案例！3D打印鈦合金胸肋骨植入物在胸壁重建中的臨床應(yīng)用
魔猴君 行業(yè)資訊 1694天前
目的
使用 3D 打印技術(shù)制造鈦合金胸肋骨，并應(yīng)用于大范圍胸壁缺損的重建修復(fù)，以期滿足個(gè)性化、解剖學(xué)的胸壁重建需求并觀察其臨床療效。
方法
共納入 13 例患者，男 9 例、女 4 例，年齡 46 （24～78）歲。所有患者均使用 3D 打印鈦合金胸肋骨植入物對(duì)胸壁缺損進(jìn)行重建，隨訪觀察 1 年。收集患者的人口學(xué)特征，圍手術(shù)期相關(guān)臨床數(shù)據(jù)，并對(duì)獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。
結(jié)果
6 例肋骨腫瘤、6 例胸骨腫瘤及 1 例胸骨化膿性骨髓炎患者最終納入本研究。所有患者術(shù)后均能維持胸壁完整性，未發(fā)現(xiàn)反常呼吸現(xiàn)象，達(dá)到了個(gè)性化及解剖學(xué)的修復(fù)目的。胸壁缺損面積為（221.0±206.0）cm2。13 例患者均順利出院，圍手術(shù)期內(nèi)無死亡，2 例發(fā)生肺炎。1 年隨訪期內(nèi)，未發(fā)生植入物斷裂、移位、排斥、過敏等現(xiàn)象；1 例患者化療后切口潰瘍，3 例患者術(shù)后 1 年內(nèi)腫瘤復(fù)發(fā)，其中2 例患者發(fā)生死亡，12 例腫瘤患者 1 年復(fù)發(fā)率 25.0%，死亡率 16.7%。
結(jié)論
3D 打印鈦合金胸肋骨植入物是一種安全和有效的胸壁缺損重建修復(fù)材料，可以滿足個(gè)性化、解剖學(xué)的胸壁重建修復(fù)需求，且臨床效果良好。
正 文
胸壁缺損可由多種胸壁疾病引起，如腫瘤、先天畸形、輻射損傷和復(fù)雜的感染等。由于上述疾病大多需采用手術(shù)方法切除病變及其累及的胸肋骨，從而造成局部皮膚肌肉和骨骼的缺損。目前的臨床觀點(diǎn)認(rèn)為，胸壁缺損直徑>5 cm 時(shí)有必要使用硬質(zhì)植入物重建胸壁，以防止發(fā)生胸壁浮動(dòng)、反常呼吸和/或呼吸衰竭，肩胛骨后方的缺損直徑>10 cm 時(shí)有必要對(duì)其進(jìn)行重建，但是目前尚缺乏高級(jí)別臨床證據(jù)來證實(shí)上述觀點(diǎn)[1-3]。
目前臨床中常用的胸壁重建材料包括鈦合金材料（如 Matrix-RIB 系統(tǒng)和 STRATOS 系統(tǒng)）、合成材料（如甲基丙烯酸甲酯等），補(bǔ)片材料（如聚四氟乙烯、聚丙烯）或生物骨骼（自體肋骨移植或生物肋骨）。但是傳統(tǒng)的胸壁重建材料目前無法滿足現(xiàn)實(shí)的臨床需求。一方面，常用的鈦板、骨水泥、生物肋骨等材料需要在手術(shù)中臨時(shí)制作，解剖學(xué)和力學(xué)的適配性差；另一方面，生物肋骨等材料取材有限，難以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)和大范圍缺損的修復(fù)。因此，臨床中亟需開發(fā)新型的個(gè)性化骨性胸壁重建材料。
近年來，3D 打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用越來越廣泛，尤其在骨科、顱頜面外科、胸外科等專業(yè)取得了良好的進(jìn)展。從醫(yī)學(xué)角度來看，患者的解剖結(jié)構(gòu)和臨床需求不盡相同，批量生產(chǎn)的器械耗材具有完全相同的形狀和尺寸，不能滿足每例患者的個(gè)性化需要。利用 3D 打印技術(shù)，為每例患者進(jìn)行量體裁衣，制定個(gè)體化治療方案，將使患者獲得最大的益處。新型 3D 打印胸肋骨植入物則根據(jù)患者解剖學(xué)特點(diǎn)構(gòu)建植入物，具有更優(yōu)的解剖適配性。我科室自 2015 年起利用 3D 打印鈦合金胸肋骨植入物進(jìn)行胸壁重建手術(shù)，在臨床中取得了滿意的治療效果。
1 資料與方法
1.1 臨床資料
