引用本文： 黃敏強, 丁煥文, 陳志源, 滕強, 王虹. 3D打印導航模板輔助個性化非限制性腫瘤型假體重建術治療膝關節周圍惡性骨腫瘤的療效. 中國修復重建外科雜志, 2016, 30(7): 815-821. doi: 10.7507/1002-1892.20160167 復制
膝關節是原發性惡性骨腫瘤發生率最高的部位，隨著新輔助治療技術及膝關節假體制備技術的發展，患者生存率及保肢率均顯著提高，保肢手術已成為首選治療方案[1-2]。隨著腫瘤患者的年輕化及對術后關節功能和遠期療效的要求不斷提高，對膝關節腫瘤切除后功能重建提出了新的挑戰。針對膝關節周圍惡性骨腫瘤患者，我們提出術前采用計算機輔助設計及3D打印導航模板輔助術中腫瘤切除，并采用個性化非限制性腫瘤型假體重建膝關節功能，于2007年3月開始應用于臨床，獲得滿意療效。現將該術式與傳統膝關節腫瘤切除聯合腫瘤型鉸鏈式假體重建術進行比較，探討其療效及優勢，以期為膝關節周圍惡性骨腫瘤的治療提供新方法。報告如下。
1 臨床資料
1.1 患者選擇標準
納入標準：①膝關節周圍惡性骨腫瘤患者；②術前均行胸部X線片、CT、MRI、ECT或PETCT檢查，明確無腫瘤轉移，根據腫瘤性質和患者個體情況選擇化療方案。排除標準：①腫瘤范圍過大無法行保肢手術；②嚴重骨質疏松患者；③身體一般情況較差，不能耐受手術者。
2007年3月－2014年9月，共43例患者符合選擇標準納入研究。21例采用3D打印導航模板輔助個性化非限制性腫瘤型假體重建（試驗組），22例采用傳統腫瘤切除聯合定制腫瘤型鉸鏈式假體重建（對照組）。患者術前均簽署知情同意書。本研究經廣州軍區廣州總醫院醫學倫理委員會批準。
1.2 一般資料
試驗組：男12例，女9例；年齡13～40歲，平均23.7歲。左膝關節11例，右膝關節10例。腫瘤部位：股骨遠端10例，脛骨近端11例。病理診斷：骨肉瘤9例，骨軟骨肉瘤5例，骨巨細胞瘤7例。根據Enneking骨腫瘤分期：ⅠA期3例，ⅠB期4例，ⅡA期6例，ⅡB期8例。腫瘤直徑3～25 cm，平均10.3 cm。病程3～15個月，平均8.5個月。術前疼痛視覺模擬評分（VAS）為（7.28±1.54）分。
對照組：男11例，女11例；年齡12～43歲，平均22.9歲。左膝關節9例，右膝關節13例。腫瘤部位：股骨遠端12例，脛骨近端10例。病理診斷：骨肉瘤12例，骨軟骨肉瘤7例，骨巨細胞瘤3例。根據Enneking骨腫瘤分期：ⅠA期1例，ⅠB期2例，ⅡA期9例，ⅡB期10例。腫瘤直徑4～23 cm，平均12.3 cm。病程4～18個月，平均9個月。術前VAS評分為（6.99±1.39）分。
兩組患者年齡、性別、腫瘤部位、病理診斷、腫瘤分期、腫瘤直徑、病程以及術前VAS評分等一般資料比較，差異均無統計學意義（P > 0.05），具有可比性。
1.3 術前處理
試驗組：①膝關節腫瘤三維模型建立與測量：術前行64排螺旋CT（GE公司，美國）薄層掃描，掃描范圍：骨盆至足部，層厚0.625 mm；MRI采用增強掃描腫瘤及其上下關節。將CT原始圖像數據以Dicom格式導入Mimics10.01軟件（Materialise公司，比利時），利用軟件中閾值選取（Thresholdiing）、區域增長（Region growing）功能，初步建立雙下肢骨骼模型。在此模型基礎上，應用編輯蒙版工具（Edit mask）中的擦除（Erase）、局部閾值設置（Threshold）、畫圖（Draw）功能將骨塊分割及填充，通過區域增長（Region growing）和布爾運算（Boolean operation）為每塊骨骼創建獨立的新蒙版，再通過光順和平滑處理獲得患者雙下肢骨骼三維模型。將MRI原始圖像數據以Dicom格式導入Mimics10.01軟件，參照雙下肢骨骼三維模型的建模方法，建立腫瘤三維模型。將雙下肢骨骼及腫瘤三維模型分別保存為STL格式文件，并導入Imageware13.2軟件（EDS公司，美國），進行模型匹配并測量雙下肢力線及長度、股骨頸前傾角、股骨頸扭轉角、股骨頸干角、股骨角、股骨脛骨解剖軸和力線軸成角、脛骨扭轉角、股骨遠端外翻角、脛骨近端內翻角、患肢骨髓腔直徑等相關解剖參數。另外，將擬用于腫瘤切除后大段骨缺損修復的同種異體骨（山西奧瑞生物材料有限公司）行CT掃描，將原始圖像數據同法導入Mimics10.01軟件，建立同種異體骨三維模型。
②腫瘤外科切除邊界設計：于Imageware13.2軟件中，將雙下肢骨骼模型與腫瘤模型精確匹配，得到腫瘤骨骼三維結合整體模型。在此整體模型上觀察腫瘤形態及分布，確定骨腫瘤范圍；根據Enneking骨腫瘤分期，設計骨腫瘤切除外科邊界[3-4]。根據雙下肢解剖參數測量結果，選擇適當的截骨位置、截骨角度，并進行標記。
