3D打印技術用于人工全髖關節置換術治療成人DDH的臨床應用

楊清，楊毅，楊柳，張正學，龔躍昆，楊佳，溪應龍，段于平，李彪

(昆明醫科大學第一附屬醫院骨科，云南 昆明 650000)

3D打印技術用于人工全髖關節置換術治療成人DDH的臨床應用

楊清，楊毅，楊柳，張正學，龔躍昆，楊佳，溪應龍，段于平，李彪*

(昆明醫科大學第一附屬醫院骨科，云南 昆明 650000)

目的 本研究擬探究3D打印技術用于人工全髖關節置換術治療成人髖關節發育不良(developmental dysplasia of the hip，DDH)的臨床應用效果。方法 納入2013年1月至2016年6月昆明醫科大學第一附屬醫院骨科Crowe各型成人DDH患者共20例，Crowe Ⅰ型2例，Crowe Ⅱ型2例，Crowe Ⅲ型8例，Crowe Ⅳ型8例。所有患者制造出與實體1∶1的髖關節模型，并制定出合適的手術方案并按方案實施手術。記錄患者的一般情況、并發癥和患者患髖的功能指標(活動度、疼痛視覺模擬評分、髖關節功能評分)。結果 患者平均手術時間為(75.25±20.42)min，下床時間為術后(2.90±0.72)d，平均住院時間為(15.35±5.95)d。患者的髖關節功能評分(harris hip score，HHS)術前平均(51.30±8.02)分，末次隨訪(86.50±5.85)分，差異有統計學意義(P<0.001)；視覺模擬評分(visual analogue scale，VAS)術前為(5.51±1.19)分，末次隨訪為(1.05±0.88)分，差異有統計學意義(P<0.001)。所有患者均獲隨訪，隨訪期間未出現關節感染、假體松動、假體脫位、坐骨神經損傷等并發癥。結論 3D打印技術治療髖關節發育不良的患者，特別是Crowe Ⅲ/Ⅳ型患者效果顯著。

3D打印；成人髖關節發育不良；全髖關節置換術

成人髖關節發育不良(developmental dysplasia of the hip，DDH)因為病史較長、局部解剖異常、生物力學特點的變化以及繼發骨關節炎等原因使其治療一直是骨科醫生面臨的挑戰[1-3]。隨著個體的成長，其病理改變可能出現髖關節松弛，髖關節頭臼比配異常，髖關節僵硬性脫位，髖臼發育障礙到最終關節軟骨退變，骨關節炎形成等變化[4-5]。Wiberg在1939年就提出髖臼發育不良這一概念，并在其相應的影像學及臨床研究中對髖臼發育不良、髖關節半脫位及脫位的區別進行了進一步明確[6]。全髖關節置換是治療成人髖關節發育不良有效的治療方法[7]。但是由于DDH患者解剖結構相當復雜，術前選擇合適的假體，重建髖臼中心變得尤為重要。

3D打印技術是以計算機三維設計為基礎，采用粉末、塑料、細胞組織等可黏合的材料，通過分層制造、逐層疊加的技術來構造相應的模型，3D打印技術作為一種新興發展的技術，目前在工業制造、醫療設計等方面有較好的發展，并取得了相應的成就[8]。3D打印技術在骨科臨床的應用主要是以下幾種：a)實物模型的制作；b)骨科手術輔助材料的打印；c)骨科內置物材料的打印[9]。本研究探究了3D打印技術用于人工全髖關節置換術治療成人DDH的臨床應用。

1 資料與方法

1.1 一般資料 2013年1月至2016年6月，昆明醫科大學第一附屬醫院骨科共收治Crowe各型成人DDH患者20例，其中男性8例，女性12例；Crowe Ⅰ型2例，Crowe Ⅱ型2例，Crowe Ⅲ型8例，Crowe Ⅳ型8例(見表1)。左側9例，右側11例。

表1 Crowe分型標準

納入標準：Crowe各型成人DDH患者；疼痛影響日常生活和工作；對治療均知情同意。排除標準：年齡小于18歲；疼痛不明顯；合并髖關節感染；合并嚴重器官功能合并癥，不能夠耐受手術。

術前所有患者患肢髖部疼痛癥狀明顯，髖關節活動受限，嚴重影響患者正常生活，并伴有不同程度髖關節發育性不良影像表現，具備手術適應證。

1.2 3D建模及制定手術方案 所有患者均行螺旋CT掃描，計算髖關節3D模型，以計算機三維設計模型為藍本，通過軟件分層離散和數控成型系統，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將特殊材料進行逐層堆積黏結，最終疊加成型，制造出與實體1︰1等大的髖關節模型。

