近10年来，3D打印和计算机导航等新兴技术蓬勃发展，不断地将骨肿瘤手术切除重建准确性提到新高度[11-16]。

　　目的探讨基于三维多模态影像的3D打印技术用于肢体恶性骨肿瘤手术的临床疗效。

　　方法回顾分析2016年1月—2019年1月符合选择标准的15例肢体恶性骨肿瘤患者临床资料。男6例，女9例；年龄17～73岁，中位年龄34岁。骨肉瘤5例，软骨肉瘤3例，尤文肉瘤2例，血管肉瘤1例，造釉细胞瘤1例，转移性癌3例。肿瘤部位：肱骨5例，尺骨2例，股骨3例，胫骨5例。病程2～8个月，中位病程4个月。术前基于三维多模态影像进行术前规划、计算机模拟手术、个性化假体及手术导板设计，3D打印骨肿瘤及重建模型、个性化假体及手术导板，并基于模型进行体外模拟手术。术中行膝关节置换2例，半肩关节置换2例，尺骨近端置换2例，保留关节干假体置换9例。观测肿瘤切除的外科边界、手术时间、术中失血量、手术并发症发生情况以及美国肌肉骨骼肿瘤学会（MSTS）评分、肿瘤局部复发情况。

　　结果15例患者均按术前规划完成手术，外科边界均获得广泛切除边界。手术时间80～240 min，中位数150 min。术中失血量100～400 mL，中位数200 mL。无术中重要血管、神经损伤导致肢体功能明显受限发生。1例切口浅表感染，经换药后愈合；其余患者切口均Ⅰ期愈合。患者均获随访，随访时间6～48个月，中位数24个月。2例患者因肺转移分别于术后6、24个月死亡。随访期间未出现局部复发，无假体脱位及松动等并发症发生。末次随访时MSTS评分为23～30分，平均25分。

　　结论基于三维多模态影像的3D打印技术能辅助肢体恶性骨肿瘤的精确切除和重建，从而获得良好肿瘤学及功能预后。

　　肢体恶性骨肿瘤的保肢治疗是以手术为基础的综合治疗[1-2]，其中手术成功的关键是在保证良好广泛切除边界的同时实现功能重建[3-4]。传统恶性骨肿瘤手术设计主要是术者根据不同模态的肿瘤影像数据结合个人经验完成，存在术者主观性较强，手术设计不够精确的问题。

　　三维多模态影像技术能在三维层面清楚显示肿瘤及周围解剖结构，包括肿瘤骨组织边界、软组织边界、骨与软组织的水肿边界范围，以及重建包括肿瘤周围脏器、血管和神经的三维模型，术者可以基于该模型客观且精准地设计恶性骨肿瘤切除重建方案。我院于2012 年开始将三维多模态影像技术用于复杂骨盆恶性肿瘤手术规划中，并结合3D 打印技术辅助手术，取得了良好初步疗效[5-6]。在此基础上，于2015年开始将其应用于肢体恶性骨肿瘤手术规划并辅助手术。现回顾性分析2016 年1月—2019 年1月采用上述方法治疗的肢体恶性骨肿瘤患者临床资料，总结其可行性及有效性，为进一步临床推广奠定基础。报告如下。

　　患者纳入标准：① 年龄≥14岁；② 初治的肢体原发恶性骨肿瘤；③ 初治的肢体骨转移瘤且原发灶已行根治性治疗；④ 肿瘤无远处转移；⑤ 选择根治性保肢手术；⑥ 肿瘤直径10 cm且邻近重要血管神经；⑦ 采用基于三维多模态影像的3D 打印技术辅助手术；⑧ 临床资料完整。排除不配合治疗及随访者。2016 年1月—2019年1 月， 15 例患者符合选择标准纳入研究。

　　本组男6 例，女9 例；年龄17～73 岁，中位年龄34 岁。术前均行病理活检明确诊断，其中骨肉瘤5例、软骨肉瘤3例、尤文肉瘤2 例、血管肉瘤1例、造釉细胞瘤1例、转移性癌3 例。Enneking 分期：ⅡA期11 例，ⅡB期4 例。肿瘤部位：肱骨5例，尺骨2 例，股骨3 例，胫骨5例。病程 2～8 个月，中位病程4个月。

