在髋关节翻修术中应用3D打印个性化生物型臼杯的疗效分析

陈宏亮 郭开今 陈向阳 段钢

人工关节置换作为治疗终末期关节病损的有效手段，已被越来越多的患者接受。随着人工髋关节置换术数量的增加，因臼杯无菌性松动伴髋臼骨缺损而需要翻修的病例数亦日趋增加。髋臼侧骨缺损的处理方法很多，通常可采用颗粒植骨结合钛网重建、结构植骨、Cup-Cage技术、Jumbo髋臼杯、金属垫块重建定制等方法来重建[1-3]；而当髋臼严重骨缺损时，上述方法仍然存在植骨量大、力学欠佳、手术创伤大、卧床时间长等不足[4]。3D 打印技术是综合数字影像技术、材料建模技术的前沿科技，可以对复杂结构模件进行快速一体化成型，已经被逐渐应用于骨科临床[5]。3D打印个性化生物型臼杯技术相对于以上翻修方法而言，可以更直接的获得初始匹配和稳定性，手术操作相对简单；假体-骨界面的接触面积大并且相符，有利于骨长入、恢复髋臼的旋转中心[6]。有报道应用3D打印个性化髋臼笼重建伴有严重骨缺损的全髋关节翻修术，随访发现髋关节Harris评分明显改善[7]。本研究基于3D打印技术制作个性化生物型臼杯为PaproskyII 型及Paprosky IIIA 型髋臼骨缺损患者进行了人工髋关节翻修，取得良好效果。

资料与方法

一、资料

1.髋臼假体松动的影像学评估方法和病例的纳入标准和排除标准：(1) 影像学评估：包括术后和末次随访时的髋关节正位X线片及三维CT检测。满足以下任一标准的考虑为臼杯松动：①臼杯在 X 线片上显示水平或垂直方向移位≥2 mm；②旋转移位合并螺钉断裂；③虽无移位，但各区 X 线片透亮带>1 mm；④髋臼杯旋转>5°。(2)病例纳入标准：①髋关节置换术后患者；②术前及术后临床资料和影像学资料完整；③术后首次翻修的患者。(3)病例排除标准：①因感染导致臼杯松动的患者；②非首次翻修的患者。

2.病例来源：2016年1月至2017 年7月于徐州医科大学附属医院骨科因髋臼杯松动入院的21例患者，其中男9例，女12例，年龄为68～85(76.3±8.1)岁。所有手术均为初次单侧翻修，两次手术间隔3～21(10.3±1.1)年。

二、方法

1.获得手术髋关节CT图像资料：术前对手术髋关节进行三维CT扫描(Philips iCT256)，扫描技术参数设计为：层厚1.0 mm，层间距1.0 mm，螺距0.938，球管电压120 kV，电流280 mA，窗宽2000HU，窗位350HU。

2．建立髋臼假体的三维构型：将获得的术前预手术髋关节CT图像资料导入Mimics15.01软件后，在Geomagic Studio 2013软件中，对CT扫描的原始数据进行优化处理，将髋臼部进行逐层分割。先选择合适的阈值范围灰度分割提取髋臼边界轮廓信息区，而后以区域增长的方式分割出髋臼具体结构数据。最后采用系统默认的方式互补地进行臼杯假体的三维重建设计，得到最优化、最匹配的臼杯假体三维重建构型，以“STL”格式进行储存、备用。此格式为三维文件的一种通用格式，可以被导入到目前世界上多种主流三维设计软件(图1，2)[8]。

3．个性化髋臼假体的制作：将使用3D打印技术软件设计出的髋臼臼杯假体三维结构数据，以“STL”格式输入金属3D打印机(SIMULIA，法国)。以金属钛合金粉末材料，使用逆向生成原理和快速成型技术打印出个性化臼杯假体，具有与手术髋臼局部解剖结构高度匹配的特点(3D打印个性化生物型臼杯由LINK公司提供)(图3～5)[9]。

4.手术：患者侧卧位，采用髋关节后外侧入路，切除髋关节周围增生之瘢痕组织。显露髋关节假体，并充分显露髋臼缘。利用“苹果刀”等翻修工具取出原置入之髋臼假体，彻底清除瘢痕、界膜及骨水泥。用小号髋臼锉开始逐步打磨骨质至表面渗血，确认骨缺损分型。在磨矬小至中度囊样或节段性骨缺损，置入相匹配的3D打印个性化生物型臼杯，松质用骨2～3枚螺钉固定。

5.术后处理：术后常规抗菌药物应用，低分子肝素钙抗凝。术后第1天拍摄术后床边X线片(图6)。在床上行患髋屈曲、外展、伸膝和直腿抬高锻炼结合股骨侧假体稳定性决定下床时间。髋臼侧与股骨侧假体均稳定者，术后3 d下床拄助行器锻炼，6～8周扶双拐、单拐下地行走，12周弃拐行走。不能达到即时稳定者，术后6周助行器辅助患肢不完全负重下床锻炼，12周始完全负重锻炼。

