3D打印技術(shù)在個(gè)體化髖臼翻修中的應(yīng)用研究

陳育春，王新家，馬學(xué)銘，廖浩杰，曾機(jī)燦，姚關(guān)鋒，王偉東，林創(chuàng)鑫，林本丹

(1.汕頭大學(xué)醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院骨關(guān)節(jié)脊柱科，廣東 汕頭 515041；2.汕頭市中心醫(yī)院骨外科，廣東 汕頭 515041)

3D打印技術(shù)是一項(xiàng)在三維數(shù)字模型數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，將粉末狀或液態(tài)的金屬或塑料等可黏合材料通過(guò)3D打印機(jī)器逐層堆疊累積，進(jìn)而制造三維實(shí)體的技術(shù)。3D打印技術(shù)應(yīng)用在骨外科上，可在術(shù)前打印出等比例的實(shí)體模型。術(shù)前可在模型上進(jìn)行詳細(xì)的術(shù)前規(guī)劃和手術(shù)預(yù)演練操作，由此減少手術(shù)步驟、手術(shù)時(shí)間、出血量、麻醉藥用量及術(shù)中射線暴露[1]。對(duì)一些疑難脊柱、關(guān)節(jié)手術(shù)患者，常規(guī)植入物不適用，3D打印個(gè)體化植入物能降低手術(shù)難度，促進(jìn)患者快速康復(fù)[2]。全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)是治療嚴(yán)重髖關(guān)節(jié)疾病的常用方法，而因假體磨損、感染或其他原因?qū)е碌募袤w松動(dòng)、移位、假體周圍骨溶解是髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后失敗的常見(jiàn)原因。髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后失敗導(dǎo)致的髖臼缺損是關(guān)節(jié)外科最棘手的問(wèn)題之一，對(duì)于髖臼嚴(yán)重缺損，以往的治療方式有創(chuàng)傷大、并發(fā)癥多、手術(shù)復(fù)雜、療效不滿意等不良效果[3]。本研究探討3D打印技術(shù)在個(gè)體化髖臼翻修術(shù)中的應(yīng)用。

1 資料和方法

1.1 一般資料

納入標(biāo)準(zhǔn)：(1)全髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)失??；(2)髖臼嚴(yán)重缺損；(3)一般情況良好、無(wú)手術(shù)禁忌證、能耐受麻醉、手術(shù)；(4)醫(yī)療依從性良好、遵醫(yī)囑長(zhǎng)期復(fù)查隨訪。排除標(biāo)準(zhǔn)：(1)嚴(yán)重手術(shù)禁忌證、有感染未治愈、重度骨質(zhì)疏松、精神類疾?。?2)有金屬過(guò)敏及嚴(yán)重自身免疫性疾??；(3)髖臼存在骨缺損并且造成骨盆不連續(xù)不能使用金屬加強(qiáng)塊重建髖臼；(4)患側(cè)肢體偏癱，患側(cè)肢體肌力4級(jí)以下[4]。本研究經(jīng)汕頭大學(xué)醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，患者術(shù)前均簽署知情同意書(shū)。

患者一，女性，62歲，2012年因右股骨頸骨折在汕頭大學(xué)醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院接受右人工全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)治療，術(shù)后恢復(fù)良好。2018年11月因摔倒致右髖疼痛2周入院。查體：患者無(wú)法行走，輪椅入院，右下肢較左下肢縮短約2 cm，肢端活動(dòng)、感覺(jué)、血運(yùn)未見(jiàn)異常。X線和CT示：右髖臼松動(dòng)上移，髖臼內(nèi)側(cè)壁、上壁骨缺損。診斷：右人工全髖關(guān)節(jié)術(shù)后假體周圍骨溶解(PaproskyⅢ A型)。

