【硕士论文】基于快速成型技术定制化人工半膝关节系统的研制与应用.pdf

独触娥泰嘞 y 6 1 5 1 3 2 秉承学校严谨的学风与优良韵科学送甓，本人声明所呈交的论文是藐 个人在导舜指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文 中糟掰加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他八已经发表或撰写遁 的研究成果，不包含本人或他人已申请学位或其他用途使用过的成果。与 藐一同工作的同志对本研究所徽的任何贡献均已在论文中作了明确的说舅 并表示了致谢。 申请学位论文与资科若育不实之处，本八承担一切相关责任。 论文作者签名珏捌 鼹擎触谖产嘏岿哪 本人完全了解第四军医大学有关保护知识产权的媲定，碍：研究生在校 攻读学位期阃论文工作的知识产权单位屠第四军医大学。本 保证毕业离 较后，发表论文或使用论文工作嘘果时署名单位仍然为第四军医大学。学 校可以公布论文的全都或部分内容( 含电子版，保密内容除外) ，可以采 用形印，塘印或其他复嗣手段保存论文。学校有权允许论文筏查明和借 阿，并在校园厨上提供论文内容的浏览和下载服务。 论文作者签各：螽塑导算签名：垂缢 日焉 协协一卜z 牛 第四军医大学硕l 学位论文 缩略语 t d c t s c t c a d c h k j q c m r l 0 a r e r p r p m r t 缩略语表 英文全称 t a r g e t d e v i c e c o m p m e rt o m o g r a p h y s p i r a l c t c o m p u t e r - a i d e dd e s i g n c u s t o m m a d ea r t i f i c i a l h e m i k n e e j o i n t q u i c kc a s t i n g m a g n e t i c r e s o n a n c e i m a g i n g 0 s t e o a r t h r i t i s r e v e r s e e n g i n e e r i n g r a p i dp r o t o t y p i n g r a p i dp r o t o t y p i n g m a n u f a c t u r i n g r a p i dt o o l i n g 中文全称 瞄准器 计算机断层扫描 螺旋c t 计算机辅助设计 定制化人工半膝关节 快速铸造 磁共振成像 骨性关节炎 反求工程 快速成型 快速成型制造 快速建模 第四军医大学硕士学位论文 基于快速成型技术定制化人工半膝关节 系统的研制与应用 硕士研究生：李智 导师：王臻教授 第四军医大学西京医院骨科，西安7 1 0 0 3 2 中文摘要 骨肿痛保肢术是二十世纪8 0 年代随羞新辅助化疗、外科重建 技术进步和新的影像技术如c t m r i 的现而逐渐丌展起来的。 对于儿童保肢手术，仍然是骨肿瘤矫形外科治疗的难点。大段同 种异体骨关节移植修复肢体恶性肿瘤术后缺损，虽已经取得了j “ 泛而成功的经验，但存在异体关节软骨坏死和关节形状不匹配带 来的骨性关节炎等问题。随着医学的进步，骨肿瘤患者生存率逐 步提高，异体骨关节移植中骨性关节炎带来的生存质量差的问题 开益受到重视。 在西京医院全军骨科研究所深低温冷冻大段异体骨关节移植 手术取得良好效果的基础上，为进一步解决异体骨移植术后关节 面匹配性差、软骨坏死致关节面塌陷的问题，提高青少年异体半 关节保肢手术效果，课题小组利用现代计算机和工程学知识，提 出了复合定制化人工半膝关节的异体骨保肢手术方案：a 依据膝 关节c t 图像复制关节表面形状；b 精密整合患者和异体骨关节内 外表面形状，制造定制化人工半膝关节：c 配合研究小组先前设 计的有限接触式股骨髁上型带锁髓内钉，复合大段同种异体骨植 入体内，构成定制化人工半膝关节系统试图保留胫骨骨骺、 胫骨关节面，减少或推迟骨关节炎的发生；期望取得骨肿瘤切除 术后理想的生物学重建和后期良好的关节功能。 第四军医大学硕士学位论文 研究小组建立了以“c t r p q c ”为核心的定制化人工半膝关节 系统设计制造方案：提出了以 m i m i c s & i m a g e m a n a g e r s u r f a e e r u g ”为核 心技术的定制化人工半膝关节系统快速设计方法；采用树脂原型 直接包埋成型工艺制造人工关节，提高假体制造精度，缩短制造 周期；结合假体设计及手术要求，研制了一套辅助定位装置，并 将其应用于动物实验和临床病例，实现人工半膝关节的精确定位。 分别以猪和狗两种动物为模型进行三期活体实验，分析实验 结果，并在半膝关节假体设计、制造和临床手术方案等环节反复 改进。动物实验结果表明：定制化人工半膝关节与对侧胫骨关节 面匹配良好，关节间隙存在，功能未受明显影响，可以满足临床 定制化要求。 复合大段异体骨移植定制化人工半膝关节临床应用于一例骨 肉瘤患者。结果表明：通过r p 和精密铸造技术制造的假体及其辅 助装置符合设计要求，植入体内后能够实现与对侧胫骨关节面的 良好匹配。