3D打印技術(shù)指導(dǎo)成人髖發(fā)育不良全髖置換術(shù)中臼杯大小選擇的初步探索

陳杰 許燕飛 郭英 艾元亮 王濤 張俊 李皎 袁長(zhǎng)飛 李玉恒 蔣江麗

【摘 要】目的：探討3D-打印技術(shù)在成人髖發(fā)育不良全髖置換術(shù)中如何指導(dǎo)選擇臼杯大小的應(yīng)用價(jià)值。方法：選擇2014年6月至2017年12月間我院成人髖臼發(fā)育不良患者21例進(jìn)行全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)，男性5例5髖，女性16例16髖，按Crowe分型，Ⅱ型6例（6髖），Ⅲ型11例（11髖），Ⅳ型4例（4髖），年齡30～78歲，平均年齡55.3歲。所有患者術(shù)前行CT掃描并將二維原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入專用軟件進(jìn)行三維重建，利用軟件剖面分割技術(shù)充分觀察髖臼的特異形態(tài)，并將模型數(shù)據(jù)傳送至3D打印機(jī)打印出髖關(guān)節(jié)模型，提前確立旋轉(zhuǎn)中心、真臼位置等，從而擬定臼杯大小，在實(shí)體模型上進(jìn)行術(shù)前演練。術(shù)后對(duì)髖關(guān)節(jié)功能進(jìn)行Harris評(píng)分，對(duì)二維術(shù)前計(jì)劃及三維術(shù)前計(jì)劃所擬定的臼杯假體大小型號(hào)與實(shí)際置換中的假體型號(hào)吻合度進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果：21例患者均獲得3～36個(gè)月術(shù)后隨訪，平均隨訪12. 8月，術(shù)前為（46.2±5.3） 分，術(shù)后評(píng)分為（ 86.3±4.3） 分，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0. 05），優(yōu)17例，良4例。利用3D—打印技術(shù)擬定的臼杯大小數(shù)據(jù)中85%與實(shí)際置換中一致，其組內(nèi)相關(guān)系數(shù)為0.865，明顯較基于X射線平片所作的二維術(shù)前計(jì)劃準(zhǔn)確。結(jié)論：3D-打印技術(shù)指導(dǎo)成人髖發(fā)育不良全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中臼杯大小型號(hào)選擇具有較高的參考價(jià)值，同時(shí)可縮短手術(shù)時(shí)間，最大化地增加假體的穩(wěn)定性。

【關(guān)鍵詞】髖臼發(fā)育不良；全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)； 臼杯型號(hào)； 3D打印

【中圖分類號(hào)】R323.4+5

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

【文章編號(hào)】1005-0019（2018）08-010-01

成人先天性髖臼發(fā)育不良（DDH）是一種先天性的髖關(guān)節(jié)發(fā)育性疾病，致殘率較高，目前人工全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)是治療成人先天性髖發(fā)育不良的公認(rèn)方案 [1]。由于DDH患者股骨-髖臼發(fā)育異常，如髖臼缺損、變淺，臀中肌變形等解剖畸形，使得手術(shù)操作及假體選擇較為困難，臼杯選擇不當(dāng)在術(shù)后常會(huì)出現(xiàn)假體脫位、疼痛等并發(fā)癥，而合適的臼杯大小能獲得較好的力學(xué)穩(wěn)定性，更好的壓配及骨性覆蓋能減少并發(fā)癥的發(fā)生[2]，因此根據(jù)患者個(gè)體化的髖臼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選擇與骨盆相適的臼杯大小型號(hào)，制定出個(gè)性化的手術(shù)方案顯得尤為重要。

既往傳統(tǒng)的二維影像學(xué)資料對(duì)骨性結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的分析存在一定的局限性，使得術(shù)前計(jì)劃存在偏差[3]。近年來(lái)興起的3D-打印技術(shù)開(kāi)始被廣泛應(yīng)用到全髖關(guān)節(jié)置換的術(shù)前計(jì)劃中，3D-打印技術(shù)能準(zhǔn)確、直觀、立體的呈現(xiàn)出髖臼的特異性結(jié)構(gòu)，在此技術(shù)上所進(jìn)行的三維術(shù)前計(jì)劃為個(gè)性化臼杯假體大小型號(hào)的選擇提供了新的手段。

1 資料與方法

1.1 臨床資料 選取我院2014年6月至2017年12月間在我院明確診斷為成人發(fā)育性髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良且需進(jìn)行全髖關(guān)節(jié)置換患者21例，按Crowe分型，Ⅱ型6例（6髖），Ⅲ型11例（11髖），Ⅳ型4例（4髖），年齡30～78歲，平均年齡55.3歲。