術前根據打印出相應的髖關節模型，分析患者的髖關節解剖結構、缺損部位、骨贅增生情況，術前首先制定出合適的手術方案。應用髖關節模型模擬手術過程，最終確定患者髖臼位置及對應假體(見圖1～3)。

1.3 手術方法 所有患者取側臥位，常規消毒，鋪無菌巾，貼無菌手術貼膜。取后外側入路切口，約10 cm。逐層切開，顯露關節囊后部，取患肢屈曲、內收、內旋位，脫出并切斷股骨頸，取出股骨頭。徹底清除髖臼盂唇贅生物，根據術前制定手術方案尋找馬蹄窩及股骨頭韌帶殘端，顯露真臼；打磨髖臼真臼，磨去軟骨至露出松質骨、點狀出血，人工臼體固定于真臼上，必要時可使用螺釘固定；植入相應大小聚乙烯內襯；截取股骨干中上部骨質約2 cm，將上下股骨合并。保留股骨矩1.5 cm，股骨近端開槽，植入股骨柄并調整前傾角；植入股骨頭假體并復位；雙氧水、碘伏、生理鹽水沖洗傷口，關節腔內放入硅膠引流管，縫合關節囊，逐層縫合。

圖1 患者1︰1骨盆模型

圖2 打磨髖臼后，假體與髖臼匹配良好(正面觀)

1.4 術后處理 術后給予抗感染、鎮痛和安眠等對癥支持治療方案。術后同時使用低分子肝素藥物抗凝和充氣泵物理抗凝。術后3 d、5 d、1周和3周常規行下肢動靜脈超聲預防血栓。術后24 h拔除引流管，復查患肢髖關節X線片。術后指導患者行屈髖外展鍛煉患肢功能，早期下床，在助行器輔助下行走。在術后康復鍛煉過程中，詳細記錄患者功能鍛煉情況。術后常規復查站立位雙下肢全長正位X線片、骨盆正位X線片和股骨頸正斜位X線片。

1.5 評價指標 記錄患髖的活動度、疼痛視覺模擬評分(visual analogue scale，VAS)、髖關節功能評分(harris hip score，HHS)和患者并發癥(關節感染、假體周圍骨折、下肢深靜脈血栓、肺栓塞、假體松動及脫位、坐骨神經損傷)。

2 結 果

2.1 患者一般情況 患者的平均年齡為(45.40±13.35)歲，身高平均(160.10±7.55)cm，體重平均(60.75±12.78)kg，BMI指數平均(23.68±3.33)kg/m2。5例患者合并高血壓，3例患者合并骨質疏松，3例患者合并糖尿病，4例患者合并有慢性阻塞性肺疾病。患者平均手術時間為(75.25±20.42)min；下床時間為術后(2.90±0.72)d，平均住院時間為(15.35±5.95)d。

2.2 患者功能比較 患者末次隨訪指標較術前有明顯的提高。患者的HHS評分術前平均(51.30±8.02)分，末次隨訪(86.50±5.85)分，兩者差異有統計學意義(P<0.001)。患者術前的VAS疼痛評分(5.51±1.19)分，末次隨訪為(1.05±0.88)分，患者疼痛明顯減輕，術前與末次隨訪相比差異有統計學意義(P<0.001)。患者的術前曲髖外展活動度分別為(88.00±17.94)°、(21.50±12.68)°，術后末次隨訪曲髖、外展活動度分別為(106.00±8.82)°、(37.50±6.59)°，手術前后曲髖、外展活動度比較差異有統計學意義(P<0.001)。

2.3 并發癥 患者均獲得隨訪，平均隨訪時間(3.32±1.21)年。術中無假體周圍骨折發生；術后無下肢靜脈血栓、肺栓塞等并發癥發生；隨訪期間未出現關節感染、假體松動、假體脫位、截骨不愈合、坐骨神經損傷等并發癥。

2.4 典型病例 42歲女性患者，術前診斷為雙側DDH繼發骨關節炎(Crowe Ⅵ型)，HHS評分39分，左髖屈曲65°，外展20°，右髖屈曲90°，外展40°。術前患者活動受限，步行距離約200 m，活動后VAS評分7分，疼痛劇烈，嚴重影響患者生活質量。根據患者三維重建結果，3D打印1︰1等大患者髖關節模型，并模擬手術。術中采用后外側入路，由于患者下肢短縮明顯，采用轉子下截骨，并植入S-ROM假體。術后2年隨訪，患者未述特殊不適。末次隨訪中，患者左髖屈曲100°，外展35°，HHS評分91分，VAS評分1分，患者功能良好，滿意度高。未發生關節感染、假體松動現象，假體脫位、截骨不愈合、坐骨神經損傷等并發癥。手術前后影像學資料見圖4～6。