术后随访1 8 月，假体稳固性好，关节间隙正常，膝关 节功能尚可，患肢生长受到轻度影响。 针对动物实验和i | 缶床应用中存在的关节软骨磨损问题，研究 小组借鉴双极人工股骨头假体的设计原理，在定制化人工半膝关 节的设计基础上，提出了双滑动半膝关节假体的设计理念，并对 其设计方法和制造工艺进行了初步的探讨。 关键词：异体骨移植定制化人工半膝关节快速成型 反求双轨道 第四军医大学硕士学位论文 an e wc u s t o m - m a d ea r t i f i c i a lh e m i - k n e ej o i n t b y r a p i dp r o t o t y p i n g c a n d i d a t ef o rm a s t e r ：l iz h i s u p e r v i s o r ：p r o f w a n g z h e n d e p a r t m e n to f o r t h o p a e d i c s , x 自i n gh o s p 蹦，f o u r t hm i l i t a r y m e d i c a l u n i v e r s i t y , x i 趾7 1 0 0 3 2 c h i n a a b s t r a e t t h el i m b s a l v a g e w a s t h r i v i n g w i t h t h e d e v e l o p m e n t o f n e o - a d j u e n tc h e m t h e r p a ya n ds u r g i c a lr e c o n s t r u c t i o na n dr a d i o l o g y i t i ss t i l lad i f f i c u l tp r o b l e mf o rl i m bs a l v a g eo fc h i l d r e n t h em a s s i v e a l l o g r a f th a sb e e nw i d e l yu s e d ，b u to s t e o a r t h r i t i sc a u s e db ym i s m a t c h b e t w e e na l l o g r a f l c a r t i l a g ea n d o p p o s i t e c a r t i l a g e i sd i f f i c u l tt o s o l v e i ti sb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t m e n tw i t ht h es u r g eo f s u r v i v o r s h i p t h i sr e s e a r c hi sb a s e do nt h ee x c d l e n tr e s u l to f m a s s i v ea l l o g r a f l t h e r a p y c a r r i e do u tb yt h ed e p a r t m e n to f o r t h o p a e d i co f x i j i n gh o s p i t a l ， a i m i n g a tt h en e c r o s i so f t h e a l l o g r a f tc a r t i l a g e s w i t h t h ek n o w l e d g eo f m o d e m 伽瑚啤m ：le n g i m e f i n g , l h es a x t yd e s i r e da n d m a n u f a c t u r e dan e w c u s t o m m a d eh e m i - k n e ej o i n ta n de x p l o r e dt h ep r o c e s s i o nb ya n i m a l t e s ta n dc l i n i c a lt f i a l ：a d u p l i c a t i n gt h es h a p eo f j o i n ts u r f a c eb yt h ec t i m a g e s o fk n e ej o i n t b i n t e g r a t i o nt h e s h a p e o fi n n e ra n do u t e r s u r f a c eo f p a t i e n t sf e m u rc o n d y l ea n da l l o g r a f f s c t h ep r o t h e s i sw a s p l a n t e d w i t hi n t r a m a d u l l a r yn a i lw h i c hw a s d e s i g n e db e f o r e ，c o m b i n e d 、 r i t l lm a s s i v ea l l