從 2015 年 5 月到 2018 年 12 月，共 13 例患者使用 3D 打印鈦合金植入物完成胸壁重建手術(shù)。所有患者術(shù)前均接受細(xì)針穿刺活檢明確病理診斷，同時(shí)接受頭顱、胸腹部 CT、全身骨顯像或正電子發(fā)射斷層顯像/X 線計(jì)算機(jī)體層成像（PET-CT）等檢查，排除其他器官轉(zhuǎn)移。對(duì)于擬行肌皮瓣轉(zhuǎn)移術(shù)的患者，需行肌皮瓣滋養(yǎng)血管造影或超聲檢查。納入的患者需滿足預(yù)期胸壁缺損直徑>5 cm。胸壁缺損破壞了胸壁的完整性和胸腔壓力的穩(wěn)定性，影響到患者正常的心肺功能。術(shù)前應(yīng)加強(qiáng)呼吸功能鍛煉，改善肺功能，從而降低術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生率。
1.2 3D 打印鈦合金植入物的設(shè)計(jì)與打印
所有患者術(shù)前需接受 64 排胸部增強(qiáng) CT 掃描（GE Lightspeed VCT，GE Healthcare，F(xiàn)airfield，CT），掃描層厚 1.0 mm。將 DICOM 格式胸部 CT 數(shù)據(jù)導(dǎo)入 Mimics（version 17.0；Materialise Inc，Leuven，Belgium）軟件進(jìn)行模型構(gòu)建；進(jìn)一步將生成的 STL 文件導(dǎo)入 Geomagic Studio 軟件（version 2012；3D Systems，Morrisville，NC）進(jìn)行平滑處理和術(shù)前規(guī)劃（圖1）。3D 打印植入物的設(shè)計(jì)方案由主刀醫(yī)生和工程師共同制定，所有植入物依據(jù)患者原始胸肋骨結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)充分考慮腫瘤切除的邊界原則和無瘤原則。腫瘤切除邊界距離腫瘤邊緣>3 cm 以上。因?yàn)樵谛g(shù)前無法準(zhǔn)確估計(jì)缺損的大小，所以根據(jù)距離腫瘤邊緣 3 cm、4 cm 和 5 cm 的預(yù)期切除范圍將 3D 打印假體的尺寸設(shè)計(jì)為 3 種尺寸。將上述設(shè)計(jì)的 STL 格式文件導(dǎo)入 EOS M280 型打印機(jī)（EOS GmbH, Krailling，Germany）進(jìn)行植入物制作。該打印機(jī)應(yīng)用醫(yī)用級(jí)鈦合金粉末，利用激光燒結(jié)技術(shù)進(jìn)行植入物制作。植入物經(jīng)過常規(guī)清洗及高溫高壓滅菌后應(yīng)用于手術(shù)。
圖1 3D 打印鈦合金肋骨
a：胸骨；b：植入物
1.3 手術(shù)方法及圍手術(shù)期處理
所有惡性腫瘤患者均行病變擴(kuò)大切除手術(shù)，軟組織和骨骼切緣距離腫瘤邊緣 3 cm 以上，同時(shí)切除鄰近胸膜。為了達(dá)到術(shù)中 R0 切除，應(yīng)用冰凍病理技術(shù)檢查手術(shù)切緣，包括皮膚、肌肉和皮下脂肪組織等，平均采集 6～8 例樣本。切緣最終還需經(jīng)過組織病理學(xué)檢查證實(shí)。胸壁重建采用“三明治模式”，包括骨骼重建、胸膜重建和軟組織重建。所有患者均采用 3D 打印鈦合金胸肋骨植入物進(jìn)行骨骼重建，為確保假體與胸廓連結(jié)部的牢固性，使用鈦螺絲和鈦絲（直徑 1.0 mm）將鈦合金植入物固定于殘余肋骨和胸骨。對(duì)于肋骨腫瘤患者，一端用鋼絲固定 3D 打印肋骨與其余肋骨，另一端用兩顆螺釘固定于胸骨。這種結(jié)構(gòu)在最大程度上保證了植入物的穩(wěn)定性。對(duì)于胸骨腫瘤患者，3D 打印胸骨用 8 顆螺釘固定在剩余的胸骨上，肋骨端用鋼絲固定在剩余的肋骨上。胸膜重建均使用去抗原化的豬腸系膜補(bǔ)片（廣州冠昊生物科技有限公司），在術(shù)中使用 4 號(hào)絲線或 poly 線間斷縫合補(bǔ)片于胸膜殘端或肋間肌，并將補(bǔ)片懸吊在假體上，可使補(bǔ)片緊貼假體，從而盡可能減少肺和假體之間的死腔。軟組織重建是將帶蒂肌皮瓣覆蓋在植入物外表面，常用胸大肌肌皮瓣和背闊肌皮瓣，術(shù)中在皮瓣下放置負(fù)壓引流管，因胸膜重建已封閉胸膜腔，因此未在胸腔另置引流管（圖2）。
