3D打印技術(shù)在髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中的臨床應(yīng)用

王梓健 梅榮成

人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)已成為治療嚴重髖關(guān)節(jié)病變的可靠而有效的手術(shù)治療方法。但復(fù)雜的髖關(guān)節(jié)病變，如Crowe Ⅳ型發(fā)育性髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良(developmental dysplasia of the hip，DDH)，外傷或感染后所致的髖關(guān)節(jié)畸形，融合髖，伴有髖臼側(cè)嚴重骨缺損的髖關(guān)節(jié)翻修等，手術(shù)難度極大，手術(shù)失敗率較高[1]。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)為髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)實現(xiàn)個體化、精準化帶來了希望[2]。3D打印技術(shù)是一種以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，運用粉末金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。無需機械加工或任何模具，可直接由計算機圖形數(shù)據(jù)制作任何形狀的零件。因此，3D打印技術(shù)被譽為第三次工業(yè)革命的代表性標志之一，可能顛覆傳統(tǒng)制造業(yè)模式[3]。相比傳統(tǒng)的減材鑄造工藝而言，3D打印開創(chuàng)了增材制造方式。圍繞個體化設(shè)計與應(yīng)用，在髖關(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和個性化定制手術(shù)導(dǎo)板，利用打印的1∶1的實體模型完善詳細的術(shù)前計劃和手術(shù)預(yù)操作等，較好地解決傳統(tǒng)髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)中假體型號選擇，假體位置判斷以及嚴重關(guān)節(jié)畸形矯正等難點問題，提高髖關(guān)節(jié)置換術(shù)的成功率和翻修效果。

一、3D打印實體模型在復(fù)雜髖關(guān)節(jié)置換中的應(yīng)用

根據(jù)病人術(shù)前三維CT影像學(xué)結(jié)果，利用計算機軟件進行骨盆三維重建，將導(dǎo)出STL文件輸入3D打印機中，即可獲得1∶1骨盆模型。對于復(fù)雜的關(guān)節(jié)置換、翻修、骨重建等手術(shù)，傳統(tǒng)的二維或三維影像學(xué)難以準確提供解剖結(jié)構(gòu)、病變范圍等具體信息[4]。解剖模型的使用并結(jié)合常規(guī)二維或三維影像可以更好地了解關(guān)節(jié)及病變周圍解剖結(jié)構(gòu)，提高診斷的準確性和不同觀察者之間的一致性[5]。術(shù)前能夠?qū)Σ∽儾课贿M行全方位的直觀觀察，了解周圍神經(jīng)血管分布情況，確定骨性解剖標志，進行手術(shù)預(yù)操作，盡可能避免手術(shù)失誤的發(fā)生。

DDH是臨床常見的一種先天性畸形，是由于股骨頭在關(guān)節(jié)囊內(nèi)喪失其與髖臼正常關(guān)系而造成的髖關(guān)節(jié)無法正常發(fā)育。DDH隨年齡增加可逐漸加重，嚴重者甚至致殘。對于成人的DDH終末期病人，全髖置換術(shù)是一種有效的治療方法。如何恢復(fù)正常的髖臼旋轉(zhuǎn)中心，解決臼杯的充分骨覆蓋，恢復(fù)髖關(guān)節(jié)周圍軟組織的應(yīng)力平衡是DDH全髖置換常遇到的難題。對于Crowe Ⅲ、Ⅳ型的DDH病人，患髖病變畸形復(fù)雜多樣，尤其是髖臼側(cè)的解剖結(jié)構(gòu)異常，髖臼變淺、變小甚至有假臼形成，并伴有不同程度的骨缺損，髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心向外，向上移位，術(shù)中難以確定真臼的位置，常造成髖臼側(cè)假體安放位置過高，外翻角過大及髖臼側(cè)骨性包容欠佳等問題[6]。

