3D打印技術在髖關節置換術中的臨床應用

王梓健 梅榮成

人工髖關節置換術已成為治療嚴重髖關節病變的可靠而有效的手術治療方法。但復雜的髖關節病變，如Crowe Ⅳ型發育性髖關節發育不良(developmental dysplasia of the hip，DDH)，外傷或感染后所致的髖關節畸形，融合髖，伴有髖臼側嚴重骨缺損的髖關節翻修等，手術難度極大，手術失敗率較高[1]。3D打印技術的出現為髖關節置換手術實現個體化、精準化帶來了希望[2]。3D打印技術是一種以數字模型為基礎，運用粉末金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。無需機械加工或任何模具，可直接由計算機圖形數據制作任何形狀的零件。因此，3D打印技術被譽為第三次工業革命的代表性標志之一，可能顛覆傳統制造業模式[3]。相比傳統的減材鑄造工藝而言，3D打印開創了增材制造方式。圍繞個體化設計與應用，在髖關節置換手術中，3D打印技術能為患者定制個體化假體和個性化定制手術導板，利用打印的1∶1的實體模型完善詳細的術前計劃和手術預操作等，較好地解決傳統髖關節置換手術中假體型號選擇，假體位置判斷以及嚴重關節畸形矯正等難點問題，提高髖關節置換術的成功率和翻修效果。

一、3D打印實體模型在復雜髖關節置換中的應用

根據病人術前三維CT影像學結果，利用計算機軟件進行骨盆三維重建，將導出STL文件輸入3D打印機中，即可獲得1∶1骨盆模型。對于復雜的關節置換、翻修、骨重建等手術，傳統的二維或三維影像學難以準確提供解剖結構、病變范圍等具體信息[4]。解剖模型的使用并結合常規二維或三維影像可以更好地了解關節及病變周圍解剖結構，提高診斷的準確性和不同觀察者之間的一致性[5]。術前能夠對病變部位進行全方位的直觀觀察，了解周圍神經血管分布情況，確定骨性解剖標志，進行手術預操作，盡可能避免手術失誤的發生。

DDH是臨床常見的一種先天性畸形，是由于股骨頭在關節囊內喪失其與髖臼正常關系而造成的髖關節無法正常發育。DDH隨年齡增加可逐漸加重，嚴重者甚至致殘。對于成人的DDH終末期病人，全髖置換術是一種有效的治療方法。如何恢復正常的髖臼旋轉中心，解決臼杯的充分骨覆蓋，恢復髖關節周圍軟組織的應力平衡是DDH全髖置換常遇到的難題。對于Crowe Ⅲ、Ⅳ型的DDH病人，患髖病變畸形復雜多樣，尤其是髖臼側的解剖結構異常，髖臼變淺、變小甚至有假臼形成，并伴有不同程度的骨缺損，髖關節旋轉中心向外，向上移位，術中難以確定真臼的位置，常造成髖臼側假體安放位置過高，外翻角過大及髖臼側骨性包容欠佳等問題[6]。

陳擁等[7]將3D打印模型輔助全髖關節置換治療DDH。骨盆模型可以很好地展示DDH病人髖關節的解剖形態，更加直觀地讓術者了解髖臼壁缺損狀況、真假臼的位置關系。并在體外模型上進行尋找髖臼中心，選擇合適尺寸的臼杯，進行假體安放等手術模擬操作，降低了手術難度。幫助術者完善術前規劃，獲得精確的髖關節旋轉中心，確定髖臼前傾角，外展角大小。對于病人而言，通過個性化的骨盆模型與病人進行病情介紹和術前交代，使病人和家屬對病情、手術方式、手術風險有所理解。Xu等[8]運用3D打印模型為DDH病人實施全髖關節置換術，發現3D打印組各徑線的測量值和術前計劃值差異度更小，認為3D解剖模型可以幫助手術醫師識別骨盆結構，確定假體大小，提高手術精度。Sánchez-Pérez等[9]對髖臼骨折后髖臼畸形病人應用3D打印模型模擬髖關節置換術，術中準確確定真臼位置，恢復了髖臼旋轉中心，縮短了手術時間，減少了出血量。

