《npj Biomedical Innovations》：An integrated digital-to-surgical framework for patient-specific chest wall resection and reconstruction using 3D-printed titanium implants: proof-of-concept study
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摘要：针对广泛切除后导致的大面积、解剖结构复杂的胸壁缺损，传统重建技术进行患者特异性的骨骼重建仍具挑战性。研究人员描述了一种用于患者特异性胸壁切除与重建的端到端数字-手术工作流框架，该框架采用三维（3D）打印钛合金植入物。这一四阶段工作流整合了计算机断层扫描（
摘要：针对广泛切除后导致的大面积、解剖结构复杂的胸壁缺损，传统重建技术进行患者特异性的骨骼重建仍具挑战性。研究人员描述了一种用于患者特异性胸壁切除与重建的端到端数字-手术工作流框架，该框架采用三维（3D）打印钛合金植入物。这一四阶段工作流整合了计算机断层扫描（CT）成像数据、虚拟3D解剖建模、虚拟肿瘤切缘规划、计算机辅助植入物设计（CAD）、立体光刻原型验证以及采用激光粉末床熔融（L-PBF）技术的增材制造。将医学数字成像和通信（DICOM）格式的高分辨率CT数据转换为患者特异性的胸壁和肿瘤3D渲染模型，以实现肿瘤范围的虚拟界定和数字化规划的切除切缘。随后利用这些数字切除模型来设计解剖学匹配的患者特异性植入物。在最终以钛合金制造前，通过立体光刻原型对植入物设计进行了验证。该工作流在连续六名需要进行重大胸壁切除与重建的患者中接受了临床可行性评估。在所有病例中，数字化规划的切除与重建均在术中无需修改的情况下完成。植入物展现出精确的解剖贴合度、牢固的固定效果以及对胸壁解剖结构的满意恢复。在5个月至5年的可用随访期内，未观察到植入物失败或植入物相关并发症。两名因姑息治疗而接受重建的患者随后死于其基础疾病的进展。这项单中心概念验证研究证明了数字-手术工作流的临床可行性，并为未来的多中心评估奠定了基础。
论文解读
研究背景与现存问题
胸壁肿瘤的手术切除需进行广泛的局部切除和全层胸壁切除，以确保肿瘤切缘阴性、降低局部复发率并促进长期生存。然而，这种切除会导致大面积缺损。对此类缺损进行解剖学重建至关重要，旨在最小化胸部畸形、恢复胸壁的正常解剖形态与结构、保护其保护和呼吸功能，并在必要时允许患者接受辅助放疗。然而，胸壁重建复杂且充满挑战，需要结合胸膜、骨骼重建及软组织覆盖。尽管手术技术和材料学取得了显著进步，但关于骨骼重建的最佳假体材料和形状，外科重建团队间仍缺乏共识。传统的合成网片、甲基丙烯酸甲酯复合假体（MMA-CP）和钛板等技术虽能恢复结构完整性，但许多方法需要术中塑形和调整，导致植入物贴合度、手术复杂性和重建准确性存在差异，并各有其局限性。因此，亟需一种能够将术前切除规划可靠地转化为解剖匹配重建的、可临床实施的数字化工作流。
研究内容、结论与意义
研究人员开发并评估了一种集成的数字-手术框架，该框架将CT成像、虚拟肿瘤切缘切除规划、计算机辅助植入物设计（CAD）以及患者特异性3D打印钛合金植入物的增材制造整合到一个单一的工作流中，即Goldsmith-Bragg工作流协议。该概念验证研究在六名需要不同类型复杂胸壁切除与重建的连续患者中评估了这一集成框架的可行性和临床实施情况。研究结果表明，所有病例均成功完成了完整的数字-手术工作流，术中无需对植入物进行修改。虚拟手术规划能够准确预测手术缺损的形状和大小，实现精确的植入物设计与定位。患者特异性的3D打印钛合金植入物展现出精确的解剖贴合度，固定点与原生骨准确对齐，提供了即时的胸壁稳定性。在5个月至5年的随访期内，未观察到植入物失败或植入物相关并发症。该研究证明了结构化数字-手术框架的临床可行性，通过将胸壁切除几何形状直接用于指导植入物设计，为实现复杂胸壁缺损的解剖匹配重建提供了一条可临床实施的路径，并为未来的多中心评估奠定了基础。
关键技术方法