陳擁等[7]將3D打印模型輔助全髖關(guān)節(jié)置換治療DDH。骨盆模型可以很好地展示DDH病人髖關(guān)節(jié)的解剖形態(tài)，更加直觀地讓術(shù)者了解髖臼壁缺損狀況、真假臼的位置關(guān)系。并在體外模型上進行尋找髖臼中心，選擇合適尺寸的臼杯，進行假體安放等手術(shù)模擬操作，降低了手術(shù)難度。幫助術(shù)者完善術(shù)前規(guī)劃，獲得精確的髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心，確定髖臼前傾角，外展角大小。對于病人而言，通過個性化的骨盆模型與病人進行病情介紹和術(shù)前交代，使病人和家屬對病情、手術(shù)方式、手術(shù)風(fēng)險有所理解。Xu等[8]運用3D打印模型為DDH病人實施全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)，發(fā)現(xiàn)3D打印組各徑線的測量值和術(shù)前計劃值差異度更小，認為3D解剖模型可以幫助手術(shù)醫(yī)師識別骨盆結(jié)構(gòu)，確定假體大小，提高手術(shù)精度。Sánchez-Pérez等[9]對髖臼骨折后髖臼畸形病人應(yīng)用3D打印模型模擬髖關(guān)節(jié)置換術(shù)，術(shù)中準確確定真臼位置，恢復(fù)了髖臼旋轉(zhuǎn)中心，縮短了手術(shù)時間，減少了出血量。

伴有髖臼側(cè)嚴重骨缺損的翻修是全髖翻修術(shù)中極具挑戰(zhàn)性的手術(shù)。Paprosky等[10]根據(jù)以下標準將髖臼骨缺損分為3型：(1)淚滴破壞的程度；(2)Kohler線的完整性；(3)坐骨骨溶解的程度；(4)髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心的位置或者是髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心相對于上閉孔連線之間的移位距離，其中Paprosky Ⅲ型屬于嚴重髖臼骨缺損，是全髖關(guān)節(jié)翻修手術(shù)中的一大難題。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)為嚴重髖臼骨缺損的翻修帶來了曙光，極大地降低了手術(shù)難度。Zerr等[11]將1例由于感染導(dǎo)致嚴重髖臼缺損的全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)失敗的病人，術(shù)前打印出患髖3D模型， 三維模型允許對髖臼部件在體外進行模擬手術(shù)，以確定臼杯的大小、位置和螺釘?shù)姆较?。使術(shù)前計劃更加完善，手術(shù)時間更短，取得了很好的療效。

二、3D打印個性化定制手術(shù)導(dǎo)板在復(fù)雜髖關(guān)節(jié)置換中的應(yīng)用

在全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中，理想髖關(guān)節(jié)植入物的方向和定位是預(yù)防術(shù)后脫位、滿足日常生活活動和提高假體壽命的必要條件。結(jié)合三維打印技術(shù)的進步，髖關(guān)節(jié)置換術(shù)快速打印導(dǎo)航模板的使用也在不斷增多，利用病人術(shù)前三維CT結(jié)果設(shè)計出假體的最佳固定方向，并提取髖臼表面解剖形態(tài)擬合成定位模板?？焖俪尚椭谱骱?，在術(shù)中按照導(dǎo)航模板的指引，快速確定真臼位置，并按照設(shè)計角度打磨髖臼，可縮短手術(shù)時間，提高手術(shù)精度。涂強等[12]應(yīng)用3D打印個性化手術(shù)導(dǎo)航模板對19例DDH進行全髖關(guān)節(jié)置換，術(shù)中在導(dǎo)板引導(dǎo)下快速確定真臼位置，假體與打磨好的髖臼窩完全匹配，術(shù)后隨訪Harris評分較術(shù)前明顯改善，認為3D打印手術(shù)導(dǎo)航模板能夠?qū)崿F(xiàn)髖臼的精準定位，提高假體安裝精度，從而達到更佳的手術(shù)效果。

