引用本文： 黄敏强, 丁焕文, 陈志源, 滕强, 王虹. 3D打印导航模板辅助个性化非限制性肿瘤型假体重建术治疗膝关节周围恶性骨肿瘤的疗效. 中国修复重建外科杂志, 2016, 30(7): 815-821. doi: 10.7507/1002-1892.20160167 复制
膝关节是原发性恶性骨肿瘤发生率最高的部位，随着新辅助治疗技术及膝关节假体制备技术的发展，患者生存率及保肢率均显著提高，保肢手术已成为首选治疗方案[1-2]。随着肿瘤患者的年轻化及对术后关节功能和远期疗效的要求不断提高，对膝关节肿瘤切除后功能重建提出了新的挑战。针对膝关节周围恶性骨肿瘤患者，我们提出术前采用计算机辅助设计及3D打印导航模板辅助术中肿瘤切除，并采用个性化非限制性肿瘤型假体重建膝关节功能，于2007年3月开始应用于临床，获得满意疗效。现将该术式与传统膝关节肿瘤切除联合肿瘤型铰链式假体重建术进行比较，探讨其疗效及优势，以期为膝关节周围恶性骨肿瘤的治疗提供新方法。报告如下。
1 临床资料
1.1 患者选择标准
纳入标准：①膝关节周围恶性骨肿瘤患者；②术前均行胸部X线片、CT、MRI、ECT或PETCT检查，明确无肿瘤转移，根据肿瘤性质和患者个体情况选择化疗方案。排除标准：①肿瘤范围过大无法行保肢手术；②严重骨质疏松患者；③身体一般情况较差，不能耐受手术者。
2007年3月－2014年9月，共43例患者符合选择标准纳入研究。21例采用3D打印导航模板辅助个性化非限制性肿瘤型假体重建（试验组），22例采用传统肿瘤切除联合定制肿瘤型铰链式假体重建（对照组）。患者术前均签署知情同意书。本研究经广州军区广州总医院医学伦理委员会批准。
1.2 一般资料
试验组：男12例，女9例；年龄13～40岁，平均23.7岁。左膝关节11例，右膝关节10例。肿瘤部位：股骨远端10例，胫骨近端11例。病理诊断：骨肉瘤9例，骨软骨肉瘤5例，骨巨细胞瘤7例。根据Enneking骨肿瘤分期：ⅠA期3例，ⅠB期4例，ⅡA期6例，ⅡB期8例。肿瘤直径3～25 cm，平均10.3 cm。病程3～15个月，平均8.5个月。术前疼痛视觉模拟评分（VAS）为（7.28±1.54）分。
对照组：男11例，女11例；年龄12～43岁，平均22.9岁。左膝关节9例，右膝关节13例。肿瘤部位：股骨远端12例，胫骨近端10例。病理诊断：骨肉瘤12例，骨软骨肉瘤7例，骨巨细胞瘤3例。根据Enneking骨肿瘤分期：ⅠA期1例，ⅠB期2例，ⅡA期9例，ⅡB期10例。肿瘤直径4～23 cm，平均12.3 cm。病程4～18个月，平均9个月。术前VAS评分为（6.99±1.39）分。
两组患者年龄、性别、肿瘤部位、病理诊断、肿瘤分期、肿瘤直径、病程以及术前VAS评分等一般资料比较，差异均无统计学意义（P > 0.05），具有可比性。
1.3 术前处理
试验组：①膝关节肿瘤三维模型建立与测量：术前行64排螺旋CT（GE公司，美国）薄层扫描，扫描范围：骨盆至足部，层厚0.625 mm；MRI采用增强扫描肿瘤及其上下关节。将CT原始图像数据以Dicom格式导入Mimics10.01软件（Materialise公司，比利时），利用软件中阈值选取（Thresholdiing）、区域增长（Region growing）功能，初步建立双下肢骨骼模型。在此模型基础上，应用编辑蒙版工具（Edit mask）中的擦除（Erase）、局部阈值设置（Threshold）、画图（Draw）功能将骨块分割及填充，通过区域增长（Region growing）和布尔运算（Boolean operation）为每块骨骼创建独立的新蒙版，再通过光顺和平滑处理获得患者双下肢骨骼三维模型。将MRI原始图像数据以Dicom格式导入Mimics10.01软件，参照双下肢骨骼三维模型的建模方法，建立肿瘤三维模型。将双下肢骨骼及肿瘤三维模型分别保存为STL格式文件，并导入Imageware13.2软件（EDS公司，美国），进行模型匹配并测量双下肢力线及长度、股骨颈前倾角、股骨颈扭转角、股骨颈干角、股骨角、股骨胫骨解剖轴和力线轴成角、胫骨扭转角、股骨远端外翻角、胫骨近端内翻角、患肢骨髓腔直径等相关解剖参数。另外，将拟用于肿瘤切除后大段骨缺损修复的同种异体骨（山西奥瑞生物材料有限公司）行CT扫描，将原始图像数据同法导入Mimics10.01软件，建立同种异体骨三维模型。
