3D打印個性化手術導航模板在成人發育性髖脫位髖臼重建中的應用

涂強 曹露 丁煥文 章凱 黃敏強 王虹 沈健堅 劉輝亮 陳志源 滕強 區永亮

·論著·

3D打印個性化手術導航模板在成人發育性髖脫位髖臼重建中的應用

涂強 曹露 丁煥文 章凱 黃敏強 王虹 沈健堅 劉輝亮 陳志源 滕強 區永亮

目的 評估3D打印個性化手術導航模板在發育性髖脫位髖臼重建中的應用價值。方法 成人發育性髖脫位患者19例19髖，Crowe分級Ⅲ級14髖，Ⅳ級5髖。術前模擬手術，制定手術方案，所有病例均采用全髖關節置換術，將3D打印個性化手術導航模板應用于髖臼重建中。結果 19例患者中1例失訪，18例隨訪3～60個月，平均隨訪23.1個月。術前Harris評分為(35.3±3.9)分，隨訪時評分為(86.75±4.6)分，差異有統計學意義(P<0.01)。術后患肢短縮畸形、跛行步態顯著改善。3D打印的個性化髖臼重建手術導航模板具有良好的匹配性，術中與髖臼骨面完全貼附。術中按照導航模板的指引，快速地確定了真臼的位置，按導航模板確定的方向及角度打磨髖臼，假體與打磨好的髖臼窩完全匹配。X線片提示所有病例均顯示髖臼假體位于真臼位置，與周圍骨床結合緊密。結論 3D打印手術導航模板的應用為發育性髖脫位全髖關節置換髖臼重建的精確定位、定向提供一種新的個性化手術方案。

發育性髖脫位； 關節成形術； 置換； 髖； 3D打印； 導航模板

全髖關節置換是目前治療成人發育性髖脫位(developmental dysplasia of the hip，DDH)的公認方法。CroweⅢ、Ⅳ級的患者，患髖病變畸形復雜多樣，尤其是髖臼側解剖結構異常，出現髖臼窩淺平，局部骨缺損，假臼形成，髖關節旋轉中心向外上方移位等[1]。髖臼重建是全髖關節置換治療DDH的關鍵。如何將臼杯安置于最佳的位置，解決臼杯的骨量覆蓋是傳統手術時遇到的難題。我們借助數字骨科技術，有效地解決了這一難題。數字骨科包括了反求工程、計算機輔助設計、計算機輔助制造、快速成型等技術[2]。整合了數字骨科技術，我們設計與制作了3D打印個性化手術導航模板應用于CroweⅢ、Ⅳ級DDH髖臼重建中，獲得了滿意療效。現報道如下。

對象與方法

一、對象

2009年1月～2015年12月，我院共收治19例嚴重成人晚期DDH病例，全部為單側DDH，19髖，其中女14例，男5例，年齡20～63歲，平均年齡38.2歲。Crowe分級Ⅲ級14髖，Ⅳ級5髖。伴有明顯的患髖疼痛、活動受限，跛行等癥狀。所有病例均行骨盆前后位X線片檢查及骨盆和雙下肢薄層CT掃描。

二、方法

1.骨關節三維數字化模型的建立：患者均取仰臥位，從髂前上棘至踝關節水平采用SIMENS64排雙螺旋CT進行薄層掃描，獲取骨盆和雙下肢二維圖像數據，這樣獲取的是骨的多層橫截面圖像。由于各層圖像既包含骨的輪廓，又包含軟骨和其他組織的圖案，因此，將二維圖像數據導入醫學圖像處理軟件Mimics，通過域值分割、區域增加、面罩編輯、三維重建，去除軟組織數據，得到清晰的人體骨骼三維解剖學模型，從而完成DDH的骨盆和雙下肢三維數字化模型的建立。

