在髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)中應用3D打印個性化生物型臼杯的療效分析

陳宏亮 郭開今 陳向陽 段鋼

人工關(guān)節(jié)置換作為治療終末期關(guān)節(jié)病損的有效手段，已被越來越多的患者接受。隨著人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)數(shù)量的增加，因臼杯無菌性松動伴髖臼骨缺損而需要翻修的病例數(shù)亦日趨增加。髖臼側(cè)骨缺損的處理方法很多，通?？刹捎妙w粒植骨結(jié)合鈦網(wǎng)重建、結(jié)構(gòu)植骨、Cup-Cage技術(shù)、Jumbo髖臼杯、金屬墊塊重建定制等方法來重建[1-3]；而當髖臼嚴重骨缺損時，上述方法仍然存在植骨量大、力學欠佳、手術(shù)創(chuàng)傷大、臥床時間長等不足[4]。3D 打印技術(shù)是綜合數(shù)字影像技術(shù)、材料建模技術(shù)的前沿科技，可以對復雜結(jié)構(gòu)模件進行快速一體化成型，已經(jīng)被逐漸應用于骨科臨床[5]。3D打印個性化生物型臼杯技術(shù)相對于以上翻修方法而言，可以更直接的獲得初始匹配和穩(wěn)定性，手術(shù)操作相對簡單；假體-骨界面的接觸面積大并且相符，有利于骨長入、恢復髖臼的旋轉(zhuǎn)中心[6]。有報道應用3D打印個性化髖臼籠重建伴有嚴重骨缺損的全髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)，隨訪發(fā)現(xiàn)髖關(guān)節(jié)Harris評分明顯改善[7]。本研究基于3D打印技術(shù)制作個性化生物型臼杯為PaproskyII 型及Paprosky IIIA 型髖臼骨缺損患者進行了人工髖關(guān)節(jié)翻修，取得良好效果。

資料與方法

一、資料

1.髖臼假體松動的影像學評估方法和病例的納入標準和排除標準：(1) 影像學評估：包括術(shù)后和末次隨訪時的髖關(guān)節(jié)正位X線片及三維CT檢測。滿足以下任一標準的考慮為臼杯松動：①臼杯在 X 線片上顯示水平或垂直方向移位≥2 mm；②旋轉(zhuǎn)移位合并螺釘斷裂；③雖無移位，但各區(qū) X 線片透亮帶>1 mm；④髖臼杯旋轉(zhuǎn)>5°。(2)病例納入標準：①髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后患者；②術(shù)前及術(shù)后臨床資料和影像學資料完整；③術(shù)后首次翻修的患者。(3)病例排除標準：①因感染導致臼杯松動的患者；②非首次翻修的患者。

2.病例來源：2016年1月至2017 年7月于徐州醫(yī)科大學附屬醫(yī)院骨科因髖臼杯松動入院的21例患者，其中男9例，女12例，年齡為68～85(76.3±8.1)歲。所有手術(shù)均為初次單側(cè)翻修，兩次手術(shù)間隔3～21(10.3±1.1)年。

二、方法

1.獲得手術(shù)髖關(guān)節(jié)CT圖像資料：術(shù)前對手術(shù)髖關(guān)節(jié)進行三維CT掃描(Philips iCT256)，掃描技術(shù)參數(shù)設(shè)計為：層厚1.0 mm，層間距1.0 mm，螺距0.938，球管電壓120 kV，電流280 mA，窗寬2000HU，窗位350HU。

2．建立髖臼假體的三維構(gòu)型：將獲得的術(shù)前預手術(shù)髖關(guān)節(jié)CT圖像資料導入Mimics15.01軟件后，在Geomagic Studio 2013軟件中，對CT掃描的原始數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理，將髖臼部進行逐層分割。先選擇合適的閾值范圍灰度分割提取髖臼邊界輪廓信息區(qū)，而后以區(qū)域增長的方式分割出髖臼具體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。最后采用系統(tǒng)默認的方式互補地進行臼杯假體的三維重建設(shè)計，得到最優(yōu)化、最匹配的臼杯假體三維重建構(gòu)型，以“STL”格式進行儲存、備用。此格式為三維文件的一種通用格式，可以被導入到目前世界上多種主流三維設(shè)計軟件(圖1，2)[8]。

