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您關心的事.......   [版權所有---台大醫院骨科部]

化腐朽為神奇─談骨腫瘤人工關節

楊榮森  醫師

前言

就運動功能而言,骨骼肌肉系統提供非常重要的角色,人體的基本支架由骨骼所構成,並且在骨骼之間形成關節,各種關節的活動範圍與功用各具特色,這些構造與肌肉的共同互動,才能完善發揮人體的運動功能;由於人體的運動功能係經由長期間的發育生長才完成,所以人體可完成高技巧的動作,及操作精密的工具,因此,當一位病患因為罹患骨腫瘤,腫瘤嚴重破壞骨骼時,除了引起疼痛與腫塊之外,經常會引致運動功能的障礙,也因此治療骨腫瘤的基本要求,除了病患的存活率之外,更應兼顧功能與美觀的要求。這也是診治骨腫瘤病患時,有別於其他系統腫瘤的特異性所在。

骨腫瘤種類很多,在尚未發展出輔助性化學治療輻射治療之前,許多惡性骨腫瘤的治療效果都令人失望,許多腫瘤都難以控制,且迅速長大,嚴重破壞骨骼,因此早期對這些腫瘤病患的手術唯有截肢一途,但仍有許多病患死於肺部轉移。此外,有些轉移性骨腫瘤及活性強的良性骨腫瘤,也會快速破壞骨骼,造成運動功能障礙與重建技術的挑戰。早期治療惡性骨腫瘤通常只有截肢一途,雖然義肢可提供截肢病患很好的功能,但卻無法彌補失去完整身體形象的缺憾,且更基於對肢體功能的冀望,且如前所述,由於骨關節系統對人體運動功能的重要性無可取代,因此,重建這些病患在接受腫瘤切除手術後的肢體缺損,乃成為多年來骨腫瘤科醫師的重大挑戰,更促使醫學界對肢體重建技術的全力研發。

隨著各種醫療技術的進步,目前許多設計可供作肢體保存手術的選擇,加上化學治療的進步與成功,使腫瘤變小,在施行腫瘤切除手術時,可保全更多正常組織,並延長骨癌病患存活時間,使肢體保存手術更有意義,這項技術的大突破已為骨癌病患帶來新希望,因此本文將簡要介紹關節腫瘤切除後的重建新知。

骨腫瘤的手術簡介

治療惡性骨腫瘤的首要法則,必須能完全切除發生腫瘤的部位,因此早期發現的小型骨腫瘤,所需切除的部位較小,可保留的組織較多,手術後的功能會更佳,復健成效也會較好,併發症也較少。骨腫瘤的切除,在技術上可依殘存的正常組織再細分等級;一般分為四級,即病灶內手術(即在病灶內作刮除手術,因此在切除緣上仍有腫瘤組織),病灶周緣手術(切除範圍在腫瘤邊緣的反應區內),廣泛切除手術(切除線距腫瘤組織三至五公分以上),根除手術(切除整個包括腫瘤的組織區間)。

臨床上截肢的適應症包括:若惡性骨腫瘤很大且包住重大血管神經時,骨骼發生病理性骨折且血腫塊廣泛分佈時,切片部位發生併發症時,如發生細菌感染,或出血很多以致於污染很大範圍的組織,多次發生腫瘤的復發,或再發腫瘤的範圍很大,局部發生大範圍皮膚潰爛或細菌感染而無法重建時,腫瘤對化學治療或輻射治療反應不佳時,化學治療或輻射治療後局部軟組織情形不適宜作重建時,切片位置不佳造成廣泛污染時,或是年紀太小的小孩而對化學治療或輻射治療無效等,都可能需作截肢。截肢後須選用合適的義肢,最好先與醫護人員,復健醫師及義肢製造技師討論才作決定。

關於肢體保全手術方面,臨床上許多骨腫瘤好發於膝關節兩端,股骨近端(髖關節),骨盆與肱骨近端(肩關節),因此治療上經常面臨關節重建的考驗,在切除腫瘤之後,會造成骨骼或其他組織的缺損,目前有各種手術式可修復。一般而言,關節重建方式包括關節整型術,關節固定術或人工關節置換手術,依病患的需求及手術的可行性而定。關節整型術如切除式關節整型可用於肩關節重建,或是使用自體關節重建(如腓骨頭部可用於重建腕關節),也可採用異體關節作重建,即使用他人所捐贈的骨骼或關節進行重建;關節固定術可同時利用其他部位的骨骼或異體骨骼進行,若病患年紀太小,如八至十二歲或更小的小孩,可適當施行關節重建手術,等化學治療後再進一步解決其他問題。有些醫師合併使用人工關節加上異體骨骼進行關節重建,此外,也有些醫師可利用人工關節進行前述病患的重建,人工關節置換術則使用現代化材料及製造技術,精密測量病患切除部位的大小尺寸,並且製造合適關節以供使用,此常用於膝關節、髖關節及肩關節重建,但也可用於其他部位的重建。

