3D打印技术在髋、膝关节置换术中的应用进展

于辰曦，孙水

(山东大学附属省立医院，济南250021)

3D打印技术在髋、膝关节置换术中的应用进展

于辰曦，孙水

(山东大学附属省立医院，济南250021)

3D打印技术可将抽象的三维数字模型转化为直观、立体的实物模型，能够实现假体的个体化制作，可较好地解决关节置换术中假体型号选择、提高假体安放位置准确性以及畸形矫正程度等技术难题，从而提高关节置换术的精准程度。3D打印技术在髋关节置换术中的应用研究较为深入，可提高髋臼假体、股骨导航模板设计制作的个体化水平，并使髋关节翻修术中骨缺损的处理更为精准。大部分研究认为3D打印技术可提高截骨定位模板制作的个体化水平，但其在膝关节翻修术及骨缺损处理中的应用尚处于探索阶段。

关节置换术；3维打印技术；髋关节置换术；膝关节置换术

3D打印技术是一种以数字模型文件为模板，使用金属粉末或者塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术，属于快速成型技术。近年来，选择性激光烧结、熔融沉积成型以及喷墨打印等技术极大地推动了3D打印技术在临床上的应用[1]。在关节置换手术中，3D打印技术能为患者定制个体化假体，较好地解决传统置换手术中假体型号选择、假体位置判断以及严重关节畸形矫正等难点问题，提高关节置换术的成功率和翻修效果。本文就3D打印技术在髋、膝关节置换术中的应用作一综述。

1 3D打印技术在髋关节置换术中的应用

1.1 提高髋臼假体设计制作的个体化水平 全髋关节置换术(THA)的目的是用人工假体取代不能行使正常功能的髋关节，以恢复髋关节原有的支撑作用、稳定性和活动度。发育性髋关节脱位(DDH)患者的髋臼发育异常导致髋臼形态发生变化，给髋臼重建带来极大困难[2,3]，呈现完整的髋臼立体解剖结构是DDH患者髋臼重建成功的关键。3D打印技术可根据患者术前的三维影像学资料，精确打印出三维髋臼假体模型，让手术医师在术前能更直观地了解患者髋臼的立体形态以及各解剖结构之间的空间关系，以制作个体化髋臼假体并进行模拟手术，从而提高髋臼假体的匹配程度和初始稳定性[3～5]。Zhang等[3]将22例DDH患者分为传统THA手术组(11例)和导航模板组(11例)，其中导航模板组在3D打印技术制作的模板导航下植入髋臼假体，试验预设髋臼假体的外展角和前倾角分别为45°和18°；1年后随访，导航模板组可获得良好的髋臼外展角和前倾角，同预设值相比，变异角度明显小于传统THA手术组。Xu等[4]应用3D打印技术为10例DDH患者(6例单侧髋关节、4例双侧髋关节)设计了髋臼假体，并进行术前规划以及术前假体位置、方向以及大小的预测；结果显示，髋臼假体术前测量结果与实际应用完全吻合的占71.4%(10/14)，相差<2 mm的占21.4%(3/14)，相差<4 mm的仅有1例；术后随访平均23.1个月，均未发生深静脉血栓形成、肺栓塞、深部感染、神经麻痹等并发症，且均未行翻修手术。Won等[5]采用3D打印技术为21例严重髋臼畸形患者制作髋臼模型，THA中植入髋臼假体大小与术前测量相差<2 mm的占80.9%(17/21)，患者术后影像学检查提示髋臼假体的骨长入和稳定性均良好，末次随访平均HHS评分为79.9分，且影像学检查未发现磨损颗粒及假体周围骨溶解。

