3D打印技術(shù)在成年發(fā)育性髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良患者股骨柄匹配度測(cè)量中的應(yīng)用

孫曉亮，官建中，吳 敏，周建生，王照東，陳笑天，李 琛

成年發(fā)育性髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良(DDH)患者終末期生活質(zhì)量下降，失去勞動(dòng)能力，人工全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)(THA)是目前最為有效的治療方式。重度DDH患者的髖臼及股骨近端解剖形態(tài)變異程度大，THA難度高，其中股骨假體柄的選擇尤為重要,需要根據(jù)患者股骨近端具體解剖形態(tài)進(jìn)行選擇。官建中 等[1]利用3D打印技術(shù)對(duì)8例成人DDH患者進(jìn)行術(shù)前骨盆模型的打印，在模型上預(yù)手術(shù)，提高了實(shí)際手術(shù)的成功率。但目前大多數(shù)研究都集中在髖臼側(cè)，在股骨側(cè)的深入研究則較少。本研究收集2017年11月～2018年11月在蚌埠醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院骨科行THA的成年重度DDH患者的三維CT數(shù)據(jù)(從骨盆至股骨髁部)，運(yùn)用3D打印機(jī)制作出23例成年DDH患者(29髖)的畸形股骨模型，在1 ∶1模型上模擬手術(shù)安裝兩種不同形狀的股骨柄髓腔銼，比較股骨假體不同柄的匹配度，從而為真實(shí)手術(shù)中股骨柄的選擇提供參考,報(bào)道如下。

1 材料與方法

1.1 病例資料納入行THA的成年DDH患者23例(29髖)，男2例，女21例，年齡24～67歲。Crowe分型：Ⅰ型8髖，Ⅱ型6髖，Ⅲ型8髖，Ⅳ型7髖。

1.2 設(shè)備與軟件GE 64排128層容積 CT、聯(lián)想筆記本電腦(由蚌埠醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院提供)； 激光快速成型3D 打印機(jī)(上海聯(lián)泰科技股份有限公司)；光敏樹(shù)脂(帝斯曼迪索特化學(xué)有限公司)。打印方式：光固化成型技術(shù)；GE公司CT自帶三維重建軟件；3D 醫(yī)學(xué)打印軟件：Mimics Medical 19.0。全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)專用器械(北京愛(ài)康宜誠(chéng)醫(yī)療器材有限公司)。

1.3方法① 首先對(duì)23例患者(29髖)進(jìn)行骨盆至股骨髁部CT三維重建。按照Noble et al(1988年)提出的髓腔開(kāi)口指數(shù)(CFI，即小轉(zhuǎn)子中心近端20 mm處髓腔冠狀徑和股骨髓腔峽部冠狀徑的比值)進(jìn)行分型：CFI<3煙囪型，34.7香檳型。② 在 Mimics 19.0中生成.stl文件，將文件導(dǎo)入3D打印機(jī)，進(jìn)行股骨全長(zhǎng)1 ∶1打印。在模型上進(jìn)行模擬手術(shù)，利用國(guó)產(chǎn)愛(ài)康關(guān)節(jié)自帶的截骨標(biāo)尺進(jìn)行股骨頸標(biāo)準(zhǔn)截骨(保留股骨距1.5 cm)，再取國(guó)產(chǎn)愛(ài)康關(guān)節(jié)提供的矩形及錐形假體柄髓腔銼分別進(jìn)行模擬安裝，依次增加股骨假體試模型號(hào)，達(dá)到匹配良好，固定穩(wěn)定即可。見(jiàn)圖1～15。以上研究經(jīng)過(guò)蚌埠醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。

1.4 匹配度的測(cè)量將安裝假體的股骨模型行CT三維重建，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 19.0進(jìn)行股骨假體柄在股骨截骨處、截骨遠(yuǎn)端2.5 cm、截骨遠(yuǎn)端7.5 cm及髓腔峽部位置處匹配度[2]的測(cè)量，由冠狀位股骨柄的寬度比股骨髓腔內(nèi)徑來(lái)計(jì)算(以百分?jǐn)?shù)計(jì)算)。

