3D打印个性化手术导航模板在成人发育性髋脱位髋臼重建中的应用

涂强 曹露 丁焕文 章凯 黄敏强 王虹 沈健坚 刘辉亮 陈志源 滕强 区永亮

·论著·

3D打印个性化手术导航模板在成人发育性髋脱位髋臼重建中的应用

涂强 曹露 丁焕文 章凯 黄敏强 王虹 沈健坚 刘辉亮 陈志源 滕强 区永亮

目的 评估3D打印个性化手术导航模板在发育性髋脱位髋臼重建中的应用价值。方法 成人发育性髋脱位患者19例19髋，Crowe分级Ⅲ级14髋，Ⅳ级5髋。术前模拟手术，制定手术方案，所有病例均采用全髋关节置换术，将3D打印个性化手术导航模板应用于髋臼重建中。结果 19例患者中1例失访，18例随访3～60个月，平均随访23.1个月。术前Harris评分为(35.3±3.9)分，随访时评分为(86.75±4.6)分，差异有统计学意义(P<0.01)。术后患肢短缩畸形、跛行步态显著改善。3D打印的个性化髋臼重建手术导航模板具有良好的匹配性，术中与髋臼骨面完全贴附。术中按照导航模板的指引，快速地确定了真臼的位置，按导航模板确定的方向及角度打磨髋臼，假体与打磨好的髋臼窝完全匹配。X线片提示所有病例均显示髋臼假体位于真臼位置，与周围骨床结合紧密。结论 3D打印手术导航模板的应用为发育性髋脱位全髋关节置换髋臼重建的精确定位、定向提供一种新的个性化手术方案。

发育性髋脱位； 关节成形术； 置换； 髋； 3D打印； 导航模板

全髋关节置换是目前治疗成人发育性髋脱位(developmental dysplasia of the hip，DDH)的公认方法。CroweⅢ、Ⅳ级的患者，患髋病变畸形复杂多样，尤其是髋臼侧解剖结构异常，出现髋臼窝浅平，局部骨缺损，假臼形成，髋关节旋转中心向外上方移位等[1]。髋臼重建是全髋关节置换治疗DDH的关键。如何将臼杯安置于最佳的位置，解决臼杯的骨量覆盖是传统手术时遇到的难题。我们借助数字骨科技术，有效地解决了这一难题。数字骨科包括了反求工程、计算机辅助设计、计算机辅助制造、快速成型等技术[2]。整合了数字骨科技术，我们设计与制作了3D打印个性化手术导航模板应用于CroweⅢ、Ⅳ级DDH髋臼重建中，获得了满意疗效。现报道如下。

对象与方法

一、对象

2009年1月～2015年12月，我院共收治19例严重成人晚期DDH病例，全部为单侧DDH，19髋，其中女14例，男5例，年龄20～63岁，平均年龄38.2岁。Crowe分级Ⅲ级14髋，Ⅳ级5髋。伴有明显的患髋疼痛、活动受限，跛行等症状。所有病例均行骨盆前后位X线片检查及骨盆和双下肢薄层CT扫描。

二、方法

1.骨关节三维数字化模型的建立：患者均取仰卧位，从髂前上棘至踝关节水平采用SIMENS64排双螺旋CT进行薄层扫描，获取骨盆和双下肢二维图像数据，这样获取的是骨的多层横截面图像。由于各层图像既包含骨的轮廓，又包含软骨和其他组织的图案，因此，将二维图像数据导入医学图像处理软件Mimics，通过域值分割、区域增加、面罩编辑、三维重建，去除软组织数据，得到清晰的人体骨骼三维解剖学模型，从而完成DDH的骨盆和双下肢三维数字化模型的建立。

2.术前CAD测量DDH的特征参数及模拟手术：在计算机界面上呈现出DDH患者的三维重建模型，通过任意轴向和角度地旋转三维图像，利用图像处理功能消除某一骨性结构，从多角度、多方位来观察髋臼和股骨头的关系、有无假臼形成及真臼与假臼的关系、真臼的发育情况。真臼臼顶和内侧壁骨贮备，骨质是否存在骨坏死和囊性变形成及骨赘增生，股骨头的骨覆盖情况。并完成计算机辅助分析，测量相关特征参数：髋臼角、髋臼指数、CE角、股骨颈干角、前倾角及股骨、胫骨和双下肢全长。再将骨关节三维数字化模型数据导入逆向工程软件Imageware中，通过镜像工具，建立健侧髋臼的镜像体，通过镜像体的髋臼准确定位患髋真臼位置，选择大小合适的髋臼假体，模拟臼杯的置入，观察髋臼杯的骨覆盖情况，确定患侧髋臼骨缺损的大小，模拟结构性植骨。

