3D打印技術(shù)在髖關(guān)節(jié)翻修手術(shù)中應用

何　勇，　劉欣偉，　張敬東，　韓文鋒，　王　寧，　劉海立，　柳云恩，　侯明曉

沈陽軍區(qū)總醫(yī)院 骨科，全軍重癥戰(zhàn)創(chuàng)傷救治中心，遼寧 沈陽　110016

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·3D打印技術(shù)·

3D打印技術(shù)在髖關(guān)節(jié)翻修手術(shù)中應用

何勇，劉欣偉，張敬東，韓文鋒，王寧，劉海立，柳云恩，侯明曉

沈陽軍區(qū)總醫(yī)院 骨科，全軍重癥戰(zhàn)創(chuàng)傷救治中心，遼寧 沈陽110016

目的探討3D打印技術(shù)在髖關(guān)節(jié)翻修手術(shù)治療中的應用效果。方法選擇2014年6月至2015年11月我科收治的8例髖關(guān)節(jié)感染翻修患者。Ⅰ期行感染清創(chuàng)、假體取出、抗生素骨水泥占位器植入術(shù)，規(guī)范抗感染治療3個月；復查炎性指標正常后，Ⅱ期行髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)。術(shù)前利用CT掃描得到的數(shù)據(jù)進行計算機三維建模，通過3D打印技術(shù)打印經(jīng)鏡像處理后的健側(cè)髖臼及股骨近端實體模型，術(shù)前預演并指導制作術(shù)中占位器及Ⅱ期假體的安放。結(jié)果3D打印技術(shù)的應用使復雜髖關(guān)節(jié)翻修占位器及假體的選擇更精確，大大縮短了手術(shù)時間，減少了創(chuàng)傷。所有患者均獲得隨訪，時間9～24個月，平均16.5個月。術(shù)后X線影像學檢查顯示，關(guān)節(jié)假體位置正確，固定可靠，髖關(guān)節(jié)功能獲得較大的改善。Harris評分從術(shù)前平均(37.6±5.6)分，提高至末次隨訪的平均(83.6±9.8)分(P<0.05)。結(jié)論3D打印技術(shù)在髖關(guān)節(jié)翻修手術(shù)治療中可以實現(xiàn)術(shù)前個體化設(shè)計、手術(shù)模擬，縮短手術(shù)時間，減少醫(yī)源性損傷，提高手術(shù)效率，方法可行，效果良好。

3D打??；手術(shù)導板；感染；翻修術(shù)；手術(shù)并發(fā)癥

Three dimensional printing technique；Operation guide plate；Infection；The second-stage revision；Postoperative complications

人工全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后深部感染是人工關(guān)節(jié)手術(shù)的嚴重并發(fā)癥，一旦發(fā)生，可能導致整個手術(shù)的失敗，患者往往需要接受翻修手術(shù)。在翻修手術(shù)當中，經(jīng)常會遇到骨缺損的問題，難以處理。既往需要依據(jù)醫(yī)師的經(jīng)驗在翻修手術(shù)前進行粗略估測，術(shù)中邊清創(chuàng)，邊調(diào)整制作占位器，費時費力且不準確。隨著3D打印技術(shù)的興起及在醫(yī)學領(lǐng)域的應用，沈陽軍區(qū)總醫(yī)院骨科將3D打印技術(shù)應用于8例髖關(guān)節(jié)感染翻修術(shù)，取得了滿意的效果?，F(xiàn)報道如下。

1　資料與方法

1.1一般資料選擇沈陽軍區(qū)總醫(yī)院骨科2014年6月至2015年11月收治的髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后感染患者8例，設(shè)為研究組。其中，男性3例，女性5例；年齡48～72歲，平均56.5歲。全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)前髖關(guān)節(jié)病變主要為：股骨頭壞死2髖，髖關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎3髖，股骨頸骨折(Garden Ⅳ型)2髖，先天性髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良1髖。初次手術(shù)用骨水泥型假體3例，非骨水泥型假體5例。8例患者均為術(shù)后晚期慢性感染，患髖有不同程度疼痛。關(guān)節(jié)液血培養(yǎng)，8例均為陽性，均為革蘭陽性球菌感染。隨機選取8例既往未采用3D打印技術(shù)的髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后感染患者(對照組)，進行比較分析。

1.2手術(shù)導板制作術(shù)前常規(guī)行雙側(cè)髖關(guān)節(jié)3D-CT檢查，掃描層厚0.625 mm，將數(shù)據(jù)以DICOM格式導出并存儲。通過Mimics 10.0軟件將DICOM格式的文件提取后，對健側(cè)髖關(guān)節(jié)進行三維建模后，通過Magics 15.0軟件進行后處理；通過逆向工程技術(shù)求得反向模型后，確保計算機程序設(shè)計的導板能夠準確制作患側(cè)個體化spacer模具。將骨與導板生成的STL文件導入3D打印機中，執(zhí)行3D打印。本研究中使用的打印材料均為ABS樹脂。打印完成后，將spacer模具導板與骨模型再次適配，確認無誤后，將導板送手術(shù)室進行消毒備用。

