郭卫3D打印骨盆假体重建骨盆肿瘤切除后

来源：医院骨与软组织肿瘤治疗中心

作者：郭　卫　王毅飞　张熠丹　姬　涛

摘　要

研究背景：人工半骨盆假体重建骨缺损的主要并发症是假体的感染和松动，如何实现骨盆人工假体与宿主骨的融合、降低假体的松动率是当前努力的方向。3D打印技术的出现为骨盆假体的精准匹配及与宿主骨的融合提供了可能。回顾研究采用3D技术设计生产的骨盆假体重建骨盆肿瘤切除后骨缺损的病例，探讨骨盆肿瘤切除后，理想的骨盆环及髋关节功能重建方法。

材料和方法：年7月至年12月，共有35例骨盆肿瘤患者在我院接受了骨盆肿瘤切除、3D打印骨盆定制型假体重建手术。本组中男性20人，女性15人，平均年龄36.9岁(12-65岁)。其中原发恶性肿瘤33例，孤立性转移癌2例。原发肿瘤中骨肉瘤11例，软骨肉瘤9例，尤文肉瘤6例，骨巨细胞瘤2例，其它恶性肿瘤5例。根据Enneking骨盆外科分区方法，切除及重建部位：髂骨翼（I区）3例，骨盆I+II、I+II+III及I+II+IV区20例（20例钉棒连接骨盆重建手术包括I+II型切除5例，I+II+III型切除2例，I+II+IV型切除10例，I+II+III+IV型切除3例），骨盆II+III区12例。

结果：所有35例肿瘤均为整块切除，肿瘤边界广泛15例，边缘14例；肿瘤切除边界满意率为82.9%（29/35）。另外6例未能达到满意的外科边界，其中2例为骨肉瘤患者，术中可见肿瘤侵犯骶前静脉系统及髂内静脉，沿管腔生长并在下腔静脉内形成瘤栓，虽整块切除肿瘤，但未能获得满意边界；2例为Ewing肉瘤患者；另外、软骨肉瘤患者及骨肉瘤患者各一例，皆因肿瘤巨大累及骶骨。术后平均随访时间20.5个月（6-28个月），其中无瘤生存25例，带瘤生存5例，其余5例病例因为肿瘤转移死亡。30例存活患者MSTS93功能评分为19.1±4.7分。3例髂骨翼假体功能重建的患者功能评分为22.5±2.1分；行植骨+钉棒连接人工半骨盆重建患者，功能评分为17.7±5.5；行骨盆II+III区切除，标准型3D人工半骨盆重建的患者末次随访平均功能评分为19.8±3.2分。

结论：传统定制型假体的缺点是无法与骨缺损精确匹配、无法与关节面紧密贴合及没有实现骨长入的结构,3D打印技术则为定制型人工假体的加工带来了新的希望。临床应用结果证实，使用3D打印人工半骨盆假体重建骨盆肿瘤切除后骨缺损，安全性可靠，不会增加除手术及钛合金材料本身以外的其它并发症，短期随访功能结果良好。

骨盆肿瘤比较常见，约占原发骨肿瘤的3%～4％。软骨系统肿瘤最多，其次为骨肉瘤及骨巨细胞瘤。造血系统肿瘤和骨转移癌也较常见。骨盆肿瘤早期症状隐匿，不易发现，发现时往往体积较大、侵袭范围广。骨盆肿瘤外科手术技术要求高、难度大、术后并发症多。对于骨盆恶性肿瘤来说，半骨盆截肢术曾经是一个经典的治疗方法。近十几年来，随着新辅助化疗的开展、影像学技术的进步，特别是骨盆外科重建方法及人工假体设计方面发展迅速。采用保肢手术方法治疗骨盆肿瘤已得到广泛的推广。