2.術前CAD測量DDH的特征參數及模擬手術：在計算機界面上呈現出DDH患者的三維重建模型，通過任意軸向和角度地旋轉三維圖像，利用圖像處理功能消除某一骨性結構，從多角度、多方位來觀察髖臼和股骨頭的關系、有無假臼形成及真臼與假臼的關系、真臼的發育情況。真臼臼頂和內側壁骨貯備，骨質是否存在骨壞死和囊性變形成及骨贅增生，股骨頭的骨覆蓋情況。并完成計算機輔助分析，測量相關特征參數：髖臼角、髖臼指數、CE角、股骨頸干角、前傾角及股骨、脛骨和雙下肢全長。再將骨關節三維數字化模型數據導入逆向工程軟件Imageware中，通過鏡像工具，建立健側髖臼的鏡像體，通過鏡像體的髖臼準確定位患髖真臼位置，選擇大小合適的髖臼假體，模擬臼杯的置入，觀察髖臼杯的骨覆蓋情況，確定患側髖臼骨缺損的大小，模擬結構性植骨。

3.髖臼重建個性化手術導航模板的設計與3D打印：通過逆向工程軟件Imageware中的鏡像工具，能準確定位患髖真臼位置，通過提取患側髖臼的表面解剖形態數據，利用點云擬合成曲線、曲線擬合曲面等工具，設計出與患側髖臼真臼位置解剖學形態相匹配的髖臼導航模板，髖臼中心點設計了一個圓形導向柱，導向柱的方向與角度為外翻45°、前傾15°。將CAD設計的髖臼導航模板數據導入快速成型數據處理軟件Magics，可以得到3D打印機可處理的手術導航模板格式層片數據，即可完成快速成型制造前的數據準備。以光敏樹脂為原料，在3D打印機內通過激光照射逐層固化快速成型制作DDH髖臼重建手術導航模板。將手術導航模板封裝，術前行環氧乙烷消毒。

4.手術方法：硬膜外麻醉下，取90°健側臥位，髖關節前外側切口，顯露出髖臼及股骨近端，徹底松解患髖周圍軟組織，于股骨小轉子上1.5 cm處行股骨粗隆間截骨，取出股骨頭。切除關節囊，松解周圍攣縮組織，顯露出髖臼側的骨性結構。將髖臼導航模板置入患髖處，尋找與髖臼導航模板吻合的骨面，骨面與模板吻合、匹配后，即確定了真臼的位置。髖臼導航模板中央圓形導向柱方向為外翻45°、前傾15°，在導航模板周邊置入克氏針，克氏針方向均與中央圓形導向柱平行。通過手術導航模板確定好真臼的位置后，取出導航模板。使用髖臼銼從小到大平行于定位克氏針方向，按前傾15°、外翻45°方向打磨髖臼，選取術前已確定大小的髖臼按前傾15°、外展45°方向安置于打磨好的髖臼中。按術前模擬了解髖臼杯骨覆蓋情況，對于髖臼壁缺損區域采用切取的股骨頭、自體髂骨塊或大塊同種異體骨行結構性重建。內收、外旋股骨，股骨近端髓腔擴髓后，安置人工假體柄、股骨頭。復位人工髖關節，檢查髖關節活動度及穩定性。

5.術后處理與康復：術前30分鐘常規應用抗生素預防感染，術后使用抗生素24～48小時，使用低分子肝素或利伐沙班預防深靜脈血栓，鼓勵患者早期鍛煉股四頭肌，傷口引流管術后24～48小時拔除，術后2～ 7天可坐位進行雙下肢肌肉及髖關節鍛煉，術后1周扶拐下床活動。行髖臼結構性植骨的病例，患髖負重活動推遲至術后3個月。

6.觀察指標：療效評定標準：手術前、后的髖關節功能采用Harris評分標準進行評定，總分90分以上為優，80～90分為良，70～79分為中，70分以下為差。

結 果

19例患者有1例失訪，18例隨訪3～60個月，平均隨訪23.1個月。所有病例傷口均Ⅰ期愈合。

1.導航模板的術中使用：3D打印的個性化髖臼重建手術導航模板具有良好的匹配性，術中與髖臼骨面完全貼附。術中按照導航模板的指引，快速地確定了真臼的位置，按導航模板確定的方向及角度打磨髖臼，并安置了術前模擬置入直徑的髖臼假體。假體與打磨好的髖臼窩完全匹配。對于有臼杯骨覆蓋不全，按術前模擬行結構性植骨。

