3-D 打印导航模板辅助肘关节肿瘤切除及个性化肘关节置换术的初步应用

Abstract

目的

探讨 3-D 打印导航模板辅助肘关节肿瘤切除并为患者定制个性化肘关节假体成功实施肘关节置换术的临床方法。

方法

2016 年 8 月收治 1 例 63 岁左肱骨远端肿瘤男性患者。因发现左肱骨远端巨大包块 3 个月余，伴肘关节疼痛、活动受限入院。术前采用计算机辅助设计联合 3-D 打印技术，模拟肿瘤切除范围，定制肿瘤切除模板以及用于修复肿瘤切除后骨缺损的同种异体骨修剪模板，同时设计个性化肘关节假体。术中按照设计精确切除肿瘤并行肘关节重建术。

结果

该例患者手术顺利完成，术中肿瘤切除时间 46 min，安装个性化肘关节假体与同种异体骨时间 95 min；术中无需透视。术后 1 周行 X 线片及 CT 检查，示肘关节假体位置良好，尺骨假体前倾角为 30°，肘关节提携角为 15°，与术前模拟肘关节置换术效果一致。术后 1 个月手指屈伸活动正常，肘关节屈伸活动范围为 0～130°，前臂旋前 80°、旋后 80°。术后 7 个月肘关节活动满足日常生活需要。肿瘤无复发、转移。

结论

对于肘关节保肢术，采用计算机辅助技术可实现术前模拟手术效果，通过制备导航模板提高了手术精准度，定制个性化肘关节假体成功为患者实施了肘关节置换术从而重建肘关节功能，且具有术中无需 X 线透视、 缩短手术时间等优点。

人工肘关节置换术治疗老年陈旧性肘关节骨折脱位可获得满意近期疗效^[1]。常规置换术前主要基于肢体外观、X 线片、CT、MRI 等二维影像数据对肘部病变进行测量并设计，易受影像重叠和肢体摆放位置影响；术中依靠术者经验实施手术，存在术中出血增加、手术时间延长等问题。目前，计算机辅助技术越来越多地应用于关节成形术中，术前可根据 3-D 图像设计截骨范围，减少假体承载负荷，从而延长假体使用寿命^[2]；还能设计定制个性化肘关节假体，最大程度恢复关节功能^[3]。2016 年 8 月我们收治 1 例左肱骨远端肿瘤患者，其肿瘤范围大，左上肢功能活动受限。考虑上肢为感知器官，相比于截肢术，保肢术后患者肢体功能恢复更好，5 年生存率更高^[3]。因此，我们选择术前三维重建模拟肿瘤切除范围和遗留骨缺损，计算机辅助设计并定制个性化肘关节假体，行肿瘤广泛性切除、大段同种异体骨+个性化肘关节假体置换重建术。现总结该例治疗经验，报告如下。

1. 病例介绍

1.1. 一般资料

患者 男，63 岁。身高 165 cm，体质量 67 kg。因发现左肱骨远端巨大包块 3 个月余，伴肘关节疼痛、活动受限入院。查体：左肱骨远端肿块大小为 8 cm×7 cm×6 cm，肘关节伸屈活动范围 0～35°。按照美国骨骼肌肉系统肿瘤协会（MSTS）分期为ⅡB 期；肢体损伤严重度评分（MESS）为 4 分。常规行 X 线片、CT、MRI、全身骨显像、PET/CT 检查，明确肿瘤无全身转移。见图 1。

图 1.

Imaging examination before operation　a. X-ray films; b. CT; c. MRI

术前影像学检查　a. X 线片；b. CT；c. MRI

1.2. 个性化假体及肘关节重建术设计

1.2.1 双上肢骨关节三维重建　采用 64 排螺旋 CT（GE 公司，美国）薄层扫描，扫描范围：肩关节至腕关节；扫描参数：层厚 0.625 mm、共 610 层，电压 120 kV，电流 300 mAs。常规 CT 平扫加三维重建，获得的二维平面图像以 DICOM 格式导入 Mimics10.0 软件（Materialise 公司，比利时）。采用软件中编辑工具（Edit mask）中的调整阈值（Thresholding）、画图（Draw）、擦除（Erase）、局部阈值设置（Threshold）等功能分割骨块及填充，通过区域增长（Region growing）和布尔运算（Boolean operation）为每块骨骼设置新的蒙版（Mask），通过计算（calculate 3D from Mask）获得患者双上肢骨关节三维模型（图 2a）。

图 2.