近年来，单纯髋臼周围肿瘤切除后骨盆重建的方法有多种；许多研究报告骨盆肿瘤切除后应用人工假体重建能够改善术后功能，用较多的人工骨盆假体包括：马鞍状假体（Saddle)、定制型骨盆假体（Custom-made）、冰淇凌棒假体和组配式骨盆假体等。与关节融合、连枷髋等方法相比，人工半骨盆假体重建在术后肢体外形、下肢功能方面都具有一定优越性；新型组配式和定制型假体的感染、脱位和结构性失败等并发症发生率也都可以接受。但是当肿瘤同时累及髋臼和髂骨造成髋臼和髂骨同时缺损时，临床上可以应用的人工假体就十分有限。髂骨的完全切除会导致没有足够的骨质实现假体固定。人工半骨盆重建骨缺损的缺点包括假体的感染、松动和关节的脱位。如何降低骨盆假体的并发症是当前努力的方向。3D打印技术的出现为骨盆假体的精准匹配及与宿主骨的融合提供了可能。

本文回顾我院采用3D技术设计生产的骨盆定制型假体重建骨盆肿瘤切除后骨缺损的病例，探讨骨盆肿瘤切除后，理想的骨盆环及髋关节的功能重建方法。

一材料与方法

（一）一般资料

年7月至年12月，共有35例骨盆肿瘤患者在我院接受了骨盆肿瘤切除、3D打印骨盆假体重建手术。本组中男性20人，女性15人，平均年龄36.9岁(12-65岁)。其中原发恶性肿瘤32例，孤立性转移癌2例。原发肿瘤中骨肉瘤11例，软骨肉瘤9例，尤文肉瘤6例，骨巨细胞瘤2例，血管外皮瘤2例，滑膜肉瘤1例、脂肪肉瘤1例，未分化肉瘤1例。(表1)我院初治病例30例；外院术后复发4例。除常规接受骨盆核磁检查外，所有骨肉瘤和尤文肉瘤患者均建议接受术前PET-CT检查，其余病例均于术前接受胸部CT和骨扫描检查。原发病例中，IB期1例，IIA期1例，IIB期27例，3例III期者均为骨肉瘤患者，其中2例术前存在肺转移，另1例术前检查提示下腔静脉瘤栓，但并无别处转移。所有骨肉瘤、尤文肉瘤和去分化软骨肉瘤在术前均接受了新辅助化疗。

根据Enneking骨盆外科分区方法，切除及重建部位：髂骨翼（I区）3例，骨盆I+II、I+II+III及I+II+IV区20例（20例钉棒连接骨盆重建手术包括I+II型切除5例，I+II+III型切除2例，I+II+IV型切除10例，I+II+III+IV型切除3例），骨盆II+III区12例。

（二）切除及功能重建方法

1，髂骨翼（TypeIortypeI+IV）的切除及重建

对于累及髂骨翼的骨肉瘤或髂骨骨肉瘤累及骶骨翼（I+IV）的病例，患者可以在侧卧位一个体位下完成手术。患侧下肢消毒包裹、术中骨盆可以前后摆动。取髂腹股沟切口、沿髂嵴向后至髂后上棘。内侧分离腹膜后间隙、识别保护好髂血管及股神经，外侧分离臀大肌皮瓣至坐骨大孔处。由前之后分离坐骨大孔、保护坐骨神经，经坐骨大孔穿入两条线据，一条垂直锯断髂骨翼，另一条水平斜向后方锯断骶骨翼及骶髂关节。髂骨翼（肿瘤）整块切除后，于缺损处测试制作好的大、中、小三个型号的3D髂骨翼假体，选择合适的假体安装。假体的上方通过两枚松质骨螺钉分别固定于骶骨一和二椎体上。假体下方使用松质骨螺钉分别拧入耻骨及坐骨内固定。经L4，L5椎弓根各置入1枚椎弓根钉，用一根金属棒连接椎弓根钉及假体上的固定钉，进一步加强假体的固定（图1）。

2，骨盆I+II区、I+II+III区或I+II+IV区的切除及重建

（1）整块切除:需要同时切除包括髋臼在内的髂骨及部分骶骨翼。病人取侧卧位，取髂腹股沟切口显露骨盆的内外侧面。通过腹膜外间隙，游离髂内外及髂总动脉，需要时结扎髂内动脉。分离找出坐骨神经及股神经予以保护。前方显露到患侧骶神经孔及骶骨翼，后方切口向下延至髂后上棘下缘，显露髂后上棘及骶髂关节，于臀大肌下游离至坐骨大孔及部分坐骨。上方截骨线在骶骨的骶神经孔外侧，下方的截骨位置在耻骨及坐骨。如肿瘤巨大，术前可行肿瘤供血动脉栓塞，术中可能需要行腹主动脉内植入球囊、临时阻断腹主动脉1～2小时。