醫師決定手術方式時,會考慮許多因素,包括骨腫瘤種類,腫瘤分期,病患年齡,是否發生轉移,重建材料,病人意願,手術經驗,病人工作要求,及疾病預後等實際因素。腫瘤人工關節的適用對象上,凡是原發性骨腫瘤,良性骨腫瘤但具高活性者,或是轉移性骨癌病患等,若因腫瘤造成骨骼的廣大範圍破壞,都考慮使用此種治療方式。

人工關節的組件與設計

由於各個骨腫瘤病患所需切除的腫瘤部位不一,且切除長度也因病況需求而有差異,再加上病患的年紀範圍很大,骨骼大小也有差別,因此基本上腫瘤人工關節都是定製型的人工關節,即在手術前利用各種影像造影技術準確測量所需切除的長度,以及病患的骨骼尺寸,再依各關節部位的功能需求,定製合適的腫瘤人工關節供醫師使用。這些人工關節的設計及製作技術,與一般性的人工關節有著密切的關係,但複雜得多。在腫瘤人工關節發展之初,有各式各樣的設計問世,但經過近二十年來的精心改進,加上近年來生物力學,生物材料學,製作技術,以及各式新設計的推出,使許多病患的治療成效大為改善。

目前有關人工關節的設計已有許多突破,對於腫瘤用之人工膝關節及髖關節的設計及製造已有許多成熟理念,許多專家投身於此項腫瘤重建器材的研究開發,使這些技術更為圓滿成熟。施行腫瘤人工關節置換手術前,應先對病患的腫瘤部位作完整的影像評估,並預定需切除的腫瘤部位及長度,且利用影像分析技術設計合適的腫瘤用人工關節供醫師進行重建手術,此項新技術為骨腫瘤及軟組織腫瘤的肢體保全重建手術開創新里程。在此簡介腫瘤人工關節的組件與設計的發展。

(1)組合式的設計原則

腫瘤人工關節的設計史上,早期係使用單組件式的人工關節,即全部人工關節皆由一塊金屬所完成,這種作法的製作技術十分困難,若測量有誤,節無法切合病患需求,且製作過程費時甚久,若發生任何問題,幾乎無法改善或重作。因此,多年來的改進,發展出組合式的設計(modular prosthesis),即將腫瘤人工關節分成數段,分別製作,再用特殊設計的連接結構將這些構造組成完整的人工關節使用。雖然各式各樣腫瘤人工關節的種類不同,但這些人工關節的組件有四,即關節組件(取代原先的關節),節段組件(取代被切除的骨骼段),人工關節柄組件(置入骨骼髓腔以固定人工關節),各組件間的連接設計(以便使各組件之間能夠密切接合),後者的一端外觀呈短圓錐形,另一端則呈圓錐形凹下,經用力敲擊即可緊密接合,不易脫開。這些組件皆可具有不同尺寸可供選用,因此縮短許多等待的時間,對病患的選用上也提供很多的便利,這是腫瘤人工關節的重大發展之一。

(2)適當的大小,形狀與長度

為使能得到成功的治療成果,這些腫瘤人工關節的尺寸,形狀及固定設計(如固定韌帶的設計,或關節固定於骨骼的設計等)都須合適才可。由於切除腫瘤時,須切除腫瘤周圍的一些肌肉及皮膚,以保障手術範圍安全足夠,因此所餘留的肌肉及軟組織較少,若使用原先大小的人工關節來重建,可能無法關上傷口,所以應選用較小的節段,但應維持原先的肢體長度,以達到最佳的肌肉作用長度,但對於在骨骼內的柄部組件,則應選用最大可用的尺寸及足夠的長度,才可發揮最大的固定作用,有時若柄部太短時,須另增加鎖定式螺絲釘來固定。此外,肩關節及髖關節的重建,由於經常只置換肱骨或股骨而已,因此,應選用合適尺寸的人工關節頭部來重建,且其形狀應與關節面達到最佳吻合度,以減少關節壓力的局部集中,但膝關節因為股骨遠端和脛骨近端都需置換,因此可選用較小尺寸比較合適。

(3)軟組織重建設計與組成式固定原則(Composite fixation principle)

由於切除腫瘤之後,許多關節的韌帶皆需切開,這些韌帶係負責關節穩定度的重要構造,因此,在裝置腫瘤人工關節之後,須將這些韌帶穩定地固定到人工關節組件上,才能提供其穩定性,減少發生脫位的危險性。有鑑於此,各式人工關節皆在相對於韌帶原先位置上設計供縫合用的固定設計,以便裝置妥當之後,可提供韌帶的固定位置,有些設計且引進新近的韌帶固定技術與特殊螺絲釘。但由於腫瘤人工關節手術後,仍需廣泛的組織面來提供纖維組織的成長,以提供更大的支持力量,因此許多設計者在這些部位舖上一些金屬微粒或氫氧磷灰石的表面處理,以提供生長之用。同樣的設計也可用於處理腫瘤人工關節與骨骼的接合部位,以促進形成更多的骨骼包住人工關節接合部位,減少金屬微粒進入骨髓腔內的機會,如此即可減少發生人工關節鬆脫的情形。