患者二，男性，57歲，2004年因多年飲酒致雙側(cè)股骨頭缺血壞死，在汕頭大學(xué)醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院接受左側(cè)股骨頭髓芯減壓、髖關(guān)節(jié)滑膜切除術(shù)及右股骨轉(zhuǎn)子間旋轉(zhuǎn)截骨拉力釘內(nèi)固定術(shù)治療，效果欠佳。2007年接受右全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)治療，2009年接受左人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)治療。2019年6月因左髖疼痛半年多再次入院治療。查體：跛行步態(tài)，左下肢較右下肢縮短1.5 cm，左髖部局部有深壓痛，局部有叩擊痛，軸向叩擊痛不明顯；左髖關(guān)節(jié)屈伸活動(dòng)受限，雙下肢肌力、感覺(jué)、血運(yùn)未見(jiàn)明顯異常。X線和CT示：髖臼松動(dòng)上移，髖臼頂骨缺損。診斷：左人工全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后假體周圍骨溶解(PaproskyⅡB型)。

1.2 個(gè)體化3D打印設(shè)計(jì)

對(duì)患者進(jìn)行X線、CT檢查，對(duì)患者的薄層CT數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建，利用軟件進(jìn)行模擬手術(shù)，設(shè)計(jì)墊片，測(cè)量髖臼杯大小。利用艾利斯通C3850 3D打印機(jī)打印骨折聚乳酸仿真模型、墊片和髖臼模型，進(jìn)行手術(shù)模擬。利用Acram Q10 plus電子束熔融金屬打印機(jī)打印鈦合金墊片和骨小梁髖臼。3D打印設(shè)計(jì)由北京愛(ài)康宜誠(chéng)醫(yī)療器材有限公司完成。

1.3 根據(jù)3D打印設(shè)計(jì)進(jìn)行手術(shù)

患者側(cè)臥位，取髖前外側(cè)入路切口，逐層切開(kāi)皮膚和皮下組織，切斷內(nèi)旋肌群及小部分臀中肌，直至髖臼緣游離，脫出股骨頭頸，取出股骨頭，取出髖臼杯。徹底清除髖臼周圍病變軟組織，排除感染。反復(fù)沖洗病灶，處理植骨面。取同種異體股骨頭，剪成骨粒后填充髖臼前壁及內(nèi)側(cè)壁骨缺損，用打擊器打?qū)嵑筇钇桨枷莨敲?。根?jù)需要于髖臼前壁及內(nèi)側(cè)壁缺損處分別置入定制置入物及補(bǔ)片，螺釘固定。打入試模，固定穩(wěn)定后安裝假體髖臼，測(cè)試假體固定穩(wěn)定后，安裝聚乙烯襯墊假體。檢查股骨端，必要時(shí)返修股骨假體。測(cè)試感覺(jué)松緊度良好，活動(dòng)度好，關(guān)節(jié)穩(wěn)定后，沖洗傷口，留置1條引流管，修復(fù)內(nèi)旋肌、臀中肌，逐層縫合切口。

1.4 術(shù)后處理

術(shù)中、術(shù)后常規(guī)應(yīng)用頭孢菌素類抗生素，常規(guī)應(yīng)用利伐沙班片抗凝，患者麻醉清醒后逐漸行踝關(guān)節(jié)主動(dòng)屈伸運(yùn)、鍛煉股四頭肌預(yù)防血栓形成，術(shù)后第3天拔除引流管，拔管后患者開(kāi)始拄拐部分負(fù)重活動(dòng)，術(shù)后2周拆線。

1.5 觀察指標(biāo)及隨訪

記錄手術(shù)時(shí)間、出血量，術(shù)后定期復(fù)查X線。觀察指標(biāo)：髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心的縱軸位置(雙側(cè)旋轉(zhuǎn)中心在水平線上的距離差)；髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心水平位置(旋轉(zhuǎn)中心到髖臼內(nèi)側(cè)壁的垂直距離)；股骨偏心距(旋轉(zhuǎn)中心和股骨近端解剖軸的距離)；雙下肢長(zhǎng)度(小轉(zhuǎn)子尖與水平基準(zhǔn)線的距離或查體雙下肢長(zhǎng)度)；臼杯外展角和前傾角。術(shù)后隨訪觀察患者髖關(guān)節(jié)功能恢復(fù)情況，術(shù)前、術(shù)后6個(gè)月、1年進(jìn)行Harris髖關(guān)節(jié)功能評(píng)分。

