3D打印輔助重建重度骨缺損翻修患者髖臼旋轉(zhuǎn)中心的療效

許康永，童也，湯瑞新，周燁

(安徽醫(yī)科大學(xué)附屬宿州醫(yī)院骨科，安徽 宿州 234000)

在全髖關(guān)節(jié)的翻修手術(shù)中，處理較大的髖臼骨缺損是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。如何修復(fù)骨缺損、重建髖臼穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，以恢復(fù)髖臼的理想旋轉(zhuǎn)中心，存在著不同手術(shù)方法，如多孔生物型大臼杯、打壓植骨或結(jié)構(gòu)性植骨、生物學(xué)金屬加強(qiáng)塊等，但這些方法存在骨來源有限、植骨吸收、固定失效、墊塊外形常與缺損不匹配、難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)效生物學(xué)穩(wěn)定等不足，故臨床效果各異且爭(zhēng)議較多。隨著3D打印技術(shù)趨于成熟，個(gè)體化精準(zhǔn)治療成為可能。利用3D打印技術(shù)構(gòu)建髖臼骨缺損模型，定制個(gè)體化臼杯，同時(shí)行術(shù)前模擬固定進(jìn)行驗(yàn)證，為復(fù)雜髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)中骨缺損的修復(fù)重建提供了一種新方法。本研究通過納入2017年1月至2018年12月安徽醫(yī)科大學(xué)附屬宿州醫(yī)院骨科應(yīng)用個(gè)體化3D打印鈦合金臼杯重建重度骨缺損髖臼旋轉(zhuǎn)中心病例，探討其臨床療效，現(xiàn)報(bào)告如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料 納入標(biāo)準(zhǔn)：(1)需要翻修的全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后患者；(2)存在Paprosky ⅡB或Paprosky ⅢA型的重度髖臼骨缺損；(3)假體髖關(guān)節(jié)感染性行擴(kuò)創(chuàng)+抗生素骨水泥占位器曠置超過3個(gè)月，感染已被控制，入院前每周查1次血常規(guī)、C-反應(yīng)蛋白(C-reactive protein，CRP)和血沉(erythrocyte sedimentation rate，ESR)，結(jié)果連續(xù)3次均正常。排除標(biāo)準(zhǔn)：(1)髖關(guān)節(jié)周圍活動(dòng)性感染者；(2)臨床、影像和化驗(yàn)資料不全者；(3)髖臼骨缺損伴骨盆不連續(xù)者；(4)3個(gè)月內(nèi)新發(fā)的嚴(yán)重心、腦血管疾病以及慢性心、肺、肝、腎功能不全等內(nèi)科疾病，不能耐受手術(shù)的患者。

本研究共納入10例(10髖)患者，其中男4例，女6例；年齡36～67歲，平均(54.71±10.23)歲；身體質(zhì)量指數(shù)(body mass index，BMI)16.81～33.62 kg/m2，平均(24.83±5.31)kg/m2；術(shù)前CRP為0.07～1.50 mg/dL，平均為(0.65±0.71)mg/dL；ESR為6～37 mm/h，平均(15.62±13.81)mm/h；白細(xì)胞介素6(interleukin-6，IL-6)為1.28～18.73 pg/mL，平均(5.72±7.11)pg/mL。術(shù)前Paprosky髖臼骨缺損分型，ⅡB型3例，ⅢA型7例。手術(shù)時(shí)間為1.51～3.12 h，平均為(1.81±0.82)h。術(shù)中出血量650～1 750 mL，平均(983.43±459.22)mL。手術(shù)過程中個(gè)體化3D打印鈦合金臼杯與缺損骨面在直視下貼附良好，匹配理想。3D打印臼杯外徑大小為52～68 mm不等，平均(58.03±3.82)mm。術(shù)后隨訪時(shí)間13～26個(gè)月，平均(18.35±4.51)個(gè)月，無失訪。