3.髋臼重建个性化手术导航模板的设计与3D打印：通过逆向工程软件Imageware中的镜像工具，能准确定位患髋真臼位置，通过提取患侧髋臼的表面解剖形态数据，利用点云拟合成曲线、曲线拟合曲面等工具，设计出与患侧髋臼真臼位置解剖学形态相匹配的髋臼导航模板，髋臼中心点设计了一个圆形导向柱，导向柱的方向与角度为外翻45°、前倾15°。将CAD设计的髋臼导航模板数据导入快速成型数据处理软件Magics，可以得到3D打印机可处理的手术导航模板格式层片数据，即可完成快速成型制造前的数据准备。以光敏树脂为原料，在3D打印机内通过激光照射逐层固化快速成型制作DDH髋臼重建手术导航模板。将手术导航模板封装，术前行环氧乙烷消毒。

4.手术方法：硬膜外麻醉下，取90°健侧卧位，髋关节前外侧切口，显露出髋臼及股骨近端，彻底松解患髋周围软组织，于股骨小转子上1.5 cm处行股骨粗隆间截骨，取出股骨头。切除关节囊，松解周围挛缩组织，显露出髋臼侧的骨性结构。将髋臼导航模板置入患髋处，寻找与髋臼导航模板吻合的骨面，骨面与模板吻合、匹配后，即确定了真臼的位置。髋臼导航模板中央圆形导向柱方向为外翻45°、前倾15°，在导航模板周边置入克氏针，克氏针方向均与中央圆形导向柱平行。通过手术导航模板确定好真臼的位置后，取出导航模板。使用髋臼锉从小到大平行于定位克氏针方向，按前倾15°、外翻45°方向打磨髋臼，选取术前已确定大小的髋臼按前倾15°、外展45°方向安置于打磨好的髋臼中。按术前模拟了解髋臼杯骨覆盖情况，对于髋臼壁缺损区域采用切取的股骨头、自体髂骨块或大块同种异体骨行结构性重建。内收、外旋股骨，股骨近端髓腔扩髓后，安置人工假体柄、股骨头。复位人工髋关节，检查髋关节活动度及稳定性。

5.术后处理与康复：术前30分钟常规应用抗生素预防感染，术后使用抗生素24～48小时，使用低分子肝素或利伐沙班预防深静脉血栓，鼓励患者早期锻炼股四头肌，伤口引流管术后24～48小时拔除，术后2～ 7天可坐位进行双下肢肌肉及髋关节锻炼，术后1周扶拐下床活动。行髋臼结构性植骨的病例，患髋负重活动推迟至术后3个月。

6.观察指标：疗效评定标准：手术前、后的髋关节功能采用Harris评分标准进行评定，总分90分以上为优，80～90分为良，70～79分为中，70分以下为差。

结 果

19例患者有1例失访，18例随访3～60个月，平均随访23.1个月。所有病例伤口均Ⅰ期愈合。

1.导航模板的术中使用：3D打印的个性化髋臼重建手术导航模板具有良好的匹配性，术中与髋臼骨面完全贴附。术中按照导航模板的指引，快速地确定了真臼的位置，按导航模板确定的方向及角度打磨髋臼，并安置了术前模拟置入直径的髋臼假体。假体与打磨好的髋臼窝完全匹配。对于有臼杯骨覆盖不全，按术前模拟行结构性植骨。

2.并发症：所有病例均未出现深静脉血栓、伤口感染。髋臼侧假体均未发现松动。1例患者术后2周时盘腿后出现人工髋关节脱位，通过手法复位后好转。1例患者术后出现足下垂，该患者下肢延长约4 cm，考虑为坐骨神经牵拉伤，术后予以神经营养药物治疗，3个月后神经功能完全恢复。1例出现股骨假体下沉。

