3D打印模板導(dǎo)航技術(shù)在髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)中的應(yīng)用

蔡鵬飛 趙巍 魏強

（金華市中心醫(yī)院骨科 浙江 金華 321000）

髖關(guān)節(jié)置換作為晚期關(guān)節(jié)病變的改善性手術(shù)，其臨床應(yīng)用已超過30多年，療效得到充分肯定，手術(shù)量也曾逐年增長之勢。然而我們知道關(guān)節(jié)置換術(shù)中安裝入人體的假體有一定的使用壽命，到時患者需再次接受手術(shù)進行假體的翻修，而翻修手術(shù)相比于初次置換手術(shù)，手術(shù)難度與手術(shù)創(chuàng)傷將大大增加，并且隨著患者年齡的進一步增長，手術(shù)風(fēng)險也大大提高。所以如何提高安裝假體的生存壽命一直是骨科界的熱點與難點。

某些研究已經(jīng)證明，髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)中，安裝假體的位置偏差會增加假體受到的沖擊力，加速假體周圍的骨溶解與遷移，改變了人體的生物力學(xué)穩(wěn)定性，最終導(dǎo)致假體失效[1]。所以髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)中假體安裝的精準(zhǔn)定位顯得尤為重要，特別是對于一些年輕的患者（年齡小于等于50歲），因為他們的活動量更高，且預(yù)期壽命更長[2]。臨床上常規(guī)采用膠片模板法或數(shù)字化測量法預(yù)測髖臼假體的大小及位置，并判斷骨缺損程度[3-5]。術(shù)中再根據(jù)手術(shù)醫(yī)生的經(jīng)驗，對髖臼旋轉(zhuǎn)中心、聯(lián)合前傾角、偏心距等進行肉眼評估，無法做到精準(zhǔn)測量。且上述兩種術(shù)前定位方法都建立在二維圖像的基礎(chǔ)上，再由于x線片放大率、投照體位等因素的影響，其準(zhǔn)確性不高，尤其對髖臼發(fā)育不良患者[6-8]。術(shù)前數(shù)字化測量法預(yù)測患者的臼杯型號，其準(zhǔn)確率僅為5%。近年來的研究證實，通過計算機三維技術(shù)預(yù)測骨科內(nèi)植物大小和位置的準(zhǔn)確性和可行性較高[9-10]。但是僅有準(zhǔn)確的測量還不夠，接下來面對的是如何將測量得出的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為模板應(yīng)用于手術(shù)之中。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)很好地解決了這一難題，術(shù)前制作導(dǎo)航模板，利用模板進行術(shù)中定位，提高手術(shù)精準(zhǔn)度，減少了假體位置偏差，從而延長了假體的生存壽命。

1.資料與方法

1.1 一般資料

選擇2018年1月—2019年1月我院收治的40例股骨頸骨折及股骨頭壞死患者。納入標(biāo)準(zhǔn)：綜合臨床表現(xiàn)、查體分析及X線、CT等影像學(xué)檢查結(jié)果確診者。排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）合并其他部位骨折或嚴(yán)重外傷患者；（2）CroweⅡ型以上髖臼發(fā)育不良或骨盆發(fā)育畸形患者；（3）體位或其他部位發(fā)育畸形等原因?qū)е聼o法拍攝標(biāo)準(zhǔn)雙髖正位X線患者。

隨機將患者分成兩組，每組20例。對照組男13例，女7例；年齡65～82歲，平均年齡（75.86±5.24）歲；左髖11例，右髖9例。觀察組男12例，女8例；年齡63～88歲，平均年齡（71.59±6.41）歲；左髖8例，右髖12例。經(jīng)分析，兩組患者性別、年齡、患側(cè)等基礎(chǔ)資料比較，差異無顯著性（P＞0.05）。本研究已經(jīng)醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)，患者及其家屬知情同意。

1.2 方法

1.2.1 數(shù)字模型建立 患者均采取仰臥位，西門子64排雙螺旋CT行全骨盆薄層掃描，獲取骨盆二位圖像數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics醫(yī)學(xué)圖像處理軟件，去除多余軟組織，得到清晰的骨盆三維模型（圖1）。