1.2 提高髋关节翻修术中髋臼骨缺损的处理效果 髋关节翻修术的手术指征包括无菌性松动、骨溶解等，其中超过一半的患者需进行髋臼翻修，而需要翻修的髋臼多存在不同程度的骨缺损。处理髋臼骨缺损尤其严重的骨缺损是髋关节翻修术的重点及难点[6～8]。髋臼翻修术中发现巨大骨缺损或骨盆连续性中断时，需使用髋臼加强环如抗内突笼，以恢复髋臼的连续性和完整性，为骨水泥固定髋臼假体提供坚强支撑[8]。传统设计的髋臼加强环存在个体化程度低、不能提供长期生物固定、缺少多孔涂层等缺点；而3D打印技术一方面可为患者定制个体化髋臼加强环，另一方面打印时可提供多孔涂层，有利于完全修补髋臼骨缺损、促进骨长入、获得假体的初始稳定性和长期稳定性[7,8]。Mao等[7]制作了一种含有多孔羟基磷灰石的髋臼加强环，并成功应用于22例接受髋关节翻修术的患者(共23髋，其中3髋为Paprosky ⅢA型髋臼骨缺损、20髋PaproskyⅢB型髋臼骨缺损)，术后随访结果显示治疗效果较好，末次随访平均HHS评分从术前39.6分提高到80.9分，且未发生深部感染、深静脉血栓形成及神经麻痹等并发症。Li等[9]采用3D打印技术制作了一种表面经过流砂处理的钽金属髋臼加强环，该髋臼加强环既有跨越坐骨的固定装置，又结合了三翼臼杯的髂骨固定翼设计，可获得更为牢靠的固定；该课题组将其应用于24例接受髋关节翻修术的患者(共24髋，均存在巨大髋臼骨缺损)，术后平均随访67个月，末次随访结果显示患者平均HHS评分从术前36分提高到82分，并且可使髋关节旋转中心的位置恢复到解剖旋转中心。Colen等[10]通过激光烧结技术制作了一种三翼臼环，并将其应用于6例有严重髋臼骨缺损的髋关节翻修术患者，术后随访10～58个月结果显示效果均较好，无手术失败或需再次翻修者。Zerr等[11]采用3D打印技术设计制作术前模板，并应用于1例因术后感染导致严重骨缺损的THA患者二期髋关节翻修术，术后结果显示未发生骨盆连续性中断。近年来国内学者[12,13]也开始尝试采用3D打印技术制作与患者骨盆高吻合度的髋臼假体，并用于PaproshyⅢ型髋臼骨缺损翻修术患者，均获得了满意的治疗效果。

1.3 提高股骨导航模板设计制作的个体化水平 相对于传统THA，髋关节表面置换术(SRA)具有保留股骨头、磨损界面低、截骨量少等优点，但股骨颈骨折是其主要并发症。研究认为，SRA后股骨颈骨折的主要原因是股骨假体定位准确性差，因此引导股骨假体准确定位是SRA成功的关键[14,15]。Du等[15]在髋关节骨关节炎患者CT扫描结果的基础上，采用3D打印技术生产出一种个体化股骨头截骨模板，术后影像学检查显示其术后假体柄干角明显高于传统SRA；该研究显示，使用这种个体化模板能提高假体置入的准确性、缩短手术时间并减少术中并发症的发生。Raaijmaakers等[16]设计了一种3D打印股骨头截骨导航夹具，并将其应用于5例SRA患者，结果显示均定位准确，平均最大钻孔角度偏差和置入点偏差分别为2.9°、2.1 mm。Kunz等[17]运用3D打印技术设计了一种个性化股骨引导钻孔模板，应于45例SRA患者；结果显示与传统计算机辅助SRA相比，个性化股骨引导钻孔模板具有同样的准确性。