3 討 論

髖關節發育不良因為病史較長、局部解剖異常、生物力學特點的變化以及繼發骨關節炎等原因使其治療一直是骨科醫生面臨的挑戰[1，10]。目前對于成人DDH主要采用手術治療。手術治療應考慮患者的年齡，手術治療的最終目的是改變異常的髖臼方向使其變為正常的生理方向，并增加髖臼對股骨頭的包容性，使股骨頭與髖臼達到同心圓的復位，從而緩解髖關節的疼痛，恢復髖關節功能[6]。對于Crowe Ⅲ/Ⅳ型的患者，其由于股骨頭脫位嚴重，髖臼骨缺損嚴重，在臨床上的治療面臨巨大挑戰[11]。

圖4 術前骨盆正位X線片示雙側DDH繼發骨關節炎(Crowe Ⅵ型)

圖5 術后骨盆正位X線片示假體位置良好，無假體松動、假體脫位、截骨不愈合

圖6 術后股骨頸正位及軸位X線片示假體位置良好，截骨處愈合良好，無假體松動及脫位

3D打印技術是一種先進的增材制造技術。在骨科領域，3D打印出手術部位實物模型及導航模板指導個性化手術已逐步應用于臨床，主要用于進行術前方案設計、虛擬手術及術中輔助手術操作[12]。在膝關節、肩關節、肘關節等骨科領域，3D打印技術也為患者帶來了良好的效果[13-22]。

現在國內應用3D打印技術治療DDH也有研究報道了不錯的治療效果。官建中等在8例DDH患者中使用3D打印技術進行治療，得出3D打印技術降低了成人髖關節發育不良行全髖關節置換的手術難度，具有廣泛的臨床意義[8]。楊龍等對收治的10例DDH患者的髖關節進行3D打印，得出了3D打印模型能夠很好地顯示髖關節的解剖形態，并可以有效幫助醫生進行手術規劃[23]。趙坤等應用3D打印機打印模型，得出3D打印技術能夠指導制定手術計劃，模擬手術操作，增加了手術的精確性，提高了安全性[24]。

因此，在我們的臨床工作中我們將全髖關節置換和3D打印技術結合起來，解決掉DDH患者全髖關節置換術中的兩個核心困難點：a)髖臼的處理。DDH CroweⅢ/Ⅳ型患者，常常由于多年的髖關節脫位，導致髖關節真臼被骨贅和軟組織封閉，形成假臼。術中由于出血導致手術視野模糊以及股骨頸高位脫位遮擋的緣故，真臼的確定往往比較困難。其次，由于髖關節長期脫位，DDH患者的髖臼往往較為淺平，這就為髖臼的良好覆蓋帶來了困難；b)股骨的處理。DDH患者由于其異常的解剖結構，其股骨近端結構通常也有股骨干屈曲、股骨頸干角異常等特點，在術中進行股骨處理時，常常出現股骨骨折等嚴重并發癥。因此，針對DDH CroweⅢ/Ⅳ型患者的這些特點，3D打印技術是一個既實用又有效的選擇。在我們的臨床實踐中，發現術前應用3D打印的1︰1髖關節模型，可以提前確定患者真臼位置、髖關節旋轉中心，提前確定是否需要髖臼植骨或金屬墊塊，確定臼杯和股骨假體的型號、股骨假體的前傾角及外展角和股骨截骨的位置。通過術前確定手術方案以及手術過程中嚴格執行，這20例患者的平均手術時間僅需75 min，同時由于術前手術方案的確定，減少了髖臼探查和股骨準備的時間，減少了術中對患者軟組織的損傷，術后患者的下地時間平均2.9 d，患者術后早期功能得到快速康復。