1.2 個(gè)體化3D打印鈦合金臼杯假體的制作

1.2.1 CT掃描 術(shù)前患者骨盆CT薄層掃描三維重建，翻修者采用金屬去偽影序列，CT數(shù)據(jù)存為DICOM圖像格式。

1.2.2 骨盆三維建模和個(gè)體化 3D打印鈦合金臼杯設(shè)計(jì)利用圖像處理軟件Mimics Research 20.0(Materialise，比利時(shí))完成骨盆三維重建，然后采用CAD處理軟件建立三維數(shù)字模型，根據(jù)缺損情況和確定的髖臼位置進(jìn)行個(gè)體化假體設(shè)計(jì)，對(duì)缺損的部分進(jìn)行完全填充，在預(yù)設(shè)的髂骨、坐骨，范圍處選擇適合固定的骨質(zhì)部分并設(shè)計(jì)翼板(見圖1～2)。并將建立的骨盆模型按照1∶1比例3D打印出來，然后術(shù)者在骨盆模型上模擬手術(shù)操作，打磨髖臼后設(shè)計(jì)假體髖臼的大小形狀及安放的位置、角度；翼板、螺釘固定方向等進(jìn)行修改，經(jīng)修改后最終決定方案，并打印實(shí)體臼杯(見圖3～4)。

圖1 利用CT數(shù)據(jù)建立3D模型 圖2 個(gè)體化假體設(shè)計(jì)

圖3 打印出1︰1模型模擬固定 圖4 打印出的實(shí)體臼杯

1.3 個(gè)性化3D打印鈦合金臼杯重建髖臼骨缺損

1.3.1 術(shù)前準(zhǔn)備 詢問患者病史，完善術(shù)前實(shí)驗(yàn)室檢查和各影像學(xué)檢查，排除活動(dòng)性感染，對(duì)骨缺損進(jìn)行Paprosky髖臼骨缺損分型，測(cè)量旋轉(zhuǎn)中心數(shù)據(jù)和肢體長(zhǎng)短、患側(cè)髖關(guān)節(jié)活動(dòng)度、手術(shù)切口皮膚情況等；術(shù)前血型鑒定及備血。申請(qǐng)倫理委員會(huì)同意和患者知情同意。

a 術(shù)中檢查髖臼骨缺損程度 b 安放3D打印臼杯 c 假體安裝完成后檢查穩(wěn)定性

1.3.2 手術(shù)過程 麻醉后患者健側(cè)臥位。常規(guī)碘酒、酒精消毒，鋪無菌手術(shù)單。取髖關(guān)節(jié)后外側(cè)切口，取出原假體或占位器，徹底切除髖臼周圍瘢痕組織，術(shù)中注意避免骨量的醫(yī)源性丟失，顯露髖臼，檢查確認(rèn)髖臼骨性缺損是否與骨盆模型基本一致。按照術(shù)前在骨盆模型上的模擬操作依次打磨髖臼至術(shù)前計(jì)劃大小。然后將個(gè)體化3D打印鈦合金臼杯安放于術(shù)前模擬位置處，術(shù)中觀察個(gè)體化3D打印臼杯與宿主骨面的匹配程度，隨后用螺釘將其固定，安放高交聯(lián)聚乙烯內(nèi)襯。處理股骨側(cè)，安放合適大小的股骨假體和股骨頭，復(fù)位髖關(guān)節(jié)，檢查其穩(wěn)定性及周圍軟組織張力。大量生理鹽水沖洗后，逐層關(guān)閉切口，放置引流(見圖5)。

1.3.3 術(shù)后管理 麻醉過后，囑患者進(jìn)行主動(dòng)股四頭肌等長(zhǎng)收縮鍛煉和踝關(guān)節(jié)趾曲背伸鍛煉預(yù)防深靜脈血栓，術(shù)后第2天常規(guī)低分子肝素抗凝，抗生素預(yù)防感染。48 h內(nèi)拔除引流管，復(fù)查術(shù)后骨盆X線片測(cè)量術(shù)后旋轉(zhuǎn)中心數(shù)據(jù)和肢體長(zhǎng)度。根據(jù)術(shù)中假體初始穩(wěn)定程度決定下地時(shí)間，初始穩(wěn)定性良好的可于術(shù)后第2天拄雙拐負(fù)重下地康復(fù)鍛煉，扶雙拐2個(gè)月，2個(gè)月后健側(cè)再扶單拐2周；初始穩(wěn)定性差的患者囑臥床6周后扶雙拐下床負(fù)重活動(dòng)。所有患者術(shù)后3個(gè)月、6個(gè)月、每年常規(guī)復(fù)查髖關(guān)節(jié)X線片，均測(cè)量假體髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心數(shù)據(jù)和雙下肢長(zhǎng)度。根據(jù)X線片觀察假體與宿主骨的結(jié)合程度，觀察是否有假體松動(dòng)或骨長(zhǎng)入。