o g r a f l w h a th a sd o n ea b o v ew a st op r e s e r v ee p i p h y s i s o ft i b i a , t or e d u c et h ep o s s i b i l i t yo fo s t e o a r t h r i t i s ，t o g e tb i o l o g i c a l r e c o n s t r u c t i o na f t e rr e s e c t i o no f b o n et u m o ra n dg o o df u n c t i o no f k n e e 4 第四军医大学硕士学位论文 j o i n t a f t e ro p e r a t i o n t h er e s e a r c h g r o u p h a ss e t u p t h e p r o j e c t o fc u s t o m m a d e h e m i k n e ej o i n tb y c t r p q c ；b r o u g h to u tt h eq u i c km e t h o do f 伽虹m 瑚d ek 蕊妇聆j 血姆“m i m i c s & i m a g e m a n a g e r s u r f a c e r u g t h e r e c y c l eo fm a n u f a c t u r ew a sr e d u c e db yn e wc r a f t ag e n e r a lt a r g e t d e v i c ew a sd e v i s e dt om e e tw i t l lt h ed e m a n do f o p e r a t i o na n di tp r o v e d w e l 】i na n i m a lt e s ta n de l i r t i c a lt r i a l t h e d e s i g n ，m a n u f a c t u r ea n dc l i n i c a lp r o j e c tw e r ei m p r o v e da g a i n a n da g a i n ，a n dt h e nt h e p r o s t h e s i sw a si m p l a n t e di n t o t h ep i ga n d d o g t h er e s u l t ss h o w e d t h ep r o t h e s i sw a s p r e s s - f i t t e dw i m t h ea l l o g r a f t s u b c a r t i l a g i n o u sb o n e ，a n dt h ej o i n ts p a c es t i l le x i s t e d t h ef u n c t i o no f k n e e j o i n tw a sg o o d w i t ht h ep e r m i s s i o no fr e l a t e dl a w ，t h ep r o t h e s i sw a si m p l a n t e d i n t oa - f o u r t e e n y e a r - o l db o yw h oh a sg o to s t e o s a r c o m ai nt h ed i s t a l r i g h tf e m u r , c o m b i n e dw i t l lm a s s i v ea l l o g r a f tb o n e t h er e s u l t ss h o w e d t h ep m t h e s i sa n dt a r g e td e v i c ec o n f o r m e dw i t ht h ed e m a n do ft h e d e s i g nw h i c hw a sm a n u f a c t u r e db yr p a f l e r l8m o n t h sf o l l o w - u p p o s t o p e r a t i o n ，x r a ys h o w e dn od e f o r m a t i o n ，l o o s e n i n ga n db r e a k a g e o fp r o t h e s i s t h ej o i n ts p a c es t i l le x i s t e dw i t hg o o di n t e m a lf i x a t i o n t h er a n g eo fk n e em o v e m e n tw a sf r o mo 。t o 13 5 。