　　1.2.1 三维多模态影像重建术前患者行病灶部位CT增强扫描、MRI 增强扫描和MR神经成像（magnetic resonance neurography，MRN）。采集上述影像数据以DICOM格式导入开源免费软件Advanced Normalization Tools （ANTs；）， 通过“Affine”以及 “Diffeomorphic registration”算法自动将MRI增强扫描及MRN 图像配准至CT图像上。若自动配准效果欠佳，则采取手动辅助配准，参考点通常选取在CT增强扫描、MRI 增强扫描以及MRN 图像上显示效果均良好、且位置相对固定的结构，如动脉分叉处等。图像配准质检：通过手动测量关键解剖结构（如血管、神经、肿瘤、水肿范围）的横截面绝对重叠百分比（完全重叠横截面面积/原始DICOM格式图像的横截面面积×100%），该值应达95%以上；若95%则通过手动检查并增加参考点等方式进行调整，直至95%。

　　在开源免费软件3D Slicer 4.11（）中，通过“Level-set”、“Region-grow”、“Threshold control”等算法进行半自动图像分割，主要结构包括肿瘤、水肿范围、血管、神经等。图像分割质检：在横截面上，通过手动测量已分割完成的关键解剖结构与原始DICOM格式图像的最大偏移距离，保证其1.5 mm；若该偏移距离1.5 mm，则通过手动校正直至1.5 mm。

　　最后将分割完成的模型，包括肿瘤的骨组织边界、软组织边界、骨与软组织水肿范围、肌肉组织，以及肿瘤周围重要血管和神经等，以.obj格式导入至3-matic 11.0软件（Materialise公司，比利时），构建三维多模态影像模型。

　　1.2.2 计算机模拟手术在三维多模态影像模型上进行计算机模拟手术，如肿瘤的骨组织切除边界及软组织切除范围、保关节与否、可能损伤的重要血管神经及对应的安全手术入路、手术入路可能经过的软组织肿瘤边界及具体肌间隙层面等。综合肢体功能重建要求，获得最佳手术入路及手术切除范围。需要说明的是，在本研究中肿瘤边界包括两方面内容，一个是肿瘤骨组织边界，以MRI上肿瘤骨组织水肿范围为边界；另一个是肿瘤软组织边界，即肿瘤在MRI上的软组织包块为边界。上述两部分内容均已重建在三维多模态影像模型上。安全切除边缘设计需要超出肿瘤在骨组织的水肿边界至少1～2 cm，肿瘤的软组织部分切缘设计需要保证肿瘤表面有正常软组织覆盖。

　　1.2.3 3D打印手术导板及假体设计在计算机模拟手术明确切除范围基础上，结合三维多模态影像模型，设计对软组织剥离最少、对血管神经牵拉最轻、对骨面最贴服、对术者操作角度最方便的个性化手术导板。

　　虚拟切除肿瘤后，设计具有良好初始稳定性和生物力学性能的3D 打印个性化假体。结合三维多模态影像模型，根据肿瘤切除后的软组织覆盖及重要血管神经走行，微调假体表面微结构。必要时设计辅助假体安放的个性化手术导板。

　　1.2.4 体外模拟手术3D打印骨肿瘤模型、切除后重建模型、手术导板和个性化假体。其中，骨肿瘤模型包括完整骨组织、肿瘤和水肿范围；切除后重建模型包括肿瘤切除后的剩余骨组织及切除的瘤段。测试手术导板的贴附情况，判断假体设计的初始稳定性及生物力学性能，并据此进行相应设计优化。完整技术流程见图1。注意原发恶性骨肿瘤患者手术规划是根据新辅助化疗前影像学检查结 果设计[7-8]。

　　根据肢体骨肿瘤常见手术入路，并结合术前规划所设计的手术入路及注意事项实施手术[9]。暴露预定截骨段后，再次判断截骨位置，确认无误后使用个性化手术导板完成截骨。对于骨干中段等可能存在导板贴附不良等情况的部位，术中可采用手工测量，必要时结合3D打印骨肿瘤模型辅助完成导板贴附与截骨。最后使用个性化假体进行功能重建。本组膝关节置换2例，半肩关节置换2例，尺骨近端置换2例，保留关节干假体置换9例（肱骨3例、股骨1例、胫骨5 例）。