1.3手術(shù)方法研究組8例患者均采用全身麻醉，手術(shù)由同一組醫(yī)師完成。麻醉成功后，常規(guī)消毒、鋪無菌手術(shù)單，取原手術(shù)切口，逐層切開皮膚、皮下組織、筋膜、瘢痕及感染組織，顯露髖關(guān)節(jié)后，取出感染假體，徹底清除假體與骨界面之間的界膜、感染肉芽組織，Ⅲ型安爾碘浸泡術(shù)區(qū)5 min，再用大量的生理鹽水脈沖沖洗，反復3次，重新鋪無菌手術(shù)單。此時，應用鏡像技術(shù)3D打印的個體化spacer模具制造個體化含萬古霉素的骨水泥假體，徹底清創(chuàng)后，置入含萬古霉素的骨水泥假體。術(shù)后根據(jù)藥敏結(jié)果規(guī)范使用抗生素6周，直至局部無癥狀，血沉、C反應蛋白、白介素-6正常。3～6個月后，再行Ⅱ期翻修手術(shù)。通過術(shù)前的3D打印了解髖臼及股骨側(cè)骨缺損情況，定制合適假體。術(shù)中逐層切開并顯露髖關(guān)節(jié)后，取出占位器，取關(guān)節(jié)液培養(yǎng)，肉眼判斷感染控制情況，如創(chuàng)面干凈，則再次徹底清創(chuàng)。清創(chuàng)徹底后，依據(jù)術(shù)前3D打印設(shè)計及參照術(shù)中消毒骨模型進行骨缺損重建，置入翻修假體。

對照組8例患者的手術(shù)由上述同一組醫(yī)師完成。圍術(shù)期操作與研究組相同，但不使用3D打印設(shè)計及重建技術(shù)。

1.4觀察指標記錄各導板的制作時間、手術(shù)時間，二次手術(shù)前后的髖關(guān)節(jié)功能按Harris標準進行評分，臨床評估包括比較患者術(shù)前及末次隨訪的髖關(guān)節(jié)Harris評分。

2　結(jié)果

研究組的導板制作時間為(15.5±4.5)h，8例患者均成功應用了手術(shù)導板，術(shù)中制作并使用個體化占位器。Ⅱ期翻修術(shù)中，依據(jù)3D打印實體模具了解骨缺損情況，選擇合適翻修假體。術(shù)中占位器未出現(xiàn)變形、斷裂，髖關(guān)節(jié)功能良好。研究組手術(shù)時間(96.6±22.4)min，與未使用導板的對照組(132.4±30.6)min比較，差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。研究組8例患者均獲隨訪，隨訪時間9～24個月，平均16.5個月。Ⅱ期翻修術(shù)后，所有患者切口均臨床愈合，無髖部疼痛、感染復發(fā)、關(guān)節(jié)脫位、血管、神經(jīng)損傷等手術(shù)并發(fā)癥。術(shù)后3個月內(nèi)基本恢復正常，無不適感。研究組Harris評分從術(shù)前的(37.6±5.6)分，提高至末次隨訪的平均(83.6±9.8)分(P<0.05)；對照組Harris評分從術(shù)前平均(38.4±6.2)分，提高至末次隨訪的平均(78.4±7.2)分(P<0.05)。典型病例見圖1。

圖1患者男性，62歲，人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后感染，應用3D打印技術(shù)行髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)(a.術(shù)前X線影像；b,c.使用3D打印技術(shù)制作個體化模具；d.第1次占位器置入術(shù)后X線影像；e,f.術(shù)前電腦呈現(xiàn)的髖關(guān)節(jié)3D圖像及模擬的假體大??；g.術(shù)中依據(jù)術(shù)前3D打印指導，選擇合適假體安放；h.術(shù)后X線影像可見，假體大小選擇及安放效果良好、位置佳)

3　討論

3D打印技術(shù)在工業(yè)制造領(lǐng)域已應用近30年，其前身是集激光快速成型、高分子材料、三維CT技術(shù)于一體的一種現(xiàn)代化工業(yè)制造技術(shù)[5]。在計算機掃描的前提下，通過對零件幾何信息的數(shù)字化處理，在計算機中對零件進行符合設(shè)計要求的再次精細加工，逐層堆積即可得到三維重建模型，該模型通過3D打印機將一定的可打印材料注入后，即可制作出實體模型[6-8]。近年來，3D打印技術(shù)在各個領(lǐng)域廣泛興起，在醫(yī)用材料領(lǐng)域特別是硬組織領(lǐng)域更是得到了較快發(fā)展，由于人體組織的不規(guī)則性，人與人之間的個體化差異，該技術(shù)在醫(yī)學領(lǐng)域的實施給患者及醫(yī)師帶來了很大幫助[9]。