③模擬手術切除腫瘤及功能重建：于Imageware13.2軟件整體模型上，根據設計結果運用裁剪、移動工具模擬腫瘤切除；并以健側為參照，利用裁剪工具將同種異體骨三維模型修剪為與患肢骨缺損部位完全匹配的修復體，通過移動、旋轉修復骨缺損處。要求模擬手術后符合以下標準：腫瘤徹底切除，切除范圍超過病灶邊界3～5 cm；骨缺損大段修復骨必須完全匹配；雙下肢力線及長度一致。此外，根據腫瘤切除范圍，在腫瘤及骨骼整體模型和同種異體骨三維模型上分別應用“畫線”、“曲面構建”功能，初步建立腫瘤切除導航模板和同種異體骨修剪導航模板輪廓模型。
④腫瘤切除模板及骨修復體裁剪導航模板設計與制作：將Imageware13.2軟件中初步建立的導航模板輪廓模型分別以IGES格式保存，并導入UGNX7.0軟件（EDS公司，美國）中，應用“縫合”功能將各個曲面、平面縫合成實體，根據手術方案，在預定標記顯露的骨組織范圍及腫瘤切除范圍設定標記點，并在標記點設計直徑3.0 mm圓柱形導向固定孔，經光順、平滑處理得到最終導航模板三維模型，保存為STL文件，轉入3D打印工具，以光敏樹脂為原料打印制作導航模板實體。
⑤非限制性腫瘤型全膝關節假體的個性化三維設計與制作：采用人工關節+同種異體骨（allograft-prosthetic composite，APC）[3]修復腫瘤切除后大段骨缺損和重建膝關節功能。根據Imageware13.2軟件中測量的股骨、脛骨髓腔直徑、股骨解剖軸、脛骨解剖軸、脛股角、髖膝踝角、膝關節內外翻角度等解剖參數，在模擬腫瘤切除后的骨骼三維模型上通過“畫線”、“曲面構建”的方式初步建立個性化非限制性全膝關節假體模型。將其以IGES格式保存，導入UGNX7.0軟件，應用“縫合”、光順等處理得到最終假體三維模型。將最終假體三維模型導入Imageware13.2軟件中，與腫瘤切除后的骨骼三維模型進行匹配，實現個性化假體模擬植入。個性化非限制性腫瘤型全膝關節假體參數：髓內固定桿長度> 12?cm，有效固定長度> 5 cm，髓內固定桿弧度與股骨近端髓腔弧度一致，髓外固定桿長度等于骨缺損長度，直徑與用于修復骨缺損的大段同種異體骨相匹配，股骨假體外旋與外翻角度根據患者本身或健側股骨假體的參數個性化設計，髓內桿與髓外桿之間采用錐度+卡口方式連接。將全膝關節假體三維模型重新導入Imageware13.2軟件模擬膝關節功能重建，并修正完善假體參數。由上海思愛公司根據假體參數制作成品假體。
對照組：通過CT、MRI掃描，獲得二維圖像數據，明確腫瘤侵犯范圍，確定腫瘤型鉸鏈式假體（北京力達康科技有限公司）型號。
1.4 手術方法
兩組手術均由同一組醫師完成。患者均于持續硬膜外麻醉下手術，根據腫瘤部位選擇適當切口；術前30 min均常規使用廣譜抗生素。
試驗組：術中將腫瘤切除導航模板緊密貼服于骨面，克氏針固定。用擺鋸沿腫瘤切除導航模板邊界將腫瘤完整切除。用脈沖反復沖洗創面和骨髓腔，蒸餾水浸泡創面30 min。在同種異體骨修剪導航模板引導下修剪同種異體骨，用骨水泥將其與膝關節假體結合，形成同種異體骨假體復合體，并將2條同種異體肌腱（山西奧瑞生物材料有限公司）的一端用錨釘分別固定在內、外側副韌帶的附著點上備用。對于股骨端腫瘤，先安裝脛骨平臺假體，然后殘端擴髓填充骨水泥，并裝配髓內固定桿和同種異體骨假體復合體，維持正常力線至骨水泥固化，在同種異體骨與殘端連接處周圍植入自體髂骨，鋼絲捆綁固定，促進連接口形成骨橋愈合。膝關節屈曲30°，保持足夠張力下將同種異體肌腱另一端用錨釘固定在脛骨側韌帶附著點上，重建內、外側副韌帶。對于脛骨近端腫瘤，先安裝股骨表面假體，然后脛骨端安裝帶同種異體肌腱的同種異體骨假體復合體，維持力線至骨水泥固定，以相同方法將同種異體肌腱固定在股骨髁韌帶的附著點上重建內外側副韌帶。然后，將髕韌帶止點用鋼絲縫合固定于同種異體骨孔中重建伸膝裝置。
對照組：根據Enneking外科手術腫瘤切除邊界原則，對腫瘤行廣泛切除或根治術，用鋼尺測量腫瘤邊緣外5 cm為截骨位置，術前MRI顯示信號改變區外2～5?cm為軟組織切除范圍。腫瘤切除后行殘端擴髓，脈沖反復沖洗創面和骨髓腔，蒸餾水浸泡創面30?min，按照試驗組的安裝順序安裝腫瘤型鉸鏈式假體，并以骨水泥固定。所有患者均未行髕骨置換。對于脛骨近端腫瘤，將髕韌帶止點縫合固定于假體上，重建伸膝裝置。當腫瘤侵犯范圍較大、軟組織缺損較多時（本組3例），行腓腸肌內側頭肌皮瓣移位覆蓋假體。
1.5 術后處理
兩組術后處理方法一致。術后患者佩戴膝關節支具3～6個月，以保護側副韌帶。股骨遠端腫瘤患者術后1 d開始股四頭肌收縮鍛煉及屈膝鍛煉（從屈曲30°開始，每周增加10°），2周后扶雙拐部分負重行走，6周后完全負重。脛骨近端腫瘤患者術后維持0°伸直位固定4周，固定期間可進行下肢肌肉等長功能鍛煉及踝關節屈伸鍛煉；4周后開始屈膝鍛煉，每周增加10°，并開始扶雙拐部分負重行走；6周開始逐步增加負重量。術后鼓勵患者主動鍛煉，不采用被動器械的功能鍛練，具體負重時間根據切口和骨愈合情況確定。
1.6 療效評價指標
