3D打印技術(shù)在髖、膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中的應(yīng)用進展

于辰曦，孫水

(山東大學(xué)附屬省立醫(yī)院，濟南250021)

3D打印技術(shù)在髖、膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中的應(yīng)用進展

于辰曦，孫水

(山東大學(xué)附屬省立醫(yī)院，濟南250021)

3D打印技術(shù)可將抽象的三維數(shù)字模型轉(zhuǎn)化為直觀、立體的實物模型，能夠?qū)崿F(xiàn)假體的個體化制作，可較好地解決關(guān)節(jié)置換術(shù)中假體型號選擇、提高假體安放位置準(zhǔn)確性以及畸形矯正程度等技術(shù)難題，從而提高關(guān)節(jié)置換術(shù)的精準(zhǔn)程度。3D打印技術(shù)在髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中的應(yīng)用研究較為深入，可提高髖臼假體、股骨導(dǎo)航模板設(shè)計制作的個體化水平，并使髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)中骨缺損的處理更為精準(zhǔn)。大部分研究認為3D打印技術(shù)可提高截骨定位模板制作的個體化水平，但其在膝關(guān)節(jié)翻修術(shù)及骨缺損處理中的應(yīng)用尚處于探索階段。

關(guān)節(jié)置換術(shù)；3維打印技術(shù)；髖關(guān)節(jié)置換術(shù)；膝關(guān)節(jié)置換術(shù)

3D打印技術(shù)是一種以數(shù)字模型文件為模板，使用金屬粉末或者塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)，屬于快速成型技術(shù)。近年來，選擇性激光燒結(jié)、熔融沉積成型以及噴墨打印等技術(shù)極大地推動了3D打印技術(shù)在臨床上的應(yīng)用[1]。在關(guān)節(jié)置換手術(shù)中，3D打印技術(shù)能為患者定制個體化假體，較好地解決傳統(tǒng)置換手術(shù)中假體型號選擇、假體位置判斷以及嚴(yán)重關(guān)節(jié)畸形矯正等難點問題，提高關(guān)節(jié)置換術(shù)的成功率和翻修效果。本文就3D打印技術(shù)在髖、膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中的應(yīng)用作一綜述。

1 3D打印技術(shù)在髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中的應(yīng)用

1.1 提高髖臼假體設(shè)計制作的個體化水平 全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)(THA)的目的是用人工假體取代不能行使正常功能的髖關(guān)節(jié)，以恢復(fù)髖關(guān)節(jié)原有的支撐作用、穩(wěn)定性和活動度。發(fā)育性髖關(guān)節(jié)脫位(DDH)患者的髖臼發(fā)育異常導(dǎo)致髖臼形態(tài)發(fā)生變化，給髖臼重建帶來極大困難[2,3]，呈現(xiàn)完整的髖臼立體解剖結(jié)構(gòu)是DDH患者髖臼重建成功的關(guān)鍵。3D打印技術(shù)可根據(jù)患者術(shù)前的三維影像學(xué)資料，精確打印出三維髖臼假體模型，讓手術(shù)醫(yī)師在術(shù)前能更直觀地了解患者髖臼的立體形態(tài)以及各解剖結(jié)構(gòu)之間的空間關(guān)系，以制作個體化髖臼假體并進行模擬手術(shù)，從而提高髖臼假體的匹配程度和初始穩(wěn)定性[3～5]。Zhang等[3]將22例DDH患者分為傳統(tǒng)THA手術(shù)組(11例)和導(dǎo)航模板組(11例)，其中導(dǎo)航模板組在3D打印技術(shù)制作的模板導(dǎo)航下植入髖臼假體，試驗預(yù)設(shè)髖臼假體的外展角和前傾角分別為45°和18°；1年后隨訪，導(dǎo)航模板組可獲得良好的髖臼外展角和前傾角，同預(yù)設(shè)值相比，變異角度明顯小于傳統(tǒng)THA手術(shù)組。Xu等[4]應(yīng)用3D打印技術(shù)為10例DDH患者(6例單側(cè)髖關(guān)節(jié)、4例雙側(cè)髖關(guān)節(jié))設(shè)計了髖臼假體，并進行術(shù)前規(guī)劃以及術(shù)前假體位置、方向以及大小的預(yù)測；結(jié)果顯示，髖臼假體術(shù)前測量結(jié)果與實際應(yīng)用完全吻合的占71.4%(10/14)，相差<2 mm的占21.4%(3/14)，相差<4 mm的僅有1例；術(shù)后隨訪平均23.1個月，均未發(fā)生深靜脈血栓形成、肺栓塞、深部感染、神經(jīng)麻痹等并發(fā)癥，且均未行翻修手術(shù)。Won等[5]采用3D打印技術(shù)為21例嚴(yán)重髖臼畸形患者制作髖臼模型，THA中植入髖臼假體大小與術(shù)前測量相差<2 mm的占80.9%(17/21)，患者術(shù)后影像學(xué)檢查提示髖臼假體的骨長入和穩(wěn)定性均良好，末次隨訪平均HHS評分為79.9分，且影像學(xué)檢查未發(fā)現(xiàn)磨損顆粒及假體周圍骨溶解。

