3D打印技術在個體化髖臼翻修中的應用研究

陳育春，王新家，馬學銘，廖浩杰，曾機燦，姚關鋒，王偉東，林創(chuàng)鑫，林本丹

(1.汕頭大學醫(yī)學院第二附屬醫(yī)院骨關節(jié)脊柱科，廣東 汕頭 515041；2.汕頭市中心醫(yī)院骨外科，廣東 汕頭 515041)

3D打印技術是一項在三維數字模型數據的基礎上，將粉末狀或液態(tài)的金屬或塑料等可黏合材料通過3D打印機器逐層堆疊累積，進而制造三維實體的技術。3D打印技術應用在骨外科上，可在術前打印出等比例的實體模型。術前可在模型上進行詳細的術前規(guī)劃和手術預演練操作，由此減少手術步驟、手術時間、出血量、麻醉藥用量及術中射線暴露[1]。對一些疑難脊柱、關節(jié)手術患者，常規(guī)植入物不適用，3D打印個體化植入物能降低手術難度，促進患者快速康復[2]。全髖關節(jié)置換術是治療嚴重髖關節(jié)疾病的常用方法，而因假體磨損、感染或其他原因導致的假體松動、移位、假體周圍骨溶解是髖關節(jié)置換術后失敗的常見原因。髖關節(jié)置換術后失敗導致的髖臼缺損是關節(jié)外科最棘手的問題之一，對于髖臼嚴重缺損，以往的治療方式有創(chuàng)傷大、并發(fā)癥多、手術復雜、療效不滿意等不良效果[3]。本研究探討3D打印技術在個體化髖臼翻修術中的應用。

1 資料和方法

1.1 一般資料

納入標準：(1)全髖關節(jié)置換手術失敗；(2)髖臼嚴重缺損；(3)一般情況良好、無手術禁忌證、能耐受麻醉、手術；(4)醫(yī)療依從性良好、遵醫(yī)囑長期復查隨訪。排除標準：(1)嚴重手術禁忌證、有感染未治愈、重度骨質疏松、精神類疾病；(2)有金屬過敏及嚴重自身免疫性疾病；(3)髖臼存在骨缺損并且造成骨盆不連續(xù)不能使用金屬加強塊重建髖臼；(4)患側肢體偏癱，患側肢體肌力4級以下[4]。本研究經汕頭大學醫(yī)學院第二附屬醫(yī)院倫理委員會批準，患者術前均簽署知情同意書。

患者一，女性，62歲，2012年因右股骨頸骨折在汕頭大學醫(yī)學院第二附屬醫(yī)院接受右人工全髖關節(jié)置換術治療，術后恢復良好。2018年11月因摔倒致右髖疼痛2周入院。查體：患者無法行走，輪椅入院，右下肢較左下肢縮短約2 cm，肢端活動、感覺、血運未見異常。X線和CT示：右髖臼松動上移，髖臼內側壁、上壁骨缺損。診斷：右人工全髖關節(jié)術后假體周圍骨溶解(PaproskyⅢ A型)。

患者二，男性，57歲，2004年因多年飲酒致雙側股骨頭缺血壞死，在汕頭大學醫(yī)學院第二附屬醫(yī)院接受左側股骨頭髓芯減壓、髖關節(jié)滑膜切除術及右股骨轉子間旋轉截骨拉力釘內固定術治療，效果欠佳。2007年接受右全髖關節(jié)置換術治療，2009年接受左人工髖關節(jié)置換術治療。2019年6月因左髖疼痛半年多再次入院治療。查體：跛行步態(tài)，左下肢較右下肢縮短1.5 cm，左髖部局部有深壓痛，局部有叩擊痛，軸向叩擊痛不明顯；左髖關節(jié)屈伸活動受限，雙下肢肌力、感覺、血運未見明顯異常。X線和CT示：髖臼松動上移，髖臼頂骨缺損。診斷：左人工全髖關節(jié)置換術后假體周圍骨溶解(PaproskyⅡB型)。