②肿瘤外科切除边界设计：于Imageware13.2软件中，将双下肢骨骼模型与肿瘤模型精确匹配，得到肿瘤骨骼三维结合整体模型。在此整体模型上观察肿瘤形态及分布，确定骨肿瘤范围；根据Enneking骨肿瘤分期，设计骨肿瘤切除外科边界[3-4]。根据双下肢解剖参数测量结果，选择适当的截骨位置、截骨角度，并进行标记。
③模拟手术切除肿瘤及功能重建：于Imageware13.2软件整体模型上，根据设计结果运用裁剪、移动工具模拟肿瘤切除；并以健侧为参照，利用裁剪工具将同种异体骨三维模型修剪为与患肢骨缺损部位完全匹配的修复体，通过移动、旋转修复骨缺损处。要求模拟手术后符合以下标准：肿瘤彻底切除，切除范围超过病灶边界3～5 cm；骨缺损大段修复骨必须完全匹配；双下肢力线及长度一致。此外，根据肿瘤切除范围，在肿瘤及骨骼整体模型和同种异体骨三维模型上分别应用“画线”、“曲面构建”功能，初步建立肿瘤切除导航模板和同种异体骨修剪导航模板轮廓模型。
④肿瘤切除模板及骨修复体裁剪导航模板设计与制作：将Imageware13.2软件中初步建立的导航模板轮廓模型分别以IGES格式保存，并导入UGNX7.0软件（EDS公司，美国）中，应用“缝合”功能将各个曲面、平面缝合成实体，根据手术方案，在预定标记显露的骨组织范围及肿瘤切除范围设定标记点，并在标记点设计直径3.0 mm圆柱形导向固定孔，经光顺、平滑处理得到最终导航模板三维模型，保存为STL文件，转入3D打印工具，以光敏树脂为原料打印制作导航模板实体。
⑤非限制性肿瘤型全膝关节假体的个性化三维设计与制作：采用人工关节+同种异体骨（allograft-prosthetic composite，APC）[3]修复肿瘤切除后大段骨缺损和重建膝关节功能。根据Imageware13.2软件中测量的股骨、胫骨髓腔直径、股骨解剖轴、胫骨解剖轴、胫股角、髋膝踝角、膝关节内外翻角度等解剖参数，在模拟肿瘤切除后的骨骼三维模型上通过“画线”、“曲面构建”的方式初步建立个性化非限制性全膝关节假体模型。将其以IGES格式保存，导入UGNX7.0软件，应用“缝合”、光顺等处理得到最终假体三维模型。将最终假体三维模型导入Imageware13.2软件中，与肿瘤切除后的骨骼三维模型进行匹配，实现个性化假体模拟植入。个性化非限制性肿瘤型全膝关节假体参数：髓内固定杆长度> 12 cm，有效固定长度> 5 cm，髓内固定杆弧度与股骨近端髓腔弧度一致，髓外固定杆长度等于骨缺损长度，直径与用于修复骨缺损的大段同种异体骨相匹配，股骨假体外旋与外翻角度根据患者本身或健侧股骨假体的参数个性化设计，髓内杆与髓外杆之间采用锥度+卡口方式连接。将全膝关节假体三维模型重新导入Imageware13.2软件模拟膝关节功能重建，并修正完善假体参数。由上海思爱公司根据假体参数制作成品假体。
对照组：通过CT、MRI扫描，获得二维图像数据，明确肿瘤侵犯范围，确定肿瘤型铰链式假体（北京力达康科技有限公司）型号。
1.4 手术方法
两组手术均由同一组医师完成。患者均于持续硬膜外麻醉下手术，根据肿瘤部位选择适当切口；术前30 min均常规使用广谱抗生素。
试验组：术中将肿瘤切除导航模板紧密贴服于骨面，克氏针固定。用摆锯沿肿瘤切除导航模板边界将肿瘤完整切除。用脉冲反复冲洗创面和骨髓腔，蒸馏水浸泡创面30 min。在同种异体骨修剪导航模板引导下修剪同种异体骨，用骨水泥将其与膝关节假体结合，形成同种异体骨假体复合体，并将2条同种异体肌腱（山西奥瑞生物材料有限公司）的一端用锚钉分别固定在内、外侧副韧带的附着点上备用。对于股骨端肿瘤，先安装胫骨平台假体，然后残端扩髓填充骨水泥，并装配髓内固定杆和同种异体骨假体复合体，维持正常力线至骨水泥固化，在同种异体骨与残端连接处周围植入自体髂骨，钢丝捆绑固定，促进连接口形成骨桥愈合。膝关节屈曲30°，保持足够张力下将同种异体肌腱另一端用锚钉固定在胫骨侧韧带附着点上，重建内、外侧副韧带。对于胫骨近端肿瘤，先安装股骨表面假体，然后胫骨端安装带同种异体肌腱的同种异体骨假体复合体，维持力线至骨水泥固定，以相同方法将同种异体肌腱固定在股骨髁韧带的附着点上重建内外侧副韧带。然后，将髌韧带止点用钢丝缝合固定于同种异体骨孔中重建伸膝装置。
