049)

·短篇及病例報道·

應用3D打印個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1

(1.內蒙古科技大學包頭醫(yī)學院第一附屬醫(yī)院骨二科，內蒙古包頭 014010;2.西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室，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量，減少家庭和社會負擔。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，解剖關系復雜，對技術要求高，術后并發(fā)癥多[4-5]。如何準確切除腫瘤并對缺損骨關節(jié)行功能重建，尚無統(tǒng)一的認識和完美的解決方法。

近年來，隨著科技的發(fā)展，計算機輔助設計(CAD)、計算機輔助制造(CAM)、3D打印等工學技術逐漸滲入到醫(yī)學領域，形成了新興的醫(yī)工結合交叉學科。本研究在前期理論積累的基礎上，應用醫(yī)工結合的理念，運用CAD、CAM和3D打印等技術為1例骨盆腫瘤患者進行術前規(guī)劃、設計制備個性化定制假體，切除腫瘤，精準安裝假體并取得良好的療效，為復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力2個月”，于2015年2月9日在內蒙古科技大學包頭醫(yī)學院第一附屬醫(yī)院治療。查體：神志清楚，精神可，飲食差，大便失禁，小便導尿。左側腹股溝區(qū)可見局部隆起，皮膚完整，無發(fā)紅，皮溫正常，可觸及15 cm×10 cm大小橢圓形腫物，質韌，邊界尚清楚，活動度差，壓痛陽性，腹股溝平面以下感覺明顯減退，雙下肢肌力Ⅰ級，右側提睪反射陽性，左側提睪反射陰性，雙側肛門括約肌收縮差，雙側Babinski癥陽性。X線片顯示骨盆左側恥骨支、坐骨支，部分髖臼破壞，見圖1。

CT提示：左側恥骨上下支和部分髖臼骨質破壞,髖臼上緣和股骨上段內側肌群明顯強化腫塊，考慮為軟骨肉瘤。全身骨掃描提示：左側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)未見腫瘤轉移病灶。腹部彩超未見腫瘤病灶。腫瘤標記物提示：糖原211(CA211) 9.32 ng/mL，神經元特異性烯醇化酶(NSE) 31.61 ng/mL。術前診斷：左側骨盆腫瘤(軟骨肉瘤)。該病例所采取的治療方法和治療過程取得了患者及家屬的同意，并獲得了該院倫理委員會的批準。

患者術前應用Philips 256層Brilliance iCT對病變部位進行掃描，掃描條件：電壓120 KV，層厚1 mm CT數(shù)據(jù)以Dicom格式存儲并輸出。將Dicom格式數(shù)據(jù)導入Mimics Research 17.0軟件，運用軟件的Thresholding功能使骨組織從周圍軟組織中提取出來，再運用Edit Masks、Edit Masks和Region Growing等工具將兩側的髖骨和骶骨從其他骨組織中分離出來，運用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)術中情況由術者判斷實施。觀察患者影像學檢查結果和骨盆三維實物模型，可以確定腫瘤侵蝕骨質的范圍，即：左側髖臼的內、上壁，左側的恥骨上支，恥骨聯(lián)合面和部分恥骨下支。術前通過觀察患者的影像學資料和骨盆三維實物模型，根據(jù)腫瘤的切除原則和骨盆生物力學分析，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)。經過3個平面的截骨,骨盆分為正常骨盆區(qū)域和骨盆腫瘤切除區(qū)域2個部分。確定截骨平面后，提取剩余髖臼表面特征，設計術中應用的截骨導板。

設計的假體既要能恢復骨盆的形態(tài)，傳導骨盆環(huán)的負荷；又要重建髖關節(jié)，完成下肢的支撐和負重功能。這就要求根據(jù)骨盆切除區(qū)域的大小和形態(tài)特征設計與正常骨盆區(qū)域相匹配的個性化骨盆假體，假體應包含髖臼、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。假體的髖臼與骨質接觸部分厚度設計為2.0 mm，無骨質支撐部分厚度為6 mm，髖臼內表面預留直徑為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)，做適度的光滑過度處理，假體恥骨聯(lián)合面預留2個矢狀面方向的固定孔，與恥骨聯(lián)合面垂直。假體內上方設計Y型固定連接柄，與髂骨翼的表面匹配，固定柄上預留螺釘孔。所有螺孔直徑為7.0 mm，保證松質骨螺釘(直徑6.5 mm)通過。將設計好的假體保存為STL文件輸入到3D金屬打印機，完成鈦合金個性化假體的打印約需20 h，見圖3。

圖2 術前軟件上模擬截骨

圖3 術前骨盆三維模型及鈦合金金屬假體

假體的設計和打印由手術醫(yī)生和西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室共同完成，經有限元分析，確定危險位置位于髖臼和連接板的相交處，最大應力為344 MPa，小于鈦合金屈服強度(950 MPa)的40%，滿足假體的使用要求。截骨導板及個性化金屬假體均應用Ti6Al4V合金在德國EOS M290金屬打印機上完成。

拿到個性化骨盆腫瘤假體后，在患者的三維骨盆實物模型上按術前規(guī)劃截骨平面截骨，髖臼銼打磨髖臼至合適大小，安裝個性化定制假體，觀察假體安放位置和匹配程度，并做適當調整。假體預留的固定孔電鉆打孔，測量、記錄螺釘長度，術中備用。整個模擬安裝過程順利。

