3D打印技术在DDH患者中重建髋臼旋转中心的最新进展

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(南华大学附属郴州市第一人民医院骨科一区，湖南 郴州 423000)

先天性髋关节发育不良(displasia dislocation of the hip,DDH)是指髋臼和股骨头失去正常的对位关系，“点圆”接触面积减少，从而出现生物力学异常。随着疾病的进展，尤其是出现股骨头缺血坏死时的治疗是非常棘手的，往往在疾病进展的晚期阶段需行人工全髋关节置换术(total hip arthroplasty，THA)。同时手术中对于髋臼重建和股骨侧的处理方案以及髋关节周围软组织平衡等因素依然制约着手术技术的发展[1]，特别是髋臼侧旋转中心的恢复对于手术的质量起着重要的作用。为了使术后髋臼假体能获得更好的骨性覆盖，术中臼杯位置的选择、臼杯骨性覆盖面积以及是否运用骨水泥或植骨成为髋臼旋转中心重建不可避免的问题。伴随着3D打印技术在骨科各个亚专科的蓬勃发展，使用该技术术前制作骨盆模型，进行骨缺损面积的测量、真臼位置的确立、个性化假体的设计、术前手术模拟和疾病诊断分型以及医患沟通都具有重要的实际意义。现将3D打印技术在DDH患者行全髋关节置换术中重建髋臼侧旋转中心的最新进展进行阐述。

1 3D打印技术的理念

3D打印技术将计算机虚拟设计(computer-aided design，CAD)、数控系统和新材料应用等现代高端技术一体化，设计三维虚拟模型，以离散或者堆积为原理，区别于传统的机械加工制造，将粉末状的金属或者塑料等新材料通过垂直方向和水平方向分层的形式来进行制造，被定义为增材制造(additive manufacturing，AM)或者快速成型技术(Rapid Prototyping，RP)。通过计算机的辅助模拟以及数控技术可将传统的医学影像资料(CT、MRI)进行建模，制作出精度高的立体物理模型。随着技术的不断发展，选择性激光烧结(selective laser sintering，SLS)、熔融沉积成型(fused deposition modeling，FDM)以及立体喷射快速成型(three-di-mension injection molding，TDIM)等技术使3D打印技术在临床上的应用更加广泛[2]。由于新材料的不断发现，使得传统的工业材料(金属、陶瓷、塑料)逐步向凝胶以及生物材料发展，都能满足3D打印的需要。通过材料的不断叠加，按照断层面模型不断生成相对应的液体层、粉末层或者薄层，形成最终的实物模型。按照添加的材料不同，利用该技术可以制作出任何复杂形状或者几何特征的物理模型，同时能为特定形状的材料提供最佳的强度和特性[3]。

目前，3D 打印技术在髋关节置换的手术中能指导术中假体型号的选择，选择假体的植入位置以及通过立体模型进行术前手术演练，在减少手术时间和简化手术流程等方面已有众多研究报道。3D 打印技术在组织、软骨等领域应用广泛，制作的骨组织生物材料在临床用于对骨折的修复及促进软组织的生长。国内目前已有首台能够直接制作出人类相关活性细胞的生物3D打印机的相关报道[4]。运用3D生物打印技术可直接以生物相容性材料为基础，依据细胞组织结构特征进行分层打印，可以实现将成型的器官和组织直接植入体内。目前，3D打印技术受限于材料学和制造技术的发展，制作的各种模型和内植物暂未达到人们预期的标准阶段，因此，在临床上的推广还处于初级阶段，但临床上广泛的应用前景与社会发展要求的“工业4.0”方向趋近，其应用前景值得探索。

