張 余，馬立敏，尹慶水，丁煥文

繼續(xù)教育

數(shù)字技術(shù)在骨腫瘤外科的應(yīng)用臨床數(shù)字骨科（三）

張 余，馬立敏，尹慶水，丁煥文

數(shù)字骨科學(xué)；骨腫瘤

隨著醫(yī)學(xué)影像技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（computer aided design，CAD）技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助制造（computer aided manufacturing，CAM）技術(shù)、快速成型（rapid prototyping，RP）技術(shù)、術(shù)中導(dǎo)航技術(shù)、機(jī)器人輔助手術(shù)技術(shù)、數(shù)字化手術(shù)室以及基于骨科生物力學(xué)的手術(shù)分析評(píng)定與研究等數(shù)字技術(shù)的快速發(fā)展，骨科疾病的臨床診治正在向標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化、個(gè)性化和數(shù)字化方向發(fā)展[1-4]。同樣，數(shù)字技術(shù)與骨科學(xué)的交叉融合，為骨腫瘤外科領(lǐng)域提供了更加有力的技術(shù)保障，在骨腫瘤侵犯范圍的正確評(píng)估、骨腫瘤切除安全界限的設(shè)計(jì)、復(fù)雜骨腫瘤切除及缺損修復(fù)的手術(shù)設(shè)計(jì)、個(gè)性化假體制造等方面得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)將目前在骨腫瘤外科領(lǐng)域運(yùn)用的主要數(shù)字技術(shù)介紹如下。

1 主要數(shù)字技術(shù)

1.1 骨腫瘤三維數(shù)字化模型的建立

術(shù)前在對(duì)患者行X線片檢查、明確病變?yōu)楣悄[瘤的同時(shí)，進(jìn)行CT、MRI掃描。將掃描獲得的病變骨骼的斷面圖像保存為DICOM格式，然后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Simpleware等三維建模軟件，運(yùn)用閾值分割、區(qū)域增長(zhǎng)等功能，分別重建出病變部位骨組織和軟組織的三維解剖模型。最后將CT重建的骨組織與MRI重建的軟組織模型在CAD軟件進(jìn)行裝配，生成骨腫瘤復(fù)合三維模型。

1.2 模擬截骨

運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)分析腫瘤區(qū)域的形狀以及腫瘤浸潤(rùn)的范圍，根據(jù)腫瘤性質(zhì)確定外科切除邊界，在骨腫瘤三維重建模型的基礎(chǔ)上模擬腫瘤切除，自腫瘤邊界0.5 cm開始，每間隔0.5 cm進(jìn)行1次模擬截骨，直至距離腫瘤邊界3～5 cm處，并觀察截骨斷面有無(wú)骨質(zhì)破壞。如截面存在骨質(zhì)破壞，則可向遠(yuǎn)端繼續(xù)模擬截骨，直至截骨面無(wú)骨質(zhì)破壞為止。

1.3 數(shù)字化模板的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

在Geomagic等逆向工程軟件中打開三維重建模型，定位三維參考平面。設(shè)計(jì)腫瘤切除輔助模板的最佳截骨范圍，提取股骨模型解剖學(xué)形態(tài)，在軟件中建立與股骨前部解剖形狀一致的反向模板，將模板與股骨擬合，觀察切除輔助模板與股骨對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)確性，然后以STL格式輸出（圖1）。1.4 RP技術(shù)

圖1 腫瘤切除輔助模板

將三維重建輸出的骨腫瘤模型和切除輔助模板的STL格式文件導(dǎo)入RP機(jī)，利用激光RP技術(shù)將病變骨骼模型和切除輔助模板同時(shí)制作出來(lái)備用（圖2）。在手術(shù)前，實(shí)體模型有助于手術(shù)醫(yī)師對(duì)患者病情有更加深入的掌握，也使患者及家屬了解病變的復(fù)雜性以及手術(shù)操作的危險(xiǎn)性，取得患者及其家屬的理解與配合，使健康教育工作更加順利地開展。手術(shù)中，顯露骨腫瘤區(qū)域后可以安裝腫瘤切除輔助模板以引導(dǎo)截骨，進(jìn)行腫瘤的精確切除；也可將實(shí)體模型消毒后在手術(shù)臺(tái)上進(jìn)行實(shí)體比對(duì)，為手術(shù)精準(zhǔn)化操作提供參考。