圖1 雙側(cè)DDH患者雙下肢全長(zhǎng) 圖2 CT橫斷及冠狀面圖像 圖3 經(jīng)Mimics軟件重建后圖像 圖4 3D打印股骨全長(zhǎng)模型 圖5用標(biāo)準(zhǔn)截骨標(biāo)尺標(biāo)記截骨線 圖6 擺鋸模擬截骨 圖7 矩形股骨柄試模 圖8 錐形股骨柄試模 圖9 安裝后再次行CT三維檢查 圖10 矩形股骨假體安裝后CT定位像圖11 錐形柄假體安裝后CT定位像 圖12 將CT數(shù)據(jù)再次利用Mimics軟件重建圖像 圖13 各個(gè)髓腔平面定位圖像 圖14 ab為股骨柄寬度，ac為髓腔寬度，ab/ac×100%為股骨柄匹配度 圖15 髓腔股骨柄匹配度示意[2]

2 結(jié)果

見(jiàn)表1。按照髓腔開(kāi)口指數(shù)(CFI)分型，香檳型8髖，正常型11髖，煙囪型10髖。

2.1 股骨截骨處匹配度測(cè)量結(jié)果比較煙囪型股骨中，矩形柄的匹配度顯著高于錐形柄(P<0.01)。香檳型股骨中，錐形柄的匹配度高于矩形柄(P<0.01)。

2.2 股骨截骨遠(yuǎn)端2.5 cm處匹配度測(cè)量結(jié)果比較正常型股骨中，矩形柄和錐形柄匹配度比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。香檳型股骨在此位置的解剖變異較大，錐形柄匹配度顯著高于矩形柄(P<0.001)。而對(duì)煙囪型股骨，矩形柄比錐形柄更占優(yōu)勢(shì)(P=0.001)。

2.3 股骨截骨遠(yuǎn)端7.5 cm處匹配度測(cè)量結(jié)果比較正常型股骨中，矩形柄和錐形柄匹配比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。香檳型股骨中，錐形柄明顯優(yōu)于矩形柄(P<0.01)。而相較于錐形柄，煙囪型股骨更適合矩形柄(P<0.01)。

2.4 股骨髓腔峽部匹配度測(cè)量結(jié)果比較正常型股骨中，矩形柄匹配度與錐形柄比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.333)。香檳型股骨中，錐形柄的匹配度顯著高于矩形柄(P<0.001)。煙囪型股骨近端髓腔較為陡直，錐度較香檳型股骨小，矩形柄匹配度優(yōu)于錐形柄(P<0.01)。

3 討論

成年DDH患者終末期常繼發(fā)髖關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎，嚴(yán)重影響生活質(zhì)量。THA為目前最合理的治療方法[3]，手術(shù)難點(diǎn)在于正確的髖臼假體安放位置、股骨柄的選擇、前傾角的控制及雙下肢長(zhǎng)度的調(diào)整[4]。DDH患者股骨近端解剖變異大，研究結(jié)果表明股骨近端的髓腔狹窄和前傾角變大，頸干角增大及股骨大轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)移位[5]。劉雙魯[6]對(duì)48髖DDH患者進(jìn)行Crowe分型并測(cè)量參數(shù)，相對(duì)于 Crowe Ⅰ～Ⅲ 型 DDH，CroweⅣ型股骨近端髓腔更直立、更接近煙囪型；大轉(zhuǎn)子最高點(diǎn)和股骨峽部高度更高，小轉(zhuǎn)子水平的近端髓腔縮窄更為顯著。股骨近端解剖上的變異直接影響THA手術(shù)中股骨柄的選擇和股骨近端的重建及雙下肢長(zhǎng)度。劉宏偉[7]認(rèn)為，股骨柄理想的位置為假體輕度外翻位≤3°及中立位；>3°的內(nèi)、外翻固定均要避免。

