引用本文： 苗秋菊, 丁煥文, 黃敏強, 沈健堅, 涂強, 黃淼俊. 3-D 打印導航模板輔助肘關節腫瘤切除及個性化肘關節置換術的初步應用. 中國修復重建外科雜志, 2017, 31(4): 385-391. doi: 10.7507/1002-1892.201611091 復制
人工肘關節置換術治療老年陳舊性肘關節骨折脫位可獲得滿意近期療效[1]。常規置換術前主要基于肢體外觀、X 線片、CT、MRI 等二維影像數據對肘部病變進行測量并設計，易受影像重疊和肢體擺放位置影響；術中依靠術者經驗實施手術，存在術中出血增加、手術時間延長等問題。目前，計算機輔助技術越來越多地應用于關節成形術中，術前可根據 3-D 圖像設計截骨范圍，減少假體承載負荷，從而延長假體使用壽命[2]；還能設計定制個性化肘關節假體，最大程度恢復關節功能[3]。2016 年 8 月我們收治 1 例左肱骨遠端腫瘤患者，其腫瘤范圍大，左上肢功能活動受限。考慮上肢為感知器官，相比于截肢術，保肢術后患者肢體功能恢復更好，5 年生存率更高[3]。因此，我們選擇術前三維重建模擬腫瘤切除范圍和遺留骨缺損，計算機輔助設計并定制個性化肘關節假體，行腫瘤廣泛性切除、大段同種異體骨+個性化肘關節假體置換重建術。現總結該例治療經驗，報告如下。
1 病例介紹
1.1 一般資料
患者 男，63 歲。身高 165 cm，體質量 67 kg。因發現左肱骨遠端巨大包塊 3 個月余，伴肘關節疼痛、活動受限入院。查體：左肱骨遠端腫塊大小為 8 cm×7 cm×6 cm，肘關節伸屈活動范圍 0～35°。按照美國骨骼肌肉系統腫瘤協會（MSTS）分期為ⅡB 期；肢體損傷嚴重度評分（MESS）為 4 分。常規行 X 線片、CT、MRI、全身骨顯像、PET/CT 檢查，明確腫瘤無全身轉移。見圖 1。
圖1
術前影像學檢查 a. X 線片；b. CT；c. MRI
Figure1.
Imaging examination before operation a. X-ray films; b. CT; c. MRI
1.2 個性化假體及肘關節重建術設計
1.2.1 雙上肢骨關節三維重建 采用 64 排螺旋 CT（GE 公司，美國）薄層掃描，掃描范圍：肩關節至腕關節；掃描參數：層厚 0.625 mm、共 610 層，電壓 120 kV，電流 300 mAs。常規 CT 平掃加三維重建，獲得的二維平面圖像以 DICOM 格式導入 Mimics10.0 軟件（Materialise 公司，比利時）。采用軟件中編輯工具（Edit mask）中的調整閾值（Thresholding）、畫圖（Draw）、擦除（Erase）、局部閾值設置（Threshold）等功能分割骨塊及填充，通過區域增長（Region growing）和布爾運算（Boolean operation）為每塊骨骼設置新的蒙版（Mask），通過計算（calculate 3D from Mask）獲得患者雙上肢骨關節三維模型（圖 2a）。
圖2
術前三維重建及手術設計 a. 雙上肢骨關節三維模型；b. 肱骨遠端切除范圍；c. 模擬腫瘤切除后骨缺損；d. 同種異體骨修復體設計；e. 3-D 打印腫瘤切除以及同種異體骨修剪模板；f. 個性化肘關節假體三維模型；g. 同種異體骨+肘關節假體組合體三維模型
Figure2.