典型病例：女，20岁。因右下肢短痛畸形、行走跛行10年余就诊。X线片检查示：右股骨头颈吸收，向后上方脱位，右股骨干发育稍差；右髋臼窝未见发育，Crowe分级为Ⅳ级。术前X线片见图1。骨盆及下肢的三维重建见图2。计算机辅助分析：该患者右股骨上段直径接近正常， 右侧股骨长度与健侧相同，因脱位而上移60 mm(短缩畸形)(图3)。骨盆向右侧倾斜，右侧髋臼发育差，缺乏正常髋臼形状(图4)。模拟髋臼假体安置：通过镜像体的原理，以健侧髋臼准确定位患侧髋臼的解剖位置，模拟置入ф44 mm髋臼假体，观察其包容情况(图5)。模拟髋臼后壁的重建：模拟切取一20 mm×83 mm大小髂骨块，植于髋臼后壁部位，用3枚螺钉固定(图6～8)。CAD设计辅助髋臼定位导航模板：为了准确置入髋臼杯，包括髋臼杯位置准确和安装方向精确。CAD设计辅助髋臼导航模板与预定的髋臼安放面互补，中央设计圆形管道指示髋臼外翻45°、前倾15°(图9)。 术后2年X线片见图10。

讨 论

全髋关节置换术是目前成人DDH晚期骨性关节炎的最有效和终极治疗方法[3]。全髋关节置换手术操作上最具有挑战性的应属髋臼侧的重建[4]，这是因为DDH由于长期异常生物力学环境影响，造成髋关节中心位置外移、上移，形成假臼，而真臼缺乏正常力学刺激，造成发育欠佳，缺乏正常解剖形态。髋臼重建的目标是恢复正常的髋臼旋转中心并获得臼杯的充分骨性包容[5]。但对于DDH髋臼的重建位置存在争议。由于学者认为，假臼能提供更好的骨质及骨量覆盖，Jasty等[6]认为，严重DDH患者长期处于股骨头上移状态，人体组织和力点已经适应了此状态， 髋臼假体的上移迎合了机体的自我平衡机制。但高位安置臼杯时髋关节负重增加，剪切力集中于假体易导致早期松动[7]。目前大多数学者主张将髋臼假体安置于真臼内，而不将髋臼杯安装在假臼内使旋转中心上移，这是因为臼杯置于真臼可减少髋关节异常应力，有利于恢复髋关节的旋转中心，恢复股骨偏心距，有利于恢复外展肌群的杠杆力臂，缩短身体重心的杠杆力臂，可以保持骨盆和股骨肌肉群的平衡和相同的压力负荷分布。同时髋臼杯骨性包容情况影响其假体的稳定性，臼杯的稳定性与骨质包容率呈正相关，而髋臼骨质最厚的部位恰恰在真臼。将髋臼重建于真臼，有利于生物力学的恢复，减少髋关节应力，减少了臼杯松动率和聚乙烯的磨损，获得了远期稳定性。本研究中19髋通过计算机辅助技术，均将髋臼假体安置于真臼位置，获得了满意的临床疗效。假体放置在真臼部位对术后恢复双下肢等长有利，对于假体的长期稳定性有利。

对于DDH患者，髋臼杯安置后，往往在后上方出现骨缺损，这是DDH髋臼发育不良所致。对于髋臼杯安置后的骨性包容欠佳的问题，也存在争论，Schuller等[8]提倡髋臼杯100%的骨覆盖，而部分学者认为臼杯骨性覆盖只要>75%，假体是稳定的。程兴旺等[9]利用三维有限元技术分析发现，加深髋臼+小直径臼杯时，髋臼骨质和内衬应力集中、臼杯发生较大的初始位移；结构性植骨、安放钽金属重建块具有较好的生物力学性能，可以使用较大直径的臼杯。Kim等[10]研究表明，髋臼结构性植骨远期疗效好。因此，从髋臼假体长期稳定性出发，建议髋臼杯100%的骨性包容。我们利用计算机辅助技术在术前手术模拟过程中，模拟了髋臼假体的安置，可以选择臼杯骨性包容最佳，且直径合适的假体，这样可以避免选择小号髋臼假体造成应力集中易出现假体松动的问题。同时，对于臼杯是否存在骨性覆盖不全术前已做到了心中有数。对于臼杯安置后存在臼杯裸露，我们选择结构性植骨，植骨块的大小可以在术前手术模拟中确定，骨块的来源可以是切取的股骨头，也可以是自体髂骨或同种异体髂骨。本研究中选择的髋臼假体大小合适，臼杯骨量覆盖满意；从术后影像学检查看，也验证了假体是合适的。

