3D 打印技术在骨肿瘤外科临床中的应用

Abstract

目的

探讨 3D 打印技术制备的个体化模型及导板在骨肿瘤外科中的应用效果。

方法

2015 年10 月—2016 年 12 月，将 3D 打印技术制备的个体化模型及导板用于术前制定手术方案及术中治疗 5 例骨肿瘤患者。患者均为男性；年龄 9～58 岁，中位年龄 32 岁。其中左侧骨盆、股骨近端囊型包虫病合并股骨近端病理性骨折 1 例，左髂骨骨母细胞瘤合并动脉瘤样骨囊肿 1 例，左股骨纤维结构不良（牧羊拐畸形）合并病理性骨折 1 例，右跟骨转移癌 1 例（分期 T₂N₀M₀），左股骨中段尤文肉瘤 1 例（分期 T₂N₀M₀）。病程 1 个月～10 年，平均 2.25 年。

结果

手术均顺利完成。手术时间 2.6～7.5 h，平均 4.9 h；术中出血量 200～2 500 mL，平均 1 380 mL；术中透视次数 1～6 次，平均 3.8 次。术后切口无感染，血运及神经功能良好。5 例患者均获随访，随访时间 3～16 个月，平均 5.4 个月。内固定物无松动或断裂发生。术后 3 个月肢体功能评分采用 Enneking 评分系统，为 15～26 分，平均 21 分；获优 2 例、良 2 例、中 1 例。

结论

3D 打印技术用于骨肿瘤外科能更好地实现术前规划及评估，为骨肿瘤患者的个体化治疗提供了新方法。

随着数字化技术及医疗科技的迅速发展，3D 打印技术逐渐被应用到医学领域，其中利用 3D 打印技术制备骨科模型是较早开展的技术之一，尤其在骨肿瘤治疗方面发挥了很好的辅助指导作用^[1]。骨肿瘤是发生在骨内或起源于各种骨组织成分的肿瘤，可发生于任何部位，如发生在不规则骨，则大大增加了手术治疗难度及风险。利用 3D 打印技术可以等比例打印解剖实体模型，立体、直观地了解瘤体大小、形态及邻近解剖关系，术者能在术前更全面地评估病变^[2-3]，制定个体化手术方案及个体化肿瘤假体，提高骨肿瘤手术精准性和安全性。2015 年 10 月—2016 年 12 月，我们将 3D 打印技术用于 5 例骨肿瘤治疗中，取得了满意效果。报告如下。

1. 临床资料

1.1. 一般资料

本组患者均为男性；年龄 9～58 岁，中位年龄 32 岁。术前患者均取活检病理诊断明确骨肿瘤性质。其中左侧骨盆、股骨近端囊型包虫病合并股骨近端病理性骨折 1 例（病例 1）；左髂骨骨母细胞瘤合并动脉瘤样骨囊肿 1 例（病例 2）；左股骨纤维结构不良（牧羊拐畸形）合并病理性骨折 1 例（病例 3）；右跟骨转移癌 1 例（分期 T₂N₀M₀，病例 4）；左股骨中段尤文肉瘤 1 例（分期 T₂N₀M₀，病例 5）。病程 1 个月～10 年，平均 2.25 年。

1.2. 术前设计及 3D 模型制作

使用双源 CT（Siemens 公司，德国）薄层扫描（间距 0.3 mm，层厚 0.5 mm）及 MRI 检查，将扫描获得的病变骨骼断面图像保存为 DICOM 格式，输入至 Mimics17.0 软件（Materialise 公司，比利时）构建三维模型；然后导入 3D 打印机匹配软件处理后进行 3D 打印，获得 1∶1 实体比例模型。进一步了解病变的空间解剖结构，通过软件构建并打印截骨导板。并在模型上模拟手术，制定详细手术方案。

1.3. 手术方法

病例 1：行左侧半骨盆切除，手术截骨定位耻骨联合、左侧骶髂关节及部分病变骶骨，股骨近端病理性骨折处近端股骨一并切除，然后行组配式假体重建骨盆及左髋关节置换术，将模型术中镜像比对定位髋关节假体髋臼具体位置。

病例 2：通过 3D 打印模型了解病变为蜂窝状，骨盆剩余骨质结构尚稳定，采用病灶刮除植骨融合术。

病例 3：患者为严重畸形良性病变，长期畸形导致周围肌肉萎缩，髋关节周围解剖结构变异，矫形难度大。在患者 3D 打印模型上开展模拟手术后，最终采用楔形截骨术加髓内针内固定手术，并在术中使用 3D 打印模型指导截骨角度。

病例 4：患者跟骨无法保留，切除后重建难度较大；术前根据 3D 打印模型设计钉道位置，术中根据 3D 打印模型将骨水泥灌注至模具腔内，待骨水泥凝固后得到骨水泥模型替换切除的跟骨，保护周围血管及神经，根据术前设计的钉道进行固定。