对照组：根据Enneking外科手术肿瘤切除边界原则，对肿瘤行广泛切除或根治术，用钢尺测量肿瘤边缘外5 cm为截骨位置，术前MRI显示信号改变区外2～5 cm为软组织切除范围。肿瘤切除后行残端扩髓，脉冲反复冲洗创面和骨髓腔，蒸馏水浸泡创面30 min，按照试验组的安装顺序安装肿瘤型铰链式假体，并以骨水泥固定。所有患者均未行髌骨置换。对于胫骨近端肿瘤，将髌韧带止点缝合固定于假体上，重建伸膝装置。当肿瘤侵犯范围较大、软组织缺损较多时（本组3例），行腓肠肌内侧头肌皮瓣移位覆盖假体。
1.5 术后处理
两组术后处理方法一致。术后患者佩戴膝关节支具3～6个月，以保护侧副韧带。股骨远端肿瘤患者术后1 d开始股四头肌收缩锻炼及屈膝锻炼（从屈曲30°开始，每周增加10°），2周后扶双拐部分负重行走，6周后完全负重。胫骨近端肿瘤患者术后维持0°伸直位固定4周，固定期间可进行下肢肌肉等长功能锻炼及踝关节屈伸锻炼；4周后开始屈膝锻炼，每周增加10°，并开始扶双拐部分负重行走；6周开始逐步增加负重量。术后鼓励患者主动锻炼，不采用被动器械的功能锻练，具体负重时间根据切口和骨愈合情况确定。
1.6 疗效评价指标
记录两组术中切除瘤段长度及出血量。观察术后并发症及肿瘤复发情况。采用骨与软组织肿瘤协会（MSTS）保肢功能评分系统[4]评价膝关节功能，包括疼痛、肢体功能、满意度、支具辅助、行走和步态6项，每项满分为5分，共30分。其中24～30分为优，18～23分为良，12～17分为中，< 12分为差。术后通过侧压试验、抽屉试验检查膝关节稳定性。
1.7 统计学方法
采用SPSS19.0统计软件进行分析。计量资料以均数±标准差表示，组间比较采用独立样本t检验；计数资料以率表示，组间比较采用χ2检验；检验水准α=0.05。
2 结果
两组患者均顺利完成手术。术后病理检查示切除边界均为阴性。两组患者均获随访，随访时间12～77个月，平均36.7个月。试验组术中切除瘤段长度及出血量分别为（15.87±4.48）cm、（663.64±310.36）mL，与对照组（14.56±3.97）cm、（756.54±467.59）mL比较，差异均无统计学意义（t=1.01，P=0.32；t=—0.76，P=0.45）。患者膝关节稳定性良好。
试验组：术后X线片复查示手术切除范围和重建效果与术前计算机模拟切除重建一致。2例（9.52%）发生并发症，其中免疫排斥反应1例（胫骨近端骨巨细胞瘤），经抗免疫治疗，切口换药后痊愈；感染1例（股骨远端骨肉瘤），行清创缝合、置管冲洗、抗炎等治疗后痊愈。其余患者切口均Ⅰ期愈合，未发现假体松动、脱位、断裂，假体周围骨折、神经损伤等并发症。术后1年2例（9.52%）骨肉瘤复发肺转移；末次随访时其中1例患者死亡，1例L3椎体转移，带瘤生存。
对照组：术后6例（27.27%）发生并发症，其中假体周围骨折2例（均为股骨远端骨肉瘤），行骨折复位内固定+假体翻修术；感染2例（胫骨近端骨肉瘤1例、胫骨近端骨巨细胞瘤1例），予以清创缝合、肌皮瓣移位修复以及抗感染等治疗后，1例痊愈，1例因感染控制不理想，行大腿截肢术；切口不愈合1例（股骨远端骨肉瘤），行肌皮瓣移位修复后痊愈；腓总神经损伤1例（胫骨近端骨巨细胞瘤），予以营养神经、理疗等对症治疗，术后6个月后恢复。其余患者切口均Ⅰ期愈合，均未发现假体松动、脱位、断裂，假体周围骨折、神经损伤等并发症。术后1年4例（18.18%）骨肉瘤复发肺转移；末次随访时3例死亡，1例带瘤生存。两组术后并发症发生率及术后1年复发率比较，差异均无统计学意义（χ2=2.24，P=0.14；χ2=0.67，P=0.41）。
末次随访时MSTS功能评分，试验组股骨远端肿瘤者为（28.91±2.23）分，获优9例、良1例；胫骨近端肿瘤者为（27.68±3.48）分，获优9例、良2例。对照组排除1例截肢患者，21例纳入统计；其中股骨远端肿瘤者为（23.68±4.37）分，获优8例、良2例、中2例；胫骨近端肿瘤者为（22.24±5.29）分，获优6例、良2例、中1例。试验组股骨远端及胫骨近端肿瘤患者评分均优于对照组，比较差异有统计学意义（t=4.89，P=0.00；t=3.94，P=0.00）。试验组膝关节主动屈伸活动度为（115.45±12.25）°，对照组为（101.49±11.96）°，比较差异有统计学意义（t=3.78，P=0.00）。见图 1、2。