隨著3D打印技術(shù)的普及，劉宏偉[8]利用電子束熔融(EBM RP)金屬3D打印制造出個(gè)性化定制的股骨柄套袖，個(gè)性化袖套與干骺端髓腔有著完美的匹配。受到3D打印技術(shù)的限制，打印柄的強(qiáng)度較弱，暫時(shí)還不能完全適應(yīng)人體直立行走，尚沒(méi)有應(yīng)用于臨床。雖然S-ROM柄及Wagner柄在設(shè)計(jì)上有較大創(chuàng)新，在DDH患者的THA中受到許多關(guān)節(jié)外科醫(yī)生的青睞，可是其費(fèi)用較高，經(jīng)濟(jì)落后地區(qū)患者難以承擔(dān)。相比之下，錐形柄及矩形柄等價(jià)格低廉，在實(shí)際應(yīng)用中也能取得滿意的療效，減輕患者負(fù)擔(dān)。朱晨 等[9]采用改良股骨大轉(zhuǎn)子滑移截骨術(shù)聯(lián)合近端固定型非骨水泥股骨假體柄對(duì)30例股骨近端嚴(yán)重畸形的患者(35髖)行初次THA，術(shù)中均選用近端固定生物型矩形或錐形直柄，臨床效果良好。因此本研究選用矩形及錐形柄在同一個(gè)股骨模型上操作，測(cè)量股骨近端(截骨處，截骨遠(yuǎn)端 2.5 cm)及遠(yuǎn)端(截骨遠(yuǎn)端7.5 cm，髓腔峽部)水平位置處柄體與股骨髓腔內(nèi)壁的匹配度。

表1 股骨柄匹配度

3.1 不同平面股骨柄匹配度差異分析

3.1.1股骨截骨處匹配度差異分析 本研究結(jié)果顯示，在煙囪型股骨截骨處，矩形柄的匹配度顯著高于錐形柄，筆者認(rèn)為與柄的轉(zhuǎn)子區(qū)形狀有關(guān)，矩形柄橫截面為矩形更接近截骨處股骨髓腔的形態(tài)。按照Noble et al的分型，CFI>4.7稱為香檳型或漏斗型，而錐形柄的柄體整個(gè)縱向呈 3 °錐度，橫截面呈圓形或橢圓形。假體固定理念為通過(guò)假體與股骨近端截骨處小轉(zhuǎn)子區(qū)域的緊密壓配，已獲得良好的初始穩(wěn)定性，而在矢狀面上整個(gè)股骨柄獲得股骨近端后方、中段前方、遠(yuǎn)端后方的3點(diǎn)支撐，以利于減輕應(yīng)力的遮擋。香檳型股骨截骨端截面正如“漏斗口”般，與錐形柄的設(shè)計(jì)相契合。

3.1.2股骨截骨遠(yuǎn)端2.5 cm處匹配度差異分析 股骨截骨處及截骨遠(yuǎn)端2.5 cm水平位置代表股骨柄的近端穩(wěn)定性，我們利用Mimics Medical 19.0測(cè)量的結(jié)果分析，截骨遠(yuǎn)2.5 cm是香檳型股骨髓腔截面由近似矩形向類圓形轉(zhuǎn)變的交界處，且相對(duì)于正常型股骨形變的幅度較大。錐形柄整體呈縱向3°錐度，形變處與股骨皮質(zhì)更加貼合。與錐型柄在轉(zhuǎn)子下區(qū)域強(qiáng)調(diào)“填充”理念不同，矩形柄的側(cè)重點(diǎn)在于緊密的壓配，可保留大量骨內(nèi)膜，保存髓腔內(nèi)的血供，促進(jìn)骨長(zhǎng)入。本研究患者中，煙囪型股骨的髓腔寬大但CFI較小，且髓腔在截骨遠(yuǎn)2.5 cm位置處形變較小，髓腔較為陡直，并沒(méi)有像香檳型股骨在該區(qū)域突然變窄，矩形柄橫截面的4邊與骨面緊密壓配，下肢旋轉(zhuǎn)時(shí)柄的穩(wěn)定性得以保持，并能夠緩沖應(yīng)力傳導(dǎo)。

3.1.3股骨截骨遠(yuǎn)端7.5 cm處匹配度差異分析 股骨截骨遠(yuǎn)端7.5 cm及股骨峽部均為股骨干區(qū)域，根據(jù)本研究中對(duì)股骨遠(yuǎn)端7.5 cm位置橫截面參數(shù)的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)股骨在此位置的橫截面更接近于圓形，與錐形柄橫截面的橢圓形更加契合。由于DDH患者的髓腔大多細(xì)于正常人，錐形柄設(shè)計(jì)時(shí)強(qiáng)調(diào)在股骨干骺端及頸干交界區(qū)域的高匹配和填充效應(yīng)導(dǎo)致柄的型號(hào)相對(duì)較小。本研究模擬手術(shù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，大一號(hào)的錐形股骨柄因股骨干骺端的阻擋難以安裝到滿意的位置，但對(duì)于同一例股骨模型矩形柄則可以用到較大型號(hào)，故在股骨遠(yuǎn)端區(qū)域錐形柄較細(xì)，矩形柄的4邊截面使匹配度更高，可以對(duì)股骨遠(yuǎn)端提供良好的把持力防止柄體旋轉(zhuǎn)，增加遠(yuǎn)端穩(wěn)定性。