記錄兩組術中切除瘤段長度及出血量。觀察術后并發癥及腫瘤復發情況。采用骨與軟組織腫瘤協會（MSTS）保肢功能評分系統[4]評價膝關節功能，包括疼痛、肢體功能、滿意度、支具輔助、行走和步態6項，每項滿分為5分，共30分。其中24～30分為優，18～23分為良，12～17分為中，< 12分為差。術后通過側壓試驗、抽屜試驗檢查膝關節穩定性。
1.7 統計學方法
采用SPSS19.0統計軟件進行分析。計量資料以均數±標準差表示，組間比較采用獨立樣本t檢驗；計數資料以率表示，組間比較采用χ2檢驗；檢驗水準α=0.05。
2 結果
兩組患者均順利完成手術。術后病理檢查示切除邊界均為陰性。兩組患者均獲隨訪，隨訪時間12～77個月，平均36.7個月。試驗組術中切除瘤段長度及出血量分別為（15.87±4.48）cm、（663.64±310.36）mL，與對照組（14.56±3.97）cm、（756.54±467.59）mL比較，差異均無統計學意義（t=1.01，P=0.32；t=—0.76，P=0.45）。患者膝關節穩定性良好。
試驗組：術后X線片復查示手術切除范圍和重建效果與術前計算機模擬切除重建一致。2例（9.52%）發生并發癥，其中免疫排斥反應1例（脛骨近端骨巨細胞瘤），經抗免疫治療，切口換藥后痊愈；感染1例（股骨遠端骨肉瘤），行清創縫合、置管沖洗、抗炎等治療后痊愈。其余患者切口均Ⅰ期愈合，未發現假體松動、脫位、斷裂，假體周圍骨折、神經損傷等并發癥。術后1年2例（9.52%）骨肉瘤復發肺轉移；末次隨訪時其中1例患者死亡，1例L3椎體轉移，帶瘤生存。
對照組：術后6例（27.27%）發生并發癥，其中假體周圍骨折2例（均為股骨遠端骨肉瘤），行骨折復位內固定+假體翻修術；感染2例（脛骨近端骨肉瘤1例、脛骨近端骨巨細胞瘤1例），予以清創縫合、肌皮瓣移位修復以及抗感染等治療后，1例痊愈，1例因感染控制不理想，行大腿截肢術；切口不愈合1例（股骨遠端骨肉瘤），行肌皮瓣移位修復后痊愈；腓總神經損傷1例（脛骨近端骨巨細胞瘤），予以營養神經、理療等對癥治療，術后6個月后恢復。其余患者切口均Ⅰ期愈合，均未發現假體松動、脫位、斷裂，假體周圍骨折、神經損傷等并發癥。術后1年4例（18.18%）骨肉瘤復發肺轉移；末次隨訪時3例死亡，1例帶瘤生存。兩組術后并發癥發生率及術后1年復發率比較，差異均無統計學意義（χ2=2.24，P=0.14；χ2=0.67，P=0.41）。
末次隨訪時MSTS功能評分，試驗組股骨遠端腫瘤者為（28.91±2.23）分，獲優9例、良1例；脛骨近端腫瘤者為（27.68±3.48）分，獲優9例、良2例。對照組排除1例截肢患者，21例納入統計；其中股骨遠端腫瘤者為（23.68±4.37）分，獲優8例、良2例、中2例；脛骨近端腫瘤者為（22.24±5.29）分，獲優6例、良2例、中1例。試驗組股骨遠端及脛骨近端腫瘤患者評分均優于對照組，比較差異有統計學意義（t=4.89，P=0.00；t=3.94，P=0.00）。試驗組膝關節主動屈伸活動度為（115.45±12.25）°，對照組為（101.49±11.96）°，比較差異有統計學意義（t=3.78，P=0.00）。見圖 1、2。
圖1
試驗組患者，男，21歲，左股骨遠端骨肉瘤
ⓐ術前X線片ⓑ術前MRI ⓒ術前于Mimics10.01軟件中獲得膝關節腫瘤三維模型及同種異體骨三維模型ⓓ術前于Imageware13.2軟件中設計腫瘤切除范圍ⓔ、ⓕ術前于UGNX7.0軟件中設計個性化非限制性腫瘤型全膝關節假體ⓖ、ⓗ術前于Imageware13.2軟件中模擬腫瘤切除及關節重建術ⓘ術后1周X線片ⓙ術后1年X線片ⓚ術后1年膝關節屈伸功能
Figure1. A 21-year-old male patient with left distal femur osteosarcoma in trail groupⓐPreoperative X-ray films ⓑPreoperative MRI ⓒPreoperative knee tumor 3D model and allogeneic bone 3D model made on Mimics10.1 software ⓓPreoperative tumor resection range designed on Imageware13.2 software ⓔ、ⓕPreoperative individualized unrestricted total knee prosthesis of tumor designed on UGNX7.0 software ⓖ、ⓗPreoperative simulation of tumor resection and knee joint reconstruction on Imageware13.2 software ⓘX-ray film at 1 week after operation ⓙX-ray films at 1 year after operation ⓚThe flexion and extension function of the knee joint at 1 year after operation