图1
试验组患者，男，21岁，左股骨远端骨肉瘤
ⓐ术前X线片ⓑ术前MRI ⓒ术前于Mimics10.01软件中获得膝关节肿瘤三维模型及同种异体骨三维模型ⓓ术前于Imageware13.2软件中设计肿瘤切除范围ⓔ、ⓕ术前于UGNX7.0软件中设计个性化非限制性肿瘤型全膝关节假体ⓖ、ⓗ术前于Imageware13.2软件中模拟肿瘤切除及关节重建术ⓘ术后1周X线片ⓙ术后1年X线片ⓚ术后1年膝关节屈伸功能
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
图2
试验组患者，男，39岁，右胫骨近端骨巨细胞瘤
ⓐ术前X线片ⓑ术前MRI ⓒ术前于Mimics10.01软件中获得膝关节肿瘤三维模型及同种异体骨三维模型ⓓ术前于Imageware13.2软件中设计肿瘤切除范围ⓔ、ⓕ术前于UGNX7.0软件中设计个性化非限制性肿瘤型全膝关节假体ⓖ、ⓗ术前于Imageware13.2软件中模拟肿瘤切除及关节重建术ⓘ术后1周X线片ⓙ术后1年X线片ⓚ术后1年膝关节屈伸功能
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 讨论
膝关节周围恶性骨肿瘤是指股骨远端、胫骨近端及其周围组织的恶性肿瘤，其原发灶发病率较其他部位高[5]。目前国内外常采用肿瘤广泛切除+旋转铰链式假体重建术治疗，但此方法存在假体设计缺陷、并发症较多、功能不理想等问题[6-7]。本研究试验组术后MSTS评分及膝关节主动屈伸活动度明显优于对照组，分析主要有以下两方面原因：一方面，采用大段同种异体骨移植修复骨缺损造成的假体力学支撑缺损，同时采用非限制性假体设计，尽可能达到标准膝关节表面置换的生物结构相似性，大大提高了术后膝关节的活动范围。另一方面，肿瘤切除会造成软组织缺失和失衡，导致关节不稳和脱位的发生。为此，术前采用计算机辅助三维测量和设计，3D打印导航模板辅助肿瘤精确切除，在保证肿瘤安全切除范围的同时，尽可能保存正常软组织，避免了常规手术中破坏性切除。同时，患者均采用同种异体肌腱进行膝关节内、外侧副韧带重建，并要求患者术后佩戴支具保护3～6个月，给予韧带保护，促进软组织平衡的恢复，从而大大提高了关节稳定性，避免脱位发生[8]。
由于肿瘤的特殊性，除了肿瘤复发外，并发症的发生往往是导致手术失败的主要原因[9]。保肢手术的主要并发症包括感染、假体无菌性松动、假体断裂、假体周围骨折、聚乙烯衬垫磨损、脱位等[10]。其中，假体周围感染和无菌性松动是导致假体失败和翻修的最常见原因[11-12]。据报道，假体周围感染率为10.6%～20%[13-14]。本研究中，两组假体感染、假体周围骨折及其他并发症主要发生在术后12个月内。对照组感染率为9.09%（2/22），假体周围骨折率为9.09%（2/22），与文献报道相似[15-16]。试验组并发症发生率为9.52%，低于对照组（27.27%），分析原因主要在假体设计和手术方式的差异方面：①试验组术前采用计算机辅助三维测量和设计，提高了假体与宿主的匹配精度[17]；②利用3D打印导航模板辅助手术，提高肿瘤切除精度的同时，避免了假体安装的失误[18]；③运用大段同种异体骨及同种异体肌腱重建骨结构及软组织平衡，提高了假体的力学强度和稳定性[19]。但大段同种异体骨植入后排斥反应及骨吸收的问题，需要进一步研究。
非限制性个性化肿瘤型假体的禁忌证：①瘤段切除过大，软组织切除过多，膝关节软组织平衡重建困难；②体质量较大，发生假体下沉、脱位的风险较高；③无法行保肢手术者。
综上述，非限制性个性化肿瘤型假体结合大段同种异体骨移植治疗膝关节周围恶性肿瘤疗效满意。该方法能明显改善患者关节活动功能，提高生活质量，减少假体松动、断裂的发生，延长假体寿命。本研究也存在病例数较少，随访时间较短的不足，此外同种异体骨、自体骨连接口植骨是否能促进骨桥的形成提高愈合率，仍缺乏动物实验支持；对于同种异体肌腱重建侧副韧带，虽大量临床应用已证实其有效性[20]，但应用于膝关节周围肿瘤切除后软组织平衡重建的报道较少，缺少相关生物力学研究支持。以上问题均需要进一步研究探讨。
