3D打印模板导航技术在髋关节置换手术中的应用

蔡鹏飞 赵巍 魏强

（金华市中心医院骨科 浙江 金华 321000）

髋关节置换作为晚期关节病变的改善性手术，其临床应用已超过30多年，疗效得到充分肯定，手术量也曾逐年增长之势。然而我们知道关节置换术中安装入人体的假体有一定的使用寿命，到时患者需再次接受手术进行假体的翻修，而翻修手术相比于初次置换手术，手术难度与手术创伤将大大增加，并且随着患者年龄的进一步增长，手术风险也大大提高。所以如何提高安装假体的生存寿命一直是骨科界的热点与难点。

某些研究已经证明，髋关节置换手术中，安装假体的位置偏差会增加假体受到的冲击力，加速假体周围的骨溶解与迁移，改变了人体的生物力学稳定性，最终导致假体失效[1]。所以髋关节置换手术中假体安装的精准定位显得尤为重要，特别是对于一些年轻的患者（年龄小于等于50岁），因为他们的活动量更高，且预期寿命更长[2]。临床上常规采用胶片模板法或数字化测量法预测髋臼假体的大小及位置，并判断骨缺损程度[3-5]。术中再根据手术医生的经验，对髋臼旋转中心、联合前倾角、偏心距等进行肉眼评估，无法做到精准测量。且上述两种术前定位方法都建立在二维图像的基础上，再由于x线片放大率、投照体位等因素的影响，其准确性不高，尤其对髋臼发育不良患者[6-8]。术前数字化测量法预测患者的臼杯型号，其准确率仅为5%。近年来的研究证实，通过计算机三维技术预测骨科内植物大小和位置的准确性和可行性较高[9-10]。但是仅有准确的测量还不够，接下来面对的是如何将测量得出的准确数据转化为模板应用于手术之中。3D打印技术的出现很好地解决了这一难题，术前制作导航模板，利用模板进行术中定位，提高手术精准度，减少了假体位置偏差，从而延长了假体的生存寿命。

1.资料与方法

1.1 一般资料

选择2018年1月—2019年1月我院收治的40例股骨颈骨折及股骨头坏死患者。纳入标准：综合临床表现、查体分析及X线、CT等影像学检查结果确诊者。排除标准：（1）合并其他部位骨折或严重外伤患者；（2）CroweⅡ型以上髋臼发育不良或骨盆发育畸形患者；（3）体位或其他部位发育畸形等原因导致无法拍摄标准双髋正位X线患者。

随机将患者分成两组，每组20例。对照组男13例，女7例；年龄65～82岁，平均年龄（75.86±5.24）岁；左髋11例，右髋9例。观察组男12例，女8例；年龄63～88岁，平均年龄（71.59±6.41）岁；左髋8例，右髋12例。经分析，两组患者性别、年龄、患侧等基础资料比较，差异无显著性（P＞0.05）。本研究已经医院伦理委员会批准，患者及其家属知情同意。

1.2 方法

1.2.1 数字模型建立 患者均采取仰卧位，西门子64排双螺旋CT行全骨盆薄层扫描，获取骨盆二位图像数据，将数据导入Mimics医学图像处理软件，去除多余软组织，得到清晰的骨盆三维模型（图1）。

图1 骨盆三维模型及设计导板

1.2.2 制作导航模板 通过提取患侧髋臼的表面解剖形态数据，设计出与患侧真臼解剖学形态相匹配的导航模板，模板以髋臼卵圆窝作为锚定点，中心设计标准柱及导向柱，导向柱设计角度为外展40°（外展角度为投影在双髋X线上的二维角度），导向柱可围绕标准柱旋转以寻找与髋臼横韧带垂直的前倾角度，并设多个与导向柱相平行的平行导向柱。将设计的导向模板数据导入Magics快速成型数据处理软件，以此数据由Shining3D isla650打印机制作导航模板（图2），将制得的模板封装，术前环氧乙烷消毒。

图2 术中用导航模板

1.2.3 手术方法 全身麻醉后，取标准侧卧体位，对照组行传统全髋关节置换，术中采用角度定位器，调至外展40°，前倾角度以髋臼横韧带为参考，以此参照打入髋臼假体。对照组使用导航模板，在髋臼显露清楚后，去除卵圆窝内多余软组织，将模板上的锚定装置与卵圆窝凹陷处相锚定，中心柱内打入克氏针固定可靠，旋转导向柱至与髋臼横韧带相垂直后于导向柱内打入克氏针固定可靠，寻找合适的平行导向柱，再次打入1枚克氏针，以此克氏针作为角度参考（图3），拆除导向器，以参考克氏针的方向打入髋臼假体。假体安装完毕后，检查髋关节活动度及稳定性。术后拍摄标准双髋正位X线，并测量外展角度（图4）。

图3 术中使用导航模板定位

图4 术后所测外展角度

1.3 观察指标

比较两组患者术后标准双髋正位X线下的髋臼外展角度，与设计角度间的偏差越小，手术精确度越高。

1.4 统计学方法

采用SPSS17.0对所有数据进行统计学分析处理，计量资料结果用均数±标准差（）表示，采用t检验；以P＜0.05为差异有显著性。

2.结果

术后经过标准双髋正位X线摄片，观察组测量得外展角度与设计外展角度（40°）的偏差为2.39°±1.47°，对照组测量得外展角度与设计外展角度（40°）的偏差为6.21°±3.27°，差异显著（P＜0.05），见表。

表 两组外展角偏差比较（，°）

表 两组外展角偏差比较（，°）

组别 观察组偏差 对照组偏差 t p与设计外展角偏差 2.39±1.47 6.21±3.27 -4.09 0.001**

3.讨论

全髋关节置换术可以说是上世纪最成功的手术，是成人股骨颈骨折及股骨头坏死的最有效治疗方法。全髋关节置换手术难点在于术中髋臼测的重建，髋臼重建的目标是恢复正常的髋臼旋转中心，合适的外展及前倾角，这正是判断髋臼假体是否稳定的决定因素。本研究通过计算机辅助及3D模板导航技术，希望将髋臼假体安装在一个合适的前倾角及外展角，使它的稳定性更可靠，从而延长假体的使用寿命。

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[11]。我们使用CAD对导航模板进行设计，用光敏树脂为原料在3D打印机中打印出模板。其制作速度快，成本低，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。而且3D打印可以对不同人群进行个体化分析建模，并打印出各自独立的手术导航模板，提高了手术精度，这是个体化治疗的体现。