( a c t i v e l ya n d p a s s i v e l ”w i m n o r m a lg a i ta n dg o o ds m b i l i t y t h el e n g t ho f r i g h tl i m b i ss h o r t e rt h a nt h a to fl e f fl i g h t l y1y e a ra f t e ro p e r a t i o n t od e a lw i mt h ep r o b l e mo fc a r t i l a g ew e a ri na n i m a lt e s ta n d c l i n i c a lt r i a l ，a n dw i t ht h eh e l po ft h ei d e ao f “b i p o l a r i nt h ea r t i f i c a l f e m o r a lh e a dr e p l a c e m e n t ，t h er e s e a r c hg r o u pb r i n go u tt h ei d e ao f b i t r a c k ”d u r i n g t h e d e s i g n o fc u s t o m m a d eh e m i - k n e e j o i n t e x p l o r a t i o n i su n d e r w a y k e yw o r d s ：m a s s i v ea l l o g r a f t ；c u s t o m - m a d e ；r a p i dp r o t o t y p i n g ； a r t i f i c i a lh e m i k n e ej o i n t ；r e v e r s ee n g i n e e r i n g ；b i t r a c k 第四军医大学颁士学位论文 、上jl 日! j百 恶性骨肿瘤是人类健康的敌人，以骨肉瘤为代表其恶性度高、 患者存活率低，严重威胁人类健康与生命。7 0 年代以前治疗以挽 救患者生命为主，治疗方法包括广泛切除、截肢或放疗，患者生 存率只有1 0 一2 0 。8 0 年代以来，随着新辅助化疗的应用，外 科重建技术进步，新的影像诊断技术如c t 、m 等的出现，四肢 骨肿瘤的综合保肢治疗得以发展，患者的无瘤生存率显著提高到 6 0 一7 0 。治疗目的也从单纯挽救病人的生命，转向重视患者 生存后保留肢体的功能问题。大段异体骨移植一致被认为是目前 应用较广、效果较好的一种保肢方法。目前困扰异体骨移植的主 要是异体软骨坏死、骨性关节炎、异体骨骨折和异体自体骨的愈 合等问题。 快速成型技术，是国外8 0 年代后期发展起来的一门新兴技术， 是指在计算机的控制下，根据物体的c a d 模型或c t 等数据，不借 助其他设备，通过材料的精确堆积，制造原型的一种基于离散、 堆积成型原理的新的数字化成型技术，集中体现了计算机辅助设 计、激光加工、数控和新材料开发等多学科、多技术的综合应用。 r p 技术的特点是特别适合于复杂结构物件、单件或小批量物件的 生产。目前其在医学领域的主要集中在辅助外科手术、假肢制造、 外科教学及下颌骨体的个体化制造，还未见有用于个体化人工关 节制造的报道。 本研究利用c t 断层图像与r p 技术要求输入的s t l 片层数据相 似的特点，应用临床常见的c t 扫描数据获得患者股骨关节软骨轮 廓和异体骨软骨下骨轮廓信息，仿生设计了定制化人工半膝关节 第四军医大学硕士学位论文 并利用r p 技术进行快速建模制造。期望提供一种大段异体骨移植 软骨坏死的解决方案，并以之为起点，对r p 技术在骨科一般内置 物制造方面的应用进行探讨。 第四军医大学颀士学位论文 文献回顾( 一) 骨肿瘤保肢手术及研究进展 恶性骨肿瘤是人类健康的敌人，以骨肉瘤为代表的骨肿瘤恶 性度高、患者存活率低，7 0 年代以前治疗以挽救患者生命为主， 治疗方法包括广泛切除、截肢或放疗，患者生存率只有1 0 - - 2 0 【1 2 】。8 0 年代以来，随着新辅助化疗的应用，外科重建技术进步， 新的影像诊断技术如c t 、m r j 等的出现，四肢骨肿瘤的综合保肢 治疗得以发展，患者的无瘤生存率显著提高到6 0 一7 0 ，治疗 目的也从单纯挽救病人的生命，转向重视患者生存后的保留肢体 的功能问题1 3 , 4 j 。 l 骨肿瘤保肢术适应症 8 0 年代恶性骨肿瘤的外科治疗有了根本的变化，新辅助化疗 的发展，使保肢术成为可能，先进的c t 、m r j 影像学诊断及外科 技术的进步也提供了客观条件【5 “。特别是e n n e k i n g 所提出的肌肉 骨骼外科分期系统的临床应用【7 8 j ，为外科治疗选择手术方法提供 了科学依据。目前保肢术已成为恶性骨肿瘤外科治疗的主要发展 方向。但在考虑保肢术时有一些问题必须加以考虑 1 1 保肢的前提 在骨肿瘤手术治疗时，必须明确，保全生命是治疗的主要目 的、基本原则和治疗的根本问题，同时也是治疗的最低要求。保 命是绝对的，保肢与截肢是相对的。新的辅助化疗的开展为保肢 治疗创造了条件。有效的术前化疗可使大部分原发灶内的肿瘤细 胞坏死，减少术中活肿瘤细胞扩散及接种的机会( 4 l ，并且术前化疗 使肿瘤炎性水肿反应区和肿瘤新生血管消失、肿瘤缩小，能够获 得较为安全的外科边缘切除。