膝关节是原发性恶性骨肿瘤发生率最高的部位，随着新辅助治疗技术及膝关节假体制备技术的发展，患者生存率及保肢率均显著提高，保肢手术已成为首选治疗方案[1-2]。随着肿瘤患者的年轻化及对术后关节功能和远期疗效的要求不断提高，对膝关节肿瘤切除后功能重建提出了新的挑战。针对膝关节周围恶性骨肿瘤患者，我们提出术前采用计算机辅助设计及3D打印导航模板辅助术中肿瘤切除，并采用个性化非限制性肿瘤型假体重建膝关节功能，于2007年3月开始应用于临床，获得满意疗效。现将该术式与传统膝关节肿瘤切除联合肿瘤型铰链式假体重建术进行比较，探讨其疗效及优势，以期为膝关节周围恶性骨肿瘤的治疗提供新方法。报告如下。
1 临床资料
1.1 患者选择标准
纳入标准：①膝关节周围恶性骨肿瘤患者；②术前均行胸部X线片、CT、MRI、ECT或PETCT检查，明确无肿瘤转移，根据肿瘤性质和患者个体情况选择化疗方案。排除标准：①肿瘤范围过大无法行保肢手术；②严重骨质疏松患者；③身体一般情况较差，不能耐受手术者。
2007年3月－2014年9月，共43例患者符合选择标准纳入研究。21例采用3D打印导航模板辅助个性化非限制性肿瘤型假体重建（试验组），22例采用传统肿瘤切除联合定制肿瘤型铰链式假体重建（对照组）。患者术前均签署知情同意书。本研究经广州军区广州总医院医学伦理委员会批准。
1.2 一般资料
试验组：男12例，女9例；年龄13～40岁，平均23.7岁。左膝关节11例，右膝关节10例。肿瘤部位：股骨远端10例，胫骨近端11例。病理诊断：骨肉瘤9例，骨软骨肉瘤5例，骨巨细胞瘤7例。根据Enneking骨肿瘤分期：ⅠA期3例，ⅠB期4例，ⅡA期6例，ⅡB期8例。肿瘤直径3～25 cm，平均10.3 cm。病程3～15个月，平均8.5个月。术前疼痛视觉模拟评分（VAS）为（7.28±1.54）分。
对照组：男11例，女11例；年龄12～43岁，平均22.9岁。左膝关节9例，右膝关节13例。肿瘤部位：股骨远端12例，胫骨近端10例。病理诊断：骨肉瘤12例，骨软骨肉瘤7例，骨巨细胞瘤3例。根据Enneking骨肿瘤分期：ⅠA期1例，ⅠB期2例，ⅡA期9例，ⅡB期10例。肿瘤直径4～23 cm，平均12.3 cm。病程4～18个月，平均9个月。术前VAS评分为（6.99±1.39）分。
两组患者年龄、性别、肿瘤部位、病理诊断、肿瘤分期、肿瘤直径、病程以及术前VAS评分等一般资料比较，差异均无统计学意义（P > 0.05），具有可比性。
1.3 术前处理
试验组：①膝关节肿瘤三维模型建立与测量：术前行64排螺旋CT（GE公司，美国）薄层扫描，扫描范围：骨盆至足部，层厚0.625 mm；MRI采用增强扫描肿瘤及其上下关节。将CT原始图像数据以Dicom格式导入Mimics10.01软件（Materialise公司，比利时），利用软件中阈值选取（Thresholdiing）、区域增长（Region growing）功能，初步建立双下肢骨骼模型。在此模型基础上，应用编辑蒙版工具（Edit mask）中的擦除（Erase）、局部阈值设置（Threshold）、画图（Draw）功能将骨块分割及填充，通过区域增长（Region growing）和布尔运算（Boolean operation）为每块骨骼创建独立的新蒙版，再通过光顺和平滑处理获得患者双下肢骨骼三维模型。将MRI原始图像数据以Dicom格式导入Mimics10.01软件，参照双下肢骨骼三维模型的建模方法，建立肿瘤三维模型。将双下肢骨骼及肿瘤三维模型分别保存为STL格式文件，并导入Imageware13.2软件（EDS公司，美国），进行模型匹配并测量双下肢力线及长度、股骨颈前倾角、股骨颈扭转角、股骨颈干角、股骨角、股骨胫骨解剖轴和力线轴成角、胫骨扭转角、股骨远端外翻角、胫骨近端内翻角、患肢骨髓腔直径等相关解剖参数。另外，将拟用于肿瘤切除后大段骨缺损修复的同种异体骨（山西奥瑞生物材料有限公司）行CT扫描，将原始图像数据同法导入Mimics10.01软件，建立同种异体骨三维模型。