3D打印手術(shù)導(dǎo)板在髖骨關(guān)節(jié)炎中應(yīng)用較多。Small等[13]將36例髖骨關(guān)節(jié)炎需行全髖置換病人隨機分為3D打印導(dǎo)板組和傳統(tǒng)技術(shù)組，術(shù)后行CT比較手術(shù)結(jié)果與術(shù)前計劃的差異，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)板組前傾角、外展角與術(shù)前計劃差異小于傳統(tǒng)技術(shù)組，認為3D打印導(dǎo)板應(yīng)用于全髖關(guān)節(jié)置換能夠提高手術(shù)精度。 Spencer-Gardner等[14]為100例原發(fā)性或繼發(fā)性髖骨關(guān)節(jié)炎行全髖置換，術(shù)中在3D打印導(dǎo)板引導(dǎo)下進行操作，術(shù)后CT掃描顯示91%病人的臼杯位置與術(shù)前計劃一致，認為3D打印導(dǎo)板能夠?qū)崿F(xiàn)臼杯的精確放置，優(yōu)于手工操作。

3D打印手術(shù)導(dǎo)板定位精度取決于導(dǎo)板設(shè)計和骨表面接觸區(qū)的手術(shù)準備，導(dǎo)板需與宿主骨性結(jié)構(gòu)盡可能貼合，對于原有骨結(jié)構(gòu)表面缺乏特征標志或難以剝離骨表面軟組織導(dǎo)致導(dǎo)板與骨面不能完全貼合的情況，將會增加手術(shù)誤差，設(shè)計及應(yīng)用輔助導(dǎo)板時均應(yīng)考慮到這些因素。

三、3D打印抗生素骨水泥占位器在髖關(guān)節(jié)置換后感染中的應(yīng)用

假體周圍感染對于髖關(guān)節(jié)置換病人來說是災(zāi)難性的并發(fā)癥，感染后二期翻修已經(jīng)被證實是目前根治感染最有效的技術(shù)方法，已成為當(dāng)前治療的金標準。但假體去除之后臨時間隔器的制作在國內(nèi)外尚無統(tǒng)一的標準及制作方法。臨床中多用固定型號的模具制作或手工制作抗生素骨水泥占位器，型號不匹配易造成運動時疼痛，異響，并會出現(xiàn)占位器脫位，斷裂等并發(fā)癥。3D打印技術(shù)能夠個性化制作抗生素骨水泥占位器，匹配度良好，術(shù)后關(guān)節(jié)功能好，便于二期翻修。孫海濱等[15]3D打印出病人關(guān)節(jié)模型，再根據(jù)模型制作占位器模具，或直接3D打印出模具，術(shù)中在制作占位器時將2枚3mm直徑斯氏針預(yù)彎為 130度做為臨時間隔器支架，增加股骨柄的強度，利用此模具制作的臨時間隔器更符合局部關(guān)節(jié)形態(tài)，具備個體化特征，置入后可使關(guān)節(jié)保持適當(dāng)?shù)拈g隙及張力，避免兩次手術(shù)之間的間隔期產(chǎn)生關(guān)節(jié)囊及周圍軟組織攣縮，預(yù)防長期臥床所致的廢用性骨量丟失，減少關(guān)節(jié)內(nèi)軟組織粘連和瘢痕形成，可提供有效關(guān)節(jié)式活動，改善病人的生活質(zhì)量，為二期假體的翻修創(chuàng)造良好的條件。

李遠輝等[16]采用3D打印抗生素骨水泥占位器作為終極治療手段治療4例年老體弱髖關(guān)節(jié)置換后感染病人，4例病人均于術(shù)后2周傷口愈合，無殘留竇道，4例病人末次隨訪均無翻修，目測類比疼痛評分和Harris評分較術(shù)前有顯著性提高，并保留了一定的髖關(guān)節(jié)功能。認為對于年老體弱病人，采用3D打印抗生素骨水泥股骨頭占位器能有效控制髖關(guān)節(jié)置換后感染，且保留一定的髖關(guān)節(jié)功能，可作為終極治療方法。