2.并發癥：所有病例均未出現深靜脈血栓、傷口感染。髖臼側假體均未發現松動。1例患者術后2周時盤腿后出現人工髖關節脫位，通過手法復位后好轉。1例患者術后出現足下垂，該患者下肢延長約4 cm，考慮為坐骨神經牽拉傷，術后予以神經營養藥物治療，3個月后神經功能完全恢復。1例出現股骨假體下沉。

典型病例：女，20歲。因右下肢短痛畸形、行走跛行10年余就診。X線片檢查示：右股骨頭頸吸收，向后上方脫位，右股骨干發育稍差；右髖臼窩未見發育，Crowe分級為Ⅳ級。術前X線片見圖1。骨盆及下肢的三維重建見圖2。計算機輔助分析：該患者右股骨上段直徑接近正常， 右側股骨長度與健側相同，因脫位而上移60 mm(短縮畸形)(圖3)。骨盆向右側傾斜，右側髖臼發育差，缺乏正常髖臼形狀(圖4)。模擬髖臼假體安置：通過鏡像體的原理，以健側髖臼準確定位患側髖臼的解剖位置，模擬置入ф44 mm髖臼假體，觀察其包容情況(圖5)。模擬髖臼后壁的重建：模擬切取一20 mm×83 mm大小髂骨塊，植于髖臼后壁部位，用3枚螺釘固定(圖6～8)。CAD設計輔助髖臼定位導航模板：為了準確置入髖臼杯，包括髖臼杯位置準確和安裝方向精確。CAD設計輔助髖臼導航模板與預定的髖臼安放面互補，中央設計圓形管道指示髖臼外翻45°、前傾15°(圖9)。 術后2年X線片見圖10。

討 論

全髖關節置換術是目前成人DDH晚期骨性關節炎的最有效和終極治療方法[3]。全髖關節置換手術操作上最具有挑戰性的應屬髖臼側的重建[4]，這是因為DDH由于長期異常生物力學環境影響，造成髖關節中心位置外移、上移，形成假臼，而真臼缺乏正常力學刺激，造成發育欠佳，缺乏正常解剖形態。髖臼重建的目標是恢復正常的髖臼旋轉中心并獲得臼杯的充分骨性包容[5]。但對于DDH髖臼的重建位置存在爭議。由于學者認為，假臼能提供更好的骨質及骨量覆蓋，Jasty等[6]認為，嚴重DDH患者長期處于股骨頭上移狀態，人體組織和力點已經適應了此狀態， 髖臼假體的上移迎合了機體的自我平衡機制。但高位安置臼杯時髖關節負重增加，剪切力集中于假體易導致早期松動[7]。目前大多數學者主張將髖臼假體安置于真臼內，而不將髖臼杯安裝在假臼內使旋轉中心上移，這是因為臼杯置于真臼可減少髖關節異常應力，有利于恢復髖關節的旋轉中心，恢復股骨偏心距，有利于恢復外展肌群的杠桿力臂，縮短身體重心的杠桿力臂，可以保持骨盆和股骨肌肉群的平衡和相同的壓力負荷分布。同時髖臼杯骨性包容情況影響其假體的穩定性，臼杯的穩定性與骨質包容率呈正相關，而髖臼骨質最厚的部位恰恰在真臼。將髖臼重建于真臼，有利于生物力學的恢復，減少髖關節應力，減少了臼杯松動率和聚乙烯的磨損，獲得了遠期穩定性。本研究中19髖通過計算機輔助技術，均將髖臼假體安置于真臼位置，獲得了滿意的臨床療效。假體放置在真臼部位對術后恢復雙下肢等長有利，對于假體的長期穩定性有利。