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
另行雙上肢 MRI 檢查，掃描范圍同 CT；將 MRI 掃描獲得的原始數據以 DICOM 格式導入 Mimics10.0 軟件，同上法重建腫瘤浸潤范圍的三維模型，精確界定腫瘤范圍。將雙上肢骨關節、腫瘤浸潤范圍三維模型以 STL 格式保存。
1.2.2 腫瘤切除范圍設計 將雙上肢骨關節三維模型與腫瘤浸潤范圍三維模型一并導入逆向工程軟件 Imageware13.2（EDS 公司，美國），利用點云對齊工具等，將骨關節三維模型、腫瘤浸潤范圍三維模型進行匹配和對齊，獲得腫瘤、肱骨、尺骨三維結合整體模型。通過計算機輔助測量雙上肢解剖參數：肱骨、尺骨偏心距，肱骨、尺骨前傾角，肘關節提攜角及肘關節旋轉軸心，分析腫瘤區域形狀、腫瘤浸潤范圍。根據根治性切除原則，測得左肱骨遠端腫瘤髓腔內病變近端最高點距肱骨髁間的距離為 55.76 mm，肱骨遠端髓腔內浸潤長度加 5 cm 交界區域的正常骨干，肱骨遠端共切除 105.76 mm（圖 2b）。
1.2.3 導航模板設計及制備 設計并制備腫瘤切除模板以及用于修復腫瘤切除后骨缺損的同種異體骨修剪模板。根據腫瘤切除部位、范圍選擇同種異體骨（深凍骨塊立方體狀；山西奧瑞生物材料有限公司），同上法 CT 掃描后將數據導入 Mimics 10.0 軟件，重建三維模型。根據 1.2.2 中擬定的腫瘤切除范圍，于 Imageware13.2 軟件中模擬腫瘤切除，腫瘤切除后遺留骨缺損（圖 2c）；并以右肱骨為參考，利用裁剪工具將同種異體骨三維模型修剪為與遺留骨缺損處解剖結構吻合的修復體（圖 2d），并通過移動、旋轉操作修復骨缺損，同時利用畫線、曲面構建等功能建立左肱骨遠端腫瘤切除導航模板和同種異體骨修剪導航模板輪廓模型。將導航模板輪廓模型以 IGES 格式導入 UGNX7.0 軟件（EDS 公司，美國），參考擬定的腫瘤切除范圍，經過對腫瘤標記點、平面、曲面等處理，最終得到導航模板三維模型；再次將此模型保存為 STL 文件，轉入 3-D 打印工具（廣東漢邦激光科技有限公司），以光敏樹脂為原料進行 3-D 打印（圖 2e）。
1.2.4 個性化肘關節假體設計 以右肘關節為參考標準，根據 Imageware13.2 軟件中測量的雙上肢解剖參數以及腫瘤切除后遺留骨缺損的位置、三維外形、骨干直徑、骨髓腔形狀等，在模擬肱骨腫瘤切除后的骨骼三維模型上通過畫線、曲面構建方式，初步設計肘關節假體模型，并以 IGES 格式導入 UGNX7.0 軟件，通過縫合、光順等工具獲得個性化肘關節假體三維模型（圖 2f）。將該三維模型導入 Imageware13.2 軟件中，與腫瘤切除后的肘部骨骼三維模型進行匹配，模擬術中個性化肘關節置換重建。
該個性化肘關節假體由四部分組成：肱骨假體髓內固定桿、肱骨假體髓外延長桿、尺骨假體、旋轉活動軸。肱骨假體髓內固定桿參數：肱骨假體近端長度為 110 mm、直徑 8 mm，遠端直徑增大至 10 mm，髓內固定桿與髓外延長桿之間采用錐度+卡口方式連接，結合部錐度底部直徑為 8 mm，頂部直徑為 6 mm，內椎高度為 20 mm。肱骨假體髓外延長桿參數：肱骨假體遠端長度為 115.76 mm，直徑 10 mm，近端內椎底部直徑為 8 mm，頂部直徑為 6 mm，內椎高度為 20 mm，活動軸部分高度為 27 mm，直徑為 18 mm，活動軸前傾 25°。尺骨假體參數：尺骨假體長度為 110 mm，直徑在狹窄部位由 6 mm 過渡至尖端 4 mm，尺骨假體活動軸的偏心距為 35 mm。肱骨、尺骨偏心距參數：肱骨軸線偏心距為 8 mm，尺骨軸線偏心距為 21 mm，從而達到尺骨假體彎曲角度 30°，尺骨假體前傾部分長度為 36.373 1 mm[4]。肱骨假體髓內固定桿弧度與肱骨近端髓腔弧度一致，髓外延長桿長度為腫瘤切除后遺留骨缺損的長度，直徑與用于修復骨缺損的同種異體骨相匹配，組裝成骨修復體。