②肿瘤外科切除边界设计：于Imageware13.2软件中，将双下肢骨骼模型与肿瘤模型精确匹配，得到肿瘤骨骼三维结合整体模型。在此整体模型上观察肿瘤形态及分布，确定骨肿瘤范围；根据Enneking骨肿瘤分期，设计骨肿瘤切除外科边界[3-4]。根据双下肢解剖参数测量结果，选择适当的截骨位置、截骨角度，并进行标记。
③模拟手术切除肿瘤及功能重建：于Imageware13.2软件整体模型上，根据设计结果运用裁剪、移动工具模拟肿瘤切除；并以健侧为参照，利用裁剪工具将同种异体骨三维模型修剪为与患肢骨缺损部位完全匹配的修复体，通过移动、旋转修复骨缺损处。要求模拟手术后符合以下标准：肿瘤彻底切除，切除范围超过病灶边界3～5 cm；骨缺损大段修复骨必须完全匹配；双下肢力线及长度一致。此外，根据肿瘤切除范围，在肿瘤及骨骼整体模型和同种异体骨三维模型上分别应用“画线”、“曲面构建”功能，初步建立肿瘤切除导航模板和同种异体骨修剪导航模板轮廓模型。
④肿瘤切除模板及骨修复体裁剪导航模板设计与制作：将Imageware13.2软件中初步建立的导航模板轮廓模型分别以IGES格式保存，并导入UGNX7.0软件（EDS公司，美国）中，应用“缝合”功能将各个曲面、平面缝合成实体，根据手术方案，在预定标记显露的骨组织范围及肿瘤切除范围设定标记点，并在标记点设计直径3.0 mm圆柱形导向固定孔，经光顺、平滑处理得到最终导航模板三维模型，保存为STL文件，转入3D打印工具，以光敏树脂为原料打印制作导航模板实体。
⑤非限制性肿瘤型全膝关节假体的个性化三维设计与制作：采用人工关节+同种异体骨（allograft-prosthetic composite，APC）[3]修复肿瘤切除后大段骨缺损和重建膝关节功能。根据Imageware13.2软件中测量的股骨、胫骨髓腔直径、股骨解剖轴、胫骨解剖轴、胫股角、髋膝踝角、膝关节内外翻角度等解剖参数，在模拟肿瘤切除后的骨骼三维模型上通过“画线”、“曲面构建”的方式初步建立个性化非限制性全膝关节假体模型。将其以IGES格式保存，导入UGNX7.0软件，应用“缝合”、光顺等处理得到最终假体三维模型。将最终假体三维模型导入Imageware13.2软件中，与肿瘤切除后的骨骼三维模型进行匹配，实现个性化假体模拟植入。个性化非限制性肿瘤型全膝关节假体参数：髓内固定杆长度> 12 cm，有效固定长度> 5 cm，髓内固定杆弧度与股骨近端髓腔弧度一致，髓外固定杆长度等于骨缺损长度，直径与用于修复骨缺损的大段同种异体骨相匹配，股骨假体外旋与外翻角度根据患者本身或健侧股骨假体的参数个性化设计，髓内杆与髓外杆之间采用锥度+卡口方式连接。将全膝关节假体三维模型重新导入Imageware13.2软件模拟膝关节功能重建，并修正完善假体参数。由上海思爱公司根据假体参数制作成品假体。
对照组：通过CT、MRI扫描，获得二维图像数据，明确肿瘤侵犯范围，确定肿瘤型铰链式假体（北京力达康科技有限公司）型号。
1.4 手术方法
两组手术均由同一组医师完成。患者均于持续硬膜外麻醉下手术，根据肿瘤部位选择适当切口；术前30 min均常规使用广谱抗生素。
试验组：术中将肿瘤切除导航模板紧密贴服于骨面，克氏针固定。用摆锯沿肿瘤切除导航模板边界将肿瘤完整切除。用脉冲反复冲洗创面和骨髓腔，蒸馏水浸泡创面30 min。在同种异体骨修剪导航模板引导下修剪同种异体骨，用骨水泥将其与膝关节假体结合，形成同种异体骨假体复合体，并将2条同种异体肌腱（山西奥瑞生物材料有限公司）的一端用锚钉分别固定在内、外侧副韧带的附着点上备用。对于股骨端肿瘤，先安装胫骨平台假体，然后残端扩髓填充骨水泥，并装配髓内固定杆和同种异体骨假体复合体，维持正常力线至骨水泥固化，在同种异体骨与残端连接处周围植入自体髂骨，钢丝捆绑固定，促进连接口形成骨桥愈合。膝关节屈曲30°，保持足够张力下将同种异体肌腱另一端用锚钉固定在胫骨侧韧带附着点上，重建内、外侧副韧带。对于胫骨近端肿瘤，先安装股骨表面假体，然后胫骨端安装带同种异体肌腱的同种异体骨假体复合体，维持力线至骨水泥固定，以相同方法将同种异体肌腱固定在股骨髁韧带的附着点上重建内外侧副韧带。然后，将髌韧带止点用钢丝缝合固定于同种异体骨孔中重建伸膝装置。