研究人员采用了包含四个阶段的完整工作流。第一阶段：术前图像获取与分割。获取患者仰卧位、双臂举过头顶、0机架倾斜、1.0 mm层厚的胸部及腹部CT扫描数据，导入Mimics Medical 20.0软件创建胸壁及肿瘤的3D虚拟模型，随后导入Geomagic Freeform Plus 3D CAD软件，并在肿瘤周围软组织中创建一个2 cm的正向偏移以定义软组织切缘。第二阶段：规划虚拟手术切除与设计植入物。在Geomagic Freeform Plus中，利用触觉界面可视化肿瘤、肋骨和胸骨的3D结构，沿肋骨和胸骨的解剖边界划定精确的切除平面，并使用“修剪”或“布尔减除”功能模拟虚拟切除，产生预期的切除缺损。随后，在此模板基础上设计仿生3D解剖植入物，其肋骨部分厚度保持4-5 mm，胸骨部分为6-7 mm，并在肋臂与胸骨连接处添加圆角以避免应力集中。第三阶段：验证与3D打印。首先进行虚拟贴合验证，将植入物图像叠加于胸壁缺损模型上确认贴合度。随后，使用全尺寸（1:1）的可灭菌立体光刻树脂原型（SLA）进行物理贴合验证。最终，采用激光粉末床熔融（L-PBF）技术制造钛合金植入物。第四阶段：手术切除与重建。在全身麻醉下，依次进行背阔肌肌瓣的制备、肿瘤及软组织的整块切除（确保2 cm宏观切缘）、使用3D打印解剖钛植入物和切割导板进行精确的骨骼切除与重建，最后进行软组织重建与皮肤闭合。所有六例患者均来自英国斯旺西莫里斯顿医院。
研究结果
患者队列与缺损特征：Goldsmith-Bragg工作流协议应用于2017年至2025年间六名需要进行全层胸壁切除术的连续患者。缺损类型包括单纯肋骨切除（n=2）、包含肋骨、肋软骨和半胸骨的复合切除（n=2），以及胸骨连同相邻肋软骨和肋骨切除（n=2）。所有切除均导致大于5 cm的骨骼缺损，不适合一期闭合。
工作流的可行性：在所有六名患者中，从图像分割和虚拟规划到虚拟手术切除、植入物制造和手术切除重建的完整数字-手术工作流均成功完成，术中无需对植入物进行修改。虚拟手术规划使研究人员能够准确预判手术缺损的形状和大小，并实现精确的植入物设计和定位。所有六例均实现了肿瘤完全切除并获得清晰的手术切缘。
植入物贴合度与术中表现：在所有六例中，患者特异性3D打印钛合金植入物均与残留肋骨和/或胸骨表现出精确的解剖贴合度。固定点与原生骨准确对齐，可使用间断缝合线进行牢固锚定，无需过度张力或塑形。植入物重叠正常骨骼数厘米，提供了即时的胸壁稳定性。
手术参数：手术时长反映了切除与重建的复杂性，复合型胸骨-软骨-肋骨缺损的手术时间比单纯肋骨重建更长。重建时间介于127分钟至258分钟之间，更复杂的胸骨-肋骨-软骨重建耗时更长。
早期术后结局：无院内死亡、重大并发症、深部手术部位感染、植入物相关并发症或归因于重建的急性呼吸功能不全。所有六名患者均实现了即时胸壁稳定性和胸廓轮廓的恢复。随访期为5个月至5年，期间未观察到植入物相关感染、移位、脱位、反常胸壁运动或机械故障。两名接受姑息性重建的患者随后死于其基础疾病进展，但未出现植入物相关失败。
放射学与功能评估：术后即刻胸片证实了准确的植入物定位和稳定的固定。系列胸片和CT扫描显示维持了对位，无松动、断裂或移位的证据。所有六名患者均保持了0-1级的呼吸困难评分，并报告了满意的功能结局。在三名患者中进行的客观肺功能或心肺运动测试结果显示，术后呼吸功能和运动能力得以保留。
工作流实施与方案评估：该工作流协议在不同胸壁部位和缺损大小的病例中成功实施。在一例患者中进行的定量几何一致性分析显示，虚拟规划植入物与术后植入物位置之间的平均表面偏差为3.11 ± 1.40 mm，在该验证背景下被认为是可接受的。
讨论与结论
该研究描述了在复杂胸壁切除与重建中使用3D虚拟手术规划和增材制造的患者特异性钛植入物的数字-手术工作流的可行性及临床应用。与传统方法相比，该工作流通过提供术前数字化规划并按需制造的个性化钛植入物，解决了传统方法依赖术中塑形、解剖精度有限以及并发症风险等问题，从而提高了手术精度，保留了胸壁完整性并改善了早期临床功能。研究的局限性包括：这是一项小型单中心病例系列，缺乏对照组；随访期侧重于早中期结果；功能评估未系统化；成本效益未正式评估；且实施需要专门的软件、工程支持和3D打印基础设施。研究结论总结如下：该研究描述并展示了一个结构化数字-手术框架的可行性，其中胸壁切除几何形状直接指导患者特异性胸壁重建的植入物设计。通过将胸壁替换植入物的设计和制造从术中适应转变为术前数据驱动的数字化规划，该框架为复杂胸壁缺损的重建提供了一条可临床实施的路径。该工作流整合了成像、虚拟切除规划和计算机辅助设计与患者特异性3D打印钛合金植入物的解剖匹配制造，从而使手术规划与匹配的重建保持一致，并为未来确定该工作流普适性及其相对于现有重建策略潜在优势的多中心评估奠定了基础。