在 Imageware13.2 軟件中再次模擬肘關節功能重建，將骨關節解剖三維模型、腫瘤切除模板三維模型、大段同種異體骨修剪后的修復體三維模型和個性化肘關節假體三維模型導入 Imageware13.2 軟件，模擬腫瘤切除以及同種異體骨+肘關節假體組合體（圖 2g）置換手術過程，驗證手術設計方案可行性。最后在骨關節和輔助腫瘤切除模板快速成型原型實物上操演矯形手術過程，進一步驗證手術設計方案的可行性。個性化肘關節假體三維模型設計完成后，由捷邁（上海）醫療國際貿易有限公司根據相關參數制備成品假體。
1.3 手術方法
全麻后，患者取右側臥位手術。首先，按照常規方法取自體髂骨備用。然后，作左肘關節后外側弧形切口，分離皮下組織，切開筋膜層，剝離瘤體并取部分瘤體組織送冰凍切片檢查。充分剝離瘤體后，將 3-D 打印的腫瘤切除模板緊密貼于瘤體表面，克氏針固定并標記，用擺鋸沿標記處行“Z”字形截骨，完整切除骨段。取大段同種異體骨，修剪模板輔助下修剪成合適大小后，用直徑 4.5 mm 鉆頭在同種異體骨表面行網格狀規則打孔，取部分髂骨松質骨填充植骨；用骨銼進行同種異體骨擴髓，將肘關節肱骨端假體與大段同種異體骨安裝并確定匹配合適后，用骨水泥固定成一整體。將大段同種異體骨+左肘關節肱骨端假體組合體與左肱骨殘端精確配裝，骨水泥固定，骨端連接處植入同種異體骨板、自體髂骨骨板，鋼絲捆扎固定。暴露左尺骨鷹嘴，開口擴髓尺骨近端后，安裝肘關節尺骨端假體，骨水泥固定。待骨水泥固化后，將肱骨端假體與尺骨端假體匹配，螺栓固定。檢查假體固定牢靠、關節屈伸功能良好后，在同種異體骨骨間隙植入自體髂骨。最后放置引流管，逐層關閉切口。見圖 3。
圖3
術中操作步驟 a. 剝離瘤體后安裝腫瘤切除模板；b. 完整切除瘤體；c. 大段同種異體骨安裝修剪模板；d. 大段同種異體骨修剪后；e. 大段同種異體骨鉆孔；f. 大段同種異體骨+左肘關節肱骨端假體、尺骨端假體組合體；g. 肘關節重建后
Figure3.
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
2 結果
本例患者手術順利完成，術中腫瘤切除時間 46 min，安裝個性化肘關節假體與同種異體骨時間 95 min；術中無需透視。病理檢查提示為近端上皮樣肉瘤。術后 3 d 患者左上肢麻木、腫脹明顯緩解，左前臂可自主旋轉，手指、肘關節可自主屈伸。切口Ⅰ期愈合，無切口感染、排斥反應等并發癥。術后 1 周行 X 線片及 CT 檢查示肘關節假體位置良好，尺骨假體前傾角為 30°，肘關節提攜角為 15°，與術前模擬肘關節置換術效果一致。術后行 3 個療程甲氨蝶呤+阿霉素化療。術后 1 個月手指屈伸活動正常，肘關節屈伸達 0～130°，前臂旋前 80°、旋后 80°。術后 7 個月肘關節活動滿足日常生活需要，腫瘤無復發、轉移，未出現假體松動和感染。見圖 4。
圖4
術后隨訪觀察 a. 術后 1 周正側位 X 線片；b. 術后 1 周 CT 三維重建；c. 術后 6 個月肘關節屈伸功能；d. 術后 7 個月正側位 X 線片
Figure4.