（2）重建：当整个髂骨翼、髋臼及骶髂关节被切除后，重建髋关节功能是非常困难的。由于没有髂骨翼、甚至骶骨翼的存留，安装假体是非常不易的。我们设计了一种假体重建方法。

在整个半侧骨盆及骶骨翼被切除的情况下，则无法使用普通人工半骨盆进行功能重建。我们设计使用了一种钉棒连接及固定的半骨盆假体进行重建。首先将切下的股骨头颈修成立方体，用1枚螺钉固定于骶骨体上。将3D打印的半骨盆假体的底座通过两枚长的松质骨螺钉穿过植骨块固定于骶1椎体上，然后，经L4，L5椎弓根各置入1枚椎弓根钉，分别用2根金属棒连接椎弓根钉及假体上的固定钉，进一步加强假体的固定。通过假体上的两个齿轮结构调节髋臼外展角及前倾角（图2）。安装髋臼及人工股骨头，重建髋关节功能。

3，骨盆II+III区的切除及功能重建

（1）整块切除：病人取侧卧位，取髂腹股沟切口显露骨盆的内外侧面。通过腹膜外间隙，游离髂内外及髂总动脉，需要时结扎髂内动脉。分离找出坐骨神经及股神经予以保护。沿髂嵴向外剥离部分臀大肌，显露故大孔。切口向下向大腿内下延伸，于耻、坐骨及闭孔外侧剥离内收肌群。于坐骨结节处切断大腿后侧肌群的附丽，注意保护坐骨神经。切断耻骨联合间的软骨，自坐骨大孔处导入线据，垂直或向上斜型锯断髂骨。切断部分盆底肌，II+III区骨盆就可以完整切除了。

（2）重建：使用特殊设计的3D打印组配式人工半骨盆进行功能重建（图3）。

（三）统计方法

应用SPSS20.0软件进行Kaplan-Meire生存分析，并比较两种不同肿瘤累及范围（肿瘤位于髋臼和I、IV区行植骨+钉棒连接半骨盆重建，及肿瘤位于II+III区行普通半骨盆重建）的患者生存率。p＜0.05认为有统计学差异。

二结果

（一）肿瘤学结果

单纯行I区切除者术中出血量较少，平均ml；行髋臼周围肿瘤切除重建的病例术中出血量较多，平均ml。21例术中采用了临时腹主动脉球囊阻断法控制出血，主要用于骨盆I+II+IV及I+II+III区切除的患者。平均术中球囊阻断时间分钟（60-分钟）。没有病例因发手术期并发症死亡。所有35例肿瘤均为整块切除，肿瘤边界广泛15例，边缘14例；肿瘤切除边界满意率为82.9%（29/35）。另外6例未能达到满意的外科边界，其中2例为骨肉瘤患者，术中可见肿瘤侵犯骶前静脉系统及髂内静脉，沿管腔生长并在下腔静脉内形成瘤栓，虽整块切除肿瘤，但未能获得满意边界；2例为Ewing肉瘤患者；另外、软骨肉瘤患者及骨肉瘤患者各一例，皆因肿瘤巨大累及骶骨。

术后平均随访时间20.5个月（6-28个月），其中无瘤生存25例，带瘤生存5例，其余5例病例因为肿瘤转移死亡，平均死亡时间术后9个月（6-12个月）。肿瘤累及II+III区、进行普通型半骨盆假体的总体生存率较高（p＜0.05）。（图5，6）

（二）术后功能

30例存活患者MSTS93功能评分为19.1±4.7分。3例髂骨翼假体功能重建的患者功能评分为22.5±2.1分；行植骨+钉棒连接人工半骨盆重建患者，一般于术后6周开始扶拐行走，半年后可去拐行走，功能评分为17.7±5.5；行骨盆II+III区切除，标准型3D人工半骨盆重建的患者末次随访平均功能评分为19.8±3.2分。

（三）并发症

术后并发症包括：伤口延迟愈合7例，须二次手术清创、引流及缝合伤口。关节脱位2例，随访期间内没有发现深部感染病例。术后每3个月复查X线片，观察假体与骨之间的界面变化，未见界面处有骨吸收及骨溶解现象，未发现假体松动、断裂和移位现象。共有18例采用自体股骨头回植重建骶髂关节缺损，股骨头植骨均与骶骨体骨性愈合。

