数字医学3D打印模型在髋关节翻修的应用现状与展望

林鑫欣 张其标

( 贵港市人民医院 ， 广西 贵港 537100 )

人工髋关节翻修术技术复杂，其中，原假体取出、感染的防治、骨缺损的处理及新假体的选择与准确植入等，均是关节外科医师所急需解决的临床难题。由于不同患者的髋臼骨缺损有其自身特异性，解剖形态复杂、内植物及重建方法多样，依据传统的经验、目测方法施行THA翻修手术，精确度低，手术时间长，很难达到理想的手术效果。计算机导航系统辅助THA较传统THA具有一定的优势，表现在骨量丢失情况、骨质缺损修补满意、假体植入精确等方面，但前者的学习曲线长、设备昂贵、操作技术要求高，因此只能在某些大型医院开展，限制了其推广使用。近年来，随着3D打印技术的迅猛发展，数字医学3D打印病灶模型、手术导板和个性化内植物已被证明在创伤、脊柱及手外科的运用取得了巨大的成功，而在人工关节方面，特别是人工髋关节翻修中，个体化3D打印模型的出现为解决上述诸多问题提供了可能性，其优势尤为明显。术前通过3D打印模型可以全面直观地了解原假体位置、与骨质结合及周围骨量缺损等情况，估计术中可能出现的突发情况以及避免相关风险的问题，顺利进行各种解剖学测量，为精确手术方案的制定提供依据，有效保障髋关节翻修手术的安全、有效地开展。我们于PubMed、Springer Link、中国知网、万方医学网及维普网中，以“髋关节翻修术”、“CAOS”、“快速成型技术”、“3D打印模型”和“个体化假体”为关键词，检索文献48篇，以髋关节翻修3D打印模型为中心筛选文献26篇进行分析和总结，对3D打印模型在髋关节翻修术的应用现状及展望综述如下。

1 传统的人工髋关节翻修手术：以往的髋关节翻修手术中，常常利用二维影像胶片进行术前评估、测量，但未能充分兼顾三维解剖结构的特点，以及受胶片测量放大率不一的影响，对于骨质缺损多，大量增生的骨痂，使得旋转中心缺乏参照物，术者依据经验、目测难以准确估算缺损范围、骨量丢失情况，亦无法保证旋转中心定位的准确性。同时，存在大范围的骨缺损，仅靠传统的植骨打压技术，难以完成缺损的理想修复。而对于人工髋关节感染行1期手术时，常常是医生直接将由手工捏制的骨水泥作为临时占位器，缺乏个性化，由于该占位器尺寸与髋臼的匹配度低，和假体头面的不平整，易与髋臼产生磨擦，导致患者术后疼痛异常，严重影响患者术后恢复。传统方式进行选择、植入翻修假体时也存在明显的局限性。如存在严重骨缺损时，普通X线片与 CT 扫描都无法直观地反映宿主骨与cage接触的部位、面积以及能否为cage提供理想支撑等关系；当存在严重的髋臼骨溶解时，复杂的解剖结构将明显会影响医生的判断螺钉和固定钩对cage 的初期稳定性，同时cage的位置、外展前倾角度的控制变得更加困难。因此，对于此类髋关节翻修手术，利用传统方法，手术难度极大，风险较高，患者的功能恢复难以得到保障。

2 计算机导航辅助髋关节翻修术：计算机辅助骨科手术是近年来得到迅猛发展，将成为未来骨科手术的标准方案[1]。而CAOS也逐渐开始运用于人工髋关节置换术。它通过体表定位软件系统建立一个个性化的骨盆和股骨三维模型，进行假体安装的模拟、预演，可选择最理想的假体，并由系统虚拟出髋臼和股骨假体的最佳位置，按理想的植入深度和个性化前倾角、外展角等角度，进行假体的精确、安全地安装。因此，术者可在非直视状态下，精确完成器械在骨结构上的截骨、锉磨和假体植入等，提高手术的精度和准确性。但利用计算机导航进行髋关节翻修的研究很少。黄春霞等[2]利用CAOS配合髋关节翻修术，结果发现手术准确性明显得到提高，减少凭自身目测及经验所导致的错误可能，减少了翻修手术因假体置入位置不良而产生的潜在风险，手术时间更短、出血量少，平均住院日缩短。但目前CAOS辅助髋关节翻修术国内外极少开展，仍处于临床探索阶段[3]，缺乏大量的临床应用研究与随访，且学习曲线长、设备昂贵、操作技术要求高，因此只能在某些大型医院开展，限制了其推广使用。