病例 5：根据 MRI 显示的肿瘤病变上下边界外 1 cm 为截骨线制作截骨导板，截骨时测量术中 X 线片显示的截骨导板与骨骺距离，并与术前测量结果对比，验证是否彻底切除病变范围；同时术前3D打印制作股骨瘤段切除后的重建假体，个体化修复骨缺损。

2. 结果

本组手术均顺利完成。手术时间 2.6～7.5 h，平均 4.9 h；术中出血量 200～2 500 mL，平均 1 380 mL；术中透视次数 1～6 次，平均 3.8 次。术后切口无感染，血运及神经功能良好。5 例患者均获随访，随访时间 3～16 个月，平均 5.4 个月。内固定物无松动或断裂发生。术后 3 个月肢体功能评分采用 Enneking 评分系统^[4]，为 15～26 分，平均 21 分；获优 2 例、良 2 例、中 1 例。见图 1。

图 1.

Case 1, a 30-year-old male patient with cystic echinococcosis at left pelvis and pathological fracture of the proximal femur

病例 1，男，30 岁，左侧骨盆、股骨近端囊型包虫病合并股骨近端病理性骨折

a. 术前 X 线片；b. 术前 CT 三维重建；c. 术前 3D 打印模型；d. 术中髋关节定位参照；e. 术后 1 周 X 线片；f. 术后 8 个月功能

a. Preoperative X-ray film; b. Preoperative CT 3D reconstruction; c. Preoperative 3D printing model; d. Intraoperative hip positioning reference; e. X-ray film at 1 week after operation; f. Limb function at 8 months after operation

3. 讨论

3D 打印模型是依照人体结构打印出的等比例实物模型，其精确度、材质、强度符合医学要求。术者可在 3D 打印模型上设计手术方案并开展模拟手术操作，也可根据需要将模型用于术中观摩、比对及内植物预调整、术中辅助定位等，该模型可辅助术者优化决策和方案，提高手术精确性和安全性^[5]。

在骨肿瘤外科的手术操作中，肿瘤边界的精确切除和保肢手术至关重要。本组患者中，3D 打印技术从模拟手术完成术前规划，到术中导板精确截骨平面^[6]，再到 3D 打印假体的植入物重建，更好地完成了恶性肿瘤的保肢治疗。该技术在骨肿瘤外科的临床工作中显示了独特优势。

借助与人体骨骼完全一致的实体模型，骨肿瘤科医生在诊治过程中可更加直观地认识病变，清晰了解病变与周围组织的解剖关系，明确肿瘤切除范围^[7-8]，减少了术中凭经验、目测、手感等主观因素导致的误差，从而达到准确切除骨肿瘤同时更好地保留周围正常骨组织，为骨肿瘤患者的个体化手术设计提供了更多思路和可能^[9]，也提高了手术的预判性，降低手术风险。其次，在模型上模拟手术还可将常规内固定装置实施个体化塑形调整，减少术中透视时间，缩短手术时间，减少术中出血^[10-13]。同时，术前与患者及家属沟通时，借助 3D 打印模型可更直观地讲述手术情况，使其更加了解手术^[14-15]。

本组病例 1 在术前通过 3D 打印模型对病情有了更详细的了解，明确病变切缘，拟定手术方案，术中使用 3D 打印模型协助定位重建髋关节假体位置。病例 4 治疗过程中，根据三维模具将骨水泥灌注至模具腔内，待骨水泥凝固后得到适形的骨水泥跟骨模型，将病变跟骨切除后用骨水泥跟骨完成重建，丰富了 3D 打印模型的应用方式^[16]。3D 打印内植物可根据骨骼缺损形状塑形，通过患侧反求技术或健侧镜像转换，制作出与原局部解剖形态一致的假体植入物，尽可能恢复骨骼的外观和功能^[17]。病例 5 是我科首例运用 3D 打印假体的手术，术中还使用了 3D 打印导板截骨，假体植入物联合多孔仿生技术，使植入物不仅具有精确的三维空间结构，其内部微孔结构还具有良好的生物相容性，有利于细胞的黏附和增殖，使活体骨与假体牢固地结合起来，促进骨组织修复。这也是 3D 打印技术在骨肿瘤科应用的又一大进步，为骨肿瘤科特需的个体化手术设计提供了更多思路和可能，也提高了手术的预判性，为骨肿瘤科的手术治疗提供了更多方式。

综上述，3D 打印技术在骨肿瘤外科的临床工作中能够更好地实现术前规划及评估^[18-19]，做到肿瘤边界的精确切除，缩短手术时间，减少术中出血量^[20]，降低并发症发生率，为骨肿瘤患者的个体化治疗提供了新的参考依据。但其也存在一定局限性，如材料设备均较昂贵，操作及维护成本较高，加工周期较长^[20]，目前急需研究出价格低且性能较好的材料；另外，本组病例数较少，结果缺少统计学处理，疗效还需多中心大数据进一步证实。

志谢：空军军医大学西京医院王臻教授、郭征教授、李靖教授以及新疆唯美空间三帝智能科技有限公司