(4)具旋轉式組件的人工膝關節

臨床上膝關節附近的骨腫瘤很多,以往許多腫瘤人工關節的設計皆使用固定的樞軸,只允許人工關節作單一軸向的屈曲動作,但是由於人體的膝關節運動雖以屈曲為主,但亦含有旋轉及其他微小的滑動等動作,因此在早期使用單軸向的人工膝關節後,病患脛骨會承受過大扭力,使人工關節很早即發生鬆脫現象,改進後即採用另外增加旋轉組件的新式人工膝關節,即在脛骨組件上增加一個可提供旋轉作用的組合,其設計包括球形連接組件(spherocentric knee prosthesis),轉軸連接組件(Link prosthesis),及旋轉式樞紐組件(rotating hinged knee prosthesis),後者的組件介面採用平面或曲面弧的設計,目前以後者最為普遍。

(5)可延長的腫瘤人工關節

因為許多骨腫瘤病患都是兒童,所以可能會繼續成長,因此,若病患在幼年接受肢體保全手術,並使用腫瘤人工關節來重建,可預期在成年之後,必然出現嚴重的肢體不等長問題,因此這些成長中的學童在接受此類人工關節重建時,需觀察身體生長情形。有鑑於此,人工關節的設計者即在節段組件內設計一些隱藏式的延長桿,在病患長高且兩側肢體相差超過2公分以上時,可施行手術將該組件延長。近年來所採用的組合式人工關節,亦可提供相似作用,即施行手術使用較長的節段組件來更換,即可達到效果。有些新式設計可利用病患肢體的屈曲動作或體外的電磁場提供動能,達到延長的效果。

由於以往要採用此類人工關節需事先向國外訂製,不但價格昂貴,且製作費時,國內病患都須等上一段時間才可手術,期間若發生腫瘤變大,或發生骨折,也無法立即施行手術,因此造成許多困擾。有鑑於此,作者乃兼顧前述原因,與國內專家合作研究開發,並經嚴密測試,然後製作此類腫瘤人工關節,以供使用以治療骨腫瘤病患,可望改善這些問題。目前共完成肩關節,髖關節,膝關節(包括切除股骨遠端時及切除脛骨近端時等兩種)(見圖)。這些設計皆獲衛生署的同意及健保局的給付,且獲得三項專利。經過改良後的人工關節,不但更合適國人的身裁,且膝關節彎曲度更佳,而我們也改良旋轉式樞紐組件的界面,從原先的曲面設計改為球面設計,經有限元素分析法研究,結果顯示可明顯減少界面的應力,因此可提高這些人工關節界面組件的壽命。這些投身於腫瘤人工關節的設計與製作經驗,更證明了臨床實務的重要性,目前我們仍更精益求精,更加積極改進及設計。

使用腫瘤用人工關節重建後,病患仍應配合完全的術後復健訓練,改善肌力及關節運動範圍,並且小心使用,才可延長使用年限,減少併發症的發生。

結論

目前臺灣的骨癌治療成果雖比往年明顯進步,但國人患病就診的習性仍造成許多延遲就診情形,而導致骨癌的臨床治療成效不彰且需要截肢,這種諱疾忌醫的現象仍然是現下治療骨癌的一大障礙,在即將進入二十一世紀的現在,實在很令人矛盾。目前的各種重建手術成效良好,且輔助性治療也很完善,都可望為骨瘤帶來良好治療成果,切勿延誤。但也唯有病患能具有正確健康的醫學知識,積極接受檢查治療,全心全力參與復健及心理重建,才能共創明日的健康。

圖一 使用腫瘤人工膝關節治療股骨遠端骨肉瘤(osteosarcoma)病患。

  1. 病患右膝部正面X光片,在右側股骨遠端出現病灶,且位於近關節處,病灶的邊界不清楚。

  2. 病患右膝部的核磁共振掃瞄檢查,在右側股骨遠端內側病灶比X光片所見為廣,且引起骨膜增生反應。

  3. 病患完成手術前化學治療療程之後,接受腫瘤切除手術時的手術標本,共切除股骨遠端及部分周圍肌肉和軟組織(包括前次切片經過的組織),圖片顯示骨肉瘤侵犯股骨遠端。

  4. 然後使用定製型組合式腫瘤人工膝關節作重建手術,該關節由本文作者與聯合骨科器材股份有限公司所研製。

  5. 病患手術後的膝部正面X光片,顯示腫瘤人工關節位置良好。

  6. 病患手術後的膝部側面X光片,顯示腫瘤人工關節位置良好。

  7. 病患手術後經復健後,右膝關節伸展完全正常,肌力正常。

  8. 病患手術後經復健後,右膝關節屈曲完全正常,肌力正常。