數(shù)字醫(yī)學(xué)3D打印模型在髖關(guān)節(jié)翻修的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望

林鑫欣 張其標(biāo)

( 貴港市人民醫(yī)院 ， 廣西 貴港 537100 )

人工髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)技術(shù)復(fù)雜，其中，原假體取出、感染的防治、骨缺損的處理及新假體的選擇與準(zhǔn)確植入等，均是關(guān)節(jié)外科醫(yī)師所急需解決的臨床難題。由于不同患者的髖臼骨缺損有其自身特異性，解剖形態(tài)復(fù)雜、內(nèi)植物及重建方法多樣，依據(jù)傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)、目測(cè)方法施行THA翻修手術(shù)，精確度低，手術(shù)時(shí)間長(zhǎng)，很難達(dá)到理想的手術(shù)效果。計(jì)算機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)輔助THA較傳統(tǒng)THA具有一定的優(yōu)勢(shì)，表現(xiàn)在骨量丟失情況、骨質(zhì)缺損修補(bǔ)滿意、假體植入精確等方面，但前者的學(xué)習(xí)曲線長(zhǎng)、設(shè)備昂貴、操作技術(shù)要求高，因此只能在某些大型醫(yī)院開展，限制了其推廣使用。近年來，隨著3D打印技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)字醫(yī)學(xué)3D打印病灶模型、手術(shù)導(dǎo)板和個(gè)性化內(nèi)植物已被證明在創(chuàng)傷、脊柱及手外科的運(yùn)用取得了巨大的成功，而在人工關(guān)節(jié)方面，特別是人工髖關(guān)節(jié)翻修中，個(gè)體化3D打印模型的出現(xiàn)為解決上述諸多問題提供了可能性，其優(yōu)勢(shì)尤為明顯。術(shù)前通過3D打印模型可以全面直觀地了解原假體位置、與骨質(zhì)結(jié)合及周圍骨量缺損等情況，估計(jì)術(shù)中可能出現(xiàn)的突發(fā)情況以及避免相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)的問題，順利進(jìn)行各種解剖學(xué)測(cè)量，為精確手術(shù)方案的制定提供依據(jù)，有效保障髖關(guān)節(jié)翻修手術(shù)的安全、有效地開展。我們于PubMed、Springer Link、中國(guó)知網(wǎng)、萬方醫(yī)學(xué)網(wǎng)及維普網(wǎng)中，以“髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)”、“CAOS”、“快速成型技術(shù)”、“3D打印模型”和“個(gè)體化假體”為關(guān)鍵詞，檢索文獻(xiàn)48篇，以髖關(guān)節(jié)翻修3D打印模型為中心篩選文獻(xiàn)26篇進(jìn)行分析和總結(jié)，對(duì)3D打印模型在髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望綜述如下。

1 傳統(tǒng)的人工髖關(guān)節(jié)翻修手術(shù)：以往的髖關(guān)節(jié)翻修手術(shù)中，常常利用二維影像膠片進(jìn)行術(shù)前評(píng)估、測(cè)量，但未能充分兼顧三維解剖結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，以及受膠片測(cè)量放大率不一的影響，對(duì)于骨質(zhì)缺損多，大量增生的骨痂，使得旋轉(zhuǎn)中心缺乏參照物，術(shù)者依據(jù)經(jīng)驗(yàn)、目測(cè)難以準(zhǔn)確估算缺損范圍、骨量丟失情況，亦無法保證旋轉(zhuǎn)中心定位的準(zhǔn)確性。同時(shí)，存在大范圍的骨缺損，僅靠傳統(tǒng)的植骨打壓技術(shù)，難以完成缺損的理想修復(fù)。而對(duì)于人工髖關(guān)節(jié)感染行1期手術(shù)時(shí)，常常是醫(yī)生直接將由手工捏制的骨水泥作為臨時(shí)占位器，缺乏個(gè)性化，由于該占位器尺寸與髖臼的匹配度低，和假體頭面的不平整，易與髖臼產(chǎn)生磨擦，導(dǎo)致患者術(shù)后疼痛異常，嚴(yán)重影響患者術(shù)后恢復(fù)。傳統(tǒng)方式進(jìn)行選擇、植入翻修假體時(shí)也存在明顯的局限性。如存在嚴(yán)重骨缺損時(shí)，普通X線片與 CT 掃描都無法直觀地反映宿主骨與cage接觸的部位、面積以及能否為cage提供理想支撐等關(guān)系；當(dāng)存在嚴(yán)重的髖臼骨溶解時(shí)，復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)將明顯會(huì)影響醫(yī)生的判斷螺釘和固定鉤對(duì)cage 的初期穩(wěn)定性，同時(shí)cage的位置、外展前傾角度的控制變得更加困難。因此，對(duì)于此類髖關(guān)節(jié)翻修手術(shù)，利用傳統(tǒng)方法，手術(shù)難度極大，風(fēng)險(xiǎn)較高，患者的功能恢復(fù)難以得到保障。