3-D reconstruction and surgery design before operation　a. Three dimensional model of upper limbs; b. Tumor resection of distal humerus; c. Bone defect after simulated tumor resection; d. Reconstruction of allograft bone; e. 3-D printing template of tumor resection and allograft bone trimming; f. Model of personalized elbow prosthesis; g. Combined model of allograft bone and elbow prosthesis

术前三维重建及手术设计　a. 双上肢骨关节三维模型；b. 肱骨远端切除范围；c. 模拟肿瘤切除后骨缺损；d. 同种异体骨修复体设计；e. 3-D 打印肿瘤切除以及同种异体骨修剪模板；f. 个性化肘关节假体三维模型；g. 同种异体骨+肘关节假体组合体三维模型

另行双上肢 MRI 检查，扫描范围同 CT；将 MRI 扫描获得的原始数据以 DICOM 格式导入 Mimics10.0 软件，同上法重建肿瘤浸润范围的三维模型，精确界定肿瘤范围。将双上肢骨关节、肿瘤浸润范围三维模型以 STL 格式保存。

1.2.2 肿瘤切除范围设计　将双上肢骨关节三维模型与肿瘤浸润范围三维模型一并导入逆向工程软件 Imageware13.2（EDS 公司，美国），利用点云对齐工具等，将骨关节三维模型、肿瘤浸润范围三维模型进行匹配和对齐，获得肿瘤、肱骨、尺骨三维结合整体模型。通过计算机辅助测量双上肢解剖参数：肱骨、尺骨偏心距，肱骨、尺骨前倾角，肘关节提携角及肘关节旋转轴心，分析肿瘤区域形状、肿瘤浸润范围。根据根治性切除原则，测得左肱骨远端肿瘤髓腔内病变近端最高点距肱骨髁间的距离为 55.76 mm，肱骨远端髓腔内浸润长度加 5 cm 交界区域的正常骨干，肱骨远端共切除 105.76 mm（图 2b）。

1.2.3 导航模板设计及制备　设计并制备肿瘤切除模板以及用于修复肿瘤切除后骨缺损的同种异体骨修剪模板。根据肿瘤切除部位、范围选择同种异体骨（深冻骨块立方体状；山西奥瑞生物材料有限公司），同上法 CT 扫描后将数据导入 Mimics 10.0 软件，重建三维模型。根据 1.2.2 中拟定的肿瘤切除范围，于 Imageware13.2 软件中模拟肿瘤切除，肿瘤切除后遗留骨缺损（图 2c）；并以右肱骨为参考，利用裁剪工具将同种异体骨三维模型修剪为与遗留骨缺损处解剖结构吻合的修复体（图 2d），并通过移动、旋转操作修复骨缺损，同时利用画线、曲面构建等功能建立左肱骨远端肿瘤切除导航模板和同种异体骨修剪导航模板轮廓模型。将导航模板轮廓模型以 IGES 格式导入 UGNX7.0 软件（EDS 公司，美国），参考拟定的肿瘤切除范围，经过对肿瘤标记点、平面、曲面等处理，最终得到导航模板三维模型；再次将此模型保存为 STL 文件，转入 3-D 打印工具（广东汉邦激光科技有限公司），以光敏树脂为原料进行 3-D 打印（图 2e）。