圖2病變骨骼及腫瘤切除輔助模板的RP實(shí)物模型

1.5 術(shù)中導(dǎo)航技術(shù)

應(yīng)用Stealthstation system等計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)骨腫瘤手術(shù)的術(shù)中導(dǎo)航。具體操作過(guò)程包括：（1）CT掃描：患者行骨腫瘤CT掃描,并將影像資料錄入DAT磁帶中。（2）影像數(shù)據(jù)處理：將CT資料錄入導(dǎo)航系統(tǒng)工作站，進(jìn)行骨腫瘤的三維重建。（3）選擇定位點(diǎn)：在重建的骨腫瘤三維影像上選擇4～10個(gè)定位點(diǎn)。（4）計(jì)劃手術(shù)入路：利用影像資料和三維模型設(shè)計(jì)最佳手術(shù)入路，以減少組織損傷。（5）設(shè)備連接注冊(cè)：患者全麻后取側(cè)俯臥位或俯臥位，常規(guī)手術(shù)暴露骨腫瘤，安置夾和帶齒支柱，固定參考環(huán)，連接有線探針。（6）定位標(biāo)記聯(lián)合注冊(cè)：用有線探針按標(biāo)記順序逐一注冊(cè)病變區(qū)骨腫瘤的定位標(biāo)記。（7）導(dǎo)航下切除腫瘤：在導(dǎo)航實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)下以最小的損傷完成腫瘤切除。

2 數(shù)字化技術(shù)在骨腫瘤外科的應(yīng)用

2.1 骨盆腫瘤

骨盆腫瘤分為骶骨腫瘤及髂骨（包括恥骨與坐骨）腫瘤。按照Enneking骨盆腫瘤分區(qū)，可以分為Ⅰ區(qū)（髂骨）、Ⅱ區(qū)（髖臼周圍）、Ⅲ區(qū)（恥骨和坐骨，閉孔周圍）和Ⅳ區(qū)（骶骨）。骨盆解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，與周圍臟器、神經(jīng)、血管關(guān)系密切，手術(shù)難度較大，腫瘤切除后骨缺損修復(fù)較困難[5-6]。

數(shù)字骨科技術(shù)的進(jìn)步使骨盆腫瘤的手術(shù)治療有了新的發(fā)展。例如，術(shù)前將CT、MRI掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維建模軟件，重建骨盆腫瘤病變部位骨關(guān)節(jié)的三維解剖模型以及腫瘤浸潤(rùn)范圍的三維模型；然后在三維重建模型上精確界定腫瘤范圍，根據(jù)腫瘤性質(zhì)確定正確的外科切除邊界。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)骨盆腫瘤病灶部位的解剖形狀設(shè)計(jì)并制作腫瘤切除輔助模板，用于術(shù)中輔助切除骨盆腫瘤；同時(shí)還可借助三維異體骨解剖模型設(shè)計(jì)和制作異體骨修剪模板，以便術(shù)中據(jù)此將異體骨修剪為與腫瘤切除后骨缺損相一致的三維外形。此外，還可通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬骨盆腫瘤切除重建過(guò)程，進(jìn)而驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性并進(jìn)一步完善手術(shù)方案；在術(shù)前也可明確假體安裝可能存在的問(wèn)題及困難，并加以改進(jìn)，使制作出來(lái)的假體精確度高，與患者對(duì)側(cè)骨盆完全匹配，且雙側(cè)髖關(guān)節(jié)對(duì)稱。總之，運(yùn)用數(shù)字骨科技術(shù)，保證了骨盆腫瘤手術(shù)操作的順利進(jìn)行，避免了術(shù)中可能出現(xiàn)的假體安裝困難，縮短手術(shù)時(shí)間，減少術(shù)中出血，有效降低術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生率，提高患者生活質(zhì)量。