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
3 討論
3-D 打印技術已廣泛用于臨床各個領域，從最初單純用于術前模型演變至目前設計制備植入物等方面[5]。3-D 打印模型在術前可輔助模擬手術操作，預估術中使用假體型號，提高植入物與假體的匹配度[6]。研究證實，3-D 打印技術可輔助骨腫瘤切除與重建[7-8]。基于 3-D 打印技術的發展，受骨盆腫瘤精確切除與個性化假體重建手術成功實施[9]的啟發，本研究為肱骨遠端腫瘤患者設計個性化肘關節假體。以 CT 薄層掃描數據作為原始數據，在其基礎上對肱骨遠端腫瘤切除范圍、肘關節假體參數設計、假體位置安放等進行設計，最終通過 3-D 打印技術打印出輔助腫瘤切除模板，術中引導腫瘤切除并成功實施肘關節置換術。
肘關節作為前臂的一個橫桿，是圍繞固定的線性軸旋轉的單軸關節，活動范圍為 0～150°，并存在外翻 10～15° 的提攜角。為了增加術后肘關節穩定性、減少內外翻松弛，盡量達到與患肢相近的提攜角度，我們將肘關節假體設計為 4 個部分，分別為肱骨假體髓內固定桿、肱骨假體髓外延長桿、尺骨假體、旋轉活動軸。另外，為了延長假體使用壽命，提高肘關節置換術成功率，假體設計時可適當增加可承受應力[10]。Cesar 等[11]對接受 GSBⅢ型肘關節假體置換的患者進行研究發現，肱骨側假體松動率高于尺骨側；Ogino 等[12]對 25 例首次接受人工肘關節置換的患者進行研究也發現了相同結果。分析原因為，肱骨溶骨性區域較尺骨普遍，尺骨骨皮質較厚，尺骨松質骨在扭轉過程中承受相應應力較小。所以在肘關節假體設計時，為了增大肱骨段承受的應力范圍，肱骨假體應有兩個組成部分——髓內固定桿與髓外延長桿。肱骨假體髓內部分長度設計依據 3 個原則：① 總長度為肱骨直徑的 4～5 倍；② 有效固定長度>50 mm，即與肱骨內壁密切接觸長度>50 mm；③ 老年患者、骨質疏松患者適當延長。髓內固定桿與髓外延長桿結合部采用錐形設計，假體在插入肱骨后，假體的肱骨端和肱骨髓腔完美匹配，得以承受最大應力，以實現最大穩定性、最小旋轉度，同時降低了后脫位和扭轉的風險。肱骨假體和尺骨假體連接部采用旋轉活動軸，使兩部分可鎖定在一起，保證了精確度的同時提高了手術效率，且活動軸與肱骨尺骨、假體拆分簡單，增強了翻修手術中的可互換性。
此外，術中 3-D 打印輔助腫瘤切除模板采用階梯式設計，使得肱骨遠端行階梯式截骨。該設計具有以下意義：① 有利于殘留的自體骨斷面階梯與同種異體骨階梯相互嵌合，有效防止術后重建結構的旋轉移位，如自體骨與同種異體骨界面為橫斷面接觸，容易發生旋轉移位（類似于橫行骨折）。② 術中階梯狀截骨在結構重建中起到輔助解剖定位作用，防止術后發生旋轉畸形，導致術后肱骨后傾角增加或減小。③ 自體骨與同種異體骨界面呈階梯狀接觸，可增加兩者之間的接觸面積，有利于骨生長和骨融合；自體骨與同種異體骨界面的階梯狀接觸，加上肱骨假體的髓腔內固定，使其重建結構穩定，可允許肢體早期非負重活動。
基于計算機輔助技術和 3-D 打印技術設計的個性化肘關節置換術優點：① 根據 CT 薄層掃描數據建立三維模型，生物匹配度高，誤差低至 0.1 mm[13]，術前即能初步了解肘關節解剖形態；② 通過計算機輔助設計肱骨腫瘤切除導航模板，利用 3-D 打印將導航模板制作成實物，精確切除腫瘤的同時避免了假體安裝失誤[14]；③ 術前對雙上肢的解剖參數進行力學分析，設計與肘關節解剖形態相匹配的假體，保證了肘關節穩定性和軟組織平衡[15]；④ 計算機模擬手術操作過程，評估手術風險，提高了假體與大段同種異體骨匹配精準度[16]；⑤ 肘關節假體設計遵循了個性化原則，精準匹配腫瘤切除后遺留的骨缺損，并重建肘關節功能；⑥ 同種異體骨與自體骨混合修復腫瘤切除后骨缺損，能加速骨性愈合，減少并發癥的發生[17]；⑦ 導航模板的使用不僅能精確切除腫瘤、植入同種異體骨，還減少了失血量、縮短手術時間、減少術中輻射[18]。
