3D建模与快速成型技术膝关节假体术中的应用

发布时间：2018-08-25

　　摘要:目的探讨3D建模与快速成型技术在个体化膝关节肿瘤假体手术治疗中的新方法，评价3D建模与快速成型技术的应用价值.方法选取3例膝关节骨肿瘤患者，术前均对膝关节周围病损区行CT扫描，获得原始数据后，导入Mimics19.0软件，在软件中模拟手术规划，并且设计与切除后剩余的骨组织相契合的钛合金"植物.随访期间应用国际骨与软组织肿瘤保肢(MusculoskeletalTumorSociety，MSTS)功能评分系统对患者的术后功能情况进行评价.结果3例患者均获随访，随访时间5～26个月，平均16个月.末次随访MSTS得分为18～29分，平均24.3分，其中优2例，良1例，优良率达100%.结论通过3D建模与快速成型技术在膝关节肿瘤手术中的应用，可精确指导截骨界限，设计个体化膝关节假体，韧带附丽点接近生理结构，为膝关节骨肿瘤治疗提供新方法.

　　关键词:3D建模;快速成型技术;膝关节肿瘤;临床应用

　　膝关节肿瘤包括股骨远端及胫骨近端肿瘤，是原发恶性与侵袭性骨肿瘤的好发部位[1].20世纪80年代后期，随着放化疗技术的进展及手术技术的不断提升，保肢手术成为治疗膝关节肿瘤的主要治疗方式，保肢率已达80%[2].肿瘤瘤段骨切除、肿瘤型全膝关节假体置换手术治疗是临床应用较多的一种保肢手术[3]，但存在术后远期假体松动、断裂、肢体短缩、需再次手术等问题[4].快速成型技术[5]又称3D打印技术，它是以影像学数据为基础，利用塑料、树脂、陶瓷或金属等为原料，通过逐层堆砌来实现物体的三维打印，近年来取得了迅猛的发展，并渗入到医学领域，尤其在硬组织外科领域独树一帜，为患者的个体化及精准化治疗开辟了一条崭新的途径.

　　1材料与方法

　　1.1一般资料

　　选取2015年9月—2017年9月北华大学附属医院治疗的3例膝关节骨肿瘤患者，其中，男2例，女1例，年龄18～57岁，平均41.7岁，左侧2例，右侧1例，股骨远端骨肉瘤2例，胫骨近端骨肉瘤1例.Enneking分期ⅠA期1例，ⅡA期1例，ⅡB期1例.

　　1.2影像采集与处理

　　所有患者手术前行膝关节周围病损区CT扫描，获得CT原始数据后，重建厚度为1.0mm的图像数据，将数据用光盘导出保存，最终导入装有Mimics19.0软件的电脑中，将数据导入该软件，利用CTBoneSegmentation功能进行骨骼的分割，得到蒙版(Masks)，分割后模型边缘(股骨髁及胫骨髁)存在一些空隙(因髁部CT值相对较低)，应用EditMasks功能逐层填充空隙，最终生成3D模型，此模型可以直视病灶大小及范围，可以360°旋转模型观察，如有髌骨遮挡可将其隐藏.

　　1.3术前规划

　　上述3D模型数据以STL格式保存后，可直接输入至3D模型打印机，设置参数后，便可完成模型的打印.本组病例中模型打印材质均为PLA材料，经过打印后，即可获得骨骼模型.Mimics软件中可对3D模型进一步处理，测量骨质缺损的大小、体积，模拟手术操作，在模型上确定截骨的方式及界限，并可以多次模拟，直至选择出最佳的手术方案.

　　1.4假体制备

　　病变部位切除后的骨骼模型数据以STL格式保存，导入到CATIA软件中，在该软件中可以设计肿瘤切除后与剩余骨组织相契合的钛合金假体.钛合金以其良好的生物力学性能和生物相容性被广泛用作硬组织植入或修复材料[6]，但随访发现钛合金与骨质交接区不能很好地进行力学传导，易造成假体松动及周围骨折，不能在人体内长期服役.ChlebusE等[7]发现将钛合金制成多孔并调节孔隙率可解决此问题.因此，本研究中3例膝关节钛合金假体均设计成为多孔仿骨小梁结构.考虑到肿瘤切除后需重建膝关节内外侧副韧带，故在假体上原韧带附丽点的相应位置设计新的韧带附丽点，和解剖生理结构可以近似，有助于术后关节功能的恢复，同时在该韧带附丽点上下各设置1～2个备用韧带附丽点，以防原韧带附丽点不能应用，导致强行缝合造成术后关节功能差.将数据保存后导入至金属3D打印机，最终获得个体化钛合金膝关节植入假体.

　　1.5手术操作

　　所有手术均由同一组医生完成，术前均常规应用广谱抗生素预防感染，手术时间超过3h者，术中追加一次抗生素，术中均使用下肢气囊止血带.本组病例中，手术前患者均行3～4周规范化疗，在化疗期间应用快速成型技术及计算机辅助设计，完成手术规划及个体化膝关节钛合金假体的制作.

　　1.6疗效评价标准

　　随访时利用MSTS评分系统[8]进行下肢功能评估，指标包括疼痛、整体功能、接受程度、支持能力、行走、步态;每项包含0～5分，总分30分，优24～30分，良18～23分，中12～17分，差0～12分.

　　2典型病例

　　患者郑某，男，50岁，左胫骨近端骨肉瘤(EnnekingⅡA期).术前对左侧膝关节周围进行薄层CT扫描，数据导入Mimics19.0软件，生成3D模型，并进行模型的打印，同时设计与剩余骨质匹配的钛合金假体及垫片，手术行左胫骨近端瘤段切除，重建韧带，术后复查X线见假体位置及形态良好，术后随访膝关节功能良好(见图1～图6).

