3D打印技術(shù)在髖關(guān)節(jié)手術(shù)中的應(yīng)用進展

孫曉亮，官建中，周建生，吳敏

(1蚌埠醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院，安徽蚌埠233003；2安徽省組織移植重點實驗室)

從1986年Charles Hull開發(fā)了第一臺商業(yè)3D打印機，到2012年蘇格蘭科學(xué)家利用細胞打印出人造肝臟組織[1]，3D打印技術(shù)正逐漸滲至人們生活。隨著3D打印技術(shù)在數(shù)字骨科及關(guān)節(jié)外科領(lǐng)域的發(fā)展，臨床醫(yī)生在髖關(guān)節(jié)外科手術(shù)中有了更多的選擇。尤其對于復(fù)雜的髖關(guān)節(jié)手術(shù)，包括高脫位的成人發(fā)育性髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良(DDH)、髖臼缺損嚴(yán)重的人工髖關(guān)節(jié)翻修病例及復(fù)雜的骨盆及髖臼骨折病例等，將患者的三維影像資料導(dǎo)入3D打印機，利用打印的1:1實體模型完善詳細的術(shù)前計劃及手術(shù)預(yù)操作。術(shù)前可利用3D打印模型進行醫(yī)患溝通，更加直觀，提高患者的滿意度。采用個性化訂制的髖關(guān)節(jié)假體進行復(fù)雜的髖關(guān)節(jié)置換及翻修術(shù)，徹底改變了傳統(tǒng)髖關(guān)節(jié)手術(shù)對醫(yī)生經(jīng)驗過于依賴及術(shù)中改變手術(shù)方案的不利局面，避免了術(shù)中常規(guī)假體無法匹配患者實際情況的出現(xiàn)，與當(dāng)今精準(zhǔn)化治療理念相契合，而且利用等大實體模型進行帶教能夠縮短醫(yī)生的學(xué)習(xí)曲線[2]。本文就3D打印技術(shù)在髖關(guān)節(jié)外科手術(shù)中的應(yīng)用進展作一綜述。

1 3D打印技術(shù)在復(fù)雜髖關(guān)節(jié)的初次人工全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中的應(yīng)用

復(fù)雜的初次髖關(guān)節(jié)置換術(shù)包括成人發(fā)育性髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良(DDH)、髖部陳舊性骨折畸形愈合等。其中成人DDH是導(dǎo)致髖關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的重要病因之一，對于終末期骨性關(guān)節(jié)炎的治療，人工全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)是目前有效的治療方法[3]。而對于Crowe Ⅲ、Ⅳ型的DDH，在手術(shù)中對于髖臼旋轉(zhuǎn)中心的確定、髖臼外展角及前傾角控制、髖臼骨缺損的部位及范圍、股骨偏心距的控制等難點問題上，3D打印技術(shù)已經(jīng)得到了初步的應(yīng)用，體現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢[4,5]。周進等[6]對10例DDH患者利用CT檢查數(shù)據(jù)進行3D打印原型制造，基于3D快速模型進行模擬手術(shù)，髖臼旋轉(zhuǎn)中心點確定準(zhǔn)確，縮短了手術(shù)時間，減少了手術(shù)出血量。官建中等[7]對8例成人DDH終末期骨性關(guān)節(jié)炎患者應(yīng)用3D打印模型模擬手術(shù)，重點關(guān)注髖臼硬化及缺損部位、缺損范圍、卵圓窩骨贅覆蓋情況。周建生等[8]認(rèn)為DDH終末期骨關(guān)節(jié)炎患者卵圓窩骨贅增生覆蓋情況不同，髖臼會形成不同的病理形態(tài)，術(shù)中需要恢復(fù)原有的Harris窩，通過3D打印模型術(shù)中對髖臼的打磨范圍更為精確，定位正確的旋轉(zhuǎn)中心，取得了良好的臨床療效。田可為等[9]將3D打印應(yīng)用于初次髖關(guān)節(jié)置換術(shù)治療髖臼骨折并發(fā)股骨頭缺血性壞死和創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎患者12例，術(shù)中實際所見髖臼骨缺損分型、原內(nèi)置物位置與3D模型完全一致，可對陳舊性損傷進行準(zhǔn)確評估，輔助手術(shù)的順利進行，促進髖關(guān)節(jié)功能恢復(fù)。