個性化肘關節假體優點：① 根據患者解剖參數制備導板修剪同種異體骨并設計肘關節假體，既減少了金屬假體重量，同時同種異體骨外套有利于肌肉和周圍其他軟組織附著，改善了關節功能。② 肱骨假體遠端活動軸部分依據患者肱骨遠端解剖參數個性化設計，具有 25° 前傾角，肱骨假體遠端偏心距為 8.4 mm，尺骨假體偏心距為 21.4 mm。肱骨與尺骨假體設計為不同偏心距更加符合肘關節解剖形狀。③ 肱骨假體遠端和尺骨假體近端的個性化三維形狀設計異于其他假體。
綜上述，本研究利用 3-D 打印導航模板輔助精準切除腫瘤，修剪與骨缺損匹配的大段同種異體骨，為患者定制個性化肘關節假體，成功實施肘關節置換術。但本研究臨床隨訪時間較短，僅為個案經驗，大段同種異體骨、自體髂骨植骨能否促進骨橋形成，是否有利于術后快速康復等，尚需進一步動物實驗研究。
人工肘關節置換術治療老年陳舊性肘關節骨折脫位可獲得滿意近期療效[1]。常規置換術前主要基于肢體外觀、X 線片、CT、MRI 等二維影像數據對肘部病變進行測量并設計，易受影像重疊和肢體擺放位置影響；術中依靠術者經驗實施手術，存在術中出血增加、手術時間延長等問題。目前，計算機輔助技術越來越多地應用于關節成形術中，術前可根據 3-D 圖像設計截骨范圍，減少假體承載負荷，從而延長假體使用壽命[2]；還能設計定制個性化肘關節假體，最大程度恢復關節功能[3]。2016 年 8 月我們收治 1 例左肱骨遠端腫瘤患者，其腫瘤范圍大，左上肢功能活動受限。考慮上肢為感知器官，相比于截肢術，保肢術后患者肢體功能恢復更好，5 年生存率更高[3]。因此，我們選擇術前三維重建模擬腫瘤切除范圍和遺留骨缺損，計算機輔助設計并定制個性化肘關節假體，行腫瘤廣泛性切除、大段同種異體骨+個性化肘關節假體置換重建術。現總結該例治療經驗，報告如下。
1 病例介紹
1.1 一般資料
患者 男，63 歲。身高 165 cm，體質量 67 kg。因發現左肱骨遠端巨大包塊 3 個月余，伴肘關節疼痛、活動受限入院。查體：左肱骨遠端腫塊大小為 8 cm×7 cm×6 cm，肘關節伸屈活動范圍 0～35°。按照美國骨骼肌肉系統腫瘤協會（MSTS）分期為ⅡB 期；肢體損傷嚴重度評分（MESS）為 4 分。常規行 X 線片、CT、MRI、全身骨顯像、PET/CT 檢查，明確腫瘤無全身轉移。見圖 1。
圖1
術前影像學檢查 a. X 線片；b. CT；c. MRI
Figure1.
Imaging examination before operation a. X-ray films; b. CT; c. MRI
1.2 個性化假體及肘關節重建術設計
1.2.1 雙上肢骨關節三維重建 采用 64 排螺旋 CT（GE 公司，美國）薄層掃描，掃描范圍：肩關節至腕關節；掃描參數：層厚 0.625 mm、共 610 層，電壓 120 kV，電流 300 mAs。常規 CT 平掃加三維重建，獲得的二維平面圖像以 DICOM 格式導入 Mimics10.0 軟件（Materialise 公司，比利時）。采用軟件中編輯工具（Edit mask）中的調整閾值（Thresholding）、畫圖（Draw）、擦除（Erase）、局部閾值設置（Threshold）等功能分割骨塊及填充，通過區域增長（Region growing）和布爾運算（Boolean operation）為每塊骨骼設置新的蒙版（Mask），通過計算（calculate 3D from Mask）獲得患者雙上肢骨關節三維模型（圖 2a）。
圖2
術前三維重建及手術設計 a. 雙上肢骨關節三維模型；b. 肱骨遠端切除范圍；c. 模擬腫瘤切除后骨缺損；d. 同種異體骨修復體設計；e. 3-D 打印腫瘤切除以及同種異體骨修剪模板；f. 個性化肘關節假體三維模型；g. 同種異體骨+肘關節假體組合體三維模型
Figure2.