1.2 提高髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)中髖臼骨缺損的處理效果 髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)的手術(shù)指征包括無菌性松動、骨溶解等，其中超過一半的患者需進行髖臼翻修，而需要翻修的髖臼多存在不同程度的骨缺損。處理髖臼骨缺損尤其嚴(yán)重的骨缺損是髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)的重點及難點[6～8]。髖臼翻修術(shù)中發(fā)現(xiàn)巨大骨缺損或骨盆連續(xù)性中斷時，需使用髖臼加強環(huán)如抗內(nèi)突籠，以恢復(fù)髖臼的連續(xù)性和完整性，為骨水泥固定髖臼假體提供堅強支撐[8]。傳統(tǒng)設(shè)計的髖臼加強環(huán)存在個體化程度低、不能提供長期生物固定、缺少多孔涂層等缺點；而3D打印技術(shù)一方面可為患者定制個體化髖臼加強環(huán)，另一方面打印時可提供多孔涂層，有利于完全修補髖臼骨缺損、促進骨長入、獲得假體的初始穩(wěn)定性和長期穩(wěn)定性[7,8]。Mao等[7]制作了一種含有多孔羥基磷灰石的髖臼加強環(huán)，并成功應(yīng)用于22例接受髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)的患者(共23髖，其中3髖為Paprosky ⅢA型髖臼骨缺損、20髖PaproskyⅢB型髖臼骨缺損)，術(shù)后隨訪結(jié)果顯示治療效果較好，末次隨訪平均HHS評分從術(shù)前39.6分提高到80.9分，且未發(fā)生深部感染、深靜脈血栓形成及神經(jīng)麻痹等并發(fā)癥。Li等[9]采用3D打印技術(shù)制作了一種表面經(jīng)過流砂處理的鉭金屬髖臼加強環(huán)，該髖臼加強環(huán)既有跨越坐骨的固定裝置，又結(jié)合了三翼臼杯的髂骨固定翼設(shè)計，可獲得更為牢靠的固定；該課題組將其應(yīng)用于24例接受髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)的患者(共24髖，均存在巨大髖臼骨缺損)，術(shù)后平均隨訪67個月，末次隨訪結(jié)果顯示患者平均HHS評分從術(shù)前36分提高到82分，并且可使髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心的位置恢復(fù)到解剖旋轉(zhuǎn)中心。Colen等[10]通過激光燒結(jié)技術(shù)制作了一種三翼臼環(huán)，并將其應(yīng)用于6例有嚴(yán)重髖臼骨缺損的髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)患者，術(shù)后隨訪10～58個月結(jié)果顯示效果均較好，無手術(shù)失敗或需再次翻修者。Zerr等[11]采用3D打印技術(shù)設(shè)計制作術(shù)前模板，并應(yīng)用于1例因術(shù)后感染導(dǎo)致嚴(yán)重骨缺損的THA患者二期髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)，術(shù)后結(jié)果顯示未發(fā)生骨盆連續(xù)性中斷。近年來國內(nèi)學(xué)者[12,13]也開始嘗試采用3D打印技術(shù)制作與患者骨盆高吻合度的髖臼假體，并用于PaproshyⅢ型髖臼骨缺損翻修術(shù)患者，均獲得了滿意的治療效果。

1.3 提高股骨導(dǎo)航模板設(shè)計制作的個體化水平 相對于傳統(tǒng)THA，髖關(guān)節(jié)表面置換術(shù)(SRA)具有保留股骨頭、磨損界面低、截骨量少等優(yōu)點，但股骨頸骨折是其主要并發(fā)癥。研究認為，SRA后股骨頸骨折的主要原因是股骨假體定位準(zhǔn)確性差，因此引導(dǎo)股骨假體準(zhǔn)確定位是SRA成功的關(guān)鍵[14,15]。Du等[15]在髖關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎患者CT掃描結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用3D打印技術(shù)生產(chǎn)出一種個體化股骨頭截骨模板，術(shù)后影像學(xué)檢查顯示其術(shù)后假體柄干角明顯高于傳統(tǒng)SRA；該研究顯示，使用這種個體化模板能提高假體置入的準(zhǔn)確性、縮短手術(shù)時間并減少術(shù)中并發(fā)癥的發(fā)生。Raaijmaakers等[16]設(shè)計了一種3D打印股骨頭截骨導(dǎo)航夾具，并將其應(yīng)用于5例SRA患者，結(jié)果顯示均定位準(zhǔn)確，平均最大鉆孔角度偏差和置入點偏差分別為2.9°、2.1 mm。Kunz等[17]運用3D打印技術(shù)設(shè)計了一種個性化股骨引導(dǎo)鉆孔模板，應(yīng)于45例SRA患者；結(jié)果顯示與傳統(tǒng)計算機輔助SRA相比，個性化股骨引導(dǎo)鉆孔模板具有同樣的準(zhǔn)確性。