三讨论

（一）骨盆肿瘤切除后骨缺损重建方法

1，髂骨翼切除

髂骨或者骶骨，包括骶髂关节的肿瘤切除术后，如果骨盆环连续性中断，则必须重建骨盆环的完整性。如果没有骨盆环的完整性，病人将不能承担体重，并且行走的时候会产生疼痛。骶髂关节应当能够承担步态周期所造成的压力负荷，以及骨盆旋转造成的张力负荷。髂骨I区切除后如果不进行重建，日后患者负重行走后，髋臼会出现内倾、上移。骨盆倾斜后会导致脊柱侧弯。

在肿瘤累及I区或I、IV区的部分病例中，可应用椎弓根钉棒系统重建髂骨肿瘤切除后的缺损。将两枚椎弓根镙钉分别固定于腰骶椎的椎弓根上，另外两枚固定于髋臼顶部。然后，应用两根钛棒连接固定相对的椎弓根钉，维持骨盆环的完整性。这可以满足将力学负荷由躯干传导至下肢的需求。也可根据缺损的大小选择两段或三段腓骨，对角地植于L4、L5和髂骨之间，或者植于骶骨和髂骨之间。在插入椎体松质骨之前，在每一段腓骨的两端开一个5mm深的交叉的裂口，这样可以增加皮质骨的表面积，以利于再血管化。移植的腓骨逐渐与骶骨和髂骨融合。此外，也可在对侧髂骨取骨或取切下髂骨翼上的残存骨，应用钢丝或螺钉固定于骨缺损区。游离自体腓骨连接骶骨及髋臼上方残存的髂骨，骨愈合后可达到生物重建的效果。这种方法也存在许多缺点，包括固定不牢靠、不能早期下地、植骨端不愈合等。对于髂骨肿瘤切除后的骨缺损，术中游离移植自体腓骨后，同时行钉棒系统内固定，术后不需要额外的支持就可以获得满意的步态。

对于老年患者可不需腓骨植骨，应用钉棒系统连接固定腰骶椎及髋臼上方残留髂骨，在内固定物外面用骨水泥包裹，使之成为一个整体，维持骨盆环的完整。这可以满足将力学负荷由躯干传导至下肢的需求。应用钉棒系统重建髂骨肿瘤切除后缺损的优点在于，固定确实、坚强，术后可早期承重，术后一周即可下地进行功能锻炼。钉棒系统周围的骨水泥及软组织瘢痕可以有助于维持钉棒内固定系统的长期稳定。

2，骨盆I+II区或I+II+IV区切除

骨盆I+II型切除重建术后功能一般较单纯II型切除或II+III型切除者差。Witte等报道采用Mutars?定制型假体重建骨盆II型切除缺损，MSTS功能评分平均50%。Bus等报道采用冰激凌式假体重建骨盆II型切除缺损，MSTS平均49%。采用马鞍式假体重建骨盆II区切除的术后功能据报道在50-57%左右。在Ji等报道采用可调式人工半骨盆假体，II型切除重建后MSTS平均58.8%，I+II型切除平均44.5%。本组患者包括骨盆I+II、I+II+III及I+II+IV区20例（20例钉棒连接骨盆重建手术包括I+II型切除5例，I+II+III型切除2例，I+II+IV型切除10例，I+II+III+IV型切除3例），术后MSTS评分平均17.7±5.5；与文献比较，优于以往定制型、冰激凌式、马鞍式和组配式假体。冰激凌式假体和马鞍式假体由于需要通过髂骨固定，理论上不能用于骨盆I+II区切除后的功能重建。我中心之前设计的“第一代椎弓根钉棒连接半骨盆假体”在一定程度上解决了同时累及髋臼和骶髂关节肿瘤切除后的连续性重建问题，保留了髋关节活动度，能够实现负重和行走；但该假体由于未能实现机械结构的坚强固定和骶髂关节的稳定重建，患者的远期功能可能受到一定影响。为此，我中心对该假体进行了改进设计，假体除自带钉孔实现与骶骨的机械固定外，我们还采用EBM3D打印技术将钛合金喷涂于假体与骶骨的接触面形成多孔颗粒结构，为骨长入创造了有利条件，本组末次随访没有发现骨不连和骨吸收发生。当然，远期能否实现假体与自体骨的愈合还有待于进一步长期观察。