1.4 觀察指標(biāo)

1.4.1 影像學(xué)評(píng)估 患者于手術(shù)前后，術(shù)后3個(gè)月、6個(gè)月和每年拍攝骨盆正位X線片，在骨盆正位X線片上測(cè)量患側(cè)假體髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心數(shù)據(jù)和雙下肢長(zhǎng)度。應(yīng)用Ranawat三角測(cè)量法[1]評(píng)估髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心并作為理想旋轉(zhuǎn)中心，比較手術(shù)前后和末次隨訪時(shí)骨盆X線片上實(shí)際旋轉(zhuǎn)中心與理想旋轉(zhuǎn)中心的垂直距離和水平距離。雙下肢長(zhǎng)度差定義為雙側(cè)小轉(zhuǎn)子頂點(diǎn)與淚滴連線的垂直距離差值。應(yīng)用Massin方法評(píng)估假體松動(dòng)及移位情況，在連續(xù)不同時(shí)間復(fù)查的骨盆X線片上測(cè)量假體移位超過2 mm或螺釘斷裂判定為松動(dòng)，否則判定假體無松動(dòng)移位，但如果周圍出現(xiàn)1 mm以上透光線定為可疑松動(dòng)。評(píng)估假體骨長(zhǎng)入情況，宿主骨與假體之間出現(xiàn)連續(xù)的骨小梁判定為骨長(zhǎng)入。

1.4.2 功能和并發(fā)癥評(píng)估 記錄比較手術(shù)前后，術(shù)后3個(gè)月、6個(gè)月及末次隨訪時(shí)患者的髖關(guān)節(jié)功能，采用Harris髖關(guān)節(jié)評(píng)分量表進(jìn)行評(píng)估，并同時(shí)記錄隨訪期間患者并發(fā)癥的發(fā)生情況。如假體關(guān)節(jié)感染、脫位、假體周圍骨折等。

2 結(jié) 果

2.1 影像學(xué)評(píng)估結(jié)果 髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心的垂直移位距離：術(shù)前(31.03±9.32)mm，術(shù)后3個(gè)月、6個(gè)月和末次隨訪時(shí)分別為(5.62±3.44)mm、(5.70±4.23)mm、(5.82±4.27)mm，與術(shù)前比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。水平移位距離：術(shù)前(16.03±1.32)mm，術(shù)后3個(gè)月、6個(gè)月和末次隨訪時(shí)分別為(3.63±1.41)mm、(3.73±1.38)mm、(3.81±1.23)mm，與術(shù)前比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。雙下肢長(zhǎng)度差：術(shù)前(26.11±12.32)mm，術(shù)后3個(gè)月、6個(gè)月和末次隨訪分別為(4.74±3.61)mm、(4.97±4.58)mm、(5.31±4.72)mm，與術(shù)前比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05，見表1)。術(shù)后隨訪期間骨盆X線片均未見個(gè)體化3D打印臼杯與其宿主骨之間放射性透光線和假體松動(dòng)。術(shù)后6個(gè)月隨訪時(shí)X線片示，3D臼杯周圍骨組織結(jié)合緊密、固定可靠，有較好的骨長(zhǎng)入。

2.2 功能評(píng)估結(jié)果 Harris髖關(guān)節(jié)功能評(píng)分：術(shù)前(34.02±14.91)分，術(shù)后3個(gè)月、6個(gè)月和末次隨訪時(shí)分別為(80.12±9.81)分、(83.15±9.75)分、(84.31±9.71)分，與術(shù)前比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05，見表1)。隨訪期間未見假體關(guān)節(jié)感染、脫位、假體周圍骨折等并發(fā)癥。