2 髋臼旋转中心的位置

DDH患者的手术目的是恢复髋关节的生物力学传导结构，要求确保任何异型增生得到充分矫正并避免并发症的发生以及改善患者的生活质量和减少翻修率。髋关节脱位后，髋臼壁缺乏有效的应力刺激，使髋臼的深度及形态发育异常，尤其是前壁发育受阻。髋关节脱位的程度越高，髋臼轴线与冠状面之间的夹角越大，表明在高度脱位的情况下，髋臼的结构更复杂[5]。在许多情况下，发育不良的髋关节不能为植入原始髋臼的臼杯提供足够的骨性支持，从而产生各种并发症。尽管存在解剖学上的变异，但解剖和力学结构要求植入的髋臼需在真臼的位置。这个植入部位减少了施加在髋关节上的反作用力，从而降低了术后假体的松动率。随着髋臼畸形变异逐渐加大，失去正常对位的股骨头会缓慢适应假臼的位置，假臼与真臼之间可以相互融合，甚至往上分离，形成“假关节”。然而“真臼”是周围骨量最为富集的位置[6]。翟吉良等[7]运用自体股骨头在真臼处重建旋转中心技术对34例DDH患者行THA，术后随访时间达30个月以上，假体生存率达100%。植入的臼杯应该安置于真臼的位置，最大程度恢复肢体的长度，有助于增强外展肌的功能、延长术后假体的使用时间，以及减少内村磨损率和翻修率。选择旋转中心完全符合真臼位置并不是现阶段的标准，尽管目前国内外多数研究建议在真臼位置重建旋转中心，但通过髋臼的内移或者上移可以减少过多植骨覆盖，因此需要进一步研究。Nawabi等[8]将23例CroweⅡ、Ⅲ 型髋臼旋转中心上移至真臼上缘，能增加臼杯的骨覆盖率，平均随访时间为12年，与在解剖中心髋臼重建相对比，聚乙烯磨损率无显著差别。髋臼上移重建的优势在于操作简便、软组织损伤轻，但术后翻修难度增高。张进等[9]对37例DDH合并髋关节骨性关节炎患者进行髋臼原位重建与高位重建的回顾性分析对比，长达41个月以上的随访，末次髋关节随访两者髋关节Harris评分无明显差别。由此可知不同的患者需个体化的手术设计，运用3D打印技术的精确性和个体化特征设计的模型可以提升手术的质量，例如：(1)测量明确真臼的位置，直视下观察臼缘骨赘方便术中处理，避免术后髋臼撞击综合征；(2)评估髋臼周围骨量，精准选择臼杯最适植入位置；(3)术前模拟髋臼磨锉的位置、角度和深度，减少经验性的误差以及术中因体位改变而引起的外展角与前倾角的变化 ；(4)个体化导航模板制作。Zhang等[10]将22例DDH患者按照是否使用3D打印技术制作导航模板辅助髋臼植入分成传统手术组(11)例和导航模板组(11)例，预设植入臼杯的外展角45°，前倾角18°，随访时间1年以上，导航组植入角度变异小于传统手术组，植入髋臼假体的位置更加精确。Won等[11]通过制作3D打印模型对21例DDH患者行THA，术中植入髋臼与术前模型设计测量相差<2 mm约占80.9%，复查X线提示臼杯稳定性较好，无周围骨溶解征相。因此，利用3D打印技术能够使髋臼旋转中心位置的确定更加精确，有利于髋臼假体植入的稳定性，改善髋关节功能，减少翻修率，通过模型制作能提升手术精准度，方便医患之间对于疾病诊治的沟通。