伴有髖臼側嚴重骨缺損的翻修是全髖翻修術中極具挑戰性的手術。Paprosky等[10]根據以下標準將髖臼骨缺損分為3型：(1)淚滴破壞的程度；(2)Kohler線的完整性；(3)坐骨骨溶解的程度；(4)髖關節旋轉中心的位置或者是髖關節旋轉中心相對于上閉孔連線之間的移位距離，其中Paprosky Ⅲ型屬于嚴重髖臼骨缺損，是全髖關節翻修手術中的一大難題。3D打印技術的出現為嚴重髖臼骨缺損的翻修帶來了曙光，極大地降低了手術難度。Zerr等[11]將1例由于感染導致嚴重髖臼缺損的全髖關節置換術失敗的病人，術前打印出患髖3D模型， 三維模型允許對髖臼部件在體外進行模擬手術，以確定臼杯的大小、位置和螺釘的方向。使術前計劃更加完善，手術時間更短，取得了很好的療效。

二、3D打印個性化定制手術導板在復雜髖關節置換中的應用

在全髖關節置換術中，理想髖關節植入物的方向和定位是預防術后脫位、滿足日常生活活動和提高假體壽命的必要條件。結合三維打印技術的進步，髖關節置換術快速打印導航模板的使用也在不斷增多，利用病人術前三維CT結果設計出假體的最佳固定方向，并提取髖臼表面解剖形態擬合成定位模板。快速成型制作后，在術中按照導航模板的指引，快速確定真臼位置，并按照設計角度打磨髖臼，可縮短手術時間，提高手術精度。涂強等[12]應用3D打印個性化手術導航模板對19例DDH進行全髖關節置換，術中在導板引導下快速確定真臼位置，假體與打磨好的髖臼窩完全匹配，術后隨訪Harris評分較術前明顯改善，認為3D打印手術導航模板能夠實現髖臼的精準定位，提高假體安裝精度，從而達到更佳的手術效果。

3D打印手術導板在髖骨關節炎中應用較多。Small等[13]將36例髖骨關節炎需行全髖置換病人隨機分為3D打印導板組和傳統技術組，術后行CT比較手術結果與術前計劃的差異，發現導板組前傾角、外展角與術前計劃差異小于傳統技術組，認為3D打印導板應用于全髖關節置換能夠提高手術精度。 Spencer-Gardner等[14]為100例原發性或繼發性髖骨關節炎行全髖置換，術中在3D打印導板引導下進行操作，術后CT掃描顯示91%病人的臼杯位置與術前計劃一致，認為3D打印導板能夠實現臼杯的精確放置，優于手工操作。

3D打印手術導板定位精度取決于導板設計和骨表面接觸區的手術準備，導板需與宿主骨性結構盡可能貼合，對于原有骨結構表面缺乏特征標志或難以剝離骨表面軟組織導致導板與骨面不能完全貼合的情況，將會增加手術誤差，設計及應用輔助導板時均應考慮到這些因素。

三、3D打印抗生素骨水泥占位器在髖關節置換后感染中的應用

假體周圍感染對于髖關節置換病人來說是災難性的并發癥，感染后二期翻修已經被證實是目前根治感染最有效的技術方法，已成為當前治療的金標準。但假體去除之后臨時間隔器的制作在國內外尚無統一的標準及制作方法。臨床中多用固定型號的模具制作或手工制作抗生素骨水泥占位器，型號不匹配易造成運動時疼痛，異響，并會出現占位器脫位，斷裂等并發癥。3D打印技術能夠個性化制作抗生素骨水泥占位器，匹配度良好，術后關節功能好，便于二期翻修。孫海濱等[15]3D打印出病人關節模型，再根據模型制作占位器模具，或直接3D打印出模具，術中在制作占位器時將2枚3mm直徑斯氏針預彎為 130度做為臨時間隔器支架，增加股骨柄的強度，利用此模具制作的臨時間隔器更符合局部關節形態，具備個體化特征，置入后可使關節保持適當的間隙及張力，避免兩次手術之間的間隔期產生關節囊及周圍軟組織攣縮，預防長期臥床所致的廢用性骨量丟失，減少關節內軟組織粘連和瘢痕形成，可提供有效關節式活動，改善病人的生活質量，為二期假體的翻修創造良好的條件。