表1 手術(shù)前后旋轉(zhuǎn)中心的垂直、水平距離、雙下肢長(zhǎng)度差和Harris評(píng)分的比較

2.3 典型病例 (a)61歲男性患者，因“右髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后11年，疼痛2年”入院，診斷“右髖假體無菌性松動(dòng)”。術(shù)前骨盆X線片提示髖臼Paprosky ⅡB型骨缺損，箭頭所示骨溶解明顯。應(yīng)用個(gè)體化3D打印鈦合金臼杯重建旋轉(zhuǎn)中心，術(shù)后1年隨訪可見旋轉(zhuǎn)中心位置佳，臼杯周圍骨組織結(jié)合緊密，骨長(zhǎng)入良好，髖關(guān)節(jié)Harris功能評(píng)分由術(shù)前32分提高至術(shù)后的95分(見圖6～8)。(b)65歲女性患者，因“左髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后4年，疼痛2年”入院，診斷“左髖假體無菌性松動(dòng)”。術(shù)前骨盆X線片提示髖臼Paprosky ⅢA型骨缺損，術(shù)后18個(gè)月隨訪未見臼杯與其宿主骨之間放射性透光線和假體松動(dòng)，旋轉(zhuǎn)中心位置良好。髖關(guān)節(jié)Harris功能評(píng)分由術(shù)前35分提高至術(shù)后的90分(見圖9～11)。

圖6 術(shù)前骨盆X線片示Paprosky ⅡB型骨缺損 圖7 個(gè)體化3D打印鈦合金臼杯 圖8 術(shù)后1年隨訪臼杯周圍骨組織結(jié)合緊密，旋轉(zhuǎn)中心位置佳

圖9 術(shù)前骨盆X線片示髖臼Paprosky ⅢA型骨缺損 圖10 個(gè)體化3D打印鈦合金臼杯 圖11 術(shù)后18個(gè)月隨訪臼杯周圍骨組織結(jié)合緊密，旋轉(zhuǎn)中心位置良好

3 討 論

臨床工作中，因假體松動(dòng)或感染控制后而需要翻修的患者，其骨缺損的程度、缺損位置各有不同，髖關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)中心也發(fā)生明顯異常，重建合適的旋轉(zhuǎn)中心是手術(shù)的主要目標(biāo)及難點(diǎn)。目前，重建髖臼旋轉(zhuǎn)中心并沒有統(tǒng)一的方法，即使是骨缺損程度、缺損位置、類型大體相同的病例。既往大量研究報(bào)道多孔生物型大臼杯用于重建髖臼骨缺損取得了良好的臨床療效[2-3]，其10年的假體在位率達(dá)到80%～95%，療效十分肯定。多孔生物型大臼杯重建重度髖臼骨缺損Paprosky Ⅲ型的報(bào)道較少，但已有研究表明大臼杯的使用通常伴隨著髖臼旋轉(zhuǎn)中心的上移、髖部周圍軟組織張力升高和臀中肌力臂的異常。