因而，术前化疗是保肢手术的前提 9 】。 1 2 骨肿瘤保肢的适应症 第四军医大学预f 学位论文 保肢对患者心理具有极大的优越性，有利于患者重新回到社 会，减少患者在工作和生活的负担，提高生存质量。但保肢术要 求肿瘤能彻底的切除；复发率不高于截肢；保肢术后功能不低于 安装假肢；患者愿意配合；手术医生技术上能够达到。具体的适 应症：( 1 ) e n n e k i n g 分期a 期，对化疗敏感的b 期，主要神经、 血管未受累；( 2 ) 全身情况及局部软组织条件允许，可以达到广 泛切除；( 3 ) 无转移灶或转移灶可治愈者：( 4 ) 患者有强烈的保 肢愿望；( 5 ) 经济上能够承受高强度的化疗。 2 骨肿瘤保肢方法及研究进展 骨肿瘤保肢手术主要问题之一是如何有效的重建肿瘤切除后 所造成的骨缺损。目前有关节融合术、异体骨及关节移植术、特 制人工假体置换术、异体骨和人工假体复合置换术和带血管骨移 植术等多种方法。常用的肿瘤性骨缺损重建方法可以归纳为三种： 人工假体置换、自体或异体骨移植和肿瘤瘤段骨灭活与再利用【。 2 1 人工假体置换 人工假体是目前保肢重建中应用较广的方法，可以达到较好 的早期临床效果，能即刻恢复患肢的功能，早期并发症少，人工 假体置换无需担心骨折和不愈合，适用于股骨近端及膝关节周围 的肿瘤，肱骨头及肱骨近端肿瘤也得到了广泛的应用。目前常用的 有制式人工假体、特制人工假体和组合式假体【1 2 】。但是由于国产 假体材料、设计和工艺等均存在诸多问题，而进口假体价格昂贵 很难在国内普及及个体化假体有很大发展，其系列产品的多样化， 更适应予患者和医生的选。且骨肿瘤患者以年轻患者屠多，如果 能长期存活，其远期的松动等问题也要考虑【l l l 。 近年来可调假体择【1 3 1 4 ，旋转铰链式假体允许膝关节在三个 平面上活动，可以减少骨与假体连接部结构的应力，大大减少磨 损性滑膜炎的发生。为解决儿童发育中出现的肢体不等长所采用 的可延长假体仍在实验阶段，目前正在研制的可调式假体有：( 1 ) 螺纹螺钉调节或在延长活塞内填入碳钨球或“c ”形腔；( 2 ) 应用 籀u q 军医人学坝i 一。 位诊上 外部电磁力求延长的假体”i ，称为无创忭nr 延长假体：t3 ) 自身 凋i ，式可延 乏假体，通过膝天仃屈胁产：扛的运动带动个等齿轮 ( m i t r e g e a r ) ，通过螺纹螺钉束延长t f | 5 体。皮质骨外侨接是使骨 或纤维以骨与假体接合部牛k ， 骨水泥，隔离关节醉损的碎瞒， 从f i i 增加骨与假体的稳定，保， u n w i n 电用羟蛙磷灰相覆盖假体 使新骨长入形成骨小粱j 假体结合肯同时承受应力，另外， 为解决软纽织的附丽问题，在假体的关1 ，部 、7 - 设汁j 钛质架， 将软7 且t r t 或附有软f l t f r t 的骨块同定其j ：，町以观察剑骨及软甜1 织 的蚝入i ”i 。图1 一i 为个体化铰链式人r 膝父节的设计引、i 用。 图1 1 个体化铰链式人工膝关节的设计与应用( 西京医院王臻提供、 2 2 骨移植 2 2 1 臼体骨移植 始r7 0 年代的带m 管的腓骨移植, i t 已j 、v 用于修复1 4 缺拍i 和 骨肿瘤的保胺。佩存远期观察供骨肢体j j 能时有踝天节一i 稳、 疼痛和肌无力1 1 92 0 1 。另外种带血管蒂移植物是游离府附| ：! 骨皮 瓣。肩胛骨的外缘很直，只在肋骨丽有很小曲度，并有比较例定 的营养动脉即锰肩胛动脉及其向所覆盖的软组织发 的乍甯f 内 嫱p u 午口人学坝1 学位论文 皮下分支。这种骨皮瓣可应f j 于骨肿瘤的保肢重建，l ，j 以修复1 4 c m 长的骨缺损和覆盖近3 0 c m 9 c m 的软纰织缺损。和腓骨移植样 带血管蒂肩胛骨骨皮瓣不仪能重建上肢，也能重建负重的卜肢| 2 ”。 但其破坏了i f 常结构，并有一定失败率。 2 2 2 异体骨移植 异体骨移植柯能够恢复骨体积、提供软组易l 附雀部位、来源 广泛、使用便利等优点”22 3 ，使用超低温骨库冻存的同种异体骨 畦建骨缺损，町降低免疫源性，且比冻干骨何更女f 的生物力学性 能。m a n k i n i ”i 报告了膝关节周罔的异体骨移植术，功能满意率为 7 6 。但由j 二感染、骨折、吸收、晚期关节塌陷、排斥反j 衄及传 染病等原吲，异体骨移植的适应癌较人f 天1 ，相对较窄。然而t h r 其在： i 物学蓖建，j 面的优势，仍有计多机构对异体骨材料和应 用进行研究。图1 2 示异体骨移植的应用。 图l 一2 大段异体骨移植用于骨肿瘤保肢( 西京医院王臻提供) 带血管带的冷冻异体骨移植：可以在术后6 周出现再胁筒化， 接骨部位骨愈合良好，而带血管的新鲜移植骨! f 【j 表现 5 免疫反应 和炎性反应。些认为宵免疫抑制的宿主，川以实施带1 i 管蒂的 骨软骨异体骨移植进行亘建【2 。宿卜源细胞最终会重新分币j 到异 体移植骨中，取代了异体移植骨的主要免疫源。h ：成分 2 。 2 3 肿瘤瘤段骨灭活与再利用口7 | 利用肿瘤瘤段骨进行重建，可以避免逊行片体骨移植和人 ： 关节置换及其所引起的并发疵。