李遠輝等[16]采用3D打印抗生素骨水泥占位器作為終極治療手段治療4例年老體弱髖關節置換后感染病人，4例病人均于術后2周傷口愈合，無殘留竇道，4例病人末次隨訪均無翻修，目測類比疼痛評分和Harris評分較術前有顯著性提高，并保留了一定的髖關節功能。認為對于年老體弱病人，采用3D打印抗生素骨水泥股骨頭占位器能有效控制髖關節置換后感染，且保留一定的髖關節功能，可作為終極治療方法。

四、3D打印植入物、假體在髖關節置換中的應用

3D打印技術作為一種新型工業技術，在醫學領域展現的優越性越來越受眾多學者的關注[17]。在金屬3D打印中，電子束熔融(electron beam melting，EBM)與選擇性激光熔融(selective laser melting，SLM)為最常用的金屬3D打印生產方式[18]。目前可供EBM技術應用的金屬材料為Ti6Al4V，基于3D打印技術上的限制，常見的鈷鉻合金、不銹鋼等尚不能實現3D打印。EBM技術一個重要的特點是更容易實現金屬材料的多孔化設計，且植入材料Ti6Al4V具有優越的生物學特性，非常適合作為骨植入材料。EBM技術另一項重要的特點是實現了3D打印金屬植入物的量產化，例如，采用EBM技術3D打印批量生產的Delta TT(trabecular titanium)臼杯、InteGrip臼杯等在全髖關節置換術領域中已經開始應用[19]。程文俊等[20]使用3D打印鈦合金骨小梁金屬臼杯進行初次全髖關節置換，術后6個月影像學顯示臼杯穩定，骨長入優異，無松動及骨溶解，5年生存率為100%。

初次或翻修全髖關節置換術術中重度髖臼骨缺損的重建一直以來都是關節外科醫生面臨的挑戰。髖臼骨缺損重建的基本原則，是以恢復髖關節正常旋轉中心為主要目標，且盡可能多的保留原始骨量，重建后髖臼假體初期穩定性良好，并能逐漸獲得遠期穩定性。嚴重骨缺損時，常規標準假體往往不能滿足手術要求。3D打印技術以病人影像資料為依據，基于病人的病變實際情況“量身定制”個體化的植入物或假體，保證了植入物或假體在解剖學形態上與病人殘余骨結構達到良好適配，最大程度恢復關節功能。付君等[21]報道個性化3D打印多孔鈦合金加強塊重建重度髖臼骨缺損病例11例，術后隨訪6～26個月，發現加強塊與缺損骨面和臼杯匹配良好，術后雙下肢長度差和髖關節旋轉中心均恢復到滿意，HHS評分末次隨訪時改善明顯。Wang等[22]應用3D打印技術為17例伴有嚴重骨缺損全髖置換病人制備個性化定制cage，術后平均隨訪2年發現3D打印組Harris評分優于傳統置換組。Goriainov等[23]報道對于因多次翻修導致嚴重骨缺損的病人，采用3D打印假體結合自體骨髓干細胞植入治療，共11例，隨訪19.5個月，所有病人的髖關節功能評分較術前均有顯著性提高，沒有出現手術并發癥，沒有脫位或感染或需要進一步手術。

五、 臨床結果與展望

目前3D打印技術在髖關節手術應用尚處于初步階段，對于個體化3D打印假體，目前尚無統一的制作標準及規范，術前準備時間較長，術中假體植入比較困難，假體不能隨意更換，使用靈活性受到一定的限制。在因故需取除假體時(如因感染而翻修)會致較大的骨質損失等。因此，要強調適應證的選擇。相信隨著相關技術的發展，材料學的進步，法律及監管的完善，上述問題將會被逐步解決。3D打印技術必將會為髖關節外科的發展提供更多的動力，為病人提供更多的選擇。