3 3D打印模型辅助人工髋关节翻修术的现状：随着数字医学3D打印技术的兴起及在医学领域的应用，将3D打印模型应用于髋关节翻修手术治疗中，取得了满意的效果。目前，3D打印模型应用于髋关节翻修术主要体现于3D打印的骨盆、患侧髋关节、股骨假体段模型，以及临时占位器模型与金属植入物模型等，而此类模型能够用于医患沟通、疾病诊断与评估，同时让术者术前就可全面了解原假体、骨质缺损、骨量丢失的情况，制定个性化的手术方案、预演以及金属假体，精确指导翻修手术的顺利进行，最大限度地促进患者的功能恢复。因而，3D打印模型具有实现髋关节翻修术前个体化设计、手术模拟预演、缩短术中时间及降低手术风险率等优点，方法可行有效，效果良好。

3.1 3D打印骨盆、髋关节及股骨侧假体段模型：该类3D打印模型可用于病情沟通，帮助术者更直观、全面地评估患者的假体位置、骨缺损范围及骨丢失情况，进行术前预演，精确指导实际手术的开展。髋关节翻修手术是关节外科难度较大的手术，既往常常利用二维影像资料进行粗略估测，制定手术方案，术中依据实际情况取出原假体、处理骨质缺损及选择相应的假体，传统的方式无法准确预测术中突发情况，导致手术缺乏个性化，安全准确性低。翻修术中髋臼骨缺损的定位与定量难度大，利用数字化设计进行术前评估可有效降低髋臼重建的风险。王德春等[4]通过在Mimics中建立病人患侧的虚拟髋关节三维模型，准确测量假体解剖学数据，评估假体松动、骨质破碎情况，对髋臼骨质缺损范围进行定位、定量及AAOS分类，同时通过模拟翻修，设计植骨范围，优化了翻修方案及方式，减少并发症，降低手术风险。Benum等[5]通过术前在3D打印的患者股骨模型上进行手术的模拟、预演，降低了术中植入股骨柄时导致骨折发生的可能性，也降低了相关手术并发症。何勇等[6]采用该技术的模型组与传统组THAⅡ期翻修术病例各14髋进行对照研究，结果表明个性化的3D患髋、股骨模型能够提高骨缺损评估的准确性，指导翻修假体的选择、植入，明显缩短了手术时间，髋关节功能获得较大改善。余先等[7]对1例THA翻修术后股骨假体柄中段断裂的患者行患侧股骨中上段的 3D打印，结果表明，该3D打印模型能够提高术者对假体柄与骨质结合、周围骨量情况的理解，且术前测量参数有助于医师更清晰了解不同患者的特异性解剖结构，提高翻修手术方案精确度，减少手术时间、风险及并发症。患者病灶个性化 3D 打印模型弥补了平片、CT(伪影)等无法全面了解假体周围骨质、骨量及血管情况的不足，使得病情分析更透彻，还可以精确评估骨质缺损情况，计算骨量丢失情况，进行个性化手术方案制定与手术预演，对术中可能出现的突发情况提前预知，指导合理选择假体与精确植入，从而减少组织的过度剥离与术中出血，减少假体调试次数，节省手术时间，提高翻修手术治愈率，是保证手术成功的关键。