圖2 3D 打印胸肋骨植入物胸壁重建手術(shù)
a：粘液纖維肉瘤，侵犯左側(cè) 1～4 肋骨；b：切除腫瘤后的胸壁缺損；c：骨骼重建及胸膜重建；d：帶蒂的背闊肌皮瓣覆蓋創(chuàng)面；e：前胸壁慢性化膿性骨髓炎，累及胸骨及 1～8 肋軟骨；f：術(shù)中切除病變后的胸壁缺損；g：骨骼重建及胸膜重建；h：術(shù)后手術(shù)切口外觀
術(shù)后第 2～3 d 使用彈力繃帶對(duì)傷口加壓包扎，松緊適度，一般持續(xù) 2～3 周以上，避免早期加壓包扎影響患者呼吸狀態(tài)。所有患者術(shù)前半小時(shí)靜脈滴注頭孢曲松至術(shù)后 3～4 d 預(yù)防感染。術(shù)后立即拔除氣管插管，術(shù)后 6 h 后可進(jìn)流質(zhì)飲食，術(shù)后第 1 d 即可下床活動(dòng)。術(shù)后需常規(guī)每日換藥，觀察轉(zhuǎn)移肌皮瓣是否有壞死。負(fù)壓引流管每日引流量<30 mL 時(shí)，可將引流管拔除。
1.4 倫理審查
本研究經(jīng)過中國人民解放軍第四軍醫(yī)大學(xué)唐都醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)（倫理批準(zhǔn)號(hào)：TDLL-2016196-450）。且每例患者術(shù)前都簽署了個(gè)人知情同意書。
1.5 觀察指標(biāo)
在本研究中，通過對(duì)所有患者胸壁完整性、是否出現(xiàn)反常呼吸、解剖學(xué)重建效果等指標(biāo)的觀察，進(jìn)而判斷 3D 打印鈦合金胸肋骨植入物進(jìn)行胸壁重建的有效性。通過對(duì)圍手術(shù)期（術(shù)后 90 d 內(nèi)）并發(fā)癥，如植入物斷裂、移位、排斥、過敏、肺部并發(fā)癥、切口感染等指標(biāo)的觀察判斷其安全性。
1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析
計(jì)量資料采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（ ）描述，對(duì)于正態(tài)分布且方差齊性的計(jì)量資料組間比較采用獨(dú)立樣本 t 檢驗(yàn)。檢驗(yàn)水準(zhǔn) α=0.05。使用 SPSS 25.0 及 GraphPad Prism 7 軟件進(jìn)行分析。
2 結(jié)果
2.1 一般情況
本研究共納入 13 例患者，男 9 例、女 4 例，年齡 46（24~78）歲。所有患者中包括 6 例肋骨腫瘤、6 例胸骨腫瘤及 1 例胸骨化膿性骨髓炎（表1）。患者胸壁缺損面積（221.0 ± 206.0）cm2，手術(shù)時(shí)間（333.0 ± 129.0）min，術(shù)后住院時(shí)間（12.8 ± 6.1）d，拔管時(shí)間（8.6 ± 4.1）d，13 例患者均順利出院。將患者按胸骨病變及肋骨病變區(qū)分后統(tǒng)計(jì)分析上述臨床數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，胸壁缺損面積、手術(shù)時(shí)間、術(shù)后住院時(shí)間、拔管時(shí)間等臨床指標(biāo)差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。
表1 13 例患者的臨床資料
2.2 有效性及安全性評(píng)價(jià)