除了患者的功能恢復之外，患者術中、術后的并發癥同樣是我們關注的重點。在手術期間，全部20例患者，無假體周圍骨折發生，遠低于既往文獻報道DDH患者全髖關節置換假體周圍骨折的發生率(20%～40%)[25]，其原因很大程度在于術前對股骨側3D打印假體的充分測量，并選擇最合適的股骨假體型號、最合適的股骨截骨位置，制定相應的手術方案并嚴格執行。由于相應手術方案的制定并嚴格執行，手術難度相對降低，手術時間僅為75 min，在一定程度上降低了患者術后假體周圍感染的發生率。同時，減少了軟組織破壞和術中出血，術后僅1例貧血和輸血。本組無深靜脈血栓、肺栓塞等嚴重并發癥的發生，一定程度也得益于嚴格執行手術方案。患者術后下地時間僅為2.9 d，提前活動，早期功能鍛煉，促進了患者下肢血液循環，減少了患者下肢靜脈血栓和肺栓塞的發生。術后及隨訪過程中無假體脫位、坐骨神經損傷等并發癥發生。

然而我們的研究仍有不足。納入的患者一共為20例，其中男性8例，女性12例，遠高于既往文獻報道1︰6左右的男女比例[26-27]，很大程度上是由于經濟條件等各方面原因，部分女性患者最終放棄手術。由于性別的比例及樣本量較小的原因，相關并發癥和功能的探究可以進一步擴大研究樣本量，在此基礎上相應的并發癥可能有所發現。其次，我們的研究是沒有傳統治療組的對照，如果有傳統治療組的對照，實驗的說服力可以進一步提高。

3D打印技術降低髖關節發育不良患者全髖關節置換手術的難度，促進患者快速康復，特別是Crowe Ⅲ/Ⅳ型患者效果顯著。在未來，進一步高質量的隨機雙盲對照的臨床研究需要進一步開展，從而探究最佳的臨床質量方案。

[1] 李梁濤，谷貴山.人工關節置換治療成人髖關節發育不良的新進展[J].實用骨科雜志，2012，18(6)：523-526.

[2] Kiyak G，Bezer M，Ketenci IE，et al.Total hip arthroplasty without femoral osteotomy in patients who had high and low dislocation due to developmental dysplasia of the hip[J].Hip Int，2016，26(2)：193-198.

[3] 趙云宏，楊毅，李彪，等.生物型人工全髖關節置換術治療Crowe Ⅲ型成人髖關節發育不良的療效觀察[J].中國修復重建外科雜志，2016，30(8)：947-950.

[4] 李軍，馬保安，胡運生，等.發育性髖關節發育不良的外科治療分析[J].西北國防醫學雜志，2009，30(2)：97-98.

[5] Wang D，Li LL，Wang HY，et al.Long-term results of cementless total hip arthroplasty with subtrochanteric shortening osteotomy in crowe type Ⅳ developmental dysplasia[J].J Arthroplasty，2016，11(12)：12-19.

[6] 孫西虎，趙建軍，張圣軍.成人髖臼發育不良的診斷及治療進展[J].創傷外科雜志，2015，17(2)：185-187.

[7] Mao Y，Xu C，Xu J，et al.The use of customized cages in revision total hip arthroplasty for Paprosky type Ⅲ acetabular bone defects[J].Int Orthop，2015，39(10)：2023-2030.

[8] 官建中，劉亞軍，吳敏，等.3D打印技術在成人DDH人工全髖關節置換術中的臨床應用研究[J].中華全科醫學，2016，14(7)：1080-1082.

[9] 蔣明輝，蔡立宏，雷青，等.3D打印技術在骨科臨床的應用研究及展望[J].中華損傷與修復雜志(電子版)，2016，11(4)：288-290.

[10] 李彪，郭雙紅，龔躍昆，等.股骨轉子下疊加截骨的人工全髖關節置換術治療CroweⅣ型成人發育性髖關節發育不良[J].中國修復重建外科雜志，2013，27(6)：645-647.

[11] Chen M，Luo ZL，Wu KR，et al.Cementless total hip arthroplasty with a high hip center for hartofilakidis type B developmental dysplasia of the hip：results of midterm follow-up[J].J Arthroplasty，2016，31(5)：1027-1034.

[12] 鄭祖高，陳宣煌，陳國仙，等.數字化設計及3D打印技術在人工全膝關節置換術中的應用研究[J].中國醫藥科學，2016，6(20)：11-15.

[13] Anderl W，Pauzenberger L.The MyKnee(R) patient-specific system.Rationale，technique and results[J].Orthopade，2016，45(4)：294-301.

[14] Wyatt MC.Custom 3D-printed acetabular implants in hip surgery-innovative breakthrough or expensive bespoke upgrade?[J].Hip Int，2015，25(4)：375-379.

[15] Beckmann J，Steinert C，Zilkens A，et al.Partial replacement of the knee joint with patient-specific instruments and implants[J].Orthopade，2016，45(4)：322-330.