圖2
試驗組患者，男，39歲，右脛骨近端骨巨細胞瘤
ⓐ術前X線片ⓑ術前MRI ⓒ術前于Mimics10.01軟件中獲得膝關節腫瘤三維模型及同種異體骨三維模型ⓓ術前于Imageware13.2軟件中設計腫瘤切除范圍ⓔ、ⓕ術前于UGNX7.0軟件中設計個性化非限制性腫瘤型全膝關節假體ⓖ、ⓗ術前于Imageware13.2軟件中模擬腫瘤切除及關節重建術ⓘ術后1周X線片ⓙ術后1年X線片ⓚ術后1年膝關節屈伸功能
Figure2. A 39-year-old male patient with right proximal tibia chondrosarcoma in trail groupⓐPreoperative X-ray films ⓑPreoperative MRI ⓒPreoperative knee tumor 3D model and allogeneic bone 3D model made on Mimics10.1 software ⓓPreoperative tumor resection range designed on Imageware13.2 software ⓔ、ⓕPreoperative individualized unrestricted total knee prosthesis of tumor designed on UGNX7.0 software ⓖ、ⓗPreoperative simulation of tumor resection and knee joint reconstruction on Imageware13.2 software ⓘX-ray film at 1 week after operation ⓙX-ray films at 1 year after operation ⓚThe flexion and extension function of the knee joint at 1 year after operation
3 討論
膝關節周圍惡性骨腫瘤是指股骨遠端、脛骨近端及其周圍組織的惡性腫瘤，其原發灶發病率較其他部位高[5]。目前國內外常采用腫瘤廣泛切除+旋轉鉸鏈式假體重建術治療，但此方法存在假體設計缺陷、并發癥較多、功能不理想等問題[6-7]。本研究試驗組術后MSTS評分及膝關節主動屈伸活動度明顯優于對照組，分析主要有以下兩方面原因：一方面，采用大段同種異體骨移植修復骨缺損造成的假體力學支撐缺損，同時采用非限制性假體設計，盡可能達到標準膝關節表面置換的生物結構相似性，大大提高了術后膝關節的活動范圍。另一方面，腫瘤切除會造成軟組織缺失和失衡，導致關節不穩和脫位的發生。為此，術前采用計算機輔助三維測量和設計，3D打印導航模板輔助腫瘤精確切除，在保證腫瘤安全切除范圍的同時，盡可能保存正常軟組織，避免了常規手術中破壞性切除。同時，患者均采用同種異體肌腱進行膝關節內、外側副韌帶重建，并要求患者術后佩戴支具保護3～6個月，給予韌帶保護，促進軟組織平衡的恢復，從而大大提高了關節穩定性，避免脫位發生[8]。
由于腫瘤的特殊性，除了腫瘤復發外，并發癥的發生往往是導致手術失敗的主要原因[9]。保肢手術的主要并發癥包括感染、假體無菌性松動、假體斷裂、假體周圍骨折、聚乙烯襯墊磨損、脫位等[10]。其中，假體周圍感染和無菌性松動是導致假體失敗和翻修的最常見原因[11-12]。據報道，假體周圍感染率為10.6%～20%[13-14]。本研究中，兩組假體感染、假體周圍骨折及其他并發癥主要發生在術后12個月內。對照組感染率為9.09%（2/22），假體周圍骨折率為9.09%（2/22），與文獻報道相似[15-16]。試驗組并發癥發生率為9.52%，低于對照組（27.27%），分析原因主要在假體設計和手術方式的差異方面：①試驗組術前采用計算機輔助三維測量和設計，提高了假體與宿主的匹配精度[17]；②利用3D打印導航模板輔助手術，提高腫瘤切除精度的同時，避免了假體安裝的失誤[18]；③運用大段同種異體骨及同種異體肌腱重建骨結構及軟組織平衡，提高了假體的力學強度和穩定性[19]。但大段同種異體骨植入后排斥反應及骨吸收的問題，需要進一步研究。
非限制性個性化腫瘤型假體的禁忌證：①瘤段切除過大，軟組織切除過多，膝關節軟組織平衡重建困難；②體質量較大，發生假體下沉、脫位的風險較高；③無法行保肢手術者。
綜上述，非限制性個性化腫瘤型假體結合大段同種異體骨移植治療膝關節周圍惡性腫瘤療效滿意。該方法能明顯改善患者關節活動功能，提高生活質量，減少假體松動、斷裂的發生，延長假體壽命。本研究也存在病例數較少，隨訪時間較短的不足，此外同種異體骨、自體骨連接口植骨是否能促進骨橋的形成提高愈合率，仍缺乏動物實驗支持；對于同種異體肌腱重建側副韌帶，雖大量臨床應用已證實其有效性[20]，但應用于膝關節周圍腫瘤切除后軟組織平衡重建的報道較少，缺少相關生物力學研究支持。以上問題均需要進一步研究探討。