1.2 個體化3D打印設計

對患者進行X線、CT檢查，對患者的薄層CT數據進行三維重建，利用軟件進行模擬手術，設計墊片，測量髖臼杯大小。利用艾利斯通C3850 3D打印機打印骨折聚乳酸仿真模型、墊片和髖臼模型，進行手術模擬。利用Acram Q10 plus電子束熔融金屬打印機打印鈦合金墊片和骨小梁髖臼。3D打印設計由北京愛康宜誠醫(yī)療器材有限公司完成。

1.3 根據3D打印設計進行手術

患者側臥位，取髖前外側入路切口，逐層切開皮膚和皮下組織，切斷內旋肌群及小部分臀中肌，直至髖臼緣游離，脫出股骨頭頸，取出股骨頭，取出髖臼杯。徹底清除髖臼周圍病變軟組織，排除感染。反復沖洗病灶，處理植骨面。取同種異體股骨頭，剪成骨粒后填充髖臼前壁及內側壁骨缺損，用打擊器打實后填平凹陷骨面。根據需要于髖臼前壁及內側壁缺損處分別置入定制置入物及補片，螺釘固定。打入試模，固定穩(wěn)定后安裝假體髖臼，測試假體固定穩(wěn)定后，安裝聚乙烯襯墊假體。檢查股骨端，必要時返修股骨假體。測試感覺松緊度良好，活動度好，關節(jié)穩(wěn)定后，沖洗傷口，留置1條引流管，修復內旋肌、臀中肌，逐層縫合切口。

1.4 術后處理

術中、術后常規(guī)應用頭孢菌素類抗生素，常規(guī)應用利伐沙班片抗凝，患者麻醉清醒后逐漸行踝關節(jié)主動屈伸運、鍛煉股四頭肌預防血栓形成，術后第3天拔除引流管，拔管后患者開始拄拐部分負重活動，術后2周拆線。

1.5 觀察指標及隨訪

記錄手術時間、出血量，術后定期復查X線。觀察指標：髖關節(jié)旋轉中心的縱軸位置(雙側旋轉中心在水平線上的距離差)；髖關節(jié)旋轉中心水平位置(旋轉中心到髖臼內側壁的垂直距離)；股骨偏心距(旋轉中心和股骨近端解剖軸的距離)；雙下肢長度(小轉子尖與水平基準線的距離或查體雙下肢長度)；臼杯外展角和前傾角。術后隨訪觀察患者髖關節(jié)功能恢復情況，術前、術后6個月、1年進行Harris髖關節(jié)功能評分。

2 結果

2.1 病例一

首次全髖關節(jié)置換術后假體位置良好。翻修術前X線、CT顯示髖臼松動、上移，髖臼周圍骨破壞、溶解。導入CT數據進行3D設計(圖1A)，打印聚乳酸仿真墊片、髖臼模型(圖1B)和鈦合金墊片(圖1C)。術中見聚乙烯磨損，髖臼上移，髖臼周圍特別是髖臼頂、髖臼內側骨溶解，大粗隆小部分骨溶解，不涉及股骨假體接觸面，股骨假體穩(wěn)定性良好。按術前設計安裝墊片、髖臼。術中病理結果：軟組織慢性肉芽腫性炎癥，以組織細胞增生為主，未見中性白細胞。手術時間265 min，出血量約800 mL。術后復查X線(圖2)，測量數據如下：(1)髖關節(jié)旋轉中心的縱軸位置，患側術前較健側上移3.0 cm，術后較健側約上移0.8 cm，恢復2.2 cm；(2)髖關節(jié)旋轉中心水平位置，健側3.3 cm，患側術前3.0 cm，術后3.4 cm；(3)偏心距，術前均為4.7 cm，患側術后4.8 cm；(4)雙下肢長度差，患側術前比健側短2.0 cm，術后較健側長約0.5 cm。(5)術后測量臼杯外展角42.5°，前傾角16°。Harris評分術前46分，術后半年84分，術后1年86分。