2 3D打印技術(shù)在膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中的應(yīng)用

2.1 提高截骨定位模板設(shè)計制作的個體化水平 由于人體膝關(guān)節(jié)大小、形態(tài)存在較大差異，傳統(tǒng)的機械引導(dǎo)裝置及截骨工具是基于歐美人體解剖學(xué)特點而設(shè)計的，因此全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)(TKA)精確度較低，術(shù)后下肢力線對位誤差>3°的發(fā)生率超過10%。個體化模板輔助TKA截骨術(shù)(PSI)依據(jù)患者術(shù)前MRI或CT掃描數(shù)據(jù)，采用3D打印技術(shù)設(shè)計制作個體化截骨定位模板，是一種應(yīng)用于復(fù)雜膝關(guān)節(jié)置換術(shù)前規(guī)劃、模擬截骨和術(shù)中操作的新型膝關(guān)節(jié)截骨方法，術(shù)后下肢力線對位誤差小，具有截骨精確性高、手術(shù)時間短、手術(shù)損傷輕等優(yōu)點。Daniilidis等[18]研究顯示，PSI患者術(shù)后下肢力線偏差>3°的比例為9.3%，而采用傳統(tǒng)截骨板的患者則為21.2%，提示PSI下肢力線對位準(zhǔn)確、誤差較小。Ferrara等[19]研究顯示，采用PSI的觀察組較采用傳統(tǒng)截骨術(shù)的對照組手術(shù)時間更短，術(shù)中出血量更少，股骨假體的旋轉(zhuǎn)對位改善情況更好。Gan等[20]采用3D打印技術(shù)開發(fā)了一種為TKA患者特殊設(shè)計的膝關(guān)節(jié)截骨板，并用于采用截骨板行TKA的患者；結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)截骨術(shù)相比，采用截骨板行TKA的患者可獲得更加理想的下肢力線機械軸、股骨前傾角、脛骨后傾角以及截骨間隙，平均手術(shù)時間短、平均術(shù)中出血量少。Heyse等[21]研究顯示，PSI患者的股骨假體旋轉(zhuǎn)對位情況明顯優(yōu)于傳統(tǒng)截骨術(shù)患者。

然而，國外也有學(xué)者對PSI的臨床效果提出了質(zhì)疑，認為其與傳統(tǒng)截骨術(shù)并無明顯差異。Abane等[22]以126例擬接受TKA的患者為研究對象，其中59例進行PSI、67例進行傳統(tǒng)截骨術(shù)；結(jié)果顯示二者手術(shù)時間、術(shù)中出血量、術(shù)后X線測量髖-膝-踝角比較差異均無統(tǒng)計學(xué)意義。Woolson等[23]研究顯示，PSI患者術(shù)后股骨旋轉(zhuǎn)對位情況并不優(yōu)于傳統(tǒng)截骨術(shù)患者，且PSI患者的截骨模塊更容易導(dǎo)致脛骨假體后傾角增大。

2.2 提高膝關(guān)節(jié)翻修術(shù)中骨缺損的處理效果 骨缺損是膝關(guān)節(jié)翻修術(shù)中的常見問題，其修復(fù)方法很多，但傳統(tǒng)的修復(fù)方法在處理累及干骺端甚至骨干部位的巨大骨缺損效果不理想[24]。多孔金屬坦墊塊具有較好的生物相容性和多孔特性，可提供良好結(jié)構(gòu)支持和牢靠穩(wěn)定性，近年來逐漸應(yīng)用于巨大骨缺損修復(fù)，取得了較為理想的中、短期效果[25]。但因骨缺損形態(tài)各異，實際應(yīng)用中仍存在墊塊與骨缺損難以完全匹配的不足，而3D打印技術(shù)可打印出新型多孔金屬鉭墊塊，克服這一不足。

綜上所述，3D打印技術(shù)在髖、膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中的應(yīng)用取得了很大進步，特別是在髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中的應(yīng)用研究比較深入，今后應(yīng)在進一步提高3D打印技術(shù)假體制作個體化水平的基礎(chǔ)上，采取措施加快制作速度、縮短制作周期、降低制作成本以拓展其應(yīng)用范圍；還應(yīng)加大假體材料和制作工藝的創(chuàng)新力度，制作包含細胞成分、血管和神經(jīng)等多種生物組織的“生物型假體”，以促使骨組織長入，提高假體的長期穩(wěn)定性。

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孫水(E-mail: sunshui1965@foxmail.com)

10.3969/j.issn.1002-266X.2017.32.035

R687.3

A

1002-266X(2017)32-0104-03

2017-02-04)