選擇標(biāo)準(zhǔn)：①明確診斷為成人DDH并且Crowe 分型為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型的患者；②嚴(yán)格按髖關(guān)節(jié)置換適應(yīng)證入選；③患者對(duì)治療相關(guān)內(nèi)容均知情同意。④年齡在20歲以上，能夠耐受手術(shù)，均在我院成功實(shí)施初次人工THA；⑤手術(shù)均統(tǒng)一術(shù)者、術(shù)式操作。

排除條件： ①合并嚴(yán)重器質(zhì)性疾病、內(nèi)科基礎(chǔ)較差的患者；②風(fēng)濕、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎患者；③合并嚴(yán)重感染患者等。

1.2 方法

1.2.1 術(shù)前3D模型制作

①所有患者行螺旋CT掃描后均進(jìn)行模型運(yùn)算，分別獲得兩種3D模型，并以STL格式保存，按照一定的參數(shù)輸出至3D快速成形機(jī)，分別制作出與實(shí)體1∶1等大的全髖關(guān)節(jié)模型和不含股骨頭及股骨上段的髖關(guān)節(jié)模型。

②打印模型的效度驗(yàn)證：邀請(qǐng)關(guān)節(jié)外科組醫(yī)師進(jìn)行問(wèn)卷開(kāi)放性調(diào)查，對(duì)采用3D打印模型進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃的有用性、逼真度和真實(shí)感進(jìn)行評(píng)價(jià)；術(shù)者術(shù)后填寫(xiě)問(wèn)卷對(duì)3D打印模型的逼真性及假體吻合度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.2.2 兩組術(shù)前計(jì)劃

Ⅰ組：利用傳統(tǒng)的膠片模板法在患者正位骨盆X線片上進(jìn)行術(shù)前設(shè)計(jì)，預(yù)測(cè)臼杯假體型號(hào)大小，參照Ranawat標(biāo)準(zhǔn)安放髖臼假體。

Ⅱ組： ①在實(shí)體打印出的髖臼模型上，觀察髖臼發(fā)育的形態(tài)（CroweⅡⅣ型淺杯狀、CroweⅢ、Ⅳ型貝殼狀等），對(duì)健側(cè)及患側(cè)進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)髖臼的發(fā)育情況判斷出真臼位置；②觀察股骨近端股骨頭的畸形程度、頸干角大小及股骨位置上移的程度；③通過(guò)觀察髖臼骨質(zhì)缺損的程度及骨贅增生的程度，來(lái)評(píng)估髖臼后壁可磨削的范圍及是否需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)植骨；④測(cè)量髖臼后壁厚度、臼窩前后徑、股骨偏心距等數(shù)值，確定出髖臼旋轉(zhuǎn)中心，即假體安放的中心；⑤清除髖臼模型上的增生骨贅，進(jìn)行術(shù)前模擬設(shè)計(jì)，通過(guò)使用不同直徑的骨銼對(duì)髖臼進(jìn)行磨銼，從而擬定出所要植入真臼內(nèi)的臼杯型號(hào)大小，并模擬臼杯假體植入的過(guò)程，確保臼杯安放于真臼內(nèi)，并獲得最好的骨質(zhì)包容，達(dá)到最佳的初始穩(wěn)定性。

1.2.3 全髖關(guān)節(jié)置換術(shù) 取90°健側(cè)臥位，髖關(guān)節(jié)后外側(cè)切口，徹底松解患髖周圍軟組織，顯露出關(guān)節(jié)囊，取出股骨頭，顯露髖臼骨性結(jié)構(gòu)并明確髖臼發(fā)育不良類型和骨缺損程度，與術(shù)前三維數(shù)字重建圖像進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)術(shù)前計(jì)劃中的骨性標(biāo)志確定真臼位置、清除骨贅、磨銼髖臼、安放假體，評(píng)估髖臼對(duì)臼杯包容度及穩(wěn)定性，最后置放臼杯、股骨柄假體，必要時(shí)行粗隆下截骨，檢查髖關(guān)節(jié)活動(dòng)度及穩(wěn)定性。術(shù)畢常規(guī)抗感染、抗凝等對(duì)癥處理。

1.2.4 療效評(píng)價(jià) 評(píng)價(jià)指標(biāo)：（1）術(shù)后采用Harris評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)髖關(guān)節(jié)功能進(jìn)行評(píng)測(cè)，總分為100分，優(yōu)：>90分、良：8 0～90分、中：70～79分、差：<70分；（2） 評(píng)估二維及三維術(shù)前計(jì)劃所擬定臼杯假體型號(hào)與實(shí)際關(guān)節(jié)置換中臼杯型號(hào)吻合度。