3．個性化髖臼假體的制作：將使用3D打印技術(shù)軟件設(shè)計出的髖臼臼杯假體三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，以“STL”格式輸入金屬3D打印機(SIMULIA，法國)。以金屬鈦合金粉末材料，使用逆向生成原理和快速成型技術(shù)打印出個性化臼杯假體，具有與手術(shù)髖臼局部解剖結(jié)構(gòu)高度匹配的特點(3D打印個性化生物型臼杯由LINK公司提供)(圖3～5)[9]。

4.手術(shù)：患者側(cè)臥位，采用髖關(guān)節(jié)后外側(cè)入路，切除髖關(guān)節(jié)周圍增生之瘢痕組織。顯露髖關(guān)節(jié)假體，并充分顯露髖臼緣。利用“蘋果刀”等翻修工具取出原置入之髖臼假體，徹底清除瘢痕、界膜及骨水泥。用小號髖臼銼開始逐步打磨骨質(zhì)至表面滲血，確認骨缺損分型。在磨矬小至中度囊樣或節(jié)段性骨缺損，置入相匹配的3D打印個性化生物型臼杯，松質(zhì)用骨2～3枚螺釘固定。

5.術(shù)后處理：術(shù)后常規(guī)抗菌藥物應用，低分子肝素鈣抗凝。術(shù)后第1天拍攝術(shù)后床邊X線片(圖6)。在床上行患髖屈曲、外展、伸膝和直腿抬高鍛煉結(jié)合股骨側(cè)假體穩(wěn)定性決定下床時間。髖臼側(cè)與股骨側(cè)假體均穩(wěn)定者，術(shù)后3 d下床拄助行器鍛煉，6～8周扶雙拐、單拐下地行走，12周棄拐行走。不能達到即時穩(wěn)定者，術(shù)后6周助行器輔助患肢不完全負重下床鍛煉，12周始完全負重鍛煉。

結(jié) 果

本研究中21例均采用3D打印個性化生物型臼杯進行髖臼側(cè)翻修。初次關(guān)節(jié)置換髖臼側(cè)骨水泥固定9例(42.9%)，生物型固定11例(52.4%)，人工股骨頭置換1例(4.7%)。髖臼側(cè)行翻修術(shù)的原因：無菌性松動(骨溶解)19例(90.5%)，外傷1例(4.7%)，髖臼假體位置不良致髖關(guān)節(jié)習慣性脫位1例(4.7%)。本組髖臼骨缺損按 Paprosky分型法有：ⅡA 型8例(38.1%)，ⅡB 型5例(23.8%)，ⅡC 型6例(28.6%)，ⅢA 型2例(9.5%)。

本組21例隨訪23～27(24.3±0.5)個月，患者髖關(guān)節(jié)疼痛緩解，活動及行走功能明顯改善?；颊叩腍arris 髖關(guān)節(jié)評分：術(shù)前為(41.5±9.6)分，術(shù)后6個月(82.3±5.0)分(P<0.01)；術(shù)后12個月(86.9±5.6)分(P<0.01)；術(shù)后24個月(87.7±5.0)分(P<0.01)。VAS評分：術(shù)前為(4.06±1.23)分，術(shù)后 6 個月(0.72±0.89)分(P<0.01)；術(shù)后12個月(0.69±0.55)分(P<0.01)；術(shù)后24個月(0.51±0.77)分(P<0.01)。X線片顯示移植骨與宿主骨交界處有連續(xù)性骨小梁通過，患者下地行走步態(tài)良好。本組1例術(shù)后第12天出現(xiàn)下肢近端深靜脈血栓，后轉(zhuǎn)本院介入科治愈；出現(xiàn)小腿肌間靜脈微小血栓2例，經(jīng)皮下注射低分子肝素鈣后肢體腫脹消失；未出現(xiàn)髖臼骨折、假體脫位、感染、坐骨神經(jīng)損傷及、肺栓塞等并發(fā)癥。

圖1 將獲得的術(shù)前預手術(shù)髖關(guān)節(jié)CT圖像資料導入Mimics15.01軟件 圖2 采用系統(tǒng)默認的方式互補地進行臼杯假體的三維重建設(shè)計，得到最優(yōu)化、最匹配的臼杯假體三維重建構(gòu)型，以“STL”格式進行儲存、備用 圖3 將使用3D打印技術(shù)軟件設(shè)計出的髖臼臼杯假體三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，以“STL”格式輸入金屬3D打印機 圖4，5 使用逆向生成原理和快速成型技術(shù)打印出個性化臼杯假體。使用逆向生成原理和快速成型技術(shù)打印出個性化臼杯假體，具有與手術(shù)髖臼局部解剖結(jié)構(gòu)高度匹配的特點 圖6 術(shù)后第1天拍攝術(shù)后床邊X線片