[16] Calliess T，Ettinger M，Stukenborg C，et al.Custom-fit kinematic alignment in total knee arthroplasty using PSI.The story of ShapeMatch technology[J].Orthopade，2016，45(4)：314-321.

[17] Fuller SM，Butz DR，Vevang CB，et al.Application of 3-dimensional printing in hand surgery for production of a novel bone reduction clamp[J].J Hand Surg Am，2014，39(9)：1840-1845.

[18] Koster G，Biro C.Total and unicompartmental knee replacement.Patient-specific Instrumentation[J].Orthopade，2016，45(4)：302-313.

[19] Muller PE，Jansson V.A miniaturised actuation system embedded in an instrumented knee implant for postoperative ligament imbalance correction[J].Biomed Res Int，2014(2014)：6211-6214.

[20] Schroder C，Steinbruck A，Muller M，et al.Rapid prototyping for in vitro knee rig investigations of prosthetized knee biomechanics：comparison with cobalt-chromium alloy implant material[J].2015，15(6)：135-142.

[21] Steinert AF，Holzapfel BM，et al.Total knee arthroplasty.Patient-specific instruments and implants[J].Orthopade，2016，45(4)：331-340.

[22] Tibesku CO.Total knee arthroplasty with the use of patient specific instruments.The Visionaire System[J].Orthopade，2016，45(4)：286-293.

[23] 楊龍，王建吉，劉國勇，等.3D打印技術在髖臼發育不良髖關節置換中的初步應用[J].中國矯形外科雜志，2016，24(17)：1550-1553.

[24] 趙坤，段宜強.3D打印技術在成人DDH全髖置換術中的應用[J].黔南民族醫專學報，2015，28(4)：245-253.

[25] Mu D，Yang B，Xu A.Midterm outcome of cementless total hip arthroplasty in Crowe Ⅳ hartofilakidis type Ⅲ developmental dysplasia of the hip[J].J Arthroplasty，2016，31(3)：668-675.

[26] Sugano N，Noble PC，Kamaric E，et al.The morphology of the femur in developmental dysplasia of the hip[J].J Bone Joint Surg(Br)，1998，80(4)：711-719.

[27] 魏瑄，宋樹春，鄒士平.全髖關節置換治療成人髖關節發育不良臨床研究[J].醫藥論壇雜志，2008，29(22)：51-52.

Clinical Application of 3D Printing Technique in the Treatment of Developmental Dysplasia of the Hip in Total Hip Arthroplasty

Yang Qing，Yang Yi，Yang Liu，et al

(Department of Orthopedics，the First Affiliated Hospital of Kunming Medical University，Kunming 650000，China)

Objective To explore the clinical effect of 3D printing in the treatment of adult developmental dysplasia of the hip(DDH) with total hip arthroplasty(THA).Methods From January，2013 to June，2016，20 patients were diagnosed as DDH in the First Affiliated Hospital of Kunming Medical University.There were 2 cases of Crowe Ⅰ ，2 cases of Crowe Ⅱ，8 cases of Crowe Ⅲ，8 cases of Crowe Ⅳ .All patients underwent spiral CT scanning，and the hip 3D model were calculated to produce a large hip joint model with entity 1︰1.According to print out the corresponding hip model，we developed a suitable surgical program.The general condition，complications and the patient’s hip function (activity，pain VAS score，Harris Hip Score(HHS)) were recorded.Results 20 patients were diagnosed as DDH.The mean operative time was (75.25±20.42) min and the patient could stand and walk (2.90±0.72) d after operation.The average length of stay was (15.35±5.95)d.The mean HHS was (51.30±8.02) before the surgery and (86.50±5.85) at the last follow-up(P<0.001).The VAS score was (5.51±1.19) before the surgery and (1.05±0.88) at last follow-up (P<0.001).All patients were followed up with no complications such as joint infection，prosthetic loosening，fracture，prosthetic dislocation，sciatic nerve injury and other complications recorded.Conclusion 3D print technology was efficient in the treatment of hip dysplasia in patients，especially Crowe Ⅲ / Ⅳ patients.

three-dimensional printing；developmental dysplasia of the hip in adult；total hip arthroplasty

1008-5572(2017)08-0693-05

2016年云南省醫療衛生單位內設研究機構科研項目(2016 NS 023)；*本文通訊作者：李彪

R682.4

B

2017-03-09

楊清(1989- )，男，研究生在讀，昆明醫科大學第一附屬醫院骨科，650000。

楊清，楊毅，楊柳，等.3D打印技術用于人工全髖關節置換術治療成人DDH的臨床應用[J].實用骨科雜志，2017，23(8)：693-697.