斟内在此方丽研究较多，犬体可 第四军医大学硕士学位论文 以分为两种：( 1 ) 体外灭活再植：将肿瘤瘤段骨截断，在体外采 用酒精、放疗、冷冻、煮沸等方法，将肿瘤瘤段骨内肿瘤细胞灭 活后，刮除髓内瘤组织，再将肿瘤瘤段骨回植于原处，利用钢板 或髓内钉固定；( 2 ) 体内原位灭活：将肿瘤瘤段骨显露后，在瘤 段骨不截断、保持原位的情况下，利用微波、放疗将肿瘤瘤段骨 内的肿瘤细胞灭活。 肿瘤瘤段骨再利用的优点是：手术简便、费用低廉、无需考 虑骨匹配，较适合于我国的国情，尤其适用于年轻、生存时间长 的患者。同时灭活的肿瘤细胞，可以发挥免疫作用。在骨的重新 修复过程中易发生病理性骨折是其最大不足，但骨折后可通过植 骨、内外固定或人工关节置换等多种方法进行处理，多数可取得 较满意的疗效。 与异体骨移植的重建方法一样有感染、骨折、不愈合、软骨 坏死和迟发窦道等并发症，最终成功率约6 0 【i ”。微波灭活方法 大多只适宜于软组织肿瘤与非负熏部位的骨肿瘤。负重部位的骨 肿瘤微波灭活后由于缺乏坚固性，容易骨折，需佩戴支具长时间 保护，等待坚固能负重的新骨组织形成。因此改进灭活方法，选 择低温有效的灭活温度，加速新骨形成等是微波灭活与高能超声 聚焦灭活的当务之急。 3 骨肿瘤保肢手术的并发症 保肢手术的开展给肢体骨恶性肿瘤患者带来了福音，但同时 也存在发生并发症的危险性。保肢术后大约5 0 的患者会发生一 项或多项并发症【z 。除局部复发之外，并发症主要与肿瘤切除后 骨缺损的重建有关。 3 1 感染 是保肢手术最凶险的并发症，一旦发生多数以截肢终结。无 论采用何种重建方法保肢术后的感染率约在1 0 左右 2 42 引。究其 原因主要与化疗降低患者的抵抗力、肿瘤局部切除后的大段骨缺 损、植入物的异物反应和局部的软组织包盖欠佳等因素有关。选 择合适的保肢手术方法、严格的无菌操作、术中严格止血、术后 第四军医太学硕士学位论文 保持引流通畅和合理的抗生素应用等均是预防感染的关键。 保肢术后的感染往往发生于手术后1 - 3 个月，先有局部窦道形 成、渗液( 初时渗液细菌培养往往阴性) ，随后发生继发感染【1 1 。”】。 包盖相对较好的部位，如股骨上端发生感染的机会要少得多，表 明感染与局部的软组织包盖密切相关。因此对于肿瘤较大或曾经 多次手术局部瘢痕较多，估计肿瘤切除之后软组织包盖欠佳的病 例，选择截肢较适宜。胫骨上端病例必要时取腓肠肌肌瓣包盖植 入物，是一种有效的预防感染的方法。在术后很长一段时间内， 人工假体或大段异体骨周围存在个潜在性腔隙，容易发生积液 ( 或术后积液未完全吸收) ，积液长期存在可能是感染的另一个重要 因素。发现和消除积液是术后一项重要的观察和处理内容。 3 2 骨不愈合 常见于异体骨移植和瘤骨灭活再植的病例。早期的报道异体 半关节移植的不愈合率在1 1 左右，瘤段骨灭活再植连接处的不 愈合率也约在1 0 。近年来由于内固定的改进和连接处骨膜袖套 的应用，骨不愈合率已经降到很低的水平 2 3 , 2 4 2 9 。异体骨移植和瘤 段骨灭活再植不愈合的处理相对容易，给予再次植骨和内固定大 多能获得满意的疗效。 3 3 移植骨骨折 移植骨骨折是另一种保肢手术后的常见并发症。尤其是异体 骨骨折的发生率可达1 6 1 9 ，其发生主要与异体骨的保存、处理 方法、免疫反应、化疗和放疗以及内固定和对异体骨的不恰当钻 孔等诸多因素有关【2 3 。2 9 。放射处理和冻干对异体骨本身的机械强度 有一定的影响，而深低温保存被公认是一种既能使异体骨抗原性 降低，又可保留骨的机械强度的保存方法。免疫反应、化疗和放 疗对异体骨在体内愈合过程和骨折的影响的详细机制还不十分清 楚，但以上因素会导致植入骨的骨质密度降低，而增加骨折的机 会。内固定特别是钢板固定造成的应力集中是导致异体骨骨折的 主要原因。由于内固定方法的改进，如交锁型髓内钉等p0 】的应用 使骨折的发生率有所下降。 第四军医大学硕士学位论文 异体骨骨折的发生有一定的规律【2 3 2 42 9 1 ，一般多发生于术后1 2 年，这主要与皮质骨在体内爬行替代的过程有关。皮质骨爬行 替代的早中期以血管长入和骨吸收为主，此时植入骨的机械强度 仅为正常骨的5 0 左右。由于此时骨的连接端往往已经愈合，多 数患者已恢复行走，医患双方均较易产生麻痹思想，因此掌握此 规律对预防骨折尤其重要。手术后3 年左右，植入骨与新骨形成 的复合物接近于正常骨的机械强度，因此再发生异体骨骨折的机 会则相应减少。瘤段骨灭活再植的骨折除与异体骨骨折有相同的 过程外，还具有自身的特点一即好发于肿瘤灶部位，肿瘤灶的骨 水泥填充和交锁型髓内钉的应用可降低瘤段骨骨折的发生率 2 7 】。 国内学者通过实验和临床研究 2 4 捌，发现降低微波灭活的温度，能 减少骨折的发生率。骨折的处理可通过植骨、内外固定和假体置 换等多种方法治疗，多数可取得较满意的效果。 3 4 关节软骨坏死 异体骨移植与肿瘤骨灭活都存在关节软骨的变性、脱落、坏 死，多发生在术后3 6 个月 2 4 2 9 。关节软骨本身失去活性是导致 其变性坏死的根本原因，软骨下骨的吸收、塌陷加速了关节软骨 的脱落、坏死。关节软骨坏死，成为游离体，破坏对侧软骨，引 起骨性关节炎，最终将导致关节功能丧失而使保肢失败。对于关 节软骨脱落、坏死的研究，由于保肢术才开展近2 0 年，加之它不 象感染、骨折、骨不愈合那样可引起肢体的即刻功能障碍，因此 研究较少。