2.2 四肢骨腫瘤

就四肢骨腫瘤而言，術(shù)前對(duì)于腫瘤侵犯范圍的確定多根據(jù)病理學(xué)分期、惡性程度、影像學(xué)改變并結(jié)合個(gè)人經(jīng)驗(yàn)而獲得。隨著CAD-RP技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，四肢骨腫瘤的個(gè)體化手術(shù)切除范圍設(shè)計(jì)開始逐步在臨床獲得開展。

眾所周知，四肢骨腫瘤外科邊界的確定是保證無(wú)瘤操作的基本要求。常規(guī)的安全范圍是距腫瘤邊緣5 cm，亦有學(xué)者認(rèn)為距腫瘤邊緣3 cm已可保證足夠的安全[7]。準(zhǔn)確把握截骨平面，既可避免截除過(guò)多正常的骨質(zhì)，又可避免因截骨平面不足而帶來(lái)的腫瘤播散。因此，截骨平面的確定是腫瘤手術(shù)操作的關(guān)鍵步驟。應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)建立四肢骨腫瘤三維模型，并通過(guò)模擬截骨確定手術(shù)切除范圍是一種新的探索和嘗試：借助CT及三維建模軟件重建的骨腫瘤三維模型，醫(yī)師可以清晰、直觀、詳細(xì)地了解腫瘤的大小、形狀和侵犯范圍，并可借助模擬截骨來(lái)觀察斷面有無(wú)骨質(zhì)破壞等情況，這對(duì)于術(shù)前明確手術(shù)方案、縮短手術(shù)時(shí)間以及降低術(shù)后腫瘤復(fù)發(fā)率都有積極的意義（圖3，4）。此外，我們還可以在確定截骨面的基礎(chǔ)上制作手術(shù)模板，術(shù)中直接卡在病變骨周圍，直接標(biāo)定截骨平面所在，省略了術(shù)中測(cè)量、反復(fù)比對(duì)等過(guò)程，使手術(shù)更加精準(zhǔn)。

圖3 模擬股骨截骨并標(biāo)定截骨面

圖4 股骨腫瘤的切除范圍

2.3 腫瘤型人工假體置換

圖5 骨腫瘤部位的三維重建和腫瘤范圍的測(cè)量

在骨腫瘤患者的外科治療中，腫瘤切除與切除后重建是主要的治療方式。目前常用的重建方式主要有異體半關(guān)節(jié)及腫瘤型人工假體[8-9]。而對(duì)于惡性骨腫瘤患者，尤其是骨肉瘤患者來(lái)說(shuō)，他們大多為青少年，年齡以10～20歲居多，普通的假體難以滿足日常生活的需要，因此，定制化腫瘤假體的開發(fā)和研制逐漸成為研究者關(guān)注的熱點(diǎn)[10-11]。廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院丁煥文等[12]采用CAD技術(shù)對(duì)患者骨腫瘤部位進(jìn)行三維重建、腫瘤范圍測(cè)量（圖5）及計(jì)算機(jī)模擬，據(jù)此設(shè)計(jì)了個(gè)性化半關(guān)節(jié)假體。西安交通大學(xué)張虎等[13]、西京醫(yī)院王臻等[14]應(yīng)用逆向工程和快速原型技術(shù)相結(jié)合的方法研制基于數(shù)字技術(shù)的個(gè)體化半關(guān)節(jié)假體，臨床應(yīng)用結(jié)果顯示，該假體能夠與異體骨及對(duì)側(cè)關(guān)節(jié)面良好匹配，患者關(guān)節(jié)功能恢復(fù)理想。其主要制作過(guò)程是：（1）對(duì)患者進(jìn)行CT掃描、三維重建和測(cè)量分析，計(jì)算出假體的相關(guān)參數(shù)；（2）將數(shù)據(jù)輸入三維成型機(jī)，層層累加打印，根據(jù)實(shí)體體積大小成品為蠟?zāi)?；?）將蠟?zāi)Ｕ麄€(gè)包圍在陰模制作材料中，然后開1個(gè)注液孔和出氣孔；（4）利用關(guān)節(jié)的RP模型做模殼，采用具有良好生物相容性的鈦合金（Ti6Al4V）離心澆注，使液態(tài)物質(zhì)借助離心力通過(guò)注液孔進(jìn)入陰模物質(zhì)，再將蠟?zāi)Ｈ诨蓺鈶B(tài)，由出氣孔排出，最終用液態(tài)鈦合金取代蠟?zāi)Ｔ陉幠＠锢鋮s成型；（5）去除表面陰模材料，最終制得個(gè)體化人工關(guān)節(jié)假體。