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
另行雙上肢 MRI 檢查，掃描范圍同 CT；將 MRI 掃描獲得的原始數據以 DICOM 格式導入 Mimics10.0 軟件，同上法重建腫瘤浸潤范圍的三維模型，精確界定腫瘤范圍。將雙上肢骨關節、腫瘤浸潤范圍三維模型以 STL 格式保存。
1.2.2 腫瘤切除范圍設計 將雙上肢骨關節三維模型與腫瘤浸潤范圍三維模型一并導入逆向工程軟件 Imageware13.2（EDS 公司，美國），利用點云對齊工具等，將骨關節三維模型、腫瘤浸潤范圍三維模型進行匹配和對齊，獲得腫瘤、肱骨、尺骨三維結合整體模型。通過計算機輔助測量雙上肢解剖參數：肱骨、尺骨偏心距，肱骨、尺骨前傾角，肘關節提攜角及肘關節旋轉軸心，分析腫瘤區域形狀、腫瘤浸潤范圍。根據根治性切除原則，測得左肱骨遠端腫瘤髓腔內病變近端最高點距肱骨髁間的距離為 55.76 mm，肱骨遠端髓腔內浸潤長度加 5 cm 交界區域的正常骨干，肱骨遠端共切除 105.76 mm（圖 2b）。
1.2.3 導航模板設計及制備 設計并制備腫瘤切除模板以及用于修復腫瘤切除后骨缺損的同種異體骨修剪模板。根據腫瘤切除部位、范圍選擇同種異體骨（深凍骨塊立方體狀；山西奧瑞生物材料有限公司），同上法 CT 掃描后將數據導入 Mimics 10.0 軟件，重建三維模型。根據 1.2.2 中擬定的腫瘤切除范圍，于 Imageware13.2 軟件中模擬腫瘤切除，腫瘤切除后遺留骨缺損（圖 2c）；并以右肱骨為參考，利用裁剪工具將同種異體骨三維模型修剪為與遺留骨缺損處解剖結構吻合的修復體（圖 2d），并通過移動、旋轉操作修復骨缺損，同時利用畫線、曲面構建等功能建立左肱骨遠端腫瘤切除導航模板和同種異體骨修剪導航模板輪廓模型。將導航模板輪廓模型以 IGES 格式導入 UGNX7.0 軟件（EDS 公司，美國），參考擬定的腫瘤切除范圍，經過對腫瘤標記點、平面、曲面等處理，最終得到導航模板三維模型；再次將此模型保存為 STL 文件，轉入 3-D 打印工具（廣東漢邦激光科技有限公司），以光敏樹脂為原料進行 3-D 打印（圖 2e）。
1.2.4 個性化肘關節假體設計 以右肘關節為參考標準，根據 Imageware13.2 軟件中測量的雙上肢解剖參數以及腫瘤切除后遺留骨缺損的位置、三維外形、骨干直徑、骨髓腔形狀等，在模擬肱骨腫瘤切除后的骨骼三維模型上通過畫線、曲面構建方式，初步設計肘關節假體模型，并以 IGES 格式導入 UGNX7.0 軟件，通過縫合、光順等工具獲得個性化肘關節假體三維模型（圖 2f）。將該三維模型導入 Imageware13.2 軟件中，與腫瘤切除后的肘部骨骼三維模型進行匹配，模擬術中個性化肘關節置換重建。
該個性化肘關節假體由四部分組成：肱骨假體髓內固定桿、肱骨假體髓外延長桿、尺骨假體、旋轉活動軸。肱骨假體髓內固定桿參數：肱骨假體近端長度為 110 mm、直徑 8 mm，遠端直徑增大至 10 mm，髓內固定桿與髓外延長桿之間采用錐度+卡口方式連接，結合部錐度底部直徑為 8 mm，頂部直徑為 6 mm，內椎高度為 20 mm。肱骨假體髓外延長桿參數：肱骨假體遠端長度為 115.76 mm，直徑 10 mm，近端內椎底部直徑為 8 mm，頂部直徑為 6 mm，內椎高度為 20 mm，活動軸部分高度為 27 mm，直徑為 18 mm，活動軸前傾 25°。尺骨假體參數：尺骨假體長度為 110 mm，直徑在狹窄部位由 6 mm 過渡至尖端 4 mm，尺骨假體活動軸的偏心距為 35 mm。肱骨、尺骨偏心距參數：肱骨軸線偏心距為 8 mm，尺骨軸線偏心距為 21 mm，從而達到尺骨假體彎曲角度 30°，尺骨假體前傾部分長度為 36.373 1 mm[4]。肱骨假體髓內固定桿弧度與肱骨近端髓腔弧度一致，髓外延長桿長度為腫瘤切除后遺留骨缺損的長度，直徑與用于修復骨缺損的同種異體骨相匹配，組裝成骨修復體。