1.2.4 个性化肘关节假体设计　以右肘关节为参考标准，根据 Imageware13.2 软件中测量的双上肢解剖参数以及肿瘤切除后遗留骨缺损的位置、三维外形、骨干直径、骨髓腔形状等，在模拟肱骨肿瘤切除后的骨骼三维模型上通过画线、曲面构建方式，初步设计肘关节假体模型，并以 IGES 格式导入 UGNX7.0 软件，通过缝合、光顺等工具获得个性化肘关节假体三维模型（图 2f）。将该三维模型导入 Imageware13.2 软件中，与肿瘤切除后的肘部骨骼三维模型进行匹配，模拟术中个性化肘关节置换重建。

该个性化肘关节假体由四部分组成：肱骨假体髓内固定杆、肱骨假体髓外延长杆、尺骨假体、旋转活动轴。肱骨假体髓内固定杆参数：肱骨假体近端长度为 110 mm、直径 8 mm，远端直径增大至 10 mm，髓内固定杆与髓外延长杆之间采用锥度+卡口方式连接，结合部锥度底部直径为 8 mm，顶部直径为 6 mm，内椎高度为 20 mm。肱骨假体髓外延长杆参数：肱骨假体远端长度为 115.76 mm，直径 10 mm，近端内椎底部直径为 8 mm，顶部直径为 6 mm，内椎高度为 20 mm，活动轴部分高度为 27 mm，直径为 18 mm，活动轴前倾 25°。尺骨假体参数：尺骨假体长度为 110 mm，直径在狭窄部位由 6 mm 过渡至尖端 4 mm，尺骨假体活动轴的偏心距为 35 mm。肱骨、尺骨偏心距参数：肱骨轴线偏心距为 8 mm，尺骨轴线偏心距为 21 mm，从而达到尺骨假体弯曲角度 30°，尺骨假体前倾部分长度为 36.373 1 mm^[4]。肱骨假体髓内固定杆弧度与肱骨近端髓腔弧度一致，髓外延长杆长度为肿瘤切除后遗留骨缺损的长度，直径与用于修复骨缺损的同种异体骨相匹配，组装成骨修复体。

在 Imageware13.2 软件中再次模拟肘关节功能重建，将骨关节解剖三维模型、肿瘤切除模板三维模型、大段同种异体骨修剪后的修复体三维模型和个性化肘关节假体三维模型导入 Imageware13.2 软件，模拟肿瘤切除以及同种异体骨+肘关节假体组合体（图 2g）置换手术过程，验证手术设计方案可行性。最后在骨关节和辅助肿瘤切除模板快速成型原型实物上操演矫形手术过程，进一步验证手术设计方案的可行性。个性化肘关节假体三维模型设计完成后，由捷迈（上海）医疗国际贸易有限公司根据相关参数制备成品假体。

1.3. 手术方法

全麻后，患者取右侧卧位手术。首先，按照常规方法取自体髂骨备用。然后，作左肘关节后外侧弧形切口，分离皮下组织，切开筋膜层，剥离瘤体并取部分瘤体组织送冰冻切片检查。充分剥离瘤体后，将 3-D 打印的肿瘤切除模板紧密贴于瘤体表面，克氏针固定并标记，用摆锯沿标记处行“Z”字形截骨，完整切除骨段。取大段同种异体骨，修剪模板辅助下修剪成合适大小后，用直径 4.5 mm 钻头在同种异体骨表面行网格状规则打孔，取部分髂骨松质骨填充植骨；用骨锉进行同种异体骨扩髓，将肘关节肱骨端假体与大段同种异体骨安装并确定匹配合适后，用骨水泥固定成一整体。将大段同种异体骨+左肘关节肱骨端假体组合体与左肱骨残端精确配装，骨水泥固定，骨端连接处植入同种异体骨板、自体髂骨骨板，钢丝捆扎固定。暴露左尺骨鹰嘴，开口扩髓尺骨近端后，安装肘关节尺骨端假体，骨水泥固定。待骨水泥固化后，将肱骨端假体与尺骨端假体匹配，螺栓固定。检查假体固定牢靠、关节屈伸功能良好后，在同种异体骨骨间隙植入自体髂骨。最后放置引流管，逐层关闭切口。见图 3。

图 3.