3D打印技術(shù)不僅能在術(shù)前指導(dǎo)畸形髖臼的處理，制定合理的手術(shù)方案，而且可以指導(dǎo)假體的選擇，提高置換的精準(zhǔn)率。Xu等[10]將快速成型骨盆模型用于10例成人DDH人工全髖置換術(shù)，利用快速成型導(dǎo)向模版指導(dǎo)術(shù)前不同型號髖臼假體的選擇，與術(shù)中實際假體的符合率達到71.4%。劉融等[11]將成人DDH終末期骨性關(guān)節(jié)炎患者51例分兩組，分別為3D打印快速成型導(dǎo)向模板組26例及傳統(tǒng)手術(shù)組25例，分別進行人工全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)，發(fā)現(xiàn)快速成型導(dǎo)向模板輔助行全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)可縮短手術(shù)時間及住院時間，減少術(shù)中出血量，加快髖關(guān)節(jié)功能恢復(fù)，提高患者滿意度。而對于高脫位的DDH患者，股骨近端畸形的處理是手術(shù)中的難點，常規(guī)假體很難達到完美的髓腔匹配，而3D定制化股骨柄有望解決這個難題。楊龍等[12]應(yīng)用3D打印技術(shù)輔助10例DDH患者完成人工全髖置換術(shù)，從其應(yīng)用效果及其在醫(yī)患溝通中的作用進行考量，患者的滿意度評分優(yōu)良。

2 3D打印技術(shù)在髖關(guān)節(jié)翻修手術(shù)中的應(yīng)用

隨著近年初次髖關(guān)節(jié)置換術(shù)數(shù)量增加，髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)的數(shù)量也會逐漸增多。髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)的主要原因為假體松動、脫位、感染等導(dǎo)致患髖部疼痛及功能受限，髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)較初次髖關(guān)節(jié)置術(shù)手術(shù)難度大，風(fēng)險高。而傳統(tǒng)髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)的難點包括骨缺損重建、假體固定方式的選擇及初次假體的取出等。3D打印技術(shù)在手術(shù)前規(guī)劃及個體化假體的定制中體現(xiàn)其初步價值。3D打印技術(shù)在個性化二期翻修占位器的應(yīng)用上有了初步的進展。劉珂等[13]利用3D打印技術(shù)打印出髖臼骨缺損模型對11例全髖關(guān)節(jié)置換失敗致髖臼側(cè)PAPROSKY Ⅳ型骨缺損患者進行模擬手術(shù)，而且利用Acarm AB型打印機活性鈦粉打印出骨缺損填充塊內(nèi)置物模型用于手術(shù)也取得了良好效果。毛兆光等[14]將3D技術(shù)打印的金屬墊塊一體式人工髖臼假體用于復(fù)雜型髖臼假體翻修術(shù)，使手術(shù)更加精準(zhǔn)安全，減少手術(shù)時間及術(shù)中出血量，術(shù)后患者可以早期下地鍛煉，提高了手術(shù)療效。何勇等[15]將3D打印技術(shù)用于14例髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后感染二期翻修的病例，與采用傳統(tǒng)手術(shù)的翻修患者進行療效比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)3D打印組在手術(shù)時間、減少醫(yī)源性損傷方面明顯優(yōu)于對照組。王利等[16]通過3D打印還原二期翻修術(shù)后疼痛患者的骨盆骨缺損及與重要血管的毗鄰關(guān)系，結(jié)合正常對側(cè)髖臼數(shù)據(jù)，設(shè)計出最大匹配度翻修的髖臼假體，達到初期的穩(wěn)定性，術(shù)后隨訪髖關(guān)節(jié)功能評分明顯優(yōu)于術(shù)前。夏志勇等[17]對15例髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后患者進行翻修，術(shù)中采用個性化的3D打印鈦合金骨小梁金屬臼杯、墊塊做髖臼側(cè)翻修，平均隨訪(13.6±2.2)個月，術(shù)后Harris評分及VAS評分均顯著優(yōu)于術(shù)前，術(shù)后影像學(xué)檢查顯示假體與機體骨交界處有連續(xù)性骨小梁通過，且隨訪期間無假體脫位、松動及髖關(guān)節(jié)異常疼痛。而對于嚴(yán)重感染不適宜一期翻修的患者，3D打印技術(shù)仍然可以發(fā)揮其優(yōu)勢。孫海濱等[18]對6例初次髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后感染患者進行一期清創(chuàng)時，放置3D打印技術(shù)制作的臨時抗生素骨水泥占位器，再進行二期翻修，術(shù)后隨訪無感染復(fù)發(fā)且Harris評分較術(shù)前明顯提高。個體化定制的占位器便于二期翻修，縮短了手術(shù)時間且明顯改善了髖關(guān)節(jié)功能。