随着其他问题的逐渐解决和患者生存率的提高，关节 软骨的问题正日益受到关注。 3 5 人工假体的折断与松动 随着骨肉瘤患者保肢术后生存期的延长，假体的折断与松动 的发生率逐年增加，国外报道5 年的松动率在2 0 一2 5 之间 【1 1 2 4 1 。铰链式肿瘤假体的长臂在生物力学方面的缺陷以及缺乏软组 织附丽是假体松动、折断的主要原因。对此并发症的处理是进行 人工假体的翻修手术。 毫无疑问，在骨肉瘤患者生存率提高的基础上，由于影像学、 第四军医大学碗士学位论文 外科分期、切除原则、重建方法的发展，使得对保肢手术的认识 逐渐深入，促进了挽救肢体技术的发展，改变了对骨肉瘤以截肢 为主的观念。但骨肉瘤保肢治疗效果远未达到满意的程度，有许 多问题有待于深入研究和探索。 4 我们的研究 4 i 基础研究 自1 9 8 7 年至今，西京医院骨科研究所对骨肿瘤的保肢方法从 基础到临床进行了长期、有效的研究。 2 3 2 8 - 4 2 1 在7 0 8 0 年代，主要采用采用肿瘤骨煮沸、酒精灭活等方法 手术，但发现灭活后，骨生长因子严重破坏，骨缺乏骨诱导能力， 而且瘤骨去病灶后强度降低，移植的异体骨又不能很快愈合，术 后骨折发生率高。后又对y 射线灭活进行了研究，发现经射线照 射后，骨周围软组织完全被破坏，特别是韧带的破坏，术中韧带 修复困难，使术后关节稳定性失去保证，遂也逐渐放弃。 自1 9 8 9 年，开始对大段异体骨移植用于骨肿瘤术后的肢体重 建进行了深入、广泛的研究。对异体骨愈合过程的研究发现：异 体骨与宿主骨通常在4 6 个月即有坚固外骨痂，大段异体骨关节 移植其新骨修复替代过程的控制与自体骨膜成骨和血管向异体骨 中长入密切相关，局部良好的血运、骨块正确锯裁、骨端准确对位 及可靠的内固定和术后合理负重，都是愈合的重要条件 4 3 4 4 l ；植骨 后骨吸收与爬行取代是同时进行的，骨吸收可以为骨生长提供新 骨爬行掺入的条件，但如果吸收过度超前，植骨吸收过快，可导致 植骨失败 4 44 5 】；内锁髓内针固定可使断端间隙无法受自身重力加 压，所以采用动力固定较为合理，利用体重自加压促进骨愈合，另 外骨愈合还与植入骨成骨活性有关 4 3 1 ；尽管取骨时己用甘油作为 冷冻保护剂处理了关节面，深低温冷冻异体骨关节非负重区的软 骨可以部分存活，但主要负重区关节软骨则不能存活：关节功能 与形态的保持与异体自体关节良好的对位、大小形状的匹配、满 意的稳定性及软组织覆盖有关。虽然软骨下骨、骨小梁可转变成 活骨，有新骨及血管形成，但骨小梁的吸收和新骨的力学强度不 第四军医大学硕士学位论文 足，可能是关节面塌陷的原因；骨组织抗原性较弱，经低温冷冻处 理后抗原性进一步下降。 对异体骨生物力学研究表明【3 7 】：大段同种异体骨目前多采用 深低温保存，与瘤段灭活后的骨段相比较，同种异体骨的机械强 度明显优于瘤段骨；采用四环素标记、x 线摄片等方法，对人自体 皮质骨移植修复进行观察，结果发现术后8 个月内骨吸收占优势， 骨强度最弱，一般至术后2 年左右才逐渐恢复正常；深低温冷冻 储存异体骨，储存时间的长短对异体骨生物力学特性无明显影响； 在异体骨上钻孔使异体骨强度明显降低。 综合认为：( 1 ) 骨痂由自体骨向异体骨侧生长连接以达到骨性 愈合，异体骨关节血运可重建。( 2 ) 负重区关节软骨不能存活，关 节塌陷与骨小梁吸收有关。( 3 ) 异体骨内b m p 在移植后早期的新 骨替代及愈合中起作用，1 、2 个月后则主要是靠骨传导而不是骨 诱导。( 4 ) 坏死骨单位的排除是不完全的，最终只有约2 0 的异体 骨被替代。( 5 ) 移植骨在体内愈合过程，并非单纯依靠宿主向移 植骨爬行替代，而是移植骨段多途径的活化愈合过程。也就是说 凡接触宿主骨端或接触移植骨床软组织的移植骨表面，爬行替代 和骨诱导同时进行。( 6 ) 异体骨愈合主要靠异体骨周围大量间充 质细胞侵入和局部骨生长因子的聚集。 4 2 晒床研究 在上述基础研究的基础上，我们对大段异体骨移植保肢术进 行了改进。为了避免钢板内固定带来的骨强度降低致异体骨骨折 发生率高的问题，设计了股骨髁逆行带锁髓内针【3 0 】：从股骨髁间 窝逆行打入髓内针，并将髓内针锁钉嚣于异体骨一侧，既起到防 旋转，又避免了异体自体骨接合部的应力遮挡，并在异体骨吸收 期起到增加异体骨抗扭转、折弯的能力，可以有效地防止骨吸收 活跃时造成的骨段塌陷，引起骨段骨折或内固定失败( 弯、断钉 等) 。从1 9 9 6 年至今，对3 6 例骨肿瘤大段异体骨移植保肢进行的 回顾性调查研究，平均随访4 8 个月：采用逆行带锁髓内针内固定 异体骨的骨折发生率与创伤骨折内固定术后骨折发生率无显著性 第四军医大学硕士学位论文 差异。 异体骨愈合主要靠骨传导，骨诱导亦发挥积极作用，异体骨 愈合与爬行替代主要靠异体骨周围大量间充质细胞侵入【4 2 】。鉴于 此在手术中设计了采用骨断端骨膜袖套或肌皮瓣覆盖移植骨及自 体异体骨接合部，采用髓内钉固定等有利于增加移植骨与宿主的 接触面，增加异体骨与周围软组织的接触面积，为异体骨愈合创 造良好的条伴。通过对9 6 例骨肿瘤大段异体骨移植保肢进行的回 顾性调查研究，异体骨与自体骨平均愈合时间3 个月，愈合率达 8 7 ，基本达到临床要求。 