3D打印技术在个体化髋臼翻修中的应用研究

陈育春，王新家，马学铭，廖浩杰，曾机灿，姚关锋，王伟东，林创鑫，林本丹

(1.汕头大学医学院第二附属医院骨关节脊柱科，广东 汕头 515041；2.汕头市中心医院骨外科，广东 汕头 515041)

3D打印技术是一项在三维数字模型数据的基础上，将粉末状或液态的金属或塑料等可黏合材料通过3D打印机器逐层堆叠累积，进而制造三维实体的技术。3D打印技术应用在骨外科上，可在术前打印出等比例的实体模型。术前可在模型上进行详细的术前规划和手术预演练操作，由此减少手术步骤、手术时间、出血量、麻醉药用量及术中射线暴露[1]。对一些疑难脊柱、关节手术患者，常规植入物不适用，3D打印个体化植入物能降低手术难度，促进患者快速康复[2]。全髋关节置换术是治疗严重髋关节疾病的常用方法，而因假体磨损、感染或其他原因导致的假体松动、移位、假体周围骨溶解是髋关节置换术后失败的常见原因。髋关节置换术后失败导致的髋臼缺损是关节外科最棘手的问题之一，对于髋臼严重缺损，以往的治疗方式有创伤大、并发症多、手术复杂、疗效不满意等不良效果[3]。本研究探讨3D打印技术在个体化髋臼翻修术中的应用。

1 资料和方法

1.1 一般资料

纳入标准：(1)全髋关节置换手术失败；(2)髋臼严重缺损；(3)一般情况良好、无手术禁忌证、能耐受麻醉、手术；(4)医疗依从性良好、遵医嘱长期复查随访。排除标准：(1)严重手术禁忌证、有感染未治愈、重度骨质疏松、精神类疾病；(2)有金属过敏及严重自身免疫性疾病；(3)髋臼存在骨缺损并且造成骨盆不连续不能使用金属加强块重建髋臼；(4)患侧肢体偏瘫，患侧肢体肌力4级以下[4]。本研究经汕头大学医学院第二附属医院伦理委员会批准，患者术前均签署知情同意书。

患者一，女性，62岁，2012年因右股骨颈骨折在汕头大学医学院第二附属医院接受右人工全髋关节置换术治疗，术后恢复良好。2018年11月因摔倒致右髋疼痛2周入院。查体：患者无法行走，轮椅入院，右下肢较左下肢缩短约2 cm，肢端活动、感觉、血运未见异常。X线和CT示：右髋臼松动上移，髋臼内侧壁、上壁骨缺损。诊断：右人工全髋关节术后假体周围骨溶解(PaproskyⅢ A型)。

患者二，男性，57岁，2004年因多年饮酒致双侧股骨头缺血坏死，在汕头大学医学院第二附属医院接受左侧股骨头髓芯减压、髋关节滑膜切除术及右股骨转子间旋转截骨拉力钉内固定术治疗，效果欠佳。2007年接受右全髋关节置换术治疗，2009年接受左人工髋关节置换术治疗。2019年6月因左髋疼痛半年多再次入院治疗。查体：跛行步态，左下肢较右下肢缩短1.5 cm，左髋部局部有深压痛，局部有叩击痛，轴向叩击痛不明显；左髋关节屈伸活动受限，双下肢肌力、感觉、血运未见明显异常。X线和CT示：髋臼松动上移，髋臼顶骨缺损。诊断：左人工全髋关节置换术后假体周围骨溶解(PaproskyⅡB型)。

1.2 个体化3D打印设计

对患者进行X线、CT检查，对患者的薄层CT数据进行三维重建，利用软件进行模拟手术，设计垫片，测量髋臼杯大小。利用艾利斯通C3850 3D打印机打印骨折聚乳酸仿真模型、垫片和髋臼模型，进行手术模拟。利用Acram Q10 plus电子束熔融金属打印机打印钛合金垫片和骨小梁髋臼。3D打印设计由北京爱康宜诚医疗器材有限公司完成。

1.3 根据3D打印设计进行手术

患者侧卧位，取髋前外侧入路切口，逐层切开皮肤和皮下组织，切断内旋肌群及小部分臀中肌，直至髋臼缘游离，脱出股骨头颈，取出股骨头，取出髋臼杯。彻底清除髋臼周围病变软组织，排除感染。反复冲洗病灶，处理植骨面。取同种异体股骨头，剪成骨粒后填充髋臼前壁及内侧壁骨缺损，用打击器打实后填平凹陷骨面。根据需要于髋臼前壁及内侧壁缺损处分别置入定制置入物及补片，螺钉固定。打入试模，固定稳定后安装假体髋臼，测试假体固定稳定后，安装聚乙烯衬垫假体。检查股骨端，必要时返修股骨假体。测试感觉松紧度良好，活动度好，关节稳定后，冲洗伤口，留置1条引流管，修复内旋肌、臀中肌，逐层缝合切口。

1.4 术后处理

术中、术后常规应用头孢菌素类抗生素，常规应用利伐沙班片抗凝，患者麻醉清醒后逐渐行踝关节主动屈伸运、锻炼股四头肌预防血栓形成，术后第3天拔除引流管，拔管后患者开始拄拐部分负重活动，术后2周拆线。