表1 髖臼返修患者術(shù)前、術(shù)后VAS和Harris評分的比較

討 論

髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)較初次髖關(guān)節(jié)置換面臨更多的困難，尤其是髖臼側(cè)和股骨側(cè)的骨缺損術(shù)中給術(shù)者提出了挑戰(zhàn)。髖臼重建的目標是恢復髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心，恢復髖臼完整性和連續(xù)性，恢復髖臼骨量，獲得假體初始牢固固定，建立正常髖關(guān)節(jié)生物力學結(jié)構(gòu)，改善髖關(guān)節(jié)功能[11]。目前，臨床發(fā)現(xiàn)利用骨水泥臼杯翻修往往不能對合并的骨缺損進行恰當?shù)闹亟?，難以在缺損嚴重的髖臼骨質(zhì)中通過骨長入獲得穩(wěn)定，是療效不佳的根本原因，因此髖臼骨缺損的修復是重建髖部解剖結(jié)構(gòu)保證髖臼假體穩(wěn)定及翻修手術(shù)成敗的關(guān)鍵[12-13]。

髖臼骨缺損的分類方法很多，常見的有Paprosky分型、AAOS分型、Seleh分型、Gross分型、Tanzer分型以及Boscainos分型等。以上分類方法各有優(yōu)缺點，其可靠性和有效性，至今尚未獲逐一評估[14-15]。Paprosky分型主要依據(jù)骨缺損的嚴重程度，以及依據(jù)殘留髖臼所能提供給半球狀生物學固定臼杯獲得初始穩(wěn)定的條件予以判斷；而臼杯假體試模置入髖臼后，獲得殘留髖臼的覆蓋度和穩(wěn)定程度是術(shù)中判斷的依據(jù)[16]。Paprosky分型較其他幾種分型更能精確的反映骨缺損的部位和嚴重程度，對術(shù)中術(shù)者選擇正確的手術(shù)方案能夠提供更大的幫助；且Paprosky分型術(shù)中所見的符合率遠較其他幾種為高，故本研究中采用Paprosky分型。

本探討研究主要PaproskyII型及PaproskyIIIA型骨缺損的手術(shù)治療，改變以往憑借經(jīng)驗從術(shù)中取出髖臼假體后選擇通用型號中合適尺寸的髖臼假體，而是根據(jù)CT掃面，獲取影像學數(shù)據(jù)，重新評估髖臼側(cè)骨缺損實際Paprosky分型，根據(jù)缺損的實際情況使用3D打印技術(shù)在骨科領(lǐng)域的最新發(fā)展，設(shè)計制作出符合手術(shù)髖臼的個性化臼杯假體，代替以往的骨水泥型臼杯假體或髖臼鈦網(wǎng)加植骨技術(shù)，進行術(shù)中一對一個性化匹配安裝。結(jié)果顯示，使用3D打印個性化臼杯假體進行翻修手術(shù)具有以下優(yōu)點：(1)實現(xiàn)了手術(shù)部位的個性化假體替換，使髖臼假體得到精確地安放，獲得即時穩(wěn)固，使得髖臼骨缺損得到精細化及個性化的完美重建，避免術(shù)中另外取骨，或者植入異體骨組織，減少手術(shù)創(chuàng)傷、及術(shù)后骨不愈合情況，達到快速恢復髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和功能作用；(2)通過術(shù)前精心設(shè)計和個體化定制的髖關(guān)節(jié)假體，提前使用制定的個性化3D打印模具進行手術(shù)預評估和模擬演練，可以使手術(shù)操作更熟練，患者術(shù)后可以早期功能鍛煉，減少圍手術(shù)期并發(fā)癥發(fā)生概率。

3D打印技術(shù)制作個體化髖臼臼杯假體是現(xiàn)代數(shù)字化技術(shù)、3D金屬打印技術(shù)和骨科臨床相結(jié)合的產(chǎn)物，能根據(jù)每一位患者的具體需求進行個體化設(shè)計和制作，符合患者的不同需要，具有常規(guī)批量生產(chǎn)假體所不能比擬的優(yōu)點[17-18]。在精準醫(yī)療的時代要求下，此種技術(shù)在個性化人工關(guān)節(jié)置換及翻修手術(shù)治療中值得進一步推廣與發(fā)展。