13 例患者均行胸壁病變擴(kuò)大切除術(shù)及 3D 打印鈦合金胸肋骨重建術(shù)，其中 5 例患者術(shù)后發(fā)現(xiàn)腫瘤與肺葉粘連而行肺葉楔形切除，2 例行肌皮瓣轉(zhuǎn)移（采用背闊肌和胸大肌肌皮瓣）。所有患者術(shù)后均能維持胸壁完整性，未發(fā)現(xiàn)反常呼吸現(xiàn)象。術(shù)后通過復(fù)查 64 排胸部增強(qiáng) CT 掃描，并進(jìn)行三維重建可見 3D 打印鈦合金植入物與胸肋骨共同組成完整的胸壁結(jié)構(gòu)，達(dá)到了個(gè)性化及解剖學(xué)的修復(fù)目的（圖3a）。在圍手術(shù)期內(nèi)，2 例發(fā)生肺炎，但經(jīng)抗感染及對(duì)癥治療后均好轉(zhuǎn)。在術(shù)后 1 年隨訪中，13 例患者未發(fā)生植入物斷裂、移位、排斥、過敏等現(xiàn)象。1 例患者于術(shù)后化療 2 個(gè)月后已愈合傷口皮膚出現(xiàn)壞死致胸肋骨植入物裸露，后再次行手術(shù)取出植入物，并行背闊肌皮瓣轉(zhuǎn)移手術(shù)后傷口愈合。
圖3 3D 打印胸肋骨胸壁重建手術(shù)后
a：胸廓三維重建；b：X 線正位片；c：胸部 CT
2.3 影像學(xué)特點(diǎn)
在 X 線片上，因?yàn)殁伜辖鹬踩胛锩芏雀卟⑶疫h(yuǎn)大于皮質(zhì)骨，因此可顯示為清晰的金屬影，能很好地判斷植入物在體內(nèi)的形態(tài)和位置（圖3b）。在 CT 影像中，骨組織的 CT 值為 836 Hu，鈦合金植入物的 CT 值為 3 071 Hu，因此 3D 打印鈦合金植入物顯示為高密度的金屬影，且在所有患者的術(shù)后復(fù)查 CT 中，均可看到 3D 打印鈦合金胸肋骨植入物的影像學(xué)偽影，其偽影遮住了覆蓋的組織結(jié)構(gòu)，從而對(duì)植入物周圍組織結(jié)構(gòu)的判讀造成不便（圖3c）。
2.4 生存分析
通過門診、電話等方式隨訪 1 年，隨訪期內(nèi)，12例腫瘤患者中 2例腫瘤原位復(fù)發(fā)、1 例肺部轉(zhuǎn)移， 復(fù)發(fā)率25.0%，其中2例患者死亡，死亡率 16.7%，其余 9 例患者在隨訪期內(nèi)無復(fù)發(fā)及轉(zhuǎn)移。
３ 討論
胸壁腫瘤、嚴(yán)重感染等疾病常需要徹底或者擴(kuò)大切除病變，往往造成較大的胸壁缺損，會(huì)破壞胸廓的完整性和穩(wěn)定性，使患者出現(xiàn)反常呼吸、呼吸功能障礙等癥狀。對(duì)于絕大多數(shù)胸壁腫瘤而言，手術(shù)切除是最常用的治療方式，根據(jù)不同腫瘤類型進(jìn)行新輔助或輔助治療能夠在一定程度上提高生存率，延長(zhǎng)生存時(shí)間[4-5]。大范圍切除胸壁后造成的巨大胸壁缺損需要使用硬質(zhì)材料進(jìn)行重建，以避免發(fā)生反常呼吸和慢性呼吸衰竭[1, 4-5]。不影響或盡量少影響功能的 R0 切除是胸壁腫瘤切除的目標(biāo)。目前國際上骨性胸壁重建材料分為生物性材料、人工材料、金屬材料、自體骨組織等[6]。相對(duì)于這些傳統(tǒng)材料，3D 打印鈦合金胸肋骨植入物可修復(fù)更大的胸壁缺損。本研究中，患者胸壁缺損面積達(dá)（221.0 ± 206.0）cm2，最大缺損面積達(dá) 672 cm2，因此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)胸壁惡性腫瘤的擴(kuò)大切除，從而盡可能滿足 R0 切除標(biāo)準(zhǔn)，有利于減少胸壁惡性腫瘤的復(fù)發(fā)。
相對(duì)于其他材料和制作技術(shù)，3D 打印胸肋骨植入物不僅能提供足夠的支撐來維持胸壁的外觀，而且還能達(dá)到對(duì)胸壁個(gè)性化和解剖性的修復(fù)[7-8]。雖然傳統(tǒng)的材料在胸壁重建中可以起到良好的支撐作用，但其形狀固定，不能滿足在解剖學(xué)上的胸壁修復(fù)，影響胸壁外觀；當(dāng)胸壁缺損面積較大或形狀不規(guī)則時(shí)，往往會(huì)因材料的外形不適配而出現(xiàn)不能修復(fù)的情況，特別是在胸骨切除后形成的胸壁缺損中，不僅修復(fù)后的外觀不盡人意，還會(huì)影響肺功能進(jìn)而造成術(shù)后的呼吸相關(guān)并發(fā)癥。