对照组：根据Enneking外科手术肿瘤切除边界原则，对肿瘤行广泛切除或根治术，用钢尺测量肿瘤边缘外5 cm为截骨位置，术前MRI显示信号改变区外2～5 cm为软组织切除范围。肿瘤切除后行残端扩髓，脉冲反复冲洗创面和骨髓腔，蒸馏水浸泡创面30 min，按照试验组的安装顺序安装肿瘤型铰链式假体，并以骨水泥固定。所有患者均未行髌骨置换。对于胫骨近端肿瘤，将髌韧带止点缝合固定于假体上，重建伸膝装置。当肿瘤侵犯范围较大、软组织缺损较多时（本组3例），行腓肠肌内侧头肌皮瓣移位覆盖假体。
1.5 术后处理
两组术后处理方法一致。术后患者佩戴膝关节支具3～6个月，以保护侧副韧带。股骨远端肿瘤患者术后1 d开始股四头肌收缩锻炼及屈膝锻炼（从屈曲30°开始，每周增加10°），2周后扶双拐部分负重行走，6周后完全负重。胫骨近端肿瘤患者术后维持0°伸直位固定4周，固定期间可进行下肢肌肉等长功能锻炼及踝关节屈伸锻炼；4周后开始屈膝锻炼，每周增加10°，并开始扶双拐部分负重行走；6周开始逐步增加负重量。术后鼓励患者主动锻炼，不采用被动器械的功能锻练，具体负重时间根据切口和骨愈合情况确定。
1.6 疗效评价指标
记录两组术中切除瘤段长度及出血量。观察术后并发症及肿瘤复发情况。采用骨与软组织肿瘤协会（MSTS）保肢功能评分系统[4]评价膝关节功能，包括疼痛、肢体功能、满意度、支具辅助、行走和步态6项，每项满分为5分，共30分。其中24～30分为优，18～23分为良，12～17分为中，< 12分为差。术后通过侧压试验、抽屉试验检查膝关节稳定性。
1.7 统计学方法
采用SPSS19.0统计软件进行分析。计量资料以均数±标准差表示，组间比较采用独立样本t检验；计数资料以率表示，组间比较采用χ2检验；检验水准α=0.05。
2 结果
两组患者均顺利完成手术。术后病理检查示切除边界均为阴性。两组患者均获随访，随访时间12～77个月，平均36.7个月。试验组术中切除瘤段长度及出血量分别为（15.87±4.48）cm、（663.64±310.36）mL，与对照组（14.56±3.97）cm、（756.54±467.59）mL比较，差异均无统计学意义（t=1.01，P=0.32；t=—0.76，P=0.45）。患者膝关节稳定性良好。
试验组：术后X线片复查示手术切除范围和重建效果与术前计算机模拟切除重建一致。2例（9.52%）发生并发症，其中免疫排斥反应1例（胫骨近端骨巨细胞瘤），经抗免疫治疗，切口换药后痊愈；感染1例（股骨远端骨肉瘤），行清创缝合、置管冲洗、抗炎等治疗后痊愈。其余患者切口均Ⅰ期愈合，未发现假体松动、脱位、断裂，假体周围骨折、神经损伤等并发症。术后1年2例（9.52%）骨肉瘤复发肺转移；末次随访时其中1例患者死亡，1例L3椎体转移，带瘤生存。
对照组：术后6例（27.27%）发生并发症，其中假体周围骨折2例（均为股骨远端骨肉瘤），行骨折复位内固定+假体翻修术；感染2例（胫骨近端骨肉瘤1例、胫骨近端骨巨细胞瘤1例），予以清创缝合、肌皮瓣移位修复以及抗感染等治疗后，1例痊愈，1例因感染控制不理想，行大腿截肢术；切口不愈合1例（股骨远端骨肉瘤），行肌皮瓣移位修复后痊愈；腓总神经损伤1例（胫骨近端骨巨细胞瘤），予以营养神经、理疗等对症治疗，术后6个月后恢复。其余患者切口均Ⅰ期愈合，均未发现假体松动、脱位、断裂，假体周围骨折、神经损伤等并发症。术后1年4例（18.18%）骨肉瘤复发肺转移；末次随访时3例死亡，1例带瘤生存。两组术后并发症发生率及术后1年复发率比较，差异均无统计学意义（χ2=2.24，P=0.14；χ2=0.67，P=0.41）。
末次随访时MSTS功能评分，试验组股骨远端肿瘤者为（28.91±2.23）分，获优9例、良1例；胫骨近端肿瘤者为（27.68±3.48）分，获优9例、良2例。对照组排除1例截肢患者，21例纳入统计；其中股骨远端肿瘤者为（23.68±4.37）分，获优8例、良2例、中2例；胫骨近端肿瘤者为（22.24±5.29）分，获优6例、良2例、中1例。试验组股骨远端及胫骨近端肿瘤患者评分均优于对照组，比较差异有统计学意义（t=4.89，P=0.00；t=3.94，P=0.00）。试验组膝关节主动屈伸活动度为（115.45±12.25）°，对照组为（101.49±11.96）°，比较差异有统计学意义（t=3.78，P=0.00）。见图 1、2。