患者全身麻醉，仰臥位。取左側延長髂腹股溝入路，并沿股骨前外側逐層切開，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)術前設計利用截骨導板切除左側恥骨支、部分坐骨支和內側髖臼。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。取髖關節(jié)外側直切口，長約10 cm，切開闊筋膜、股外側肌，將左髖脫位，股骨矩上2 cm切斷股骨頸，擴髓。3D打印半骨盆假體髖關節(jié)用全髖關節(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，將關節(jié)復位，各方向活動可見關節(jié)穩(wěn)定。沖洗傷口，徹底止血，放置負壓引流，關閉切口。手術時間約4 h，出血量4 000 mL，輸懸浮紅細胞6 U，血漿1 430 mL，血小板400 mL。術后X線片提示定制化個性假體與骨盆匹配好(圖4)。病理回報提示骨盆轉移性低分化癌。術后6個月隨訪，患者左髖部切口愈合好，無感染，破潰，下肢無靜脈血栓形成，假體無松動、脫位。左側髖關節(jié)被動活動好，活動范圍正常，主動活動范圍較小，屈髖約30°，內收、外展約10°，主被動活動均無疼痛，雙下肢感覺正常，左髖關節(jié)屈伸、內收、外展肌力約Ⅲ級。

圖4 術后X線片

2 討 論

3D打印技術又稱為快速成型技術，是通過逐層堆疊累積的方式制造三維實體的先進技術。近年來，3D打印技術在醫(yī)學等領域的應用越來越廣泛[6]。骨盆腫瘤位置深，解剖關系復雜，診斷、治療困難，加之惡性骨腫瘤對周圍骨質破壞，傳統(tǒng)二維觀察手段難以對三維形態(tài)結構有準確的認識。運用3D打印技術可以術前將患者的骨盆實物模型打印出來，真實地反映骨盆原貌，術者可以多角度、多方位地觀察腫瘤的位置、骨質的侵蝕范圍、周圍的毗鄰關系，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，設計符合力學原理和解剖形態(tài)的個性化定制假體，并應用3D打印技術制作鈦合金金屬假體。這樣，術者在術前利用骨盆實物模型和個性化定制假體模擬手術操作，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度，多次反復地演練模擬手術，熟悉手術操作，手術安全性提高。在術前與患者及家屬的溝通和交流，在骨盆三維實物模型上進行講解，使患者及家屬在短時間內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，恢復功能是手術療效的關鍵。傳統(tǒng)的骨盆重建方式有生物學重建和人工假體重建[8]。由于生物學重建骨盆適應證狹窄，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。應用假體重建骨盆環(huán)、傳遞下肢和軀干的負荷，恢復髖關節(jié)的活動和負重功能，符合生物學和力學的要求，被多數(shù)學者采納。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提供支撐[13]，對病例的要求較高。傳統(tǒng)定制式假體受限于假體的設計和安裝水平，假體尺寸無法根據(jù)術中缺損情況來調整，可能出現(xiàn)假體與殘余骨質不匹配，安裝困難。為了改進安裝問題，出現(xiàn)了組合式假體，可以根據(jù)術中缺損范圍臨時裝配，但假體的整體強度和穩(wěn)定性備受質疑。

在這個病例中，本研究采用計算機輔助設計，3D打印技術為患者定制了個性化的骨盆假體，結合傳統(tǒng)人工髖關節(jié)置換術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。前期的整個設計過程中，數(shù)字化設計與實體模型上模擬手術相互配合，互為指導，將數(shù)字化設計的方案在模型上實施，發(fā)現(xiàn)問題再在軟件上修改，改進后的方案在模型上實踐，這樣反復幾個來回，最后確定最佳的假體設計和治療方案。個性化定制3D打印假體與傳統(tǒng)假體比較具有一定的優(yōu)勢：通過計算機輔助設計，個性化假體與剩余骨骼的匹配性良好；經過力學分析，一體化假體的力學強度有了保證；術前在骨盆模型上試裝假體，使術者熟悉手術過程，螺釘固定位置，角度和長度等參數(shù)提前測量，手術操作難度減小，準確性增大，術中安裝快捷；個性化假體的形態(tài)與切除的骨骼形態(tài)一致，符合原有生理解剖。本研究設計的個性化骨盆假體與國內報道過的利用3D打印技術制作的個性化骨盆假體都是按照患者骨骼的缺損情況“量身定做”，符合精準醫(yī)療的要求。但個性化假體從前期設計到后期的手術有其獨有的特點，假體的設計和制作過程由專業(yè)醫(yī)療團隊和工程學團隊合作完成，在生物力學方面經過嚴格測試，符合人體負重要求；假體的形態(tài)符合人體骨骼解剖，術后外觀及功能好，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，遠期穩(wěn)定性依靠假體微孔結構的骨長入。但3D打印個性化假體也存在一定的不足，術者與熟悉假體設計的軟件操作者必須密切配合，共同參與設計過程，因此術前準備時間較長，假體制作受3D打印機及生產廠家的限制，需要一定的制作周期；成功的病例數(shù)仍不足，缺乏長期的臨床觀察和功能隨訪。但隨著技術的成熟，3D打印的產業(yè)化，計算機輔助設計和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和個性化醫(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

包頭市科學技術局社會發(fā)展科技支撐項目(2014S2003-5-1)；包頭醫(yī)學院科學研究基金項目(BYJJ-QM2016108)。

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