　　3结果

　　3例患者均获随访，随访时间5～26个月，平均16个月，术后复查患肢X线显示:肿瘤假体与切除后剩余的骨组织契合良好，无假体松动及断裂，无肢体短缩，无假体周围骨折，无骨溶解，无肿瘤复发及转移，3例患者仍存活，膝关节屈伸功能良好，膝关节活动度:伸0～5°，屈90～130°.末次随访MSTS得分为18～29分，平均24.3分，其中优2例，良1例，优良率达100%.

　　4讨论

　　4.1计算机辅助膝关节骨肿瘤的精准切除

　　以往膝关节骨肿瘤的切除主要靠分析术中遇到的情况，并凭借临床医生的经验，即使根据术前X线、CT及MRI等影像学检查，肿瘤仍不够立体，仍然依靠医生的空间构象能力，把肿瘤的位置及形态大致印在脑海里，肿瘤的切除范围不能完全界定，由此造成肿瘤型膝关节假体与切除后残存骨质的匹配性差，导致肢体的短缩或延长，因此，术后并发症发生率明显增加.而通过计算机辅助，可以行3D建模，本研究术前规划均应用Mimics19.0软件进行，该3D建模流程与CT三维重建大致相同，但不同的是:首先模型输入打印机后，可以获得病变部位的实物，该模型与患者膝关节比例相同;其次，可在模型上预先截骨，模拟手术;再次，在3D建模的基础上可以虚拟截骨，如有膝关节面被肿瘤侵袭，关节面严重受损情况，利用Mimics软件中的Mirror功能，以健侧膝关节数据指导截骨及假体的制作，可以明显缩短手术时间，减轻对患者的创伤及减少失血量.

　　4.2计算机辅助个体化韧带附丽点的设计

　　定制型膝关节肿瘤假体可预先留出耳状环或沟槽以利于韧带的重建，但其缺点仍是利用模具制造，不能为患者“量体裁衣”，且由于个体差异及术中瘤体、软组织切除范围的不同，使得预先设计好的韧带附丽点术中可能无法应用，最终导致韧带附丽点“移位”，术后患者膝关节功能受限，且有可能出现韧带的断裂，关节失稳.而快速成型技术有计算机辅助设计，以患者自身的CT数据为基础，按照临床医生对患者病情的了解及想法设计新的韧带附丽点，既接近生理解剖，又可在该韧带附丽点附近设计2～3个备用附丽点，使得手术更安全.本组病例中的胫骨近端骨肉瘤患者，术前通过快速成型技术获得肿瘤模型，并结合影像学表现，得出该肿瘤仅侵蚀胫骨近端外侧，而内侧未被肿瘤侵蚀，在设计假体过程中，保留了部分内侧皮质，这使得内侧副韧带的起止点得以保留，术后随访关节功能良好.而根据患者的实际病情调整假体形态、韧带及肌肉的附丽点是传统定制的关节假体无法做到的[9]，快速成型技术使个体化假体及韧带附丽点更适合患者.

　　4.3假体置换后软组织的重建

　　许良等[10]提出，膝关节假体置换术后并发症的发生与软组织的重建关系密切.膝关节的内外侧副韧带及髌韧带对维持膝关节的稳定性及屈伸活动起着决定性作用.SorensenMS等[11]认为软组织重建可以提供更好的假体覆盖，同时提高膝关节稳定性及动力.恶性骨肿瘤需广泛切除，难免要切除部分或全部韧带附丽点，如股骨内外侧髁、胫骨内外侧髁或胫骨结节.胫骨近端本身由于软组织覆盖较薄弱，骨肿瘤切除后，易导致植入的假体直接位于皮下，造成手术切口皮肤愈合不良、皮瓣坏死、感染、假体外露等并发症[12].杨志平等[13]研究发现病例组中有1例胫骨型肿瘤假体围手术期内发生假体周围积液，经分析原因为假体周围软组织覆盖不足所致.腓肠肌内侧头血运丰富，经翻转后可作为肌瓣覆盖裸露的髌腱部和胫骨假体前方的软组织缺损[14].本组病例中胫骨近端骨肉瘤患者行该方法覆盖假体，术后未发生切口愈合不良、皮瓣坏死、感染及假体外露等并发症.于秀淳等[15]认为在胫骨近端瘤段切除肿瘤型人工关节置换中，将腓肠肌内侧头移位应作为常规步骤.另外，髌韧带的重建决定了术后患者膝关节功能的好坏，在切除肿瘤前要充分保护好髌韧带，采用骨膜下剥离的方式，将髌韧带及腓肠肌肌瓣编织，缝合于术前设计好的个体化韧带附丽点处，缝合方式采用三重扣锁式缝合，可以避免软组织与假体间的磨损甚至断裂，同时可增加膝关节的稳定性，本组病例中患者术后膝关节功能均良好，无不良反应.

　　4.4快速成型技术存在的不足

　　定制的个体化肿瘤型膝关节假体虽较传统模具制造相比时间有所缩短，但自设计开始到获得假体仍需几天的时间，不适合急诊手术;个体化钛合金假体不能批量生产，需要为患者量身定做，且快速成型技术为新兴技术，设备贵，成本高，使得快速成型个体化内植物费用昂贵，不能被广大患者所接受;由于临床上应用病例较少，尚未有大数据表明其与传统手术相比有绝对的优越性，还需要大量临床病例应用实践来验证.