3 髋臼个体化设计以及骨缺损修复

DDH患者髋臼侧常常伴有严重的病理改变，髋臼的顶壁及前壁多有骨质缺损，髋臼作为股骨与骨盆之间力学的传导体，骨缺损处将导致力学传导的改变。在骨缺损植骨技术上，最常用有结构性植骨以及颗粒打压植骨。Ermis等[12]研究发现THA中髋臼假体骨覆盖不全处进行结构性植骨能明显改善髋关节功能，但随访时发现存在术后假体松动和移植骨吸收塌陷等现象。Bush等[13]对62例(74髋)髋臼结构性植骨使用骨水泥臼杯患者长达10年以上随访，假体使用率达98%，而且骨水泥型臼杯与非骨水泥型臼杯无明显统计学差异。研究还发现年轻患者植入非骨水泥型假体具有更大的优势。由于后期在臼杯翻修时对髋臼周围骨量储备要求较高，临床实际应用中初次置换时可钳取股骨头中的松质骨与髋臼打磨出的骨泥相融合，并采用打压植骨技术修补臼缘缺损处，使臼杯能被充分的骨性覆盖。赵中原等[14]运用颗粒打压植骨技术结合骨水泥型聚乙烯臼杯治疗DDH患者发现，合适大小的颗粒骨打压植骨能使宿主骨更好地与移植骨相融合，增强了假体的初始稳定性，髋关节Harris评分较术前提升较高，近期效果值得肯定，其中远期效果值得探讨。吴天昊等[15]使用自体颗粒骨结合骨泥打压植骨治疗40 例(45 髋)DDH患者，平均随访时间32.7个月，能加强髋臼骨性包裹，增强臼杯早期稳定性并恢复周围骨量，短期疗效满意。但是当臼杯支撑的力学结构中存在1个部位的完全骨缺损时，仅颗粒打压植骨难以维持髋臼假体的力学传导，可运用结构性植骨技术[16]。目前临床上使用的髋臼假体多为标准化设计而成，然而术中手术方式的选择常因植入假体的特性而改变，因此根据患者的疾病特征制定个体化的假体和骨缺损修复方式，能稳定的重建髋臼旋转中心将是未来的发展趋势。随着新型材料的发现和临床应用研究随访，个体化的3D打印技术逐步获得临床医生认可。付君等[17]运用个性化3D打印多孔钛合金加强块在动物模型上进行髋臼骨缺损重建的基础研究，结论表明3D打印的加强块在骨组织相容性和维持生物力学等方面具有较大优势。程文俊等[18]采用3D打印技术制作的钛合金骨小梁金属(titanium trabecular metal，TTM)臼杯在THA中与经典Pinnacle臼杯相对比，发现3D打印定制臼杯表面摩擦系数更大，孔隙率和孔径大小更适合早期骨长入，术后髋关节Harris评分对比无差异。Perticarini 等[19]使用3D打印钛金属臼杯对134例行全髋关节置换术，有效随访达72个月以上，复查X提示99.3%的臼杯无松动，周围无骨质溶解征相。对于晚期行全髋关节置换术的DDH患者，将会使翻修率上升，其解剖变异更大，骨缺损面积更大，极大地提升了手术的难度。标准化设计的髋臼假体无法满足大面积的骨缺损修复，容易导致手术的失败。利用3D打印技术制作骨盆模型，定量测量髋臼缺损的面积，结合力学分析设计个性化的髋臼假体进行术前手术模拟，评估其是否满足手术治疗标准。Li等[20]使用3D打印定制化的髋臼假体对25例髋关节复杂骨缺损患者行THA治疗，随访时间达52个月，复查X线片中未发现明显假体松动征像。利用3D 打印技术进行病变模型制作、个体化植入物的设计，可以依据患者疾病的特征，制作符合生物相容性和力学结构的个体化骨缺损修复材料或者定制化的髋臼假体，在已有标准化的假体设计中增加了个性化的特征，使临床实际应用中可选择性增加。同时有助于疾病的诊断与分型，医患之间直观的沟通治疗方案，术前植入物的术中预演，简化手术流程等方面的发展。

4 问题与不足

目前3D打印技术已在DDH患者对于疾病的诊断分型以及手术规划起着重要的作用，较传统的CT三维影像有着无可比拟的优势，但随着应用的广泛深入，其潜在的不足之处也越发明显。其不足之处在于：(1)制作周期长，从CT、MRI等影像学资料到模型三维重建，数据整合，模型制作需要临床医生与各部门协调合作，从而无法在急诊患者中使用；(2)材料与精度要求严苛，需要专业的人员培训；(3)虽然3D打印技术在相关领域普遍使用，但临床上由于涉及相关医学伦理且尚无明确的法规审批，其制作成本较高，在当今紧张的医患环境下，限制了其在临床上的普及率。

5 展 望

3D打印技术在关节领域的应用，符合目前要求的个体化、精准化、微创化的发展理念。为复杂手术提供了术中手术模拟的机会，使手术更加标准化和精准化，为内植物的植入以重建解刨结构和功能完整性更加个体化，实现了患者与医生之间的双赢。

现阶段3D 打印技术在术前规划，部分个体化假体制造等方面已逐渐开始普及，随着数字医学及材料学的发展，利用3D 打印技术直接创造出有组织相容性的骨骼、血管、肌腱等，做到真正的实物打印，以获取更高的临床实用性。