　　根据肿瘤类型选择相应的新辅助化疗、术后化疗、靶向治疗等。其中，5例骨肉瘤、2例尤文肉瘤、1例血管肉瘤采用新辅助化疗+术后化疗；3 例转移性癌根据原发灶使用靶向药物。术中和术后预防性应用抗生素。术后采用非甾体类抗炎药镇痛，必要时使用阿片类止痛药。通常于术后3 d开始康复训练并逐步增加训练强度。具体肢体负重时间及强度根据假体设计、术中情况及术后切口恢复情况综合决定。

　　记录肿瘤切除外科边界、手术时间、术中失血量、手术并发症发生情况、美国肌肉骨骼肿瘤学会 （MSTS）评分及肿瘤局部复发情况[10]。

　　15例患者均按术前规划完成手术，外科边界均获得广泛切除边界。手术时间80～240 min，中位数150 min。术中失血量100～400 mL，中位数200 mL。无术中重要血管、神经损伤导致肢体功能明显受限发生。1例切口浅表感染，经换药后愈合；其余患者切口均Ⅰ期愈合。

　　患者均获随访，随访时间6～48 个月，中位数24 个月。其中2例患者因肺转移分别于术后6、 24 个月死亡。随访期间未出现局部复发，无假体脱位及松动等并发症发生。末次随访时MSTS 评 分为23～30 分，平均25 分。见图2、3。

　　图 2 患者，女，44岁，肱骨骨肉瘤（EnnekingⅡA期）a. 术前X线片、CT增强扫描、MRI 增强扫描、MRN及全身骨扫描；b. 三维多模态影像（绿色：肿瘤及水肿；黄色：神经；蓝色、红色：血管）；c. 计算机模拟手术，其中近、远端切缘分别距离水肿边界4、 2 cm；d. 3D打印假体；e. 个性化手术导板与体外模拟手术；f. 术中个性化手术导板辅助截骨、3D打印假体功能重建；g. 切除的肿瘤标本与3D打印肿瘤模型；h. 术后即刻X线 个月X线片及肢体功能

　　图 3 患者，女，73岁，胫骨中段造釉细胞瘤（EnnekingⅡA期）a. 术前X线片、CT增强扫描、MRI 增强扫描；b. 三维多模态影像和计算机模拟手术，其中近、远端切缘分别距离水肿边界1.5、4.0 cm；c. 3D打印假体及个性化手术导板；d. 体外模拟手术；e. 术中个性化手术导板辅助截骨及固定、3D打印假体功能重建；f. 切除的肿瘤标本以及胫骨模型；g. 术后即刻X 线D打印和计算机导航等新兴技术蓬勃发展，不断地将骨肿瘤手术切除重建准确性提到新高度[11-16]。然而，在骨肿瘤外科领域，精确手术切除和精准功能重建并非当前精准医疗的全部，精细的术前影像评估同样非常重要。

　　目前，骨肿瘤的术前评估主要依赖于多种影像学。多排螺旋CT空间分辨率高，能清晰显示骨骼及血管受累情况，但是对软组织不敏感。MRI 能补充前者不足，准确反映软组织层次，特别是肿瘤、水肿范围以及神经走行。在传统术前评估中，术者需要从CT、MRI和MRN等不同模态的影像数据中提取关键信息。通常以骨组织为着眼点，即以CT数据为基础进行三维重建，模拟手术切除重建；在此过程中术者需要不断参考和比对二维MRI 以及MRN 图像，以保证获得安全手术切除边界。虽然阅读二维影像是外科医生的基本功，但是多模态数据经过计算机系统整合处理后，其信息丰富程度以及可靠性远超传统人脑合成[17]。传统人脑合成非常依赖术者经验，甚至可能存在人为因素导致的主观性偏差。因此，理论上三维多模态影像能够使术前规划更客观而精细化，如可以更好地设计切缘、规避肿瘤原因以及先天各种解剖变异产生的手术操作风险、降低血管神经损伤风险、避免切进骨肿瘤的软组织包块中等，从而为精确手术切除和功能重建奠定基础。除此以外，精细化术前规划有效避免了术中临时更改决策，从而节省手术时间、减少术中出血，加速患者术后康复。在骨肿瘤外科领域，三维多模态影像最早应用于巨大骨盆恶性肿瘤[5-6]。此类肿瘤体积大、侵袭范围广，且常伴有周围重要血管、球友会登录神经及脏器受累[18]。三维多模态影像能在三维层面清晰地显示上述结构，特别是软组织边界、水肿范围和神经。所以，球友会登录基于三维多模态影像的术前规划能有效降低肿瘤边界切除不够、切进骨肿瘤的软组织部分以及神经损伤的情况。而这也是传统基于CT三维重建+二维MRI术前评估比较困难的部分。因此，骨盆恶性肿瘤是使用三维多模态影像进行术前规划的最佳适应证之一。本研究中，纳入的肢体恶性骨肿瘤直径均超过10 cm且邻近重要血管神经，同时大部分伴有肿瘤性软组织包块。所有患者均取得了良好手术切除边界，术后早期随访也无局部复发，无术中重要神经损伤致肢体功能障碍的情况发生，提示基于三维多模态影像的术前规划对于提高肢体肿瘤学预后以及减少血管神经损伤等手术并发症具有一定价值。