1.2.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 使用SPSS14.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，采用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)（ICC）對(duì)二維髖關(guān)節(jié)置換術(shù)前計(jì)劃及三維髖關(guān)節(jié)置換術(shù)前計(jì)劃與實(shí)際置換中假體尺寸的吻合度進(jìn)行評(píng)估。對(duì)于關(guān)節(jié)置換前后關(guān)節(jié)功能改善Harris評(píng)分差異采用配對(duì)t檢驗(yàn)作分析，P < 0.05為差異有顯著性意義。

2 結(jié)果

2.1 隨訪形式 要求患者術(shù)后第3、6個(gè)月、1年，以后每年返院復(fù)查，本組21例患者均獲得3～36個(gè)月術(shù)后隨訪，平均隨訪12. 8月，隨訪率為88.5%，隨訪形式為來(lái)院復(fù)診及電話隨訪，隨訪記錄時(shí)間從術(shù)后第3個(gè)月開(kāi)始。

2.2 療效評(píng)定 術(shù)前Harris評(píng)分為（46.2 ±5.3） 分，隨訪時(shí)評(píng)分為（ 86.3 ± 4.3） 分，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0. 05） ，優(yōu)17例，良4例。說(shuō)明全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)明顯改善了髖關(guān)節(jié)的總體功能。

2.3 患者髖關(guān)節(jié)置換前計(jì)劃與實(shí)際臼杯假體吻合情況 計(jì)算機(jī)輔助髖關(guān)節(jié)置換術(shù)前計(jì)劃所擬定的臼杯大小數(shù)據(jù)中有17個(gè)與實(shí)際關(guān)節(jié)置換中的一致，比率為85%，相比之下，二維計(jì)劃僅有15%的吻合率。對(duì)二維髖關(guān)節(jié)置換術(shù)前計(jì)劃所擬定的臼杯尺寸與關(guān)節(jié)置換中實(shí)際應(yīng)用尺寸大小進(jìn)行吻合度評(píng)估，其ICC值為0.225，較三維髖關(guān)節(jié)置換前計(jì)劃與實(shí)際應(yīng)用臼杯尺寸間ICC值明顯偏小，后者值為0.865。

3.1 成人髖發(fā)育不良全髖置換術(shù)臼杯大小的選擇 成人髖發(fā)育不良進(jìn)行全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)，在臼杯大小選擇的問(wèn)題上通常面臨以下兩種情況：①選擇大臼杯可有效降低脫位率，同時(shí)由于DDH患者年齡結(jié)構(gòu)相對(duì)偏小，使用大直徑陶瓷股骨頭假體，可獲得更優(yōu)的摩擦界面增加抗磨損率、延長(zhǎng)假體的使用壽命。但對(duì)于CroweⅢ、Ⅳ型臼壁發(fā)育較差的患者而言，需要通過(guò)進(jìn)行結(jié)構(gòu)植骨來(lái)滿足臼杯的骨性覆蓋，遠(yuǎn)期可能出現(xiàn)植骨塊吸收、假體松動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)；②選用小號(hào)臼杯臼杯初始穩(wěn)定性更強(qiáng)，可避免結(jié)構(gòu)植骨，為二期翻修做準(zhǔn)備；但由于小臼杯假體應(yīng)力集中，遠(yuǎn)期松動(dòng)率較高。臼杯假體大、小各有自己優(yōu)缺點(diǎn)，沒(méi)有絕對(duì)的優(yōu)劣之分，在對(duì)成人髖發(fā)育不良患者進(jìn)行全髖置換時(shí)合適的臼杯假體顯得極其重要，只有平衡好臼杯大小與穩(wěn)定性、磨損率及活動(dòng)度之間的關(guān)系，才能滿足匹配大直徑股骨頭假體的需求，又能獲得良好的骨性覆蓋。由于術(shù)者有不同的手術(shù)經(jīng)驗(yàn)和觀點(diǎn)，術(shù)中往往根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)選擇臼杯大小，對(duì)于經(jīng)驗(yàn)不足的手術(shù)醫(yī)師，術(shù)中對(duì)患者髖臼特異的骨性結(jié)構(gòu)特點(diǎn)把握不是全面，往往不能真正做到“取長(zhǎng)補(bǔ)短”，很難選擇最合適的臼杯大小。所以在術(shù)前根據(jù)患者特異的髖臼骨性結(jié)構(gòu)擬定合適的臼杯大小意義重大。