3.1.4股骨髓腔峽部匹配度差異分析 有學(xué)者利用三維CT對(duì)正常股骨形態(tài)進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)股骨近段髓腔橫斷面由近向遠(yuǎn)從不規(guī)則橢圓形向圓形轉(zhuǎn)變，骨皮質(zhì)逐漸增厚，峽部處的骨皮質(zhì)最厚[10]。錐形柄的設(shè)計(jì)理念是取得股骨干骺端及轉(zhuǎn)子下區(qū)域的穩(wěn)定和壓配，對(duì)遠(yuǎn)端的穩(wěn)定性關(guān)注較少，中遠(yuǎn)端柄體較細(xì)小，在髓腔中的填充稍差[11]。但是矩形柄柄體遠(yuǎn)端橫截面寬而扁，雖然也屬于近端固定為主型，但其遠(yuǎn)端穩(wěn)定性強(qiáng)于錐形柄，因此可應(yīng)用于煙囪型髓腔。

3.2 本研究的創(chuàng)新點(diǎn)及不足之處創(chuàng)新點(diǎn)：① 本研究利用3D打印技術(shù)重建DDH患者的1 ∶1全股骨模型，精確地模擬了DDH患者股骨近端的解剖形態(tài)，能夠?yàn)閷?shí)驗(yàn)中股骨柄的安裝提供可靠的依據(jù)。② 研究所用的打印材料為液體的光敏樹(shù)脂，在模型成型后髓腔內(nèi)表面處理光滑，減少測(cè)量誤差。本研究的64排螺旋CT在掃描模型前可以將模式調(diào)整為“MAR模式”，減少金屬偽影對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。③ 由于進(jìn)行的是全股骨打印，包括股骨頭至股骨髁部，在模擬手術(shù)安裝股骨柄時(shí)，可以參照股骨后髁間連線來(lái)掌握股骨頸前傾角，使安裝更接近真實(shí)手術(shù)。④ 本研究用同一股骨模型分別安裝兩種形狀的股骨柄，是在真實(shí)手術(shù)中所不能實(shí)現(xiàn)的，這樣可以避免不同患者股骨柄匹配度所產(chǎn)生的隨機(jī)誤差。不足之處：① 本研究中所用的股骨柄為試模，同真實(shí)的股骨柄相比在柄體的寬度上有一定差距，影響了測(cè)量結(jié)果。② 通過(guò)3D打印的股骨模型主要模擬的是形態(tài)參數(shù)，但骨組織是具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的不均質(zhì)材料，主要成分為羥基磷灰石、Ⅰ型膠原和水，具有很好的硬度和強(qiáng)度及一定的韌性[12]，而打印出的模型是單一的光敏樹(shù)脂材料，在硬度和韌性上均有區(qū)別。在安裝股骨柄時(shí)缺乏股骨內(nèi)皮質(zhì)對(duì)假體的“夾持力”，不能100%重建骨骼的細(xì)微結(jié)構(gòu)。CT 掃描層厚及 3D 打印機(jī)的精度還有待進(jìn)一步提高，以便完美地重建骨骼形態(tài)。③ 本研究的DDH患者例數(shù)較少，需要在今后研究中進(jìn)一步擴(kuò)大樣本量。④ 對(duì)于Crowe Ⅳ型的高脫位DDH患者，在THA中如果想將髖臼恢復(fù)到真臼水平，可能需要進(jìn)行股骨短縮截骨來(lái)完成，但是也有不截骨取得良好療效的報(bào)道。本研究高脫位病例較少且截骨的方法眾多暫無(wú)統(tǒng)一術(shù)式，故未模擬短縮截骨術(shù)，待下一步加強(qiáng)高脫位病例的收集進(jìn)行更深入的研究。