有证据表明，在正常步行周期中，骨盆假体可能承受5.5倍于体重的应力。结构性失败和松动发生率最高的是采用冰激凌假体方法重建，Bus等报道高达63.2%。其他定制型假体和组配式假体的结构性失败发生率均在20%上下。本假体在设计上弥补了上一代钉棒半骨盆假体与骶骨及骶髂关节固定不牢的缺点，通过尽可能不增加假体体积和表面积的设计实现了假体与骶骨的机械固定，同时还保留了假体能够通过椎弓根钉棒系统与腰椎连接的特点，增大了系统的纵向载荷和机械强度。为避免骶髂部远期松动的发生，新型假体还采用3D打印钛合金多孔喷涂技术处理假体与骶骨接触的界面，促进松质骨长入，增大了假体与骶髂关节骨性愈合的可能性。本组研究中，末次随访未发现假体周围骨吸收、假体松动断裂和移位发生，新型半骨盆假体显示出较好的机械强度和力学。

3，骨盆II+III区切除

（1）马鞍式假体

最早在年由德国的Nieder设计。最初的设计是为了对全髋关节置换后髋臼较大缺损进行重建。年后该假体被逐渐应用于髋臼周围肿瘤切除后的重建。马鞍式假体重建的适应症包括髋臼周围恶性肿瘤切除后缺损，但是对于髂骨切除范围较大的病例，应谨慎选择。因为马鞍式假体需要一定厚度的髂骨来提供支撑，否则会有髂骨翼骨折的风险。马鞍式假体的常见并发症包括脱位，假体组件分离，假体切割髂骨上移，髂骨骨折，异位骨化。脱位率文献报道2%到22%，常见于术后早期。假体组件分离发生率为0-12%，主要发生在假体延长部分与股骨柄的分离。进行性假体上移的发生率文献报道最高为25%。髂骨骨折发生率为20%。异位骨化发生率文献报道高达35%。

（2）定制型人工半骨盆重建

随着影像学和计算机辅助技术的进步，定制式半骨盆的精度越来越高，术前可以完全模拟出缺损的范围并根据缺损范围制作出相应的半骨盆假体。Windhager在年报道了21例骨盆恶性肿瘤通过人工假体进行重建的病例，其中9例病例进行了实体模型的缺损模拟，并制作了精度较高的定制式人工半骨盆假体，通过随访发现，该假体重建后功能好于马鞍式假体和异体半骨盆重建。Winkemann在报道了12例定制式人工半骨盆重建的病例（图4），所有假体均通过术前CT影像学资料进行缺损模拟，并通过计算机辅助设计制作假体，全部病例进行了人工关节囊的重建。术后平均随访57个月，假体的完好率为42%，主要并发症是深部感染。Kotz等在年之前主要应用定制式人工半骨盆进行重建，但由于感染，伤口不愈合和假体松动等并发症发生率较高，术后翻修率较高等原因，在年后他们改用台柱式臼杯（pedestalcup,Schoellner-cup,Zimmer）进行重建，该假体最初是为髋关节翻修严重骨缺损设计的。

（3）组合式半骨盆假体

在年，医院最先报道了一组28例组配式半骨盆假体的随访结果，年发表的例中期随访结果显示总体功能评分为MSTS.2%，深部感染率为15%，伤口并发症发生率为18%，髋关节脱位率为9%，假体断裂为5%。对于重建的髋关节可以考虑应用人工韧带或补片进行关节囊再造，提高髋关节稳定性。人工半骨盆置换早期可达到比较可靠的稳定，后期由于螺钉松动可造成骨盆不稳定，但由于有周围疤痕组织的限制，一般不会导致脱位。虽然组配式人工半骨盆的稳定性较以往有了改善，但仍存在后松动的可能。