3.2 3D-打印技術(shù)在臼杯假體選擇中的優(yōu)勢(shì) 使用傳統(tǒng)的膠片法進(jìn)行術(shù)前設(shè)計(jì)可因?yàn)閄片放大比率、骨性重疊、人為主觀等因素導(dǎo)致選擇假體時(shí)產(chǎn)生誤差[3]。如何利用3D-打印技術(shù)進(jìn)行術(shù)前設(shè)計(jì)選擇合適的臼杯大小，我們的解決方案如下：①對(duì)于CroweⅡ、Ⅲ髖臼壁發(fā)育尚可，前后壁骨量相對(duì)較多患者，在保證髖臼杯有良好骨性包容、穩(wěn)定性及骨貯備前提下盡量選擇使用大號(hào)臼杯以匹配大直徑陶瓷股骨頭假體，術(shù)中通?？梢栽谠y臼骨性結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上磨銼，放置臼杯假體，通過(guò)術(shù)前模擬觀察臼杯的骨性包容情況，擬定臼杯大小。本組患者中CroweⅡ型6例（6髖）、Ⅲ型4例（4髖）我們采用直徑50mm以上髖臼杯，平均臼杯直徑達(dá)54mm；②對(duì)于部分CroweⅢ型患者，髖臼前壁或外上方發(fā)育不佳、骨質(zhì)缺損者，為了避免結(jié)構(gòu)植骨，可選擇髖臼內(nèi)移加深或內(nèi)陷截骨，通過(guò)術(shù)前臼杯模擬植入，觀察髖臼內(nèi)壁有無(wú)戳穿及髖臼前后壁對(duì)臼杯的骨性包容情況，擬定一個(gè)臼杯大小，其既能滿足骨性覆蓋、穩(wěn)定性的要求，又能避免結(jié)構(gòu)植骨，本組CroweⅢ型4例（4髖）使用了48～52mm臼杯假體，平均直徑為50mm。③對(duì)于髖臼發(fā)育不佳、骨量少，但必須使用大直徑陶瓷股骨頭假體的年輕患者，往往需進(jìn)行結(jié)構(gòu)植骨，我們利用術(shù)前測(cè)量、評(píng)估臼杯骨性覆蓋情況，首先判斷所選擇臼杯骨缺損面積是否需要進(jìn)行植骨，同時(shí)對(duì)植骨面積、位置進(jìn)行術(shù)前測(cè)算。本組中CroweⅢ型3例（3髖）術(shù)前3D-CT模擬后發(fā)現(xiàn)臼杯假體有大于30%的缺損面積，選用直徑52～56mm的骨小梁金屬臼杯假體，同時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)植骨。④對(duì)于CroweⅣ患者，術(shù)前模擬發(fā)現(xiàn)髖臼各壁發(fā)育均較差，往往只能通過(guò)內(nèi)移加深來(lái)重建髖臼，選擇臼杯時(shí)只能選擇型號(hào)偏小的臼杯假體來(lái)獲得理想的骨性包容，但我們爭(zhēng)取髖臼杯假體至少44mm，（LINK Combi CuP 臼杯直徑44mm可匹配32mm的陶瓷股骨頭假體），通過(guò)術(shù)前模擬以驗(yàn)證可行性。本組CroweⅣ型4例（4髖），選用直徑40～48mm，平均44mm臼杯假體來(lái)獲得理想的骨性包容。本組21例患者術(shù)中實(shí)際植入臼杯假體型號(hào)與術(shù)前擬定型號(hào)吻合度達(dá)85%，再次驗(yàn)證了3D-打印輔助技術(shù)對(duì)成人髖發(fā)育不良全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)前假體型號(hào)的選擇具有較高的參考價(jià)值，它為成人髖發(fā)育不良選擇個(gè)性化的臼杯大小型號(hào)提供了一個(gè)精確、客觀的新手段。不但有利于提高手術(shù)的精確性，縮短手術(shù)時(shí)間，更重要的是減少術(shù)中骨折及術(shù)后假體松動(dòng)等并發(fā)癥的發(fā)生。

4 結(jié)論

使用3D-打印技術(shù)進(jìn)行術(shù)前設(shè)計(jì)為成人髖發(fā)育不良全髖置換術(shù)中臼杯假體大小型號(hào)的選擇提供了一個(gè)較為直觀、準(zhǔn)確的測(cè)量和評(píng)定方法，具有較高的指導(dǎo)價(jià)值。

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