在 Imageware13.2 軟件中再次模擬肘關節功能重建，將骨關節解剖三維模型、腫瘤切除模板三維模型、大段同種異體骨修剪后的修復體三維模型和個性化肘關節假體三維模型導入 Imageware13.2 軟件，模擬腫瘤切除以及同種異體骨+肘關節假體組合體（圖 2g）置換手術過程，驗證手術設計方案可行性。最后在骨關節和輔助腫瘤切除模板快速成型原型實物上操演矯形手術過程，進一步驗證手術設計方案的可行性。個性化肘關節假體三維模型設計完成后，由捷邁（上海）醫療國際貿易有限公司根據相關參數制備成品假體。
1.3 手術方法
全麻后，患者取右側臥位手術。首先，按照常規方法取自體髂骨備用。然后，作左肘關節后外側弧形切口，分離皮下組織，切開筋膜層，剝離瘤體并取部分瘤體組織送冰凍切片檢查。充分剝離瘤體后，將 3-D 打印的腫瘤切除模板緊密貼于瘤體表面，克氏針固定并標記，用擺鋸沿標記處行“Z”字形截骨，完整切除骨段。取大段同種異體骨，修剪模板輔助下修剪成合適大小后，用直徑 4.5 mm 鉆頭在同種異體骨表面行網格狀規則打孔，取部分髂骨松質骨填充植骨；用骨銼進行同種異體骨擴髓，將肘關節肱骨端假體與大段同種異體骨安裝并確定匹配合適后，用骨水泥固定成一整體。將大段同種異體骨+左肘關節肱骨端假體組合體與左肱骨殘端精確配裝，骨水泥固定，骨端連接處植入同種異體骨板、自體髂骨骨板，鋼絲捆扎固定。暴露左尺骨鷹嘴，開口擴髓尺骨近端后，安裝肘關節尺骨端假體，骨水泥固定。待骨水泥固化后，將肱骨端假體與尺骨端假體匹配，螺栓固定。檢查假體固定牢靠、關節屈伸功能良好后，在同種異體骨骨間隙植入自體髂骨。最后放置引流管，逐層關閉切口。見圖 3。
圖3
術中操作步驟 a. 剝離瘤體后安裝腫瘤切除模板；b. 完整切除瘤體；c. 大段同種異體骨安裝修剪模板；d. 大段同種異體骨修剪后；e. 大段同種異體骨鉆孔；f. 大段同種異體骨+左肘關節肱骨端假體、尺骨端假體組合體；g. 肘關節重建后
Figure3.
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
2 結果
本例患者手術順利完成，術中腫瘤切除時間 46 min，安裝個性化肘關節假體與同種異體骨時間 95 min；術中無需透視。病理檢查提示為近端上皮樣肉瘤。術后 3 d 患者左上肢麻木、腫脹明顯緩解，左前臂可自主旋轉，手指、肘關節可自主屈伸。切口Ⅰ期愈合，無切口感染、排斥反應等并發癥。術后 1 周行 X 線片及 CT 檢查示肘關節假體位置良好，尺骨假體前傾角為 30°，肘關節提攜角為 15°，與術前模擬肘關節置換術效果一致。術后行 3 個療程甲氨蝶呤+阿霉素化療。術后 1 個月手指屈伸活動正常，肘關節屈伸達 0～130°，前臂旋前 80°、旋后 80°。術后 7 個月肘關節活動滿足日常生活需要，腫瘤無復發、轉移，未出現假體松動和感染。見圖 4。
圖4
術后隨訪觀察 a. 術后 1 周正側位 X 線片；b. 術后 1 周 CT 三維重建；c. 術后 6 個月肘關節屈伸功能；d. 術后 7 個月正側位 X 線片
Figure4.
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
3 討論
3-D 打印技術已廣泛用于臨床各個領域，從最初單純用于術前模型演變至目前設計制備植入物等方面[5]。3-D 打印模型在術前可輔助模擬手術操作，預估術中使用假體型號，提高植入物與假體的匹配度[6]。研究證實，3-D 打印技術可輔助骨腫瘤切除與重建[7-8]。基于 3-D 打印技術的發展，受骨盆腫瘤精確切除與個性化假體重建手術成功實施[9]的啟發，本研究為肱骨遠端腫瘤患者設計個性化肘關節假體。以 CT 薄層掃描數據作為原始數據，在其基礎上對肱骨遠端腫瘤切除范圍、肘關節假體參數設計、假體位置安放等進行設計，最終通過 3-D 打印技術打印出輔助腫瘤切除模板，術中引導腫瘤切除并成功實施肘關節置換術。