3 骨腫瘤外科數(shù)字技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

數(shù)字技術(shù)在骨腫瘤外科應(yīng)用中最重要的兩個(gè)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：（1）精確化：借助數(shù)字技術(shù)，骨腫瘤醫(yī)師可以在術(shù)前精確評(píng)估骨腫瘤的侵犯范圍、外科邊界和截骨平面，在有效阻止腫瘤復(fù)發(fā)轉(zhuǎn)移的前提下降低骨關(guān)節(jié)手術(shù)難度，減少過(guò)度的手術(shù)創(chuàng)傷；術(shù)中在導(dǎo)航系統(tǒng)輔助下可有效避免操作失誤和定位偏差；輔助腫瘤切除模板亦可輔助術(shù)中腫瘤的精確切除[15]。（2）個(gè)性化：術(shù)前的個(gè)性化計(jì)算機(jī)模擬手術(shù)完全是為個(gè)體患者量身定做，在結(jié)合患者及家屬個(gè)人意愿的基礎(chǔ)上選擇出最佳的手術(shù)方案；借助RP技術(shù)研制出的個(gè)性化假體匹配良好，重建效果滿意。

4 典型病例

患者，男，42歲。主因“右股骨下段疼痛2周、發(fā)現(xiàn)腫物1周”來(lái)院就診。查體：左大腿下內(nèi)側(cè)觸及5 cm×3 cm腫物，壓痛，界限較清楚，不能移動(dòng)，無(wú)明顯紅腫及靜脈曲張。MRI檢查示：左股骨下段腫瘤（圖6A，6B）。入院后完善檢查，行CT引導(dǎo)下穿刺活檢，病理檢查結(jié)果示左股骨下段骨肉瘤。

4.1 數(shù)據(jù)獲取和三維重建

行CT掃描，導(dǎo)入Simpleware軟件進(jìn)行軟硬組織建模，掃描電壓120 kV，電流205.50 mAs，掃描矩陣512×512，進(jìn)行骨組織解剖學(xué)模型重建。進(jìn)一步通過(guò)MRI容積掃描進(jìn)行腫瘤重建，將CT重建的骨組織模型與根據(jù)MRI重建的腫瘤三維模型在Simpleware軟件CAD模塊中進(jìn)行配準(zhǔn)、對(duì)齊，以STL格式導(dǎo)出。

4.2 模擬截骨

對(duì)三維重建模型進(jìn)行測(cè)量分析，明確腫瘤范圍，依據(jù)腫瘤根治性切除的標(biāo)準(zhǔn)，切除5 cm長(zhǎng)交界區(qū)域的正常骨干，加上腫瘤本身的長(zhǎng)度，共切除（腫瘤大小+5 cm）的距離，在這一點(diǎn)行模擬截骨。

4.3 腫瘤切除輔助模板的建立和制造

將復(fù)合三維STL腫瘤模型導(dǎo)入逆向工程軟件Geomagic，定位三維參考平面。提取腫瘤的測(cè)量范圍，在軟件中建立與骨組織形狀一致的反向模板，將模板與骨腫瘤三維模型進(jìn)行擬合，觀察模板與腫瘤三維模型對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)確性。通過(guò)激光RP技術(shù)，將實(shí)體模型和腫瘤切除輔助模板同時(shí)制造出來(lái)，在打印模型上進(jìn)行手術(shù)的模擬訓(xùn)練（圖6C）。

4.4 術(shù)中應(yīng)用

將術(shù)前經(jīng)高溫消毒的腫瘤切除輔助模板和實(shí)體模型帶入手術(shù)室，術(shù)中進(jìn)行裝配和截骨（圖6D），待切除輔助模板與腫瘤骨精確匹配后，行骨瘤段切除+大段異體骨移植內(nèi)固定術(shù)。2年隨訪結(jié)果顯示，患者恢復(fù)良好，臨床效果滿意（圖6E，6F）。

[1]顧冬云.數(shù)字醫(yī)學(xué)與骨科臨床診療技術(shù)的新發(fā)展[J].中華創(chuàng)傷骨科雜志,2008,10(2):111-112.