四、3D打印植入物、假體在髖關(guān)節(jié)置換中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)作為一種新型工業(yè)技術(shù)，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)的優(yōu)越性越來越受眾多學(xué)者的關(guān)注[17]。在金屬3D打印中，電子束熔融(electron beam melting，EBM)與選擇性激光熔融(selective laser melting，SLM)為最常用的金屬3D打印生產(chǎn)方式[18]。目前可供EBM技術(shù)應(yīng)用的金屬材料為Ti6Al4V，基于3D打印技術(shù)上的限制，常見的鈷鉻合金、不銹鋼等尚不能實現(xiàn)3D打印。EBM技術(shù)一個重要的特點是更容易實現(xiàn)金屬材料的多孔化設(shè)計，且植入材料Ti6Al4V具有優(yōu)越的生物學(xué)特性，非常適合作為骨植入材料。EBM技術(shù)另一項重要的特點是實現(xiàn)了3D打印金屬植入物的量產(chǎn)化，例如，采用EBM技術(shù)3D打印批量生產(chǎn)的Delta TT(trabecular titanium)臼杯、InteGrip臼杯等在全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)領(lǐng)域中已經(jīng)開始應(yīng)用[19]。程文俊等[20]使用3D打印鈦合金骨小梁金屬臼杯進行初次全髖關(guān)節(jié)置換，術(shù)后6個月影像學(xué)顯示臼杯穩(wěn)定，骨長入優(yōu)異，無松動及骨溶解，5年生存率為100%。

初次或翻修全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)術(shù)中重度髖臼骨缺損的重建一直以來都是關(guān)節(jié)外科醫(yī)生面臨的挑戰(zhàn)。髖臼骨缺損重建的基本原則，是以恢復(fù)髖關(guān)節(jié)正常旋轉(zhuǎn)中心為主要目標，且盡可能多的保留原始骨量，重建后髖臼假體初期穩(wěn)定性良好，并能逐漸獲得遠期穩(wěn)定性。嚴重骨缺損時，常規(guī)標準假體往往不能滿足手術(shù)要求。3D打印技術(shù)以病人影像資料為依據(jù)，基于病人的病變實際情況“量身定制”個體化的植入物或假體，保證了植入物或假體在解剖學(xué)形態(tài)上與病人殘余骨結(jié)構(gòu)達到良好適配，最大程度恢復(fù)關(guān)節(jié)功能。付君等[21]報道個性化3D打印多孔鈦合金加強塊重建重度髖臼骨缺損病例11例，術(shù)后隨訪6～26個月，發(fā)現(xiàn)加強塊與缺損骨面和臼杯匹配良好，術(shù)后雙下肢長度差和髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心均恢復(fù)到滿意，HHS評分末次隨訪時改善明顯。Wang等[22]應(yīng)用3D打印技術(shù)為17例伴有嚴重骨缺損全髖置換病人制備個性化定制cage，術(shù)后平均隨訪2年發(fā)現(xiàn)3D打印組Harris評分優(yōu)于傳統(tǒng)置換組。Goriainov等[23]報道對于因多次翻修導(dǎo)致嚴重骨缺損的病人，采用3D打印假體結(jié)合自體骨髓干細胞植入治療，共11例，隨訪19.5個月，所有病人的髖關(guān)節(jié)功能評分較術(shù)前均有顯著性提高，沒有出現(xiàn)手術(shù)并發(fā)癥，沒有脫位或感染或需要進一步手術(shù)。

五、 臨床結(jié)果與展望

目前3D打印技術(shù)在髖關(guān)節(jié)手術(shù)應(yīng)用尚處于初步階段，對于個體化3D打印假體，目前尚無統(tǒng)一的制作標準及規(guī)范，術(shù)前準備時間較長，術(shù)中假體植入比較困難，假體不能隨意更換，使用靈活性受到一定的限制。在因故需取除假體時(如因感染而翻修)會致較大的骨質(zhì)損失等。因此，要強調(diào)適應(yīng)證的選擇。相信隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，材料學(xué)的進步，法律及監(jiān)管的完善，上述問題將會被逐步解決。3D打印技術(shù)必將會為髖關(guān)節(jié)外科的發(fā)展提供更多的動力，為病人提供更多的選擇。