圖1 骨盆三維模型及設(shè)計導(dǎo)板

1.2.2 制作導(dǎo)航模板 通過提取患側(cè)髖臼的表面解剖形態(tài)數(shù)據(jù)，設(shè)計出與患側(cè)真臼解剖學(xué)形態(tài)相匹配的導(dǎo)航模板，模板以髖臼卵圓窩作為錨定點，中心設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)柱及導(dǎo)向柱，導(dǎo)向柱設(shè)計角度為外展40°（外展角度為投影在雙髖X線上的二維角度），導(dǎo)向柱可圍繞標(biāo)準(zhǔn)柱旋轉(zhuǎn)以尋找與髖臼橫韌帶垂直的前傾角度，并設(shè)多個與導(dǎo)向柱相平行的平行導(dǎo)向柱。將設(shè)計的導(dǎo)向模板數(shù)據(jù)導(dǎo)入Magics快速成型數(shù)據(jù)處理軟件，以此數(shù)據(jù)由Shining3D isla650打印機制作導(dǎo)航模板（圖2），將制得的模板封裝，術(shù)前環(huán)氧乙烷消毒。

圖2 術(shù)中用導(dǎo)航模板

1.2.3 手術(shù)方法 全身麻醉后，取標(biāo)準(zhǔn)側(cè)臥體位，對照組行傳統(tǒng)全髖關(guān)節(jié)置換，術(shù)中采用角度定位器，調(diào)至外展40°，前傾角度以髖臼橫韌帶為參考，以此參照打入髖臼假體。對照組使用導(dǎo)航模板，在髖臼顯露清楚后，去除卵圓窩內(nèi)多余軟組織，將模板上的錨定裝置與卵圓窩凹陷處相錨定，中心柱內(nèi)打入克氏針固定可靠，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向柱至與髖臼橫韌帶相垂直后于導(dǎo)向柱內(nèi)打入克氏針固定可靠，尋找合適的平行導(dǎo)向柱，再次打入1枚克氏針，以此克氏針作為角度參考（圖3），拆除導(dǎo)向器，以參考克氏針的方向打入髖臼假體。假體安裝完畢后，檢查髖關(guān)節(jié)活動度及穩(wěn)定性。術(shù)后拍攝標(biāo)準(zhǔn)雙髖正位X線，并測量外展角度（圖4）。

圖3 術(shù)中使用導(dǎo)航模板定位

圖4 術(shù)后所測外展角度

1.3 觀察指標(biāo)

比較兩組患者術(shù)后標(biāo)準(zhǔn)雙髖正位X線下的髖臼外展角度，與設(shè)計角度間的偏差越小，手術(shù)精確度越高。

1.4 統(tǒng)計學(xué)方法

采用SPSS17.0對所有數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學(xué)分析處理，計量資料結(jié)果用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（）表示，采用t檢驗；以P＜0.05為差異有顯著性。

2.結(jié)果

術(shù)后經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)雙髖正位X線攝片，觀察組測量得外展角度與設(shè)計外展角度（40°）的偏差為2.39°±1.47°，對照組測量得外展角度與設(shè)計外展角度（40°）的偏差為6.21°±3.27°，差異顯著（P＜0.05），見表。

表 兩組外展角偏差比較（，°）

表 兩組外展角偏差比較（，°）

組別 觀察組偏差 對照組偏差 t p與設(shè)計外展角偏差 2.39±1.47 6.21±3.27 -4.09 0.001**

3.討論

全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)可以說是上世紀(jì)最成功的手術(shù)，是成人股骨頸骨折及股骨頭壞死的最有效治療方法。全髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)難點在于術(shù)中髖臼測的重建，髖臼重建的目標(biāo)是恢復(fù)正常的髖臼旋轉(zhuǎn)中心，合適的外展及前傾角，這正是判斷髖臼假體是否穩(wěn)定的決定因素。本研究通過計算機輔助及3D模板導(dǎo)航技術(shù)，希望將髖臼假體安裝在一個合適的前傾角及外展角，使它的穩(wěn)定性更可靠，從而延長假體的使用壽命。

3D打印是一種快速成型技術(shù)，是指在計算機的協(xié)助下，根據(jù)物體的CAD設(shè)計模型或CT等數(shù)據(jù)，通過材料的精確堆積，制造原型的一種基于離散、堆積成型原理的新的數(shù)字化成型技術(shù)[11]。我們使用CAD對導(dǎo)航模板進行設(shè)計，用光敏樹脂為原料在3D打印機中打印出模板。其制作速度快，成本低，非常適合制作個性化的手術(shù)導(dǎo)航模板，其臨床應(yīng)用前景廣闊。而且3D打印可以對不同人群進行個體化分析建模，并打印出各自獨立的手術(shù)導(dǎo)航模板，提高了手術(shù)精度，這是個體化治療的體現(xiàn)。