[2]尹慶水,章瑩,王成燾,等.臨床數(shù)字骨科學(xué):創(chuàng)新理論體系與臨床應(yīng)用[M].北京:人民軍醫(yī)出版社,2011:25.

[3]Zhang YZ,Chen B,Lu S,et al.Preliminary application of computer-assisted patient-specific acetabular navigational template for total hip arthroplasty in adult single development dysplasia of the hip[J].Int J Med Robot,2011,7(4):469-474.

[4]Miechowicz S,Ciszewski A,Janiszewski M,et al.Methods of rapid prototyping in preoperative planning in musculoskeletal reconstructive surgery[J].Chir Narzadow Ruchu Ortop Pol,2011,76(2):63-68.

圖6 數(shù)字技術(shù)在左股骨下段骨肉瘤手術(shù)的應(yīng)用 6A，6B術(shù)前MRI影像 6C模擬裝配 6D術(shù)中裝配切除模板進(jìn)行截骨 6E，6F術(shù)后1年X線片

[5]徐萬(wàn)鵬,馮傳漢.骨科腫瘤學(xué)[M].北京:人民軍醫(yī)出版社, 2001:537-580.

[6]張余,尹慶水,黃華揚(yáng),等.計(jì)算機(jī)輔助骨盆惡性腫瘤的手術(shù)治療[J].中國(guó)矯形外科雜志,2009,17(3):190-192.

[7]潘詩(shī)農(nóng),吳振華,劉東風(fēng),等.直徑＜3 cm的骨原發(fā)腫瘤的影像學(xué)特征:附57例分析[J].中華放射學(xué)雜志,2003,37(7): 620-625.

[8]戴尅戎,朱振安,孫月華,等.計(jì)算機(jī)輔助個(gè)體化人工半骨盆的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].中華骨科雜志,2005,25:258-2621.

[9]Wittig JC,Villalobos CE,Hayden BL,et al.Osteosarcoma of the proximal tibia:limb-sparing resection and reconstruction with a modular segmental proximal tibia tumor prosthesis[J]. Ann Surg Oncol,2010,17(11):3021.

[10]Lampert C.Ankle joint prosthesis for bone defects[J]. Orthopade,2011,40(11):978-983.

[11]Sun W,Li J,Li Q,et al.Clinical effectiveness of hemipelvic reconstruction using computer-aided custom-made prostheses after resection of malignant pelvic tumors[J].J Arthroplasty, 2011,26(8):1508-1513.

[12]丁煥文,王迎軍,尹慶水.計(jì)算機(jī)輔助組織工程的研究進(jìn)展[J].中國(guó)修復(fù)重建外科雜志,2006,2(5):547-577.

[13]張虎,李滌塵,孫明林,等.定制化單側(cè)膝關(guān)節(jié)假體設(shè)計(jì)與快速制造方法研究[J].北京生物醫(yī)學(xué)工程,2003,22(4): 266-268.

[14]王臻,滕勇,李滌塵,等.基于快速成型的個(gè)體化人工半膝關(guān)節(jié)的研制:計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造[J].中國(guó)修復(fù)重建外科雜志,2004,18(5):347-351.

[15]丁煥文,涂強(qiáng),王迎軍,等.數(shù)字化骨科手術(shù)新方法的建立及其臨床廣泛應(yīng)用[J].中國(guó)骨科臨床與基礎(chǔ)研究雜志,2010,2 (2):92-97.

R-05，R68，R738

A

1674-666X(2012)01-0068-05

2011-12-15；

2012-01-11）

（本文編輯 白朝暉）

10.3969/j.issn.1674-666X.2012.01.011

510010廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院骨科醫(yī)院實(shí)驗(yàn)室

E-mail：Luck_2001@126.com