（4）“冰淇凌”假体重建

由于定制式假体体积较大，软组织覆盖困难，术后深部感染发生率较高，Kotz等在年改用台柱锥形髋臼重建假体，由于外形与冰淇凌筒相似，所以也被称为“冰淇凌”骨盆假体，该假体最初用于髋关节翻修后大范围骨缺损的重建。Kotz对94例患者应用了该假体重建，其中39例肿瘤切除后重建，45例为髋关节翻修后重建。在39例肿瘤病例中因并发症需要再次手术的有13例（33%），其中脱位13%，血肿/坏死10%，感染7%。最初脱位发生率较高，但应用人工材料重建关节囊后脱位率大大降低。英医院报道了类似假体的应用效果，他们是在老式McKee-Farrar假体基础上进行改进，假体安装后在周围用抗生素骨水泥加强，从年至年共27例患者接受了该假体重建，本组病例的并发症发生率为37%，脱位发生率为14.8%，深部感染发生率为11.1%。

(二)3D打印技术在骨盆缺损重建中的应用

3D打印技术在理论上可以应用于骨肿瘤的解剖结构成型、体外手术设计、切除导板制造和骨缺损替代。新型3D打印材料应该根据骨科手术要求具备以下属性：早期强度可靠、有利于骨长入和骨替代、需要时可在体内吸收。金属材料的快速成型是3D打印的重要优势。骨科金属内植物的表面涂层加工完全可以通过3D打印技术快速实现。以假体柄的制造为例，可以采用一体化打印的方法，实现诸如羟基磷灰石和金属钽等具有良好骨长入特性金属材料的表面处理，免去传统二次喷涂表面材料的复杂工序，提高涂层附着强度。若采用多孔3D打印技术，还有利于骨组织的长入和远期生物愈合。

传统定制型假体的工艺决定了它不可避免具有以下缺点：无法与骨缺损精确匹配、无法与关节面紧密贴合、难以实现骨长入、材料损耗大、制造成本高、空心结构加工难度大等，长期使用会出现松动、折断等并发症。并发症高及设计制造周期长仍然是阻碍定制型骨盆假体临床应用和个体化治疗的主要瓶颈。人工半骨盆假体重建骨缺损的主要并发症是假体的感染和松动，如何实现骨盆人工假体与宿主骨的融合、降低假体的松动率是当前努力的方向。3D打印技术的出现为骨盆假体的精准匹配及与宿主骨的融合提供了可能。3D打印技术为个体化、定制型人工假体的加工带来了技术上的进步。本研究中，3D骨盆假体的设计思想基于两个方面，一是根据以往数百例组合式骨盆假体使用中的经验，二是基于假体与骨界面之间实现骨长入的设想；设计了新型3D打印骨盆假体。新型3D骨盆假体的优点包括：1，根据以往骨盆肿瘤患者的CT数据，设计的假体固定螺钉通道准确的穿过骶髂关节、进入骶骨1-2椎体，另外固定螺钉采用长的松质骨螺钉及短的皮质骨锁定螺钉相结合，使骨盆假体达到极好的即刻稳定；2，根据以往假体骨长入接触界面相关研究，确定了假体与骨接触界面孔隙厚度，合理孔隙直径及孔隙率，使之能够实现有效的骨长入，实现假体的长期稳定性；3，假体髋臼杯及底座依然采用分离组装式，便于术中调节髋臼角度。本组35例患者的临床应用结果显示，使用3D打印人工半骨盆假体重建骨盆肿瘤切除后骨缺损，稳定性极好，安全性可靠，不会增加除手术及钛合金材料本身以外的其它并发症。短期随访功能结果良好、骨与假体界面对接严密、未出现骨溶解及骨吸收现象。

参考文献（略）

作者简介

郭卫

主任医师，北京大学二级教授，博士生导师。医院骨肿瘤诊疗中心主任，医院骨科教研室主任，骨肿瘤研究室主任。

社会任职：亚太地区骨肿瘤学会(APMSTS)前任主席，国际保肢学会(ISOLS)前任主席,中华医学会骨科学会骨肿瘤学组组长(-至今)，中华医学会肿瘤学分会骨肿瘤学组组长，中华医学会骨科学会委员，中国医师学会骨科分会骨肿瘤专业委员会主任委员，中国医师学会骨科分会常委，中国抗癌协会肉瘤专业委员会副主任委员，北京市骨科学会副主委，北京市医师学会肿瘤学分会副主委，北京市医师学会骨科学会常委，北京市医师学会外科学会常委。

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