目前流行的3D打印技術(shù)早期在專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)更多地被稱為快速成型技術(shù)(RP)[19]。李慧武等[20]將RP用于高難度髖翻修手術(shù)1例，輔助Cage修復(fù)復(fù)雜髖臼的骨缺損。通過RP模型，醫(yī)生能對手術(shù)部位的復(fù)雜結(jié)構(gòu)有更直觀的印象，這也有助于減少手術(shù)失誤，縮短手術(shù)時間，降低翻修手術(shù)力學(xué)修復(fù)失敗率。Won等[21]利用RP輔助治療21例復(fù)雜的髖關(guān)節(jié)置換術(shù)患者(包括化膿性關(guān)節(jié)炎9例、初次Crowe Ⅳ型的DDH 5例、初次髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后髖臼松動3例、感染導(dǎo)致的關(guān)節(jié)僵硬4例)，利用RP做術(shù)前計劃，實際術(shù)中選擇的髖臼杯尺寸與術(shù)前RP所設(shè)計的臼杯符合率達到80.9%，平均隨訪35.5個月未出現(xiàn)假體松動，平均Harris評分達79.9分，效果滿意。

3 3D打印技術(shù)在復(fù)雜骨盆骨折手術(shù)中的應(yīng)用

骨盆骨折是創(chuàng)傷骨科中常見的嚴(yán)重創(chuàng)傷，大部分為高能量損傷所致，近年來車禍致骨盆骨折的發(fā)生率呈增長趨勢。骨盆本身空間結(jié)構(gòu)的特殊性及周圍毗鄰關(guān)系給臨床診斷及手術(shù)修復(fù)帶來較大困難。術(shù)前的主要依據(jù)為X線平片及CT檢查，很難做出全面的術(shù)前計劃。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)改變了醫(yī)生面臨的被動局面，利用3D打印出實體模型有助于指導(dǎo)手術(shù)。章瑩等[23]利用3D打印技術(shù)對73例復(fù)雜骨盆骨折患者采用CT三維重建、血管造影、3D打印快速成型、計算機模擬與個體化標(biāo)本模擬手術(shù)，術(shù)中按術(shù)前計劃手術(shù)，并與常規(guī)術(shù)前檢查和術(shù)前準(zhǔn)備組做對照研究，發(fā)現(xiàn)3D打印組在出血量、手術(shù)效率、手術(shù)并發(fā)癥等方面明顯優(yōu)于常規(guī)組。由于骨盆的特殊解剖形態(tài)，在進行骨折內(nèi)固定時，內(nèi)固定鋼板的預(yù)彎是手術(shù)難點之一。黃淦等[23]將完成虛擬復(fù)位的骨折模型以STL格式保存，導(dǎo)入UG NX7.0軟件(Siemens公司)建模，通過“匹配組件”模式，在骨盆擬手術(shù)區(qū)域模擬鋼板的放置位置，設(shè)定鋼板最佳塑形及其合適長度，并確定螺釘置釘方向及螺釘孔位置；根據(jù)UG NX軟件測量的數(shù)據(jù)，定制術(shù)中要置入的鋼板，然后打印出骨盆骨折實體模型進行模擬手術(shù)，用克氏針標(biāo)記螺釘方向及深度并記錄數(shù)據(jù)；實際術(shù)中利用定制好的鋼板進行內(nèi)固定，與傳統(tǒng)手術(shù)組比較，3D組術(shù)中觀察指標(biāo)如手術(shù)時間、術(shù)中出血量、圍術(shù)期輸血量及術(shù)中透視次數(shù)均較傳統(tǒng)組減少。Liu等[24]利用3D打印技術(shù)指導(dǎo)復(fù)雜髖臼骨折手術(shù)，對一例23歲的嚴(yán)重左側(cè)髖臼骨折合并多發(fā)肋骨骨折及血氣胸的患者實施髂腹股溝入路聯(lián)合K-L入路整復(fù)左側(cè)髖臼骨折，術(shù)前用3D打印出實體模型，經(jīng)行預(yù)手術(shù)，決定鋼板放置的位置及長度，通過鋼板預(yù)彎貼合骨面然后將鋼板螺釘消毒備用，術(shù)中取得了良好的復(fù)位固定效果。Chen等[25]利用3D打印技術(shù)設(shè)計了髖臼骨折指導(dǎo)模板及預(yù)彎模型鋼板，利用模板在14具尸體標(biāo)本上總共精確植入64塊鋼板及339枚螺釘，且植入過程不需要X線透視；收集真實及設(shè)計的螺釘釘?shù)罃?shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)兩者無統(tǒng)計學(xué)差異，預(yù)計該模版可以用于復(fù)雜髖臼骨折的手術(shù)治療。Upex[26]在1例左側(cè)髖臼雙柱骨折患者的治療中，先打印出健側(cè)骨盆的實體模型，在模型上將2塊鋼板預(yù)彎并消毒備用，術(shù)中用所備鋼板進行固定，評估鋼板預(yù)彎時間節(jié)省了約30 min。