對于DDH患者，髖臼杯安置后，往往在后上方出現骨缺損，這是DDH髖臼發育不良所致。對于髖臼杯安置后的骨性包容欠佳的問題，也存在爭論，Schuller等[8]提倡髖臼杯100%的骨覆蓋，而部分學者認為臼杯骨性覆蓋只要>75%，假體是穩定的。程興旺等[9]利用三維有限元技術分析發現，加深髖臼+小直徑臼杯時，髖臼骨質和內襯應力集中、臼杯發生較大的初始位移；結構性植骨、安放鉭金屬重建塊具有較好的生物力學性能，可以使用較大直徑的臼杯。Kim等[10]研究表明，髖臼結構性植骨遠期療效好。因此，從髖臼假體長期穩定性出發，建議髖臼杯100%的骨性包容。我們利用計算機輔助技術在術前手術模擬過程中，模擬了髖臼假體的安置，可以選擇臼杯骨性包容最佳，且直徑合適的假體，這樣可以避免選擇小號髖臼假體造成應力集中易出現假體松動的問題。同時，對于臼杯是否存在骨性覆蓋不全術前已做到了心中有數。對于臼杯安置后存在臼杯裸露，我們選擇結構性植骨，植骨塊的大小可以在術前手術模擬中確定，骨塊的來源可以是切取的股骨頭，也可以是自體髂骨或同種異體髂骨。本研究中選擇的髖臼假體大小合適，臼杯骨量覆蓋滿意；從術后影像學檢查看，也驗證了假體是合適的。

髖臼重建對于DDH全髖置換至關重要，但術中如何找到真臼位置是髖臼假體安置的關鍵，也是難點。傳統術中尋找真臼的方法是沿被延長的、肥厚的髖關節囊和圓韌帶尋找尋找到真臼窩，或先觸及閉孔再確定髖臼切跡處皮質骨邊的位置，其后上方即為真臼[11]，甚至術中X線透視確認，但對于手術經驗不足的術者往往出現差錯。我們通過CAD設計與3D打印個性化的髖臼重建手術導航模板應用于臨床，圓滿地解決了這一難題。我們首先是根據健側髖臼的鏡像體，確定患髖的真臼位置，通過CAD設計與患髖真臼部位骨質陰陽互補的手術導航模板，因此術中只需要將髖臼側骨質顯露出來，將3D打印的髖臼定位手術導航模板放置于相匹配的骨面上，只有模板與骨面完全吻合、陰陽互補，說明模板與骨面配準成功，這樣就能確定真臼的位置。根據導航模板置入定位導針，依據導針的方向、角度打磨髖臼，按術前CAD設計選取直徑一致的髖臼假體置入。3D打印的導航模板在術中能快速、精準地定位真臼，導航模板與髖臼骨面對合良好，并引導髖臼打磨方向。本研究中術后影像學檢查也證實髖臼假體位于真臼內，且髖臼假體外翻、前傾角度合理，說明導航模板在真臼定位及髖臼假體安置方向的取了重要的作用。髖臼假體的方向對髖關節脫位率、聚乙烯磨損、關節活動范圍、骨溶解以及假體移位都會產生重要影響[12]。因此，髖臼重建導航模板很好解決了如何確定真臼及臼杯安置方向的問題。

3D打印是一種快速成型技術，是指在計算機的協助下， 根據物體的CAD設計模型或CT 等數據，通過材料的精確堆積，制造原型的一種基于離散、堆積成型原理的新的數字化成型技術[13]。我們使用的髖臼手術導航模板是由CAD設計，以光敏樹脂為制造原料，在3D打印機中通過激光照射逐層固化而形成。3D打印可制作幾何形狀任意復雜的實體，其制作速度快，成本低廉，非常適合制作個性化的手術導航模板，其臨床應用前景廣闊。

總之，3D打印個性化手術導航模板為DDH全髖置換中髖臼重建髖臼的精確定位、定向提供了有利幫助，這是精準醫學的發展趨勢，它能明顯提高手術精確度及成功率，也將DDH的治療提升到個體化階段。

[1] 涂強，丁煥文，曹露，等.三維重建在發育性髖脫位全髖關節置換術中的應用[J].中華臨床醫師雜志(電子版)，2012，6(3)：724-725.

[2] 丁煥文，涂強，王迎軍，等.數字化骨科手術新方法的建立及其臨床廣泛應用[J].中國骨科臨床與基礎研究雜志，2010，2(2)：92-96.

[3] 趙勝軍，趙麗，韓永臺.成人髖臼發育不良的診斷和治療現狀[J].大連醫科大學學報，2016，38(1)：93-96.

[4] Rosenstein AD，Diaz RJ.Challenges and solutions for total hip arthroplasty in treatment of patients with symptomatic sequelae of developmental dysplasia of the hip[J].Am J Orthop(Belle Mead NJ)，2011，40(2)：87-91.