2 3D打印技术在膝关节置换术中的应用

2.1 提高截骨定位模板设计制作的个体化水平 由于人体膝关节大小、形态存在较大差异，传统的机械引导装置及截骨工具是基于欧美人体解剖学特点而设计的，因此全膝关节置换术(TKA)精确度较低，术后下肢力线对位误差>3°的发生率超过10%。个体化模板辅助TKA截骨术(PSI)依据患者术前MRI或CT扫描数据，采用3D打印技术设计制作个体化截骨定位模板，是一种应用于复杂膝关节置换术前规划、模拟截骨和术中操作的新型膝关节截骨方法，术后下肢力线对位误差小，具有截骨精确性高、手术时间短、手术损伤轻等优点。Daniilidis等[18]研究显示，PSI患者术后下肢力线偏差>3°的比例为9.3%，而采用传统截骨板的患者则为21.2%，提示PSI下肢力线对位准确、误差较小。Ferrara等[19]研究显示，采用PSI的观察组较采用传统截骨术的对照组手术时间更短，术中出血量更少，股骨假体的旋转对位改善情况更好。Gan等[20]采用3D打印技术开发了一种为TKA患者特殊设计的膝关节截骨板，并用于采用截骨板行TKA的患者；结果显示，与传统截骨术相比，采用截骨板行TKA的患者可获得更加理想的下肢力线机械轴、股骨前倾角、胫骨后倾角以及截骨间隙，平均手术时间短、平均术中出血量少。Heyse等[21]研究显示，PSI患者的股骨假体旋转对位情况明显优于传统截骨术患者。

然而，国外也有学者对PSI的临床效果提出了质疑，认为其与传统截骨术并无明显差异。Abane等[22]以126例拟接受TKA的患者为研究对象，其中59例进行PSI、67例进行传统截骨术；结果显示二者手术时间、术中出血量、术后X线测量髋-膝-踝角比较差异均无统计学意义。Woolson等[23]研究显示，PSI患者术后股骨旋转对位情况并不优于传统截骨术患者，且PSI患者的截骨模块更容易导致胫骨假体后倾角增大。

2.2 提高膝关节翻修术中骨缺损的处理效果 骨缺损是膝关节翻修术中的常见问题，其修复方法很多，但传统的修复方法在处理累及干骺端甚至骨干部位的巨大骨缺损效果不理想[24]。多孔金属坦垫块具有较好的生物相容性和多孔特性，可提供良好结构支持和牢靠稳定性，近年来逐渐应用于巨大骨缺损修复，取得了较为理想的中、短期效果[25]。但因骨缺损形态各异，实际应用中仍存在垫块与骨缺损难以完全匹配的不足，而3D打印技术可打印出新型多孔金属钽垫块，克服这一不足。

综上所述，3D打印技术在髋、膝关节置换术中的应用取得了很大进步，特别是在髋关节置换术中的应用研究比较深入，今后应在进一步提高3D打印技术假体制作个体化水平的基础上，采取措施加快制作速度、缩短制作周期、降低制作成本以拓展其应用范围；还应加大假体材料和制作工艺的创新力度，制作包含细胞成分、血管和神经等多种生物组织的“生物型假体”，以促使骨组织长入，提高假体的长期稳定性。

[1] Kim GB, Lee S, Yang DH, et al. Three-Dimensional printing: basic principles and applications in medicine and radiology[J]. Korean J Radiol, 2016,17(2):182-197.

[2] Bicanic G, Barbaric K, Bohacek I, et al. Current concept in dysplastic hip arthroplasty: techniques for acetabular and femoral reconstruction[J]. World J Orthop, 2014,5(4):412-424.

[3] Zhang YZ, Chen B, Lu S, et al. Preliminary application of computer-assisted patient-specific acetabular navigational template for total hip arthroplasty in adult single development dysplasia of the hip[J]. Int J Med Robot, 2011,7(4):469-474.

[4] Xu J, Li D, Ma RF, et al. Application of rapid prototyping pelvic model for patients with ddh to facilitate arthroplasty planning: a pilot study[J]. J Arthroplasty, 2015,30(11):1963-1970.

[5] Won SH, Lee YK, Ha YC, et al. Improving pre-operative planning for complex total hip replacement with a rapid prototype model enabling surgical simulation[J]. Bone Joint J, 2013,95(11):1458-1463.

[6] Kokubo Y, Oki H, Takeura N, et al. Reconstruction of acetabulum in revision total hip arthroplasty for pelvic discontinuity: report of a difficult case requiring four revision arthroplasty[J]. Springerplus, 2016(5):597.

[7] Mao Y, Xu C, Xu J, et al. The use of customized cages in revision total hip arthroplasty for paprosky type iii acetabular bone defects[J]. Int Orthop, 2015,39(10):2023-2030.