膝關節是原發性惡性骨腫瘤發生率最高的部位，隨著新輔助治療技術及膝關節假體制備技術的發展，患者生存率及保肢率均顯著提高，保肢手術已成為首選治療方案[1-2]。隨著腫瘤患者的年輕化及對術后關節功能和遠期療效的要求不斷提高，對膝關節腫瘤切除后功能重建提出了新的挑戰。針對膝關節周圍惡性骨腫瘤患者，我們提出術前采用計算機輔助設計及3D打印導航模板輔助術中腫瘤切除，并采用個性化非限制性腫瘤型假體重建膝關節功能，于2007年3月開始應用于臨床，獲得滿意療效。現將該術式與傳統膝關節腫瘤切除聯合腫瘤型鉸鏈式假體重建術進行比較，探討其療效及優勢，以期為膝關節周圍惡性骨腫瘤的治療提供新方法。報告如下。
1 臨床資料
1.1 患者選擇標準
納入標準：①膝關節周圍惡性骨腫瘤患者；②術前均行胸部X線片、CT、MRI、ECT或PETCT檢查，明確無腫瘤轉移，根據腫瘤性質和患者個體情況選擇化療方案。排除標準：①腫瘤范圍過大無法行保肢手術；②嚴重骨質疏松患者；③身體一般情況較差，不能耐受手術者。
2007年3月－2014年9月，共43例患者符合選擇標準納入研究。21例采用3D打印導航模板輔助個性化非限制性腫瘤型假體重建（試驗組），22例采用傳統腫瘤切除聯合定制腫瘤型鉸鏈式假體重建（對照組）。患者術前均簽署知情同意書。本研究經廣州軍區廣州總醫院醫學倫理委員會批準。
1.2 一般資料
試驗組：男12例，女9例；年齡13～40歲，平均23.7歲。左膝關節11例，右膝關節10例。腫瘤部位：股骨遠端10例，脛骨近端11例。病理診斷：骨肉瘤9例，骨軟骨肉瘤5例，骨巨細胞瘤7例。根據Enneking骨腫瘤分期：ⅠA期3例，ⅠB期4例，ⅡA期6例，ⅡB期8例。腫瘤直徑3～25 cm，平均10.3 cm。病程3～15個月，平均8.5個月。術前疼痛視覺模擬評分（VAS）為（7.28±1.54）分。
對照組：男11例，女11例；年齡12～43歲，平均22.9歲。左膝關節9例，右膝關節13例。腫瘤部位：股骨遠端12例，脛骨近端10例。病理診斷：骨肉瘤12例，骨軟骨肉瘤7例，骨巨細胞瘤3例。根據Enneking骨腫瘤分期：ⅠA期1例，ⅠB期2例，ⅡA期9例，ⅡB期10例。腫瘤直徑4～23 cm，平均12.3 cm。病程4～18個月，平均9個月。術前VAS評分為（6.99±1.39）分。
兩組患者年齡、性別、腫瘤部位、病理診斷、腫瘤分期、腫瘤直徑、病程以及術前VAS評分等一般資料比較，差異均無統計學意義（P > 0.05），具有可比性。
1.3 術前處理
試驗組：①膝關節腫瘤三維模型建立與測量：術前行64排螺旋CT（GE公司，美國）薄層掃描，掃描范圍：骨盆至足部，層厚0.625 mm；MRI采用增強掃描腫瘤及其上下關節。將CT原始圖像數據以Dicom格式導入Mimics10.01軟件（Materialise公司，比利時），利用軟件中閾值選取（Thresholdiing）、區域增長（Region growing）功能，初步建立雙下肢骨骼模型。在此模型基礎上，應用編輯蒙版工具（Edit mask）中的擦除（Erase）、局部閾值設置（Threshold）、畫圖（Draw）功能將骨塊分割及填充，通過區域增長（Region growing）和布爾運算（Boolean operation）為每塊骨骼創建獨立的新蒙版，再通過光順和平滑處理獲得患者雙下肢骨骼三維模型。將MRI原始圖像數據以Dicom格式導入Mimics10.01軟件，參照雙下肢骨骼三維模型的建模方法，建立腫瘤三維模型。將雙下肢骨骼及腫瘤三維模型分別保存為STL格式文件，并導入Imageware13.2軟件（EDS公司，美國），進行模型匹配并測量雙下肢力線及長度、股骨頸前傾角、股骨頸扭轉角、股骨頸干角、股骨角、股骨脛骨解剖軸和力線軸成角、脛骨扭轉角、股骨遠端外翻角、脛骨近端內翻角、患肢骨髓腔直徑等相關解剖參數。另外，將擬用于腫瘤切除后大段骨缺損修復的同種異體骨（山西奧瑞生物材料有限公司）行CT掃描，將原始圖像數據同法導入Mimics10.01軟件，建立同種異體骨三維模型。
②腫瘤外科切除邊界設計：于Imageware13.2軟件中，將雙下肢骨骼模型與腫瘤模型精確匹配，得到腫瘤骨骼三維結合整體模型。在此整體模型上觀察腫瘤形態及分布，確定骨腫瘤范圍；根據Enneking骨腫瘤分期，設計骨腫瘤切除外科邊界[3-4]。根據雙下肢解剖參數測量結果，選擇適當的截骨位置、截骨角度，并進行標記。
③模擬手術切除腫瘤及功能重建：于Imageware13.2軟件整體模型上，根據設計結果運用裁剪、移動工具模擬腫瘤切除；并以健側為參照，利用裁剪工具將同種異體骨三維模型修剪為與患肢骨缺損部位完全匹配的修復體，通過移動、旋轉修復骨缺損處。要求模擬手術后符合以下標準：腫瘤徹底切除，切除范圍超過病灶邊界3～5 cm；骨缺損大段修復骨必須完全匹配；雙下肢力線及長度一致。此外，根據腫瘤切除范圍，在腫瘤及骨骼整體模型和同種異體骨三維模型上分別應用“畫線”、“曲面構建”功能，初步建立腫瘤切除導航模板和同種異體骨修剪導航模板輪廓模型。