Surgery procedures　a. Installing template of removing tumor after separating tumor; b. Complete excision of tumor; c. Trimming template of allograft bone; d. The trimmed allograft bone; e. Drilling of allograft bone; f. Combination of the allograft bone, humeral prosthesis and ulna prosthesis of the left elbow joint; g. The reconstructed elbow

术中操作步骤　a. 剥离瘤体后安装肿瘤切除模板；b. 完整切除瘤体；c. 大段同种异体骨安装修剪模板；d. 大段同种异体骨修剪后；e. 大段同种异体骨钻孔；f. 大段同种异体骨+左肘关节肱骨端假体、尺骨端假体组合体；g. 肘关节重建后

2. 结果

本例患者手术顺利完成，术中肿瘤切除时间 46 min，安装个性化肘关节假体与同种异体骨时间 95 min；术中无需透视。病理检查提示为近端上皮样肉瘤。术后 3 d 患者左上肢麻木、肿胀明显缓解，左前臂可自主旋转，手指、肘关节可自主屈伸。切口Ⅰ期愈合，无切口感染、排斥反应等并发症。术后 1 周行 X 线片及 CT 检查示肘关节假体位置良好，尺骨假体前倾角为 30°，肘关节提携角为 15°，与术前模拟肘关节置换术效果一致。术后行 3 个疗程甲氨蝶呤+阿霉素化疗。术后 1 个月手指屈伸活动正常，肘关节屈伸达 0～130°，前臂旋前 80°、旋后 80°。术后 7 个月肘关节活动满足日常生活需要，肿瘤无复发、转移，未出现假体松动和感染。见图 4。

图 4.

Follow-up results after operation　a. Anteroposterior and lateral X-ray films at 1 week after operation; b. Three dimension reconstruction of CT at 1 week after operation; c. The flexion and extension function of the elbow at 6 months after operation; d. Anteroposterior and lateral X-ray films at 7 months after operation

术后随访观察　a. 术后 1 周正侧位 X 线片；b. 术后 1 周 CT 三维重建；c. 术后 6 个月肘关节屈伸功能；d. 术后 7 个月正侧位 X 线片

3. 讨论

3-D 打印技术已广泛用于临床各个领域，从最初单纯用于术前模型演变至目前设计制备植入物等方面^[5]。3-D 打印模型在术前可辅助模拟手术操作，预估术中使用假体型号，提高植入物与假体的匹配度^[6]。研究证实，3-D 打印技术可辅助骨肿瘤切除与重建^[7-8]。基于 3-D 打印技术的发展，受骨盆肿瘤精确切除与个性化假体重建手术成功实施^[9]的启发，本研究为肱骨远端肿瘤患者设计个性化肘关节假体。以 CT 薄层扫描数据作为原始数据，在其基础上对肱骨远端肿瘤切除范围、肘关节假体参数设计、假体位置安放等进行设计，最终通过 3-D 打印技术打印出辅助肿瘤切除模板，术中引导肿瘤切除并成功实施肘关节置换术。

肘关节作为前臂的一个横杆，是围绕固定的线性轴旋转的单轴关节，活动范围为 0～150°，并存在外翻 10～15° 的提携角。为了增加术后肘关节稳定性、减少内外翻松弛，尽量达到与患肢相近的提携角度，我们将肘关节假体设计为 4 个部分，分别为肱骨假体髓内固定杆、肱骨假体髓外延长杆、尺骨假体、旋转活动轴。另外，为了延长假体使用寿命，提高肘关节置换术成功率，假体设计时可适当增加可承受应力^[10]。Cesar 等^[11]对接受 GSBⅢ型肘关节假体置换的患者进行研究发现，肱骨侧假体松动率高于尺骨侧；Ogino 等^[12]对 25 例首次接受人工肘关节置换的患者进行研究也发现了相同结果。分析原因为，肱骨溶骨性区域较尺骨普遍，尺骨骨皮质较厚，尺骨松质骨在扭转过程中承受相应应力较小。所以在肘关节假体设计时，为了增大肱骨段承受的应力范围，肱骨假体应有两个组成部分——髓内固定杆与髓外延长杆。肱骨假体髓内部分长度设计依据 3 个原则：① 总长度为肱骨直径的 4～5 倍；② 有效固定长度>50 mm，即与肱骨内壁密切接触长度>50 mm；③ 老年患者、骨质疏松患者适当延长。髓内固定杆与髓外延长杆结合部采用锥形设计，假体在插入肱骨后，假体的肱骨端和肱骨髓腔完美匹配，得以承受最大应力，以实现最大稳定性、最小旋转度，同时降低了后脱位和扭转的风险。肱骨假体和尺骨假体连接部采用旋转活动轴，使两部分可锁定在一起，保证了精确度的同时提高了手术效率，且活动轴与肱骨尺骨、假体拆分简单，增强了翻修手术中的可互换性。