肘關節作為前臂的一個橫桿，是圍繞固定的線性軸旋轉的單軸關節，活動范圍為 0～150°，并存在外翻 10～15° 的提攜角。為了增加術后肘關節穩定性、減少內外翻松弛，盡量達到與患肢相近的提攜角度，我們將肘關節假體設計為 4 個部分，分別為肱骨假體髓內固定桿、肱骨假體髓外延長桿、尺骨假體、旋轉活動軸。另外，為了延長假體使用壽命，提高肘關節置換術成功率，假體設計時可適當增加可承受應力[10]。Cesar 等[11]對接受 GSBⅢ型肘關節假體置換的患者進行研究發現，肱骨側假體松動率高于尺骨側；Ogino 等[12]對 25 例首次接受人工肘關節置換的患者進行研究也發現了相同結果。分析原因為，肱骨溶骨性區域較尺骨普遍，尺骨骨皮質較厚，尺骨松質骨在扭轉過程中承受相應應力較小。所以在肘關節假體設計時，為了增大肱骨段承受的應力范圍，肱骨假體應有兩個組成部分——髓內固定桿與髓外延長桿。肱骨假體髓內部分長度設計依據 3 個原則：① 總長度為肱骨直徑的 4～5 倍；② 有效固定長度>50 mm，即與肱骨內壁密切接觸長度>50 mm；③ 老年患者、骨質疏松患者適當延長。髓內固定桿與髓外延長桿結合部采用錐形設計，假體在插入肱骨后，假體的肱骨端和肱骨髓腔完美匹配，得以承受最大應力，以實現最大穩定性、最小旋轉度，同時降低了后脫位和扭轉的風險。肱骨假體和尺骨假體連接部采用旋轉活動軸，使兩部分可鎖定在一起，保證了精確度的同時提高了手術效率，且活動軸與肱骨尺骨、假體拆分簡單，增強了翻修手術中的可互換性。
此外，術中 3-D 打印輔助腫瘤切除模板采用階梯式設計，使得肱骨遠端行階梯式截骨。該設計具有以下意義：① 有利于殘留的自體骨斷面階梯與同種異體骨階梯相互嵌合，有效防止術后重建結構的旋轉移位，如自體骨與同種異體骨界面為橫斷面接觸，容易發生旋轉移位（類似于橫行骨折）。② 術中階梯狀截骨在結構重建中起到輔助解剖定位作用，防止術后發生旋轉畸形，導致術后肱骨后傾角增加或減小。③ 自體骨與同種異體骨界面呈階梯狀接觸，可增加兩者之間的接觸面積，有利于骨生長和骨融合；自體骨與同種異體骨界面的階梯狀接觸，加上肱骨假體的髓腔內固定，使其重建結構穩定，可允許肢體早期非負重活動。
基于計算機輔助技術和 3-D 打印技術設計的個性化肘關節置換術優點：① 根據 CT 薄層掃描數據建立三維模型，生物匹配度高，誤差低至 0.1 mm[13]，術前即能初步了解肘關節解剖形態；② 通過計算機輔助設計肱骨腫瘤切除導航模板，利用 3-D 打印將導航模板制作成實物，精確切除腫瘤的同時避免了假體安裝失誤[14]；③ 術前對雙上肢的解剖參數進行力學分析，設計與肘關節解剖形態相匹配的假體，保證了肘關節穩定性和軟組織平衡[15]；④ 計算機模擬手術操作過程，評估手術風險，提高了假體與大段同種異體骨匹配精準度[16]；⑤ 肘關節假體設計遵循了個性化原則，精準匹配腫瘤切除后遺留的骨缺損，并重建肘關節功能；⑥ 同種異體骨與自體骨混合修復腫瘤切除后骨缺損，能加速骨性愈合，減少并發癥的發生[17]；⑦ 導航模板的使用不僅能精確切除腫瘤、植入同種異體骨，還減少了失血量、縮短手術時間、減少術中輻射[18]。
個性化肘關節假體優點：① 根據患者解剖參數制備導板修剪同種異體骨并設計肘關節假體，既減少了金屬假體重量，同時同種異體骨外套有利于肌肉和周圍其他軟組織附著，改善了關節功能。② 肱骨假體遠端活動軸部分依據患者肱骨遠端解剖參數個性化設計，具有 25° 前傾角，肱骨假體遠端偏心距為 8.4 mm，尺骨假體偏心距為 21.4 mm。肱骨與尺骨假體設計為不同偏心距更加符合肘關節解剖形狀。③ 肱骨假體遠端和尺骨假體近端的個性化三維形狀設計異于其他假體。
綜上述，本研究利用 3-D 打印導航模板輔助精準切除腫瘤，修剪與骨缺損匹配的大段同種異體骨，為患者定制個性化肘關節假體，成功實施肘關節置換術。但本研究臨床隨訪時間較短，僅為個案經驗，大段同種異體骨、自體髂骨植骨能否促進骨橋形成，是否有利于術后快速康復等，尚需進一步動物實驗研究。