打壓植骨或結(jié)構(gòu)性植骨往往存在骨愈合的問題，常導(dǎo)致預(yù)后不佳，特別在重建重度髖臼骨缺損時(shí)療效比較差[4-5]，隨著關(guān)節(jié)內(nèi)植物材料的進(jìn)一步改善及優(yōu)化，金屬生物學(xué)材料如多孔鈦合金加強(qiáng)塊等被越來越多的應(yīng)用到臨床當(dāng)中。郭宇等[6]報(bào)道應(yīng)用3D打印技術(shù)聯(lián)合打壓植骨重建髖臼骨缺損取得滿意效果。Lingaraj等[7]報(bào)道了23例應(yīng)用骨小梁鉭金屬(trabecular metal，TM)加強(qiáng)塊重建Paprosky Ⅲ型及以上的重度髖臼骨缺損病例，經(jīng)過24～62個(gè)月的隨訪，共發(fā)現(xiàn)22例患者的TM加強(qiáng)塊穩(wěn)定，未出現(xiàn)假體、加強(qiáng)塊的松動(dòng)，假體在位率高達(dá)95.7%。Borland等[8]同樣報(bào)道了TM加強(qiáng)塊重建復(fù)雜髖臼骨缺損的研究，共納入24例患者，經(jīng)過3～7年的隨訪，僅1例患者發(fā)現(xiàn)加強(qiáng)塊斷裂。雖然生物型金屬加強(qiáng)塊重建骨缺損的療效令人滿意，但手術(shù)難度較大，加強(qiáng)塊形狀單一，術(shù)中難以做到和宿主骨間和臼杯間的完美匹配。生物型加強(qiáng)塊重建骨缺損是通過自身和宿主骨的長(zhǎng)入來達(dá)到生物學(xué)固定，利用加強(qiáng)塊的幾何形狀來彌補(bǔ)骨缺損對(duì)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心和穩(wěn)定性的影響，達(dá)到生物學(xué)的固定需要加強(qiáng)塊和宿主骨有良好的匹配。髖臼骨缺損較嚴(yán)重且呈縱軸橢圓形的病例十分適用加強(qiáng)塊，這類骨缺損和加強(qiáng)塊的幾何形狀高度吻合，且整體安裝也比較方便，能夠滿足髖臼穩(wěn)定性的需要。但呈縱軸橢圓形骨缺損的病例并不常見，更常見到的是臼底的缺損或前、后壁的缺損，這類病例加強(qiáng)塊和宿主骨的匹配就十分困難。而個(gè)體化3D打印鈦合金臼杯假體按照患者骨盆三維數(shù)據(jù)逆向設(shè)計(jì)，其外形與髖臼骨缺損實(shí)現(xiàn)了高度匹配[9]，整體性強(qiáng)便于安裝，相當(dāng)于在手術(shù)前實(shí)際模擬了一次手術(shù)，對(duì)手術(shù)過程更熟悉，髖臼的打磨和假體的外展角、前傾角均預(yù)演確定，更能保證手術(shù)的安全性及準(zhǔn)確性。

大多數(shù)的髖臼骨缺損存在不同程度的臼頂缺損和臼底缺損，臼頂缺損導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)中心上移，臼底缺損導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)中心內(nèi)移，Paprosky ⅡB型ⅢA型和ⅢB型十分明顯，加上此類病例關(guān)節(jié)周圍軟組織松弛，使關(guān)節(jié)功能喪失，個(gè)體化3D打印鈦合金臼杯有助于將旋轉(zhuǎn)中心恢復(fù)至正常或相對(duì)正常的位置并獲得合適的周圍軟組織張力，從而恢復(fù)關(guān)節(jié)功能，而應(yīng)用其他重建方法(如Jumbo杯和加強(qiáng)環(huán))是很難實(shí)現(xiàn)的。Abolghasemian等[10-13]回顧性分析了34例應(yīng)用TM臼杯+加強(qiáng)塊重建重度髖臼骨缺損術(shù)后的旋轉(zhuǎn)中心，上移距離由術(shù)前48.5 mm恢復(fù)至24.8 mm。Banerjee等[14，15]在一項(xiàng)Meta分析中報(bào)道了應(yīng)用多孔金屬涂層生物型臼杯+加強(qiáng)塊重建髖臼骨缺損術(shù)后旋轉(zhuǎn)中心的上移距離由術(shù)前39.3 mm恢復(fù)至術(shù)后24.1 mm。而本研究應(yīng)用個(gè)體化3D打印鈦合金臼杯重建髖臼骨缺損，術(shù)后旋轉(zhuǎn)中心的上移距離恢復(fù)至2～8 mm，平均(5.6±3.4)mm，更有助于恢復(fù)上移距離趨于正常范圍。

本研究的結(jié)果表明，應(yīng)用個(gè)體化3D打印鈦合金臼杯能夠重建重度骨缺損髖臼的旋轉(zhuǎn)中心，術(shù)后肢體長(zhǎng)度和髖關(guān)節(jié)功能均有顯著改善，3D臼杯與缺損的宿主骨匹配佳，早期隨訪臨床療效好，且未見嚴(yán)重并發(fā)癥發(fā)生，在髖臼重度骨缺損重建中具有可靠的臨床應(yīng)用前景。然而較小的樣本量及較短的隨訪時(shí)間是當(dāng)前研究的缺陷，再今后的研究中需進(jìn)一步擴(kuò)充病例并納入中、遠(yuǎn)期隨訪數(shù)據(jù)。