3D 打印胸肋骨植入物使用術(shù)前患者薄層胸部 CT 數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，植入物依據(jù)患者胸肋骨 1∶1 制作，具有更好的解剖學(xué)適配性。值得一提的是，植入物的力學(xué)強(qiáng)度不僅取決于材料的力學(xué)性能，還取決于自身的結(jié)構(gòu)性能。有學(xué)者利用 3D 打印技術(shù)制作了螺紋狀、鉸鏈狀的鈦合金胸肋骨植入物，使植入物具有更好的彈性[8-10]。在本組患者中，骨源性腫瘤 4 例，軟組織源性腫瘤 7 例，轉(zhuǎn)移瘤 1 例，胸壁感染 1 例，胸壁腫瘤起源呈多樣性，7 例患者行胸骨切除，6 例患者行肋骨切除，缺損部位呈多形性和特殊性，因而對(duì)于胸壁重建的要求也更加多樣化和個(gè)性化，在對(duì)所有患者的術(shù)后復(fù)查 CT 三維重建中可以看到 3D 打印胸肋骨植入物對(duì)缺損部位進(jìn)行了原位解剖性的修復(fù)，達(dá)到了胸壁缺損部位的原位重建。不僅如此，我們利用 3D 打印技術(shù)制作鈦合金肋骨植入物時(shí)，也嘗試采用彈簧結(jié)構(gòu)模擬肋軟骨的彈性，使患者能更好地進(jìn)行胸式呼吸，以期達(dá)到對(duì)胸壁的功能學(xué)修復(fù)。
Berthet 等[8]對(duì)采用 Matrix-RIB 系統(tǒng)及 STRATOS 系統(tǒng)進(jìn)行胸壁重建的失敗因素進(jìn)行了分析，在這 54 例患者中，24 例 (44%) 植入失敗，其中，20 例（83.3%）的植入物發(fā)生斷裂，4 例（16.7%) 的植入物發(fā)生移位，在植入物斷裂或移位的患者中，植入物完好的平均持續(xù)時(shí)間為 1～12（6.6 ±3.1）個(gè)月。在本研究中，在術(shù)后 1 年內(nèi)，所有患者均未發(fā)生植入物斷裂、移位、過敏等現(xiàn)象，因此，3D 打印鈦合金植入物的安全性能較好，但仍需更長(zhǎng)時(shí)間的觀察。另外，本組患者采用胸膜重建、骨性重建和軟組織重建的“三明治”模式進(jìn)行胸壁重建。由于鈦的疏水性使其難以附著在肺組織上及與周圍軟組織發(fā)生黏附，而人工胸膜補(bǔ)片具有良好的親水性和組織相容性[11]。因此術(shù)中使用補(bǔ)片進(jìn)行胸膜重建可以促進(jìn)肺組織與假體的粘連，維持胸腔的穩(wěn)定性。此外，胸壁切除后創(chuàng)傷性滲出物主要來自傷口周圍的肌肉和結(jié)締組織。胸膜重建可以有效地阻止?jié)B出物進(jìn)入胸膜腔，避免留置胸腔引流管，從而減少術(shù)后患者疼痛，促進(jìn)術(shù)后恢復(fù)。
雖然 3D 打印胸肋骨植入物在胸壁重建中可以滿足個(gè)性化和解剖性的修復(fù)需求，但仍存在一些缺陷。首先，3D 打印技術(shù)對(duì)術(shù)者和工程師的配合度要求很高。術(shù)者必須在術(shù)前充分評(píng)估病變的切除范圍，在此基礎(chǔ)上還需對(duì)手術(shù)中可能遇到的意外情況充分預(yù)估，因?yàn)楝F(xiàn)有的 3D 打印植入物無法在術(shù)中調(diào)整其形狀和尺寸。其次，從材料物理屬性而言，鈦合金等金屬材料具有較高密度，后期影像學(xué)檢查常常產(chǎn)生強(qiáng)烈的偽影，對(duì)后續(xù)疾病的診斷和治療造成一定影響。第三，因鈦合金材料具有較高的彈性模量，因此會(huì)造成一定程度的限制性肺通氣功能障礙。
綜上所述，對(duì)于大面積的胸壁缺損，用 3D 打印鈦合金胸肋骨植入物進(jìn)行胸壁重建是安全可行的，可以滿足個(gè)性化和解剖性的修復(fù)需求，降低呼吸相關(guān)并發(fā)癥的發(fā)生。3D 打印胸肋骨植入物的使用提供了良好的臨床效果，優(yōu)于過去使用的各項(xiàng)材料。這也增加了更廣泛切除病變的可能性，并可能開發(fā)新的手術(shù)適應(yīng)證。但其也不盡完美，在不遠(yuǎn)的將來，希望有更加完美的新材料和新方法用于胸壁重建。