[5] 董小雄，戴守達，王永宏，等.髖臼中心化在髖臼發育不良全髖關節置換術中的應用[J].中國骨與關節損傷雜志，2015，30(10)：1086-1087.

[6] Jasty M，Anderson MJ，Aarries WH.Total Hip replacement for developmental dysplasia of the hip[J].Clin Orthop Relat Res，1995，68(1)：40-45.

[7] Bicanic G，Barbaric K，Bohacek I，et al.Current concept in dysplastic hip arthroplasty：Techniques for acetabular and femoral reconstruction[J].World J Orthop，2014，5(4)：412-424.

[8] Schuller HM，Dalstra M，Huiskes R，et al.Total hip reconstruction in acetabular dysplasia[J].J Bone Jiont Surg Br，1993，75(3)：468-474.

[9] 程興旺，蘭平文，沈彬，等.成人髖關節高位脫位全髖關節置換術后髖臼三維有限元分析[J].四川大學學報，2013，44(5)：787-791.

[10]Kim M，Kadowaki T.High long-term survival of bulk femoral head autograft for acetabular reconstruction in cementless THA for developmental hip dysplasia[J].Clin Orthop Relat Res，2010，468(6)：1611-1620.

[11]尚大財，鐘生財，張小兆，等.CroweⅣ型髖臼發育不良并骨性關節炎的手術治療[J].中國骨傷，2016，29(2)：125-130.

[12]張志勇，夏慶，邵云潮，等.骨盆傾斜與髖臼假體方向的關系研究[J].中國臨床醫學，2014，21(4)：421-423.

[13] 涂強， 丁煥文.快速成型制造個體化金屬植入物在骨科應用的展望[J].中國矯形外科雜志， 2009，17 (19)：1469-1472.

(本文編輯：徐文聃)

Clinic application of three-dimensional printing personalized operation navigation template for reconstruction of acetabulum using total hip replacement in treatment for developmental dysplasia of the hip

TUQiang，CAOLu，DINGHuanwen，etal.

(DepartmentofOrthopedics，HospitalofOrthopaedics，GuangzhouGeneralHospitalofGuangzhouCommand，Guangzhou510010，China)

Objective To evaluate the value of three-dimensional(3D)printing personalized operation navigation template in precise reconstruction of acetabulum using total hip replacement in treatment for developmental dysplasia of the hip(DDH).Methods 19 patients(19 hips)with DDH ，according to Crowe grade：Ⅲgrade14hips，Ⅳgrade 5 hips，were examined by lamellar CT.Preoperative sham operations were performed and operatin projects were formulated.Prosthesis were simulated to replacement.All patients were treated with total hip replacement.Navigation template was designed according to the anatomic features of the injured side acetabulum.3D-printing personalized operation navigation template was exactly manufacted by rapid prototyping and was applied in the patient.Results 1 patient was lost to fo llow- up，and 18 patients were followed up for an average of 23.1 months(rang e：3 months to 5 years).Preoperative Harris score was 35.3±3.9，and follow-up Harris score was 86.75±4.6.Preoperative and follow-up Harris scores had a significant difference(P<0.01).Crispation and claudication of the operated leg were obviously improved.3D-printing personalized operation navigation template was found to be highly accurate.The navigation template was sterilized and used intraoperatively to assist with surgical navigation and the replacement of prosthesis of acetabulum.The prosthesis was matched to acetabulum.Postoperative X-ray display that prosthesis of acetabulum was replaced in anatomic acetabulum.Conclusion 3D-printing personalized operation navigation template may be a useful method in the replacement of prosthesis of acetabulum in patient with DDH.By the navigation template，individual operation project was provided.Navigation template may have a broad perspective of clinic application in total hip replacement of DDH.

developmental dysplasia of the hip； arthroplasty； replacement； hip； three-dimensional printing； navigation template

10.3969/j.issn.1005-6483.2017.04.018

廣東省科技計劃資助項目(2013B021800055)；廣州市科技計劃資助項目(2013J4100065)

510010 廣州軍區廣州總醫院骨科醫院；全軍創傷骨科研究所；骨關節疾病醫學評估與防治中心；廣東省骨科矯形技術及植入材料重點實驗室；全軍熱區創傷救治與組織修復重點實驗室

2016-09-21)