髋臼重建对于DDH全髋置换至关重要，但术中如何找到真臼位置是髋臼假体安置的关键，也是难点。传统术中寻找真臼的方法是沿被延长的、肥厚的髋关节囊和圆韧带寻找寻找到真臼窝，或先触及闭孔再确定髋臼切迹处皮质骨边的位置，其后上方即为真臼[11]，甚至术中X线透视确认，但对于手术经验不足的术者往往出现差错。我们通过CAD设计与3D打印个性化的髋臼重建手术导航模板应用于临床，圆满地解决了这一难题。我们首先是根据健侧髋臼的镜像体，确定患髋的真臼位置，通过CAD设计与患髋真臼部位骨质阴阳互补的手术导航模板，因此术中只需要将髋臼侧骨质显露出来，将3D打印的髋臼定位手术导航模板放置于相匹配的骨面上，只有模板与骨面完全吻合、阴阳互补，说明模板与骨面配准成功，这样就能确定真臼的位置。根据导航模板置入定位导针，依据导针的方向、角度打磨髋臼，按术前CAD设计选取直径一致的髋臼假体置入。3D打印的导航模板在术中能快速、精准地定位真臼，导航模板与髋臼骨面对合良好，并引导髋臼打磨方向。本研究中术后影像学检查也证实髋臼假体位于真臼内，且髋臼假体外翻、前倾角度合理，说明导航模板在真臼定位及髋臼假体安置方向的取了重要的作用。髋臼假体的方向对髋关节脱位率、聚乙烯磨损、关节活动范围、骨溶解以及假体移位都会产生重要影响[12]。因此，髋臼重建导航模板很好解决了如何确定真臼及臼杯安置方向的问题。

3D打印是一种快速成型技术，是指在计算机的协助下， 根据物体的CAD设计模型或CT 等数据，通过材料的精确堆积，制造原型的一种基于离散、堆积成型原理的新的数字化成型技术[13]。我们使用的髋臼手术导航模板是由CAD设计，以光敏树脂为制造原料，在3D打印机中通过激光照射逐层固化而形成。3D打印可制作几何形状任意复杂的实体，其制作速度快，成本低廉，非常适合制作个性化的手术导航模板，其临床应用前景广阔。

总之，3D打印个性化手术导航模板为DDH全髋置换中髋臼重建髋臼的精确定位、定向提供了有利帮助，这是精准医学的发展趋势，它能明显提高手术精确度及成功率，也将DDH的治疗提升到个体化阶段。

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(本文编辑：徐文聃)

Clinic application of three-dimensional printing personalized operation navigation template for reconstruction of acetabulum using total hip replacement in treatment for developmental dysplasia of the hip

TUQiang，CAOLu，DINGHuanwen，etal.

(DepartmentofOrthopedics，HospitalofOrthopaedics，GuangzhouGeneralHospitalofGuangzhouCommand，Guangzhou510010，China)

Objective To evaluate the value of three-dimensional(3D)printing personalized operation navigation template in precise reconstruction of acetabulum using total hip replacement in treatment for developmental dysplasia of the hip(DDH).Methods 19 patients(19 hips)with DDH ，according to Crowe grade：Ⅲgrade14hips，Ⅳgrade 5 hips，were examined by lamellar CT.Preoperative sham operations were performed and operatin projects were formulated.Prosthesis were simulated to replacement.All patients were treated with total hip replacement.Navigation template was designed according to the anatomic features of the injured side acetabulum.3D-printing personalized operation navigation template was exactly manufacted by rapid prototyping and was applied in the patient.Results 1 patient was lost to fo llow- up，and 18 patients were followed up for an average of 23.1 months(rang e：3 months to 5 years).Preoperative Harris score was 35.3±3.9，and follow-up Harris score was 86.75±4.6.Preoperative and follow-up Harris scores had a significant difference(P<0.01).Crispation and claudication of the operated leg were obviously improved.3D-printing personalized operation navigation template was found to be highly accurate.The navigation template was sterilized and used intraoperatively to assist with surgical navigation and the replacement of prosthesis of acetabulum.The prosthesis was matched to acetabulum.Postoperative X-ray display that prosthesis of acetabulum was replaced in anatomic acetabulum.Conclusion 3D-printing personalized operation navigation template may be a useful method in the replacement of prosthesis of acetabulum in patient with DDH.By the navigation template，individual operation project was provided.Navigation template may have a broad perspective of clinic application in total hip replacement of DDH.

developmental dysplasia of the hip； arthroplasty； replacement； hip； three-dimensional printing； navigation template

10.3969/j.issn.1005-6483.2017.04.018

广东省科技计划资助项目(2013B021800055)；广州市科技计划资助项目(2013J4100065)

510010 广州军区广州总医院骨科医院；全军创伤骨科研究所；骨关节疾病医学评估与防治中心；广东省骨科矫形技术及植入材料重点实验室；全军热区创伤救治与组织修复重点实验室

2016-09-21)