4 3D打印技術(shù)在髖關(guān)節(jié)手術(shù)臨床教學(xué)中的應(yīng)用

3D打印模型不僅可以指導(dǎo)復(fù)雜骨盆骨折手術(shù)，而且可以作為教學(xué)模型提高低年資醫(yī)師的學(xué)習(xí)效率，縮短學(xué)習(xí)曲線。Hurson等[27]針對復(fù)雜的骨盆、髖臼骨折，邀請3名骨科醫(yī)師及3名高年資住院醫(yī)師，分別使用常規(guī)骨盆X線片、CT檢查等傳統(tǒng)影像學(xué)手段及3D打印等比例實體模型進行評估、分型及術(shù)前規(guī)劃，認(rèn)為實體模型可以幫助年輕醫(yī)師更好地進行骨折分型，縮短學(xué)習(xí)曲線。曹光磊等[28]利用3D打印的髖關(guān)節(jié)翻修手術(shù)模型對20名骨科住院醫(yī)師進行臨床教學(xué)，設(shè)置對照組用傳統(tǒng)的X線片、CT檢查等影像資料進行帶教，對比后發(fā)現(xiàn)3D打印組住院醫(yī)師對課程的總體評價、教學(xué)手段評分、學(xué)員興趣度及對知識掌握度均較對照組顯著提高。3D打印模型在教學(xué)中更為直觀，利于對疾病的理解。

隨著3D打印技術(shù)在髖關(guān)節(jié)外科應(yīng)用的深入，也暴露了一些亟待解決的問題。在人工假體的個性化定制方面，打印的材質(zhì)僅限于金屬、陶瓷及塑料等硬物質(zhì)，而如膠原蛋白等生物相容性較高的材料還在研制中。目前對于肌肉韌帶等骨關(guān)節(jié)周圍組織仍不能進行打印，這樣在模擬骨盆骨折手術(shù)時，在復(fù)位骨折過程中沒有肌肉的牽拉，模擬手術(shù)的效果將受影響。由于目前大多數(shù)醫(yī)院的螺旋CT的掃描質(zhì)量不高，三維成像后的精度不夠，導(dǎo)致打印出的模型與實際尺寸有一定差距，在高脫位DDH行初次髖關(guān)節(jié)置換術(shù)時對髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心點準(zhǔn)確性的要求極高，如果旋轉(zhuǎn)中心產(chǎn)生偏差會影響患者的手術(shù)療效，因此薄層CT檢查需要進一步普及。另外，對于復(fù)雜骨盆骨折個體化定制鋼板，目前仍缺乏系統(tǒng)的力學(xué)強度測試。對此類定制鋼板，醫(yī)療行政部門需制定嚴(yán)格的準(zhǔn)入制度及使用標(biāo)準(zhǔn)，而且費用相對較高。總之，3D打印技術(shù)在髖關(guān)節(jié)外科手術(shù)中已經(jīng)得到了初步的應(yīng)用發(fā)展，在骨科臨床醫(yī)師、影像科醫(yī)師、工程師及相關(guān)器械生產(chǎn)廠商的合作下，制作出更符合人體生物力學(xué)及相容性的假體及鋼板是未來的發(fā)展方向。