为了获取大量合乎移植标准的大段异体骨，研究所经过1 5 年 的努力建立了国内领先的大型综合骨库【4 6 】。建立了无菌取骨、去 骨髓、抗生素盐水冲洗、关节面0 1 9 l 一1 甘油氯化钠液处理、双 层血浆袋封存，最后- - 8 0 深低温冷冻保存的一套有效方法。既 降低了异体骨的免疫活性，又最大程度保持了异体骨的生物力学 性能和b m p 等骨生长因子的活性。经处理的异体骨宿主无肝炎、 结核、性病、肿瘤等病史，血样检查无爱滋病病毒、肝炎病毒、 梅毒等病菌，血细菌培养阴性，多年来无一例传染病例发生。在 提供常规异体骨的基础上又研制成功的复合b m p 的重组合异种骨 和抗感染重组合异种骨，促进了异体骨的愈合，扩大了使用范围， 为临床提供了多种选择。 通过采用逆行髓内针，骨膜、软组织袖套和建立标准的综合骨 库等措施，使西京医院骨科的大段异体骨移植修复骨肿瘤切除术 后的肢体缺损的治疗效果大大提高，优良率达8 4 。 4 3 对保肢术的思考 随着手术、放疗、化疗和免疫治疗的进步，恶性骨肿瘤的生 存率与生存时间都大大提高，使铰链式人工关节的术后松动、疲 劳断裂等并发症与异体半关节移植异体软骨坏死等时间相关性疾 病逐渐受到重视。而骨移植的生物固定的优势也逐渐显露出来。 因此，对异体半关节移植的软骨坏死的问题进行探讨具有重要而 实际的意义。复合大段异体骨的人工关节置换在股骨上端骨肿瘤 德p u _ 年瓯、学f mi 化论空 的治疗中取得了优异的效果，已成为种阎定的术，。它其仃以 f 优点m 4 74 引：1 ) 复合体可抉得较好的叭肉韧带附丽，爿提供较满 意的关节功能；f 2 ) 绍装人： 关节假体_ j 调整肢体长度，纠】r i 冈病 珲性骨折造成的肢体短缩畸形；( 3 ) 宿主1 于j 同种异体骨可有牢同 的q ：物学愈合；( 4 ) r 叮减少宿主骨因应力遮挡引起的骨质疏松及假 体长柄的应力集中。“ 于膝关节的特跌件，从现有的临j 术结果来 看，普通企膝关节复合人段异体曾移植治疗卧赡切除后的斟缺损 效果较差，未能普及。而膝天1 ，周日司j 是恶性骨j | j p 蝌的菏i 发部位。 例1 3 示股骨 段复合人t 失常的异体骨移植。 综f ：述，x 、f 异体骨移植中异体关常软骨坏死的问题，设计1 种新型复台大段芹体骨的股骨髁人_ ：荚，软骨，提供种t p 侧膝 图卜3 股骨上段复合人工关节的欠段异傣骨移植r 西京医院王臻提供) 天节置换的方案，对完善异体、 关宵异体，解决恶，陀骨肿瘤高发 的股骨f 端的瘤段骨切除保肢术后的脞体j j 能的问题j 女f 】t e 人的 实际意义。 第四军医大学硕士学位论文 文献回顾( 二) 儿童恶性骨肿瘤保肢手术的进展 儿童恶性骨肿瘤患者，病骨发育成熟( 1 4 1 6 岁) 是选择保 肢手术的适应症之一。因为儿童患者实施保肢手术后，骨骺的损 伤迟早会导致肢体明显不等长，引起下腰部疼痛及代偿性脊柱侧 弯，步态异常等：加上患儿一般难以配合手术后的功能锻炼，所 以保肢手术的效果多不能接受。传统上，这部分患者需要选择截 肢治疗4 ”。 随着现代化疗、影响学诊断技术、病理诊断水平、外科分期、 手术技巧以及手术后康复疗法的提高，现在9 0 的恶性骨肿瘤可 以选择保肢手术治疗，其长期生存率应该能够达到7 0 一8 0 。 目前，在不影响生存率及局部复发率的前提下对儿童实施保肢术 已经成为可能舯】。即使对于年龄较小的儿童骨肿瘤患者，保肢手术 也已经成为了首选治疗方法。各种儿童肢体恶性骨肿瘤保肢手术 也取得了相当的进展p n 。 儿童保肢手术分为两步：第一步为肿瘤切除；第二步为切除 后的重建。肿瘤切除后的重建方法较多，包括假体置换术、旋转 成型术、关节融合、自体骨移植、同种异体骨关节重建术、同种 异体骨一假体复合重建术，以及肿瘤骨灭活再植等。儿童骨肿瘤 切除术分为骨干切除术和台关节的骨段切除术。对于骨干切除术， 最好的重建方法是在骨缺损部位移植同种异体骨或自体骨。骨延 长术也是一种可供选择的方法。含关节骨段切除后的重建较复杂， 术后合并症多，也存在许多争议。人工假体置换术操作相对简单， 短期功能效果良好，是目前含关节骨段切除重建中应用最广泛、 发展最快的手术方法。 儿童保肢的适应症与成人相似：肿瘤切除后保留下来的软组织 结构能稳定重建后的关节，能为关节主动活动提供动力，较好的 恢复肢体主动活动的功能；主要神经、血管束未被侵犯，肿瘤能 9 第四军医大学硕士学位论文 获得最佳边界切除；保肢重建后的功能优于假肢；局部条件好， 病人有保肢要求，能积极配合治疗；部分病理骨折的患者，如果 肿瘤对化疗反应良好可以保肢。 1 儿童恶性骨肿瘤保肢手术的方法 为了解决儿童保肢术后出现的进行性肢体不等长，目前的重建 方法中最常用的是应用可延长式假体重建骨缺损1 它明显区 别于成年患者的特指肿瘤性人工假体。 1 1 可延长式假体 可延长式假体最早应用于1 9 7 6 年。其中s t a n m o r e 型假体现已 发展到第四代。按发展顺序依次为：螺纹驱动式( s t a n m o r ei 型) ； 球轴承式( s t a n m o r ei i 型) ；c 型环管式( s t a n m o r e l i i 型) ；微创 型( s t a n m o r ei v 型)