1.5 观察指标及随访

记录手术时间、出血量，术后定期复查X线。观察指标：髋关节旋转中心的纵轴位置(双侧旋转中心在水平线上的距离差)；髋关节旋转中心水平位置(旋转中心到髋臼内侧壁的垂直距离)；股骨偏心距(旋转中心和股骨近端解剖轴的距离)；双下肢长度(小转子尖与水平基准线的距离或查体双下肢长度)；臼杯外展角和前倾角。术后随访观察患者髋关节功能恢复情况，术前、术后6个月、1年进行Harris髋关节功能评分。

2 结果

2.1 病例一

首次全髋关节置换术后假体位置良好。翻修术前X线、CT显示髋臼松动、上移，髋臼周围骨破坏、溶解。导入CT数据进行3D设计(图1A)，打印聚乳酸仿真垫片、髋臼模型(图1B)和钛合金垫片(图1C)。术中见聚乙烯磨损，髋臼上移，髋臼周围特别是髋臼顶、髋臼内侧骨溶解，大粗隆小部分骨溶解，不涉及股骨假体接触面，股骨假体稳定性良好。按术前设计安装垫片、髋臼。术中病理结果：软组织慢性肉芽肿性炎症，以组织细胞增生为主，未见中性白细胞。手术时间265 min，出血量约800 mL。术后复查X线(图2)，测量数据如下：(1)髋关节旋转中心的纵轴位置，患侧术前较健侧上移3.0 cm，术后较健侧约上移0.8 cm，恢复2.2 cm；(2)髋关节旋转中心水平位置，健侧3.3 cm，患侧术前3.0 cm，术后3.4 cm；(3)偏心距，术前均为4.7 cm，患侧术后4.8 cm；(4)双下肢长度差，患侧术前比健侧短2.0 cm，术后较健侧长约0.5 cm。(5)术后测量臼杯外展角42.5°，前倾角16°。Harris评分术前46分，术后半年84分，术后1年86分。

图1 个体化3D打印设计

图2 髋关节翻修术前后X线检查

2.2 病例二

翻修术前X线、CT显示髋臼松动、上移，髋臼周围骨破坏。导入CT数据进行3D设计(图3A～3B)，打印聚乳酸仿真垫片、髋臼模型(图3C)。术中未见明显聚乙烯磨损，可见髋臼松动，上移内移，股骨未见骨溶解破坏，股骨假体稳定性良好。术中病理结果：左髋关节送检物见胶原纤维增生伴局部坏死，未见中性粒细胞。手术时间241 min，出血量约800 mL。术后复查X线(图4)，测量数据如下：(1)髋关节旋转中心的纵轴位置，患侧术前较健侧上移1.6 cm，术后旋转中心等高。(2)髋关节旋转中心水平位置，健侧3.5 cm，患侧术前2.7 cm，术后3.0 cm。(3)偏心距：术前健侧3.8 cm，患侧3.6 cm，术后均为3.8 cm。(4)双下肢长度差：术前患肢比健侧短缩1.5 cm，术后双下肢等长。(5)术后臼杯外展角44.8°，前倾角18°。Harris评分术前52分，术后半年85分，术后1年87分。

图3 个体化3D打印设计

图4 髋关节翻修术前后X线检查

3 讨论

全髋关节置换失败后髋臼缺损的翻修术操作难度大，骨盆和髋臼的解剖结构不规则，较为复杂。以往依据影像学资料只能粗略评估患者的局部情况，难以对髋臼解剖结构及骨缺损范围进行精准判断，影响手术效果。随着3D打印技术越来越成熟，成本费用越来越低，在临床的应用也越来越广泛[2]。

髋臼假体翻修的主要目的是获得接近正常的旋转中心、最大程度地恢复髋关节的正常功能，特别是髋臼骨缺损严重的患者，在治疗过程中如不能有效修复髋臼骨缺损，不但不能恢复股骨头的旋转中心位置和良好的下肢功能，还会引起髋臼假体松动，进而导致翻修手术失败。对于全髋关节置换后的髋臼缺损，既往多采用Jumbo杯加植骨、钛网加打压植骨、髋臼支架加打压植骨或结构性植骨进行翻修，但这些手术创伤大，手术复杂，有植骨吸收、异体骨排斥等并发症风险[5-7]。

孙京涛等[8]应用金属垫片修补髋臼缺损取得了良好的效果，但因髋臼为不规则形，缺损形态各异，非个体化的金属垫片经常难以满足需要。目前3D打印金属植入物已成功应用于临床，其结构与松质骨结构类似，具有良好的摩擦系数、组织相容性和孔隙率，应用于骨缺损的修复具有一定的优势。程文俊等[9]的研究表明，3D打印髋关节臼杯在应用于初次全髋关节置换术的5年的随访中，臼杯骨长入优异，髋臼稳定性好，未发现骨溶解、无菌性松动，假体生存率100%。3D打印设计的垫片，因其形态个体化，能精准修补缺损的髋臼，垫片能与骨面更紧密接触，增加骨接触面积，更多的骨长入，稳定性增加，假体更牢固[10-12]。

本研究通过将患者的薄层CT数据进行三维重建、数字模拟手术，利用打印模型模拟手术，打印垫片和髋臼等植入物，完成了髋臼骨缺损的精准修复，从而实现了髋臼旋转中心的重建。本研究患者翻修术后的影像学资料均显示髋关节假体位置、旋转中心和偏心距解剖重建良好，髋关节功能评分提升，患者髋关节功能恢复良好。但本研究例数少，缺乏长期的随访，仍需扩大研究例数、继续观察研究。