④腫瘤切除模板及骨修復體裁剪導航模板設計與制作：將Imageware13.2軟件中初步建立的導航模板輪廓模型分別以IGES格式保存，并導入UGNX7.0軟件（EDS公司，美國）中，應用“縫合”功能將各個曲面、平面縫合成實體，根據手術方案，在預定標記顯露的骨組織范圍及腫瘤切除范圍設定標記點，并在標記點設計直徑3.0 mm圓柱形導向固定孔，經光順、平滑處理得到最終導航模板三維模型，保存為STL文件，轉入3D打印工具，以光敏樹脂為原料打印制作導航模板實體。
⑤非限制性腫瘤型全膝關節假體的個性化三維設計與制作：采用人工關節+同種異體骨（allograft-prosthetic composite，APC）[3]修復腫瘤切除后大段骨缺損和重建膝關節功能。根據Imageware13.2軟件中測量的股骨、脛骨髓腔直徑、股骨解剖軸、脛骨解剖軸、脛股角、髖膝踝角、膝關節內外翻角度等解剖參數，在模擬腫瘤切除后的骨骼三維模型上通過“畫線”、“曲面構建”的方式初步建立個性化非限制性全膝關節假體模型。將其以IGES格式保存，導入UGNX7.0軟件，應用“縫合”、光順等處理得到最終假體三維模型。將最終假體三維模型導入Imageware13.2軟件中，與腫瘤切除后的骨骼三維模型進行匹配，實現個性化假體模擬植入。個性化非限制性腫瘤型全膝關節假體參數：髓內固定桿長度> 12?cm，有效固定長度> 5 cm，髓內固定桿弧度與股骨近端髓腔弧度一致，髓外固定桿長度等于骨缺損長度，直徑與用于修復骨缺損的大段同種異體骨相匹配，股骨假體外旋與外翻角度根據患者本身或健側股骨假體的參數個性化設計，髓內桿與髓外桿之間采用錐度+卡口方式連接。將全膝關節假體三維模型重新導入Imageware13.2軟件模擬膝關節功能重建，并修正完善假體參數。由上海思愛公司根據假體參數制作成品假體。
對照組：通過CT、MRI掃描，獲得二維圖像數據，明確腫瘤侵犯范圍，確定腫瘤型鉸鏈式假體（北京力達康科技有限公司）型號。
1.4 手術方法
兩組手術均由同一組醫師完成。患者均于持續硬膜外麻醉下手術，根據腫瘤部位選擇適當切口；術前30 min均常規使用廣譜抗生素。
試驗組：術中將腫瘤切除導航模板緊密貼服于骨面，克氏針固定。用擺鋸沿腫瘤切除導航模板邊界將腫瘤完整切除。用脈沖反復沖洗創面和骨髓腔，蒸餾水浸泡創面30 min。在同種異體骨修剪導航模板引導下修剪同種異體骨，用骨水泥將其與膝關節假體結合，形成同種異體骨假體復合體，并將2條同種異體肌腱（山西奧瑞生物材料有限公司）的一端用錨釘分別固定在內、外側副韌帶的附著點上備用。對于股骨端腫瘤，先安裝脛骨平臺假體，然后殘端擴髓填充骨水泥，并裝配髓內固定桿和同種異體骨假體復合體，維持正常力線至骨水泥固化，在同種異體骨與殘端連接處周圍植入自體髂骨，鋼絲捆綁固定，促進連接口形成骨橋愈合。膝關節屈曲30°，保持足夠張力下將同種異體肌腱另一端用錨釘固定在脛骨側韌帶附著點上，重建內、外側副韌帶。對于脛骨近端腫瘤，先安裝股骨表面假體，然后脛骨端安裝帶同種異體肌腱的同種異體骨假體復合體，維持力線至骨水泥固定，以相同方法將同種異體肌腱固定在股骨髁韌帶的附著點上重建內外側副韌帶。然后，將髕韌帶止點用鋼絲縫合固定于同種異體骨孔中重建伸膝裝置。
對照組：根據Enneking外科手術腫瘤切除邊界原則，對腫瘤行廣泛切除或根治術，用鋼尺測量腫瘤邊緣外5 cm為截骨位置，術前MRI顯示信號改變區外2～5?cm為軟組織切除范圍。腫瘤切除后行殘端擴髓，脈沖反復沖洗創面和骨髓腔，蒸餾水浸泡創面30?min，按照試驗組的安裝順序安裝腫瘤型鉸鏈式假體，并以骨水泥固定。所有患者均未行髕骨置換。對于脛骨近端腫瘤，將髕韌帶止點縫合固定于假體上，重建伸膝裝置。當腫瘤侵犯范圍較大、軟組織缺損較多時（本組3例），行腓腸肌內側頭肌皮瓣移位覆蓋假體。
1.5 術后處理
兩組術后處理方法一致。術后患者佩戴膝關節支具3～6個月，以保護側副韌帶。股骨遠端腫瘤患者術后1 d開始股四頭肌收縮鍛煉及屈膝鍛煉（從屈曲30°開始，每周增加10°），2周后扶雙拐部分負重行走，6周后完全負重。脛骨近端腫瘤患者術后維持0°伸直位固定4周，固定期間可進行下肢肌肉等長功能鍛煉及踝關節屈伸鍛煉；4周后開始屈膝鍛煉，每周增加10°，并開始扶雙拐部分負重行走；6周開始逐步增加負重量。術后鼓勵患者主動鍛煉，不采用被動器械的功能鍛練，具體負重時間根據切口和骨愈合情況確定。
1.6 療效評價指標
記錄兩組術中切除瘤段長度及出血量。觀察術后并發癥及腫瘤復發情況。采用骨與軟組織腫瘤協會（MSTS）保肢功能評分系統[4]評價膝關節功能，包括疼痛、肢體功能、滿意度、支具輔助、行走和步態6項，每項滿分為5分，共30分。其中24～30分為優，18～23分為良，12～17分為中，< 12分為差。術后通過側壓試驗、抽屜試驗檢查膝關節穩定性。