结 果

本研究中21例均采用3D打印个性化生物型臼杯进行髋臼侧翻修。初次关节置换髋臼侧骨水泥固定9例(42.9%)，生物型固定11例(52.4%)，人工股骨头置换1例(4.7%)。髋臼侧行翻修术的原因：无菌性松动(骨溶解)19例(90.5%)，外伤1例(4.7%)，髋臼假体位置不良致髋关节习惯性脱位1例(4.7%)。本组髋臼骨缺损按 Paprosky分型法有：ⅡA 型8例(38.1%)，ⅡB 型5例(23.8%)，ⅡC 型6例(28.6%)，ⅢA 型2例(9.5%)。

本组21例随访23～27(24.3±0.5)个月，患者髋关节疼痛缓解，活动及行走功能明显改善。患者的Harris 髋关节评分：术前为(41.5±9.6)分，术后6个月(82.3±5.0)分(P<0.01)；术后12个月(86.9±5.6)分(P<0.01)；术后24个月(87.7±5.0)分(P<0.01)。VAS评分：术前为(4.06±1.23)分，术后 6 个月(0.72±0.89)分(P<0.01)；术后12个月(0.69±0.55)分(P<0.01)；术后24个月(0.51±0.77)分(P<0.01)。X线片显示移植骨与宿主骨交界处有连续性骨小梁通过，患者下地行走步态良好。本组1例术后第12天出现下肢近端深静脉血栓，后转本院介入科治愈；出现小腿肌间静脉微小血栓2例，经皮下注射低分子肝素钙后肢体肿胀消失；未出现髋臼骨折、假体脱位、感染、坐骨神经损伤及、肺栓塞等并发症。

图1 将获得的术前预手术髋关节CT图像资料导入Mimics15.01软件 图2 采用系统默认的方式互补地进行臼杯假体的三维重建设计，得到最优化、最匹配的臼杯假体三维重建构型，以“STL”格式进行储存、备用 图3 将使用3D打印技术软件设计出的髋臼臼杯假体三维结构数据，以“STL”格式输入金属3D打印机 图4，5 使用逆向生成原理和快速成型技术打印出个性化臼杯假体。使用逆向生成原理和快速成型技术打印出个性化臼杯假体，具有与手术髋臼局部解剖结构高度匹配的特点 图6 术后第1天拍摄术后床边X线片

表1 髋臼返修患者术前、术后VAS和Harris评分的比较

讨 论

髋关节翻修术较初次髋关节置换面临更多的困难，尤其是髋臼侧和股骨侧的骨缺损术中给术者提出了挑战。髋臼重建的目标是恢复髋关节旋转中心，恢复髋臼完整性和连续性，恢复髋臼骨量，获得假体初始牢固固定，建立正常髋关节生物力学结构，改善髋关节功能[11]。目前，临床发现利用骨水泥臼杯翻修往往不能对合并的骨缺损进行恰当的重建，难以在缺损严重的髋臼骨质中通过骨长入获得稳定，是疗效不佳的根本原因，因此髋臼骨缺损的修复是重建髋部解剖结构保证髋臼假体稳定及翻修手术成败的关键[12-13]。

髋臼骨缺损的分类方法很多，常见的有Paprosky分型、AAOS分型、Seleh分型、Gross分型、Tanzer分型以及Boscainos分型等。以上分类方法各有优缺点，其可靠性和有效性，至今尚未获逐一评估[14-15]。Paprosky分型主要依据骨缺损的严重程度，以及依据残留髋臼所能提供给半球状生物学固定臼杯获得初始稳定的条件予以判断；而臼杯假体试模置入髋臼后，获得残留髋臼的覆盖度和稳定程度是术中判断的依据[16]。Paprosky分型较其他几种分型更能精确的反映骨缺损的部位和严重程度，对术中术者选择正确的手术方案能够提供更大的帮助；且Paprosky分型术中所见的符合率远较其他几种为高，故本研究中采用Paprosky分型。

本探讨研究主要PaproskyII型及PaproskyIIIA型骨缺损的手术治疗，改变以往凭借经验从术中取出髋臼假体后选择通用型号中合适尺寸的髋臼假体，而是根据CT扫面，获取影像学数据，重新评估髋臼侧骨缺损实际Paprosky分型，根据缺损的实际情况使用3D打印技术在骨科领域的最新发展，设计制作出符合手术髋臼的个性化臼杯假体，代替以往的骨水泥型臼杯假体或髋臼钛网加植骨技术，进行术中一对一个性化匹配安装。结果显示，使用3D打印个性化臼杯假体进行翻修手术具有以下优点：(1)实现了手术部位的个性化假体替换，使髋臼假体得到精确地安放，获得即时稳固，使得髋臼骨缺损得到精细化及个性化的完美重建，避免术中另外取骨，或者植入异体骨组织，减少手术创伤、及术后骨不愈合情况，达到快速恢复髋关节结构和功能作用；(2)通过术前精心设计和个体化定制的髋关节假体，提前使用制定的个性化3D打印模具进行手术预评估和模拟演练，可以使手术操作更熟练，患者术后可以早期功能锻炼，减少围手术期并发症发生概率。

3D打印技术制作个体化髋臼臼杯假体是现代数字化技术、3D金属打印技术和骨科临床相结合的产物，能根据每一位患者的具体需求进行个体化设计和制作，符合患者的不同需要，具有常规批量生产假体所不能比拟的优点[17-18]。在精准医疗的时代要求下，此种技术在个性化人工关节置换及翻修手术治疗中值得进一步推广与发展。