2 計(jì)算機(jī)導(dǎo)航輔助髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)：計(jì)算機(jī)輔助骨科手術(shù)是近年來得到迅猛發(fā)展，將成為未來骨科手術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)方案[1]。而CAOS也逐漸開始運(yùn)用于人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)。它通過體表定位軟件系統(tǒng)建立一個(gè)個(gè)性化的骨盆和股骨三維模型，進(jìn)行假體安裝的模擬、預(yù)演，可選擇最理想的假體，并由系統(tǒng)虛擬出髖臼和股骨假體的最佳位置，按理想的植入深度和個(gè)性化前傾角、外展角等角度，進(jìn)行假體的精確、安全地安裝。因此，術(shù)者可在非直視狀態(tài)下，精確完成器械在骨結(jié)構(gòu)上的截骨、銼磨和假體植入等，提高手術(shù)的精度和準(zhǔn)確性。但利用計(jì)算機(jī)導(dǎo)航進(jìn)行髖關(guān)節(jié)翻修的研究很少。黃春霞等[2]利用CAOS配合髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)手術(shù)準(zhǔn)確性明顯得到提高，減少憑自身目測(cè)及經(jīng)驗(yàn)所導(dǎo)致的錯(cuò)誤可能，減少了翻修手術(shù)因假體置入位置不良而產(chǎn)生的潛在風(fēng)險(xiǎn)，手術(shù)時(shí)間更短、出血量少，平均住院日縮短。但目前CAOS輔助髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)國(guó)內(nèi)外極少開展，仍處于臨床探索階段[3]，缺乏大量的臨床應(yīng)用研究與隨訪，且學(xué)習(xí)曲線長(zhǎng)、設(shè)備昂貴、操作技術(shù)要求高，因此只能在某些大型醫(yī)院開展，限制了其推廣使用。

3 3D打印模型輔助人工髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)的現(xiàn)狀：隨著數(shù)字醫(yī)學(xué)3D打印技術(shù)的興起及在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，將3D打印模型應(yīng)用于髖關(guān)節(jié)翻修手術(shù)治療中，取得了滿意的效果。目前，3D打印模型應(yīng)用于髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)主要體現(xiàn)于3D打印的骨盆、患側(cè)髖關(guān)節(jié)、股骨假體段模型，以及臨時(shí)占位器模型與金屬植入物模型等，而此類模型能夠用于醫(yī)患溝通、疾病診斷與評(píng)估，同時(shí)讓術(shù)者術(shù)前就可全面了解原假體、骨質(zhì)缺損、骨量丟失的情況，制定個(gè)性化的手術(shù)方案、預(yù)演以及金屬假體，精確指導(dǎo)翻修手術(shù)的順利進(jìn)行，最大限度地促進(jìn)患者的功能恢復(fù)。因而，3D打印模型具有實(shí)現(xiàn)髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)前個(gè)體化設(shè)計(jì)、手術(shù)模擬預(yù)演、縮短術(shù)中時(shí)間及降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)率等優(yōu)點(diǎn)，方法可行有效，效果良好。