1.7 統計學方法
采用SPSS19.0統計軟件進行分析。計量資料以均數±標準差表示，組間比較采用獨立樣本t檢驗；計數資料以率表示，組間比較采用χ2檢驗；檢驗水準α=0.05。
2 結果
兩組患者均順利完成手術。術后病理檢查示切除邊界均為陰性。兩組患者均獲隨訪，隨訪時間12～77個月，平均36.7個月。試驗組術中切除瘤段長度及出血量分別為（15.87±4.48）cm、（663.64±310.36）mL，與對照組（14.56±3.97）cm、（756.54±467.59）mL比較，差異均無統計學意義（t=1.01，P=0.32；t=—0.76，P=0.45）。患者膝關節穩定性良好。
試驗組：術后X線片復查示手術切除范圍和重建效果與術前計算機模擬切除重建一致。2例（9.52%）發生并發癥，其中免疫排斥反應1例（脛骨近端骨巨細胞瘤），經抗免疫治療，切口換藥后痊愈；感染1例（股骨遠端骨肉瘤），行清創縫合、置管沖洗、抗炎等治療后痊愈。其余患者切口均Ⅰ期愈合，未發現假體松動、脫位、斷裂，假體周圍骨折、神經損傷等并發癥。術后1年2例（9.52%）骨肉瘤復發肺轉移；末次隨訪時其中1例患者死亡，1例L3椎體轉移，帶瘤生存。
對照組：術后6例（27.27%）發生并發癥，其中假體周圍骨折2例（均為股骨遠端骨肉瘤），行骨折復位內固定+假體翻修術；感染2例（脛骨近端骨肉瘤1例、脛骨近端骨巨細胞瘤1例），予以清創縫合、肌皮瓣移位修復以及抗感染等治療后，1例痊愈，1例因感染控制不理想，行大腿截肢術；切口不愈合1例（股骨遠端骨肉瘤），行肌皮瓣移位修復后痊愈；腓總神經損傷1例（脛骨近端骨巨細胞瘤），予以營養神經、理療等對癥治療，術后6個月后恢復。其余患者切口均Ⅰ期愈合，均未發現假體松動、脫位、斷裂，假體周圍骨折、神經損傷等并發癥。術后1年4例（18.18%）骨肉瘤復發肺轉移；末次隨訪時3例死亡，1例帶瘤生存。兩組術后并發癥發生率及術后1年復發率比較，差異均無統計學意義（χ2=2.24，P=0.14；χ2=0.67，P=0.41）。
末次隨訪時MSTS功能評分，試驗組股骨遠端腫瘤者為（28.91±2.23）分，獲優9例、良1例；脛骨近端腫瘤者為（27.68±3.48）分，獲優9例、良2例。對照組排除1例截肢患者，21例納入統計；其中股骨遠端腫瘤者為（23.68±4.37）分，獲優8例、良2例、中2例；脛骨近端腫瘤者為（22.24±5.29）分，獲優6例、良2例、中1例。試驗組股骨遠端及脛骨近端腫瘤患者評分均優于對照組，比較差異有統計學意義（t=4.89，P=0.00；t=3.94，P=0.00）。試驗組膝關節主動屈伸活動度為（115.45±12.25）°，對照組為（101.49±11.96）°，比較差異有統計學意義（t=3.78，P=0.00）。見圖 1、2。
圖1
試驗組患者，男，21歲，左股骨遠端骨肉瘤
ⓐ術前X線片ⓑ術前MRI ⓒ術前于Mimics10.01軟件中獲得膝關節腫瘤三維模型及同種異體骨三維模型ⓓ術前于Imageware13.2軟件中設計腫瘤切除范圍ⓔ、ⓕ術前于UGNX7.0軟件中設計個性化非限制性腫瘤型全膝關節假體ⓖ、ⓗ術前于Imageware13.2軟件中模擬腫瘤切除及關節重建術ⓘ術后1周X線片ⓙ術后1年X線片ⓚ術后1年膝關節屈伸功能
Figure1. A 21-year-old male patient with left distal femur osteosarcoma in trail groupⓐPreoperative X-ray films ⓑPreoperative MRI ⓒPreoperative knee tumor 3D model and allogeneic bone 3D model made on Mimics10.1 software ⓓPreoperative tumor resection range designed on Imageware13.2 software ⓔ、ⓕPreoperative individualized unrestricted total knee prosthesis of tumor designed on UGNX7.0 software ⓖ、ⓗPreoperative simulation of tumor resection and knee joint reconstruction on Imageware13.2 software ⓘX-ray film at 1 week after operation ⓙX-ray films at 1 year after operation ⓚThe flexion and extension function of the knee joint at 1 year after operation
圖2