3.2 3D打印临时假体或其制作导板：人工髋关节置换术后感染是THA严重的术后并发症[8]，直接导致置换手术失败，最终需行翻修手术，而Ⅱ期翻修则是目前治疗THA后感染最行之有效的方法[9]。研究表明[10]，感染假体取出后的关节旷置易导致关节囊的挛缩，而植入占位器可有效预防此种情况[11,12]，但假体去除之后临时间隔器的制作在国内外尚无统一的标准及制作方法。孙海滨等[13]研究了6 例THA术后感染的患者，通过患侧人工髋关节3D打印模型制作临时间隔器模具，指导术中个性化抗生素骨水泥临时间隔器的制作，结果表明该模具具备有更符合患者解剖特点，缩短手术时间，利于Ⅱ期翻修及术后关节功能恢复。何勇等[14]将3D打印模具组与传统组THA1期翻修术病例各8髋进行对照研究，模具组应用3D 打印spacer模具制造个体化含万古霉素的骨水泥假体,彻底清创后,置入含万古霉素的骨水泥假体，结果显示模具组控制感染、翻修效果良好,与对照组比较, 明显缩短手术时间,髋关节Harris 评分明显高于术前及对照组,疗效满意。3D 打印spacer模具可对含抗生素骨水泥假体进行个体化的制作，使用方便，大大缩短手术时间，同时也解决了传统手工捏制误差及金属模具制作的spacer型号与患者解剖结构不匹配，以及link 感染治疗型占位器昂贵等问题。该模具制作的spacer具有个性化，更符合局部骨关节解剖学特征，置人后可对维持关节适当的间隙及张力起重要作用，可为2期翻修创造良好的条件，而直接利用3D打印技术打印得到的个性化spacer或是今后的主要研究方向。

3.3 植入物的模型：传统的THA翻修过程中，往往根据术中意外出现的具体情况进行假体取出、骨缺损处理及假体的反复选择与植入调试，但相对于初次THA，人工全髋关节翻修难度明显更大，容易会出现术前无法预测的状况，因此，翻修过程中与翻修后不确定因素增多，并发症出现可能性极高。3D打印的患者个性化的骨骼实体模型与金属臼杯或股骨侧金属假体模型，除了能够进行原髋臼或股骨侧假体、周围骨质缺损及骨量丢失情况的全面评估外，还能利用金属假体模型制定个性化的手术方案，进行术前的反复模拟演练，提前预知术中可能出现的各种情况，从而及时制定相关应急方案，促进手术顺利进行。李慧武等[15]利用 3D打印定制个性化的cage，术前通过模拟cage 安放，大致确定螺钉固定位置，结果表明术前的模拟手术有助于cage位置与角度的调整，提高cage放置的准确性。在进行THA复杂髋臼骨质缺损翻修时，3D打印的假体模型可反馈影像资料无法提供的关键信息，指导假体的选择和翻修手术的实施，进而改善手术效果，降低翻修手术失败率。通过术前的反复预演，模拟原假体取出、修补骨质缺损区域以及更加直观地进行假体安装，以对术中可能出现的突发情况做到心中有数，尽可能降低翻修的难度系数，减少翻修及翻修过程的并发症，减少手术时间，使得翻修安全、有效进行。

4 展望：近年来，个性化的数字医学3D打印模型已被普遍应用于术前沟通与诊断、模拟手术、术中精确手术(个体化导航、植入物)、组织工程及生物材料等方面。在髋关节翻修术方面，3D打印模型实现了术前个体化设计、手术模拟预演及指导翻修术的精确、安全进行，具有个性化治疗、缩短术中时间及降低手术风险等优点，方法可行有效，效果良好，极其值得继续推广。但目前所运用的3D打印模型多数只有质硬的骨骼模型，期待未来的3D打印技术向软组织重建方向发展，制作出包含周围软组织的完整模型，能够高度模拟人体器官形态、质地及生物力学功能，使得模型更加逼真、生动。同时，希望能够研发更多的打印材料，打印出更加适合植入人体的假体，如带有骨膜和血供的骨组织等，形成真正意义上的“生物型人体化人工关节”[16]。随着信息新技术及材料学的发展，根据骨质缺损情况，通过模块化的适配系统[17-18]、3D打印的个性化植骨块及金属植入物[19,20]进行缺损区域的修补、翻修假体的选择、准确植入，真正达到髋关节翻修的个性化、精确化治疗，这或是将来的主要研究方向。