近20年來，國內(nèi)人工全髖關(guān)節(jié)置換數(shù)量大幅度上升。由于臨床醫(yī)療自身所具有的風險與并發(fā)癥，全髖關(guān)節(jié)翻修的數(shù)量也在不斷上升。翻修手術(shù)過程中，感染的控制、骨缺損的處理、翻修假體的選擇等，均是骨關(guān)節(jié)外科醫(yī)師所需解決的臨床難題。人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后感染導致的骨缺損常很嚴重，一方面是化膿、骨溶解或假體松動導致骨丟失，另一方面是在取出固定良好的感染假體或清除殘余骨水泥以及感染組織時，骨丟失會進一步加重。因此，在面對需行全髖關(guān)節(jié)翻修的患者時，應在翻修前對患者進行全面的查體，明確翻修主要原因，借助實驗室與影像學檢查，做好周密的翻修前計劃，術(shù)前利用CT掃描得到的數(shù)據(jù)進行計算機三維建模，通過3D打印技術(shù)打印經(jīng)鏡像處理后的健側(cè)髖臼及股骨近端實體模型[10]，術(shù)前預演并指導制作術(shù)中個體化占位器及Ⅱ期假體的安放，翻修過程中根據(jù)術(shù)前計劃及術(shù)中具體情況處理骨缺損及選擇假體，翻修后進行科學的功能鍛煉，可使全髖關(guān)節(jié)翻修取得良好的臨床療效。

全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后感染是關(guān)節(jié)外科醫(yī)師所面臨的一個難題，尤其是慢性深部感染。目前，其治療方法主要為單一應用抗生素抗感染治療，Ⅰ期翻修，Ⅱ期翻修；關(guān)節(jié)切除成形，關(guān)節(jié)融合，甚至截肢。Ⅱ期翻修，即Ⅰ期徹底清創(chuàng)后，取出假體，置入含抗生素骨水泥假體，全身應用抗生素，觀察至炎癥完全控制后，Ⅱ期行全髖關(guān)節(jié)置換。目前，美國已將此種方法作為全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后深部感染的標準治療措施[11]。Ⅱ期翻修治療關(guān)節(jié)感染相比其他外科手段具有根治感染率高等優(yōu)點，頗受關(guān)節(jié)外科醫(yī)師青睞。利用含抗生素骨水泥假體對人工關(guān)節(jié)術(shù)后感染進行Ⅱ期翻修是由Duncan等[12]發(fā)明的。這種含抗生素骨水泥假體由特殊的金屬模具制成，使用細長的股骨柄假體與更小的髖臼杯。雖然制作精細；但由于需要特殊的模具與假體，在臨床上普及有一定困難。而且，模具制作的抗生素骨水泥假體型號固定，抗生素骨水泥假體表面不如金屬光滑，型號不匹配會造成運動時疼痛、異響，影響生活質(zhì)量。因此，本研究通過3D打印對含抗生素骨水泥假體進行了個體化制作，在所有患者隨訪中均能實現(xiàn)早期負重，并且未發(fā)現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。在治療費用方面，3D打印價格低廉，僅僅是二次CT檢查的費用，并未增加多余的巨大治療費用。在本研究中，研究組8例髖關(guān)節(jié)感染翻修患者通過3D打印技術(shù)均成功設(shè)計制作并應用了骨模型及抗生素骨水泥占位器，控制感染效果[13]及翻修效果良好，與對照組比較，手術(shù)時間明顯縮短，患者隨訪的髖關(guān)節(jié)Harris評分明顯高于手術(shù)前及對照組，取得了滿意的臨床療效。

3D打印模型應用于髖關(guān)節(jié)翻修中的臨床意義[14]在于：(1)3D打印的實物模型能夠清晰顯示感染病變位置的形態(tài)及正常健側(cè)局部解剖結(jié)構(gòu)等，可以發(fā)現(xiàn)影像學資料無法顯示的信息，提高疾病診斷率；(2)應用關(guān)節(jié)實物3D打印模型有利于向患者及其家屬解釋、溝通病情及制訂治療方案，將外科手術(shù)水平提髙至新的“個性化手術(shù)方案”階段；(3)在3D打印模型上模擬手術(shù)能夠發(fā)現(xiàn)手術(shù)設(shè)計的不完善之處以及預想術(shù)中最可能會發(fā)生的突發(fā)情況，并及時對手術(shù)方案進行調(diào)整，提高手術(shù)的準確性及安全性，減少不必要的手術(shù)創(chuàng)傷，在一定程度上提高手術(shù)成功率、降低手術(shù)并發(fā)癥的發(fā)生。

綜上所述，3D打印技術(shù)作為一種新興技術(shù)，在骨關(guān)節(jié)外科領(lǐng)域具有獨特的優(yōu)勢與廣闊的發(fā)展前景，該技術(shù)具有能夠?qū)崿F(xiàn)術(shù)前個體化設(shè)計、進行手術(shù)預演、縮短手術(shù)時間、減少醫(yī)源性損傷、提高手術(shù)效率等優(yōu)點，值得推廣。

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遼寧省科技攻關(guān)(2013225089)

何勇(1982-)，男，遼寧本溪人，醫(yī)師，碩士

張敬東，E-mail：zhangjingdongdr@163.com

2095-5561(2016)05-0269-04

R687.4

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∶10.16048/j.issn.2095-5561.2016.05.04

2016-09-13