試驗組患者，男，39歲，右脛骨近端骨巨細胞瘤
ⓐ術前X線片ⓑ術前MRI ⓒ術前于Mimics10.01軟件中獲得膝關節腫瘤三維模型及同種異體骨三維模型ⓓ術前于Imageware13.2軟件中設計腫瘤切除范圍ⓔ、ⓕ術前于UGNX7.0軟件中設計個性化非限制性腫瘤型全膝關節假體ⓖ、ⓗ術前于Imageware13.2軟件中模擬腫瘤切除及關節重建術ⓘ術后1周X線片ⓙ術后1年X線片ⓚ術后1年膝關節屈伸功能
Figure2. A 39-year-old male patient with right proximal tibia chondrosarcoma in trail groupⓐPreoperative X-ray films ⓑPreoperative MRI ⓒPreoperative knee tumor 3D model and allogeneic bone 3D model made on Mimics10.1 software ⓓPreoperative tumor resection range designed on Imageware13.2 software ⓔ、ⓕPreoperative individualized unrestricted total knee prosthesis of tumor designed on UGNX7.0 software ⓖ、ⓗPreoperative simulation of tumor resection and knee joint reconstruction on Imageware13.2 software ⓘX-ray film at 1 week after operation ⓙX-ray films at 1 year after operation ⓚThe flexion and extension function of the knee joint at 1 year after operation
3 討論
膝關節周圍惡性骨腫瘤是指股骨遠端、脛骨近端及其周圍組織的惡性腫瘤，其原發灶發病率較其他部位高[5]。目前國內外常采用腫瘤廣泛切除+旋轉鉸鏈式假體重建術治療，但此方法存在假體設計缺陷、并發癥較多、功能不理想等問題[6-7]。本研究試驗組術后MSTS評分及膝關節主動屈伸活動度明顯優于對照組，分析主要有以下兩方面原因：一方面，采用大段同種異體骨移植修復骨缺損造成的假體力學支撐缺損，同時采用非限制性假體設計，盡可能達到標準膝關節表面置換的生物結構相似性，大大提高了術后膝關節的活動范圍。另一方面，腫瘤切除會造成軟組織缺失和失衡，導致關節不穩和脫位的發生。為此，術前采用計算機輔助三維測量和設計，3D打印導航模板輔助腫瘤精確切除，在保證腫瘤安全切除范圍的同時，盡可能保存正常軟組織，避免了常規手術中破壞性切除。同時，患者均采用同種異體肌腱進行膝關節內、外側副韌帶重建，并要求患者術后佩戴支具保護3～6個月，給予韌帶保護，促進軟組織平衡的恢復，從而大大提高了關節穩定性，避免脫位發生[8]。
由于腫瘤的特殊性，除了腫瘤復發外，并發癥的發生往往是導致手術失敗的主要原因[9]。保肢手術的主要并發癥包括感染、假體無菌性松動、假體斷裂、假體周圍骨折、聚乙烯襯墊磨損、脫位等[10]。其中，假體周圍感染和無菌性松動是導致假體失敗和翻修的最常見原因[11-12]。據報道，假體周圍感染率為10.6%～20%[13-14]。本研究中，兩組假體感染、假體周圍骨折及其他并發癥主要發生在術后12個月內。對照組感染率為9.09%（2/22），假體周圍骨折率為9.09%（2/22），與文獻報道相似[15-16]。試驗組并發癥發生率為9.52%，低于對照組（27.27%），分析原因主要在假體設計和手術方式的差異方面：①試驗組術前采用計算機輔助三維測量和設計，提高了假體與宿主的匹配精度[17]；②利用3D打印導航模板輔助手術，提高腫瘤切除精度的同時，避免了假體安裝的失誤[18]；③運用大段同種異體骨及同種異體肌腱重建骨結構及軟組織平衡，提高了假體的力學強度和穩定性[19]。但大段同種異體骨植入后排斥反應及骨吸收的問題，需要進一步研究。
非限制性個性化腫瘤型假體的禁忌證：①瘤段切除過大，軟組織切除過多，膝關節軟組織平衡重建困難；②體質量較大，發生假體下沉、脫位的風險較高；③無法行保肢手術者。
綜上述，非限制性個性化腫瘤型假體結合大段同種異體骨移植治療膝關節周圍惡性腫瘤療效滿意。該方法能明顯改善患者關節活動功能，提高生活質量，減少假體松動、斷裂的發生，延長假體壽命。本研究也存在病例數較少，隨訪時間較短的不足，此外同種異體骨、自體骨連接口植骨是否能促進骨橋的形成提高愈合率，仍缺乏動物實驗支持；對于同種異體肌腱重建側副韌帶，雖大量臨床應用已證實其有效性[20]，但應用于膝關節周圍腫瘤切除后軟組織平衡重建的報道較少，缺少相關生物力學研究支持。以上問題均需要進一步研究探討。