图1
试验组患者，男，21岁，左股骨远端骨肉瘤
ⓐ术前X线片ⓑ术前MRI ⓒ术前于Mimics10.01软件中获得膝关节肿瘤三维模型及同种异体骨三维模型ⓓ术前于Imageware13.2软件中设计肿瘤切除范围ⓔ、ⓕ术前于UGNX7.0软件中设计个性化非限制性肿瘤型全膝关节假体ⓖ、ⓗ术前于Imageware13.2软件中模拟肿瘤切除及关节重建术ⓘ术后1周X线片ⓙ术后1年X线片ⓚ术后1年膝关节屈伸功能
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
图2
试验组患者，男，39岁，右胫骨近端骨巨细胞瘤
ⓐ术前X线片ⓑ术前MRI ⓒ术前于Mimics10.01软件中获得膝关节肿瘤三维模型及同种异体骨三维模型ⓓ术前于Imageware13.2软件中设计肿瘤切除范围ⓔ、ⓕ术前于UGNX7.0软件中设计个性化非限制性肿瘤型全膝关节假体ⓖ、ⓗ术前于Imageware13.2软件中模拟肿瘤切除及关节重建术ⓘ术后1周X线片ⓙ术后1年X线片ⓚ术后1年膝关节屈伸功能
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 讨论
膝关节周围恶性骨肿瘤是指股骨远端、胫骨近端及其周围组织的恶性肿瘤，其原发灶发病率较其他部位高[5]。目前国内外常采用肿瘤广泛切除+旋转铰链式假体重建术治疗，但此方法存在假体设计缺陷、并发症较多、功能不理想等问题[6-7]。本研究试验组术后MSTS评分及膝关节主动屈伸活动度明显优于对照组，分析主要有以下两方面原因：一方面，采用大段同种异体骨移植修复骨缺损造成的假体力学支撑缺损，同时采用非限制性假体设计，尽可能达到标准膝关节表面置换的生物结构相似性，大大提高了术后膝关节的活动范围。另一方面，肿瘤切除会造成软组织缺失和失衡，导致关节不稳和脱位的发生。为此，术前采用计算机辅助三维测量和设计，3D打印导航模板辅助肿瘤精确切除，在保证肿瘤安全切除范围的同时，尽可能保存正常软组织，避免了常规手术中破坏性切除。同时，患者均采用同种异体肌腱进行膝关节内、外侧副韧带重建，并要求患者术后佩戴支具保护3～6个月，给予韧带保护，促进软组织平衡的恢复，从而大大提高了关节稳定性，避免脱位发生[8]。
由于肿瘤的特殊性，除了肿瘤复发外，并发症的发生往往是导致手术失败的主要原因[9]。保肢手术的主要并发症包括感染、假体无菌性松动、假体断裂、假体周围骨折、聚乙烯衬垫磨损、脱位等[10]。其中，假体周围感染和无菌性松动是导致假体失败和翻修的最常见原因[11-12]。据报道，假体周围感染率为10.6%～20%[13-14]。本研究中，两组假体感染、假体周围骨折及其他并发症主要发生在术后12个月内。对照组感染率为9.09%（2/22），假体周围骨折率为9.09%（2/22），与文献报道相似[15-16]。试验组并发症发生率为9.52%，低于对照组（27.27%），分析原因主要在假体设计和手术方式的差异方面：①试验组术前采用计算机辅助三维测量和设计，提高了假体与宿主的匹配精度[17]；②利用3D打印导航模板辅助手术，提高肿瘤切除精度的同时，避免了假体安装的失误[18]；③运用大段同种异体骨及同种异体肌腱重建骨结构及软组织平衡，提高了假体的力学强度和稳定性[19]。但大段同种异体骨植入后排斥反应及骨吸收的问题，需要进一步研究。
非限制性个性化肿瘤型假体的禁忌证：①瘤段切除过大，软组织切除过多，膝关节软组织平衡重建困难；②体质量较大，发生假体下沉、脱位的风险较高；③无法行保肢手术者。
综上述，非限制性个性化肿瘤型假体结合大段同种异体骨移植治疗膝关节周围恶性肿瘤疗效满意。该方法能明显改善患者关节活动功能，提高生活质量，减少假体松动、断裂的发生，延长假体寿命。本研究也存在病例数较少，随访时间较短的不足，此外同种异体骨、自体骨连接口植骨是否能促进骨桥的形成提高愈合率，仍缺乏动物实验支持；对于同种异体肌腱重建侧副韧带，虽大量临床应用已证实其有效性[20]，但应用于膝关节周围肿瘤切除后软组织平衡重建的报道较少，缺少相关生物力学研究支持。以上问题均需要进一步研究探讨。