圖1 個體化3D打印設計

圖2 髖關節(jié)翻修術前后X線檢查

2.2 病例二

翻修術前X線、CT顯示髖臼松動、上移，髖臼周圍骨破壞。導入CT數據進行3D設計(圖3A～3B)，打印聚乳酸仿真墊片、髖臼模型(圖3C)。術中未見明顯聚乙烯磨損，可見髖臼松動，上移內移，股骨未見骨溶解破壞，股骨假體穩(wěn)定性良好。術中病理結果：左髖關節(jié)送檢物見膠原纖維增生伴局部壞死，未見中性粒細胞。手術時間241 min，出血量約800 mL。術后復查X線(圖4)，測量數據如下：(1)髖關節(jié)旋轉中心的縱軸位置，患側術前較健側上移1.6 cm，術后旋轉中心等高。(2)髖關節(jié)旋轉中心水平位置，健側3.5 cm，患側術前2.7 cm，術后3.0 cm。(3)偏心距：術前健側3.8 cm，患側3.6 cm，術后均為3.8 cm。(4)雙下肢長度差：術前患肢比健側短縮1.5 cm，術后雙下肢等長。(5)術后臼杯外展角44.8°，前傾角18°。Harris評分術前52分，術后半年85分，術后1年87分。

圖3 個體化3D打印設計

圖4 髖關節(jié)翻修術前后X線檢查

3 討論

全髖關節(jié)置換失敗后髖臼缺損的翻修術操作難度大，骨盆和髖臼的解剖結構不規(guī)則，較為復雜。以往依據影像學資料只能粗略評估患者的局部情況，難以對髖臼解剖結構及骨缺損范圍進行精準判斷，影響手術效果。隨著3D打印技術越來越成熟，成本費用越來越低，在臨床的應用也越來越廣泛[2]。

髖臼假體翻修的主要目的是獲得接近正常的旋轉中心、最大程度地恢復髖關節(jié)的正常功能，特別是髖臼骨缺損嚴重的患者，在治療過程中如不能有效修復髖臼骨缺損，不但不能恢復股骨頭的旋轉中心位置和良好的下肢功能，還會引起髖臼假體松動，進而導致翻修手術失敗。對于全髖關節(jié)置換后的髖臼缺損，既往多采用Jumbo杯加植骨、鈦網加打壓植骨、髖臼支架加打壓植骨或結構性植骨進行翻修，但這些手術創(chuàng)傷大，手術復雜，有植骨吸收、異體骨排斥等并發(fā)癥風險[5-7]。

孫京濤等[8]應用金屬墊片修補髖臼缺損取得了良好的效果，但因髖臼為不規(guī)則形，缺損形態(tài)各異，非個體化的金屬墊片經常難以滿足需要。目前3D打印金屬植入物已成功應用于臨床，其結構與松質骨結構類似，具有良好的摩擦系數、組織相容性和孔隙率，應用于骨缺損的修復具有一定的優(yōu)勢。程文俊等[9]的研究表明，3D打印髖關節(jié)臼杯在應用于初次全髖關節(jié)置換術的5年的隨訪中，臼杯骨長入優(yōu)異，髖臼穩(wěn)定性好，未發(fā)現骨溶解、無菌性松動，假體生存率100%。3D打印設計的墊片，因其形態(tài)個體化，能精準修補缺損的髖臼，墊片能與骨面更緊密接觸，增加骨接觸面積，更多的骨長入，穩(wěn)定性增加，假體更牢固[10-12]。

本研究通過將患者的薄層CT數據進行三維重建、數字模擬手術，利用打印模型模擬手術，打印墊片和髖臼等植入物，完成了髖臼骨缺損的精準修復，從而實現了髖臼旋轉中心的重建。本研究患者翻修術后的影像學資料均顯示髖關節(jié)假體位置、旋轉中心和偏心距解剖重建良好，髖關節(jié)功能評分提升，患者髖關節(jié)功能恢復良好。但本研究例數少，缺乏長期的隨訪，仍需擴大研究例數、繼續(xù)觀察研究。