[8] Schmolders J, Friedrich MJ, Michel RD, et al. Acetabular defect reconstruction in revision hip arthroplasty with a modular revision system and biological defect augmentation[J]. Int Orthop, 2015,39(4):623-630.

[9] Li H, Qu X, Mao Y, et al. Custom acetabular cages offer stable fixation and improved hip scores for revision THA with severe bone defects[J]. Clin Orthop Relat Res, 2016,474(3):731-740.

[10] Colen S, Harake R, De Haan J, et al. A modified custom-made triflanged acetabular reconstruction ring (MCTARR) for revision hip arthroplasty with severe acetabular defects[J]. Acta Orthop Belg, 2013,79(1):71-75.

[11] Zerr J, Chatzinoff Y, Chopra R, et al. Three-dimensional printing for preoperative planning of total hip arthroplasty revision: case report[J]. Skeletal Radiol, 2016,45(10):1431-1435.

[12] 李环宏,李亚民,彭晓春,等.3D打印垫块重建复杂髓臼骨缺损二例及文献回顾[J/CD]中华关节外科杂志:电子版,2016,10(6):685-690.

[13] 王利,米尔阿里木·木尔提扎,赵巍,等.结合3D打印技术治疗严重髓臼缺损的髓关节翻修术一例[J/CD]中华关节外科杂志:电子版,2016,10(5):99-100.

[14] Vail TP, Glisson RR, Dominguez DE, et al. Position of hip resurfacing component affects strain and resistance to fracture in the femoral neck[J]. J Bone Joint Surg Am, 2008,90(9):1951-1960.

[15] Du H, Tian XX, Li TS, et al. Use of patient-specific templates in hip resurfacing arthroplasty experience from sixteen cases[J]. Int Orthop, 2013,37(5):777-782.

[16] Raaijmaakers M, Gelaude F, Smedt KD, et al. A custom-made guide-wire positioning device for hip surface replacement arthroplasty description and first results[J]. BMC Musculoskelet Disord, 2010(11):161.

[17] Kunz M, Rudan JF, Xenoyannis GL, et al. Computer-assisted hip resurfacing using individualized drill templates[J]. J Arthroplasty, 2010,25(4):600-606.

[18] Daniilidis K, Tibesku CO. A comparison of conventional and patient-specific instruments in total knee arthroplasty[J]. Int Orthop, 2014,38(3):503-508.

[19] Ferrara F, Cipriani A, Magarelli N, et al. Implant positioning in TKA comparison between conventional and patient-specific instrumentation[J]. Orthopedics, 2015,38(4):e271-280.

[20] Gan Y, Ding J, Xu Y, et al. Accuracy and efficacy of osteotomy in total knee arthroplasty with patient-specific navigational template[J]. Int J Clin Exp Med, 2015,8(8):12192-12201.

[21] Heyse TJ, Tibesku CO. Improved femoral component rotation in TKA using patient-specific instrumentation[J]. Knee, 2014,21(1):268-271.

[22] Abane L, Anract P, Boisgard S, et al. A comparison of patient-specific and conventional instrumentation for total knee arthroplasty a multicentre randomised controlled trial[J]. Bone Joint J, 2015,97(1):56-63.

[23] Woolson ST, Harris AH, Wagner DW, et al. Component alignment during total knee arthroplasty with use of standard or custom instrumentation a randomized clinical trial using computed tomography for postoperative alignment measurement[J]. J Bone Joint Surg Am, 2014,96(5):366-372.

[24] Bush JL, Wilson JB, Vail TP. Management of bone loss in revision total knee arthroplasty[J]. Clin Orthop Relat Res, 2006(452):186-192.

[25] Kim EG, Patel NK, Chughtai M, et al. Tantalum cones in revision total knee arthroplasty[J]. J Knee Surg, 2016,29(8):621-626.

孙水(E-mail: sunshui1965@foxmail.com)

10.3969/j.issn.1002-266X.2017.32.035

R687.3

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1002-266X(2017)32-0104-03

2017-02-04)