此外，术中 3-D 打印辅助肿瘤切除模板采用阶梯式设计，使得肱骨远端行阶梯式截骨。该设计具有以下意义：① 有利于残留的自体骨断面阶梯与同种异体骨阶梯相互嵌合，有效防止术后重建结构的旋转移位，如自体骨与同种异体骨界面为横断面接触，容易发生旋转移位（类似于横行骨折）。② 术中阶梯状截骨在结构重建中起到辅助解剖定位作用，防止术后发生旋转畸形，导致术后肱骨后倾角增加或减小。③ 自体骨与同种异体骨界面呈阶梯状接触，可增加两者之间的接触面积，有利于骨生长和骨融合；自体骨与同种异体骨界面的阶梯状接触，加上肱骨假体的髓腔内固定，使其重建结构稳定，可允许肢体早期非负重活动。

基于计算机辅助技术和 3-D 打印技术设计的个性化肘关节置换术优点：① 根据 CT 薄层扫描数据建立三维模型，生物匹配度高，误差低至 0.1 mm^[13]，术前即能初步了解肘关节解剖形态；② 通过计算机辅助设计肱骨肿瘤切除导航模板，利用 3-D 打印将导航模板制作成实物，精确切除肿瘤的同时避免了假体安装失误^[14]；③ 术前对双上肢的解剖参数进行力学分析，设计与肘关节解剖形态相匹配的假体，保证了肘关节稳定性和软组织平衡^[15]；④ 计算机模拟手术操作过程，评估手术风险，提高了假体与大段同种异体骨匹配精准度^[16]；⑤ 肘关节假体设计遵循了个性化原则，精准匹配肿瘤切除后遗留的骨缺损，并重建肘关节功能；⑥ 同种异体骨与自体骨混合修复肿瘤切除后骨缺损，能加速骨性愈合，减少并发症的发生^[17]；⑦ 导航模板的使用不仅能精确切除肿瘤、植入同种异体骨，还减少了失血量、缩短手术时间、减少术中辐射^[18]。

个性化肘关节假体优点：① 根据患者解剖参数制备导板修剪同种异体骨并设计肘关节假体，既减少了金属假体重量，同时同种异体骨外套有利于肌肉和周围其他软组织附着，改善了关节功能。② 肱骨假体远端活动轴部分依据患者肱骨远端解剖参数个性化设计，具有 25° 前倾角，肱骨假体远端偏心距为 8.4 mm，尺骨假体偏心距为 21.4 mm。肱骨与尺骨假体设计为不同偏心距更加符合肘关节解剖形状。③ 肱骨假体远端和尺骨假体近端的个性化三维形状设计异于其他假体。

综上述，本研究利用 3-D 打印导航模板辅助精准切除肿瘤，修剪与骨缺损匹配的大段同种异体骨，为患者定制个性化肘关节假体，成功实施肘关节置换术。但本研究临床随访时间较短，仅为个案经验，大段同种异体骨、自体髂骨植骨能否促进骨桥形成，是否有利于术后快速康复等，尚需进一步动物实验研究。

Funding Statement

广东省科技计划项目（2013B021800050）；广东省科技攻关项目（2013B021800055）

Science and Technology Planning Project of Guangdong Province (2013B021800050); Scientific and Technological Project of Guangdong Province (2013B021800055)