2 結(jié)果

2.1 病例一

首次全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后假體位置良好。翻修術(shù)前X線、CT顯示髖臼松動(dòng)、上移，髖臼周圍骨破壞、溶解。導(dǎo)入CT數(shù)據(jù)進(jìn)行3D設(shè)計(jì)(圖1A)，打印聚乳酸仿真墊片、髖臼模型(圖1B)和鈦合金墊片(圖1C)。術(shù)中見(jiàn)聚乙烯磨損，髖臼上移，髖臼周圍特別是髖臼頂、髖臼內(nèi)側(cè)骨溶解，大粗隆小部分骨溶解，不涉及股骨假體接觸面，股骨假體穩(wěn)定性良好。按術(shù)前設(shè)計(jì)安裝墊片、髖臼。術(shù)中病理結(jié)果：軟組織慢性肉芽腫性炎癥，以組織細(xì)胞增生為主，未見(jiàn)中性白細(xì)胞。手術(shù)時(shí)間265 min，出血量約800 mL。術(shù)后復(fù)查X線(圖2)，測(cè)量數(shù)據(jù)如下：(1)髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心的縱軸位置，患側(cè)術(shù)前較健側(cè)上移3.0 cm，術(shù)后較健側(cè)約上移0.8 cm，恢復(fù)2.2 cm；(2)髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心水平位置，健側(cè)3.3 cm，患側(cè)術(shù)前3.0 cm，術(shù)后3.4 cm；(3)偏心距，術(shù)前均為4.7 cm，患側(cè)術(shù)后4.8 cm；(4)雙下肢長(zhǎng)度差，患側(cè)術(shù)前比健側(cè)短2.0 cm，術(shù)后較健側(cè)長(zhǎng)約0.5 cm。(5)術(shù)后測(cè)量臼杯外展角42.5°，前傾角16°。Harris評(píng)分術(shù)前46分，術(shù)后半年84分，術(shù)后1年86分。

圖1 個(gè)體化3D打印設(shè)計(jì)

圖2 髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)前后X線檢查

2.2 病例二

翻修術(shù)前X線、CT顯示髖臼松動(dòng)、上移，髖臼周圍骨破壞。導(dǎo)入CT數(shù)據(jù)進(jìn)行3D設(shè)計(jì)(圖3A～3B)，打印聚乳酸仿真墊片、髖臼模型(圖3C)。術(shù)中未見(jiàn)明顯聚乙烯磨損，可見(jiàn)髖臼松動(dòng)，上移內(nèi)移，股骨未見(jiàn)骨溶解破壞，股骨假體穩(wěn)定性良好。術(shù)中病理結(jié)果：左髖關(guān)節(jié)送檢物見(jiàn)膠原纖維增生伴局部壞死，未見(jiàn)中性粒細(xì)胞。手術(shù)時(shí)間241 min，出血量約800 mL。術(shù)后復(fù)查X線(圖4)，測(cè)量數(shù)據(jù)如下：(1)髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心的縱軸位置，患側(cè)術(shù)前較健側(cè)上移1.6 cm，術(shù)后旋轉(zhuǎn)中心等高。(2)髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心水平位置，健側(cè)3.5 cm，患側(cè)術(shù)前2.7 cm，術(shù)后3.0 cm。(3)偏心距：術(shù)前健側(cè)3.8 cm，患側(cè)3.6 cm，術(shù)后均為3.8 cm。(4)雙下肢長(zhǎng)度差：術(shù)前患肢比健側(cè)短縮1.5 cm，術(shù)后雙下肢等長(zhǎng)。(5)術(shù)后臼杯外展角44.8°，前傾角18°。Harris評(píng)分術(shù)前52分，術(shù)后半年85分，術(shù)后1年87分。

