3D打印模板導航技術在髖關節置換手術中的應用

蔡鵬飛 趙巍 魏強

（金華市中心醫院骨科 浙江 金華 321000）

髖關節置換作為晚期關節病變的改善性手術，其臨床應用已超過30多年，療效得到充分肯定，手術量也曾逐年增長之勢。然而我們知道關節置換術中安裝入人體的假體有一定的使用壽命，到時患者需再次接受手術進行假體的翻修，而翻修手術相比于初次置換手術，手術難度與手術創傷將大大增加，并且隨著患者年齡的進一步增長，手術風險也大大提高。所以如何提高安裝假體的生存壽命一直是骨科界的熱點與難點。

某些研究已經證明，髖關節置換手術中，安裝假體的位置偏差會增加假體受到的沖擊力，加速假體周圍的骨溶解與遷移，改變了人體的生物力學穩定性，最終導致假體失效[1]。所以髖關節置換手術中假體安裝的精準定位顯得尤為重要，特別是對于一些年輕的患者（年齡小于等于50歲），因為他們的活動量更高，且預期壽命更長[2]。臨床上常規采用膠片模板法或數字化測量法預測髖臼假體的大小及位置，并判斷骨缺損程度[3-5]。術中再根據手術醫生的經驗，對髖臼旋轉中心、聯合前傾角、偏心距等進行肉眼評估，無法做到精準測量。且上述兩種術前定位方法都建立在二維圖像的基礎上，再由于x線片放大率、投照體位等因素的影響，其準確性不高，尤其對髖臼發育不良患者[6-8]。術前數字化測量法預測患者的臼杯型號，其準確率僅為5%。近年來的研究證實，通過計算機三維技術預測骨科內植物大小和位置的準確性和可行性較高[9-10]。但是僅有準確的測量還不夠，接下來面對的是如何將測量得出的準確數據轉化為模板應用于手術之中。3D打印技術的出現很好地解決了這一難題，術前制作導航模板，利用模板進行術中定位，提高手術精準度，減少了假體位置偏差，從而延長了假體的生存壽命。

1.資料與方法

1.1 一般資料

選擇2018年1月—2019年1月我院收治的40例股骨頸骨折及股骨頭壞死患者。納入標準：綜合臨床表現、查體分析及X線、CT等影像學檢查結果確診者。排除標準：（1）合并其他部位骨折或嚴重外傷患者；（2）CroweⅡ型以上髖臼發育不良或骨盆發育畸形患者；（3）體位或其他部位發育畸形等原因導致無法拍攝標準雙髖正位X線患者。

隨機將患者分成兩組，每組20例。對照組男13例，女7例；年齡65～82歲，平均年齡（75.86±5.24）歲；左髖11例，右髖9例。觀察組男12例，女8例；年齡63～88歲，平均年齡（71.59±6.41）歲；左髖8例，右髖12例。經分析，兩組患者性別、年齡、患側等基礎資料比較，差異無顯著性（P＞0.05）。本研究已經醫院倫理委員會批準，患者及其家屬知情同意。

1.2 方法

1.2.1 數字模型建立 患者均采取仰臥位，西門子64排雙螺旋CT行全骨盆薄層掃描，獲取骨盆二位圖像數據，將數據導入Mimics醫學圖像處理軟件，去除多余軟組織，得到清晰的骨盆三維模型（圖1）。

圖1 骨盆三維模型及設計導板

1.2.2 制作導航模板 通過提取患側髖臼的表面解剖形態數據，設計出與患側真臼解剖學形態相匹配的導航模板，模板以髖臼卵圓窩作為錨定點，中心設計標準柱及導向柱，導向柱設計角度為外展40°（外展角度為投影在雙髖X線上的二維角度），導向柱可圍繞標準柱旋轉以尋找與髖臼橫韌帶垂直的前傾角度，并設多個與導向柱相平行的平行導向柱。將設計的導向模板數據導入Magics快速成型數據處理軟件，以此數據由Shining3D isla650打印機制作導航模板（圖2），將制得的模板封裝，術前環氧乙烷消毒。

圖2 術中用導航模板

1.2.3 手術方法 全身麻醉后，取標準側臥體位，對照組行傳統全髖關節置換，術中采用角度定位器，調至外展40°，前傾角度以髖臼橫韌帶為參考，以此參照打入髖臼假體。對照組使用導航模板，在髖臼顯露清楚后，去除卵圓窩內多余軟組織，將模板上的錨定裝置與卵圓窩凹陷處相錨定，中心柱內打入克氏針固定可靠，旋轉導向柱至與髖臼橫韌帶相垂直后于導向柱內打入克氏針固定可靠，尋找合適的平行導向柱，再次打入1枚克氏針，以此克氏針作為角度參考（圖3），拆除導向器，以參考克氏針的方向打入髖臼假體。假體安裝完畢后，檢查髖關節活動度及穩定性。術后拍攝標準雙髖正位X線，并測量外展角度（圖4）。

圖3 術中使用導航模板定位

圖4 術后所測外展角度

1.3 觀察指標

比較兩組患者術后標準雙髖正位X線下的髖臼外展角度，與設計角度間的偏差越小，手術精確度越高。

1.4 統計學方法

采用SPSS17.0對所有數據進行統計學分析處理，計量資料結果用均數±標準差（）表示，采用t檢驗；以P＜0.05為差異有顯著性。

2.結果

術后經過標準雙髖正位X線攝片，觀察組測量得外展角度與設計外展角度（40°）的偏差為2.39°±1.47°，對照組測量得外展角度與設計外展角度（40°）的偏差為6.21°±3.27°，差異顯著（P＜0.05），見表。

表 兩組外展角偏差比較（，°）

表 兩組外展角偏差比較（，°）

組別 觀察組偏差 對照組偏差 t p與設計外展角偏差 2.39±1.47 6.21±3.27 -4.09 0.001**

3.討論

全髖關節置換術可以說是上世紀最成功的手術，是成人股骨頸骨折及股骨頭壞死的最有效治療方法。全髖關節置換手術難點在于術中髖臼測的重建，髖臼重建的目標是恢復正常的髖臼旋轉中心，合適的外展及前傾角，這正是判斷髖臼假體是否穩定的決定因素。本研究通過計算機輔助及3D模板導航技術，希望將髖臼假體安裝在一個合適的前傾角及外展角，使它的穩定性更可靠，從而延長假體的使用壽命。

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[11]。我們使用CAD對導航模板進行設計，用光敏樹脂為原料在3D打印機中打印出模板。其制作速度快，成本低，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。而且3D打印可以對不同人群進行個體化分析建模，并打印出各自獨立的手術導航模板，提高了手術精度，這是個體化治療的體現。