　　基于三维多模态影像的术前评估和手术规划，除了能够提高肿瘤学预后，还对控制术中出血以及手术时间具有积极意义。由于三维多模态影像能综合利用CT增强扫描、MRI增强扫描、MRN的优势，在术前规划方面具有较高指导性，相比传统CT三维重建+二维MRI模式，术前规划内容更丰富而具体，如软组织的三维切除范围、可能损伤的重要血管神经三维位置及对应的安全手术入路、手术入路可能经过的软组织肿瘤边界。通过在三维层面的分析，可避免损伤重要血管神经，减少术中 “走一步，看一步”的情况，从而达到真正提前设计手术。裴延军等[19]为5例胫骨和1 例股骨恶性肿瘤患者实施3D 打印个性化假体重建手术，平均手术时间165.83 min、平均术中失血量233.33 mL。本组患者手术时间80～240 min，术中失血量100～400 mL。上述研究结果均体现了三维多模态影像在出血控制和手术时间方面是有益的。本研究中，我们除了使用三维多模态影像进行计算机模拟手术，还进行了3D打印个性化导板和假体设计。在此过程中，三维多模态影像的价值主要体现在3D 打印导板设计上。在传统基于CT截骨导板设计时，由于截骨平面已确定，术者或工程师会单纯基于骨组织进行导板设计[20-21]，在此过程中通常不再参考二维MRI数据。事实上，导板安放附近软组织剥离多少、操作角度方便与否、对附近血管神经牵拉程度如何，都与个性化导板设计的尺寸和形态有关。单纯基于骨组织设计，很难同时考虑到以上问题。当然，与上述问题相关的额外手术创伤、手术操作方便程度，目前没有客观有效评价指标，实际意义尚不明确，还需要进一步研究。而在假体设计方面，三维多模态影像主要参与微调假体表面微结构，如根据肿瘤切除后的软组织覆盖及重要血管神经走行，对邻近区域假体表面进行光滑处理、设置凹槽等。其对初始稳定性、生物力学功能可能无明显影响[22]。本研究中患者术后肢体功能MSTS 评分平均为25 分，与文献报道基本一致，也符合上述理论猜想[19, 23-25]。

　　基于三维多模态影像进行计算机模拟手术、设计3D 打印个性化导板和假体，有利于实现肿瘤术前精准化评估，进而为实现精准而完整切除肿瘤、解剖学和功能学重建以及减少手术并发症创造有利条件。本研究不足之处：恶性骨肿瘤发病率低，样本量小；由于发病部位遍及全身，即使同一块骨骼的切除重建也可能存在巨大差异，因此异质性大、无法设置具有相同基线的对照组。我们会在未来开展多中心大型临床研究，以进一步研究基于三维多模态影像的3D 打印技术在恶性骨肿瘤手术中的应用价值。

　　段宏，医学博士，生物医学博士后，四川大学华西医院主任医师，教授，博士生导师。医疗专长为骨肿瘤、瘤样病变、软组织肿瘤以及骨转移癌保肢综合治疗。研究方向为骨与软组织肿瘤和肿瘤样病变的诊断和治疗研究，骨科生物力学、骨科内固定器械的设计及相关应用研究，数字化骨科研究及其应用。四川省卫生健康领军人才、四川省卫健委学术技术带头人，担任中国医药教育协会骨与软组织肿瘤专业委员会常务委员等。发表论文140篇，其中第一/通讯作者72篇，SCI 29篇。作为项目负责人获得国家自然科学基金3项，省科技厅项目1项，省卫健委项目1项。