圖3 個(gè)體化3D打印設(shè)計(jì)

圖4 髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)前后X線檢查

3 討論

全髖關(guān)節(jié)置換失敗后髖臼缺損的翻修術(shù)操作難度大，骨盆和髖臼的解剖結(jié)構(gòu)不規(guī)則，較為復(fù)雜。以往依據(jù)影像學(xué)資料只能粗略評(píng)估患者的局部情況，難以對(duì)髖臼解剖結(jié)構(gòu)及骨缺損范圍進(jìn)行精準(zhǔn)判斷，影響手術(shù)效果。隨著3D打印技術(shù)越來(lái)越成熟，成本費(fèi)用越來(lái)越低，在臨床的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛[2]。

髖臼假體翻修的主要目的是獲得接近正常的旋轉(zhuǎn)中心、最大程度地恢復(fù)髖關(guān)節(jié)的正常功能，特別是髖臼骨缺損嚴(yán)重的患者，在治療過(guò)程中如不能有效修復(fù)髖臼骨缺損，不但不能恢復(fù)股骨頭的旋轉(zhuǎn)中心位置和良好的下肢功能，還會(huì)引起髖臼假體松動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致翻修手術(shù)失敗。對(duì)于全髖關(guān)節(jié)置換后的髖臼缺損，既往多采用Jumbo杯加植骨、鈦網(wǎng)加打壓植骨、髖臼支架加打壓植骨或結(jié)構(gòu)性植骨進(jìn)行翻修，但這些手術(shù)創(chuàng)傷大，手術(shù)復(fù)雜，有植骨吸收、異體骨排斥等并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn)[5-7]。

孫京濤等[8]應(yīng)用金屬墊片修補(bǔ)髖臼缺損取得了良好的效果，但因髖臼為不規(guī)則形，缺損形態(tài)各異，非個(gè)體化的金屬墊片經(jīng)常難以滿足需要。目前3D打印金屬植入物已成功應(yīng)用于臨床，其結(jié)構(gòu)與松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)類似，具有良好的摩擦系數(shù)、組織相容性和孔隙率，應(yīng)用于骨缺損的修復(fù)具有一定的優(yōu)勢(shì)。程文俊等[9]的研究表明，3D打印髖關(guān)節(jié)臼杯在應(yīng)用于初次全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)的5年的隨訪中，臼杯骨長(zhǎng)入優(yōu)異，髖臼穩(wěn)定性好，未發(fā)現(xiàn)骨溶解、無(wú)菌性松動(dòng)，假體生存率100%。3D打印設(shè)計(jì)的墊片，因其形態(tài)個(gè)體化，能精準(zhǔn)修補(bǔ)缺損的髖臼，墊片能與骨面更緊密接觸，增加骨接觸面積，更多的骨長(zhǎng)入，穩(wěn)定性增加，假體更牢固[10-12]。

本研究通過(guò)將患者的薄層CT數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建、數(shù)字模擬手術(shù)，利用打印模型模擬手術(shù)，打印墊片和髖臼等植入物，完成了髖臼骨缺損的精準(zhǔn)修復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)了髖臼旋轉(zhuǎn)中心的重建。本研究患者翻修術(shù)后的影像學(xué)資料均顯示髖關(guān)節(jié)假體位置、旋轉(zhuǎn)中心和偏心距解剖重建良好，髖關(guān)節(jié)功能評(píng)分提升，患者髖關(guān)節(jié)功能恢復(fù)良好。但本研究例數(shù)少，缺乏長(zhǎng)期的隨訪，仍需擴(kuò)大研究例數(shù)、繼續(xù)觀察研究。