3.1 3D打印骨盆、髖關(guān)節(jié)及股骨側(cè)假體段模型：該類3D打印模型可用于病情溝通，幫助術(shù)者更直觀、全面地評(píng)估患者的假體位置、骨缺損范圍及骨丟失情況，進(jìn)行術(shù)前預(yù)演，精確指導(dǎo)實(shí)際手術(shù)的開展。髖關(guān)節(jié)翻修手術(shù)是關(guān)節(jié)外科難度較大的手術(shù)，既往常常利用二維影像資料進(jìn)行粗略估測(cè)，制定手術(shù)方案，術(shù)中依據(jù)實(shí)際情況取出原假體、處理骨質(zhì)缺損及選擇相應(yīng)的假體，傳統(tǒng)的方式無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)術(shù)中突發(fā)情況，導(dǎo)致手術(shù)缺乏個(gè)性化，安全準(zhǔn)確性低。翻修術(shù)中髖臼骨缺損的定位與定量難度大，利用數(shù)字化設(shè)計(jì)進(jìn)行術(shù)前評(píng)估可有效降低髖臼重建的風(fēng)險(xiǎn)。王德春等[4]通過在Mimics中建立病人患側(cè)的虛擬髖關(guān)節(jié)三維模型，準(zhǔn)確測(cè)量假體解剖學(xué)數(shù)據(jù)，評(píng)估假體松動(dòng)、骨質(zhì)破碎情況，對(duì)髖臼骨質(zhì)缺損范圍進(jìn)行定位、定量及AAOS分類，同時(shí)通過模擬翻修，設(shè)計(jì)植骨范圍，優(yōu)化了翻修方案及方式，減少并發(fā)癥，降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。Benum等[5]通過術(shù)前在3D打印的患者股骨模型上進(jìn)行手術(shù)的模擬、預(yù)演，降低了術(shù)中植入股骨柄時(shí)導(dǎo)致骨折發(fā)生的可能性，也降低了相關(guān)手術(shù)并發(fā)癥。何勇等[6]采用該技術(shù)的模型組與傳統(tǒng)組THAⅡ期翻修術(shù)病例各14髖進(jìn)行對(duì)照研究，結(jié)果表明個(gè)性化的3D患髖、股骨模型能夠提高骨缺損評(píng)估的準(zhǔn)確性，指導(dǎo)翻修假體的選擇、植入，明顯縮短了手術(shù)時(shí)間，髖關(guān)節(jié)功能獲得較大改善。余先等[7]對(duì)1例THA翻修術(shù)后股骨假體柄中段斷裂的患者行患側(cè)股骨中上段的 3D打印，結(jié)果表明，該3D打印模型能夠提高術(shù)者對(duì)假體柄與骨質(zhì)結(jié)合、周圍骨量情況的理解，且術(shù)前測(cè)量參數(shù)有助于醫(yī)師更清晰了解不同患者的特異性解剖結(jié)構(gòu)，提高翻修手術(shù)方案精確度，減少手術(shù)時(shí)間、風(fēng)險(xiǎn)及并發(fā)癥?；颊卟≡顐€(gè)性化 3D 打印模型彌補(bǔ)了平片、CT(偽影)等無法全面了解假體周圍骨質(zhì)、骨量及血管情況的不足，使得病情分析更透徹，還可以精確評(píng)估骨質(zhì)缺損情況，計(jì)算骨量丟失情況，進(jìn)行個(gè)性化手術(shù)方案制定與手術(shù)預(yù)演，對(duì)術(shù)中可能出現(xiàn)的突發(fā)情況提前預(yù)知，指導(dǎo)合理選擇假體與精確植入，從而減少組織的過度剝離與術(shù)中出血，減少假體調(diào)試次數(shù)，節(jié)省手術(shù)時(shí)間，提高翻修手術(shù)治愈率，是保證手術(shù)成功的關(guān)鍵。

3.2 3D打印臨時(shí)假體或其制作導(dǎo)板：人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后感染是THA嚴(yán)重的術(shù)后并發(fā)癥[8]，直接導(dǎo)致置換手術(shù)失敗，最終需行翻修手術(shù)，而Ⅱ期翻修則是目前治療THA后感染最行之有效的方法[9]。研究表明[10]，感染假體取出后的關(guān)節(jié)曠置易導(dǎo)致關(guān)節(jié)囊的攣縮，而植入占位器可有效預(yù)防此種情況[11,12]，但假體去除之后臨時(shí)間隔器的制作在國(guó)內(nèi)外尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)及制作方法。孫海濱等[13]研究了6 例THA術(shù)后感染的患者，通過患側(cè)人工髖關(guān)節(jié)3D打印模型制作臨時(shí)間隔器模具，指導(dǎo)術(shù)中個(gè)性化抗生素骨水泥臨時(shí)間隔器的制作，結(jié)果表明該模具具備有更符合患者解剖特點(diǎn)，縮短手術(shù)時(shí)間，利于Ⅱ期翻修及術(shù)后關(guān)節(jié)功能恢復(fù)。何勇等[14]將3D打印模具組與傳統(tǒng)組THA1期翻修術(shù)病例各8髖進(jìn)行對(duì)照研究，模具組應(yīng)用3D 打印spacer模具制造個(gè)體化含萬古霉素的骨水泥假體,徹底清創(chuàng)后,置入含萬古霉素的骨水泥假體，結(jié)果顯示模具組控制感染、翻修效果良好,與對(duì)照組比較, 明顯縮短手術(shù)時(shí)間,髖關(guān)節(jié)Harris 評(píng)分明顯高于術(shù)前及對(duì)照組,療效滿意。3D 打印spacer模具可對(duì)含抗生素骨水泥假體進(jìn)行個(gè)體化的制作，使用方便，大大縮短手術(shù)時(shí)間，同時(shí)也解決了傳統(tǒng)手工捏制誤差及金屬模具制作的spacer型號(hào)與患者解剖結(jié)構(gòu)不匹配，以及l(fā)ink 感染治療型占位器昂貴等問題。該模具制作的spacer具有個(gè)性化，更符合局部骨關(guān)節(jié)解剖學(xué)特征，置人后可對(duì)維持關(guān)節(jié)適當(dāng)?shù)拈g隙及張力起重要作用，可為2期翻修創(chuàng)造良好的條件，而直接利用3D打印技術(shù)打印得到的個(gè)性化spacer或是今后的主要研究方向。

3.3 植入物的模型：傳統(tǒng)的THA翻修過程中，往往根據(jù)術(shù)中意外出現(xiàn)的具體情況進(jìn)行假體取出、骨缺損處理及假體的反復(fù)選擇與植入調(diào)試，但相對(duì)于初次THA，人工全髖關(guān)節(jié)翻修難度明顯更大，容易會(huì)出現(xiàn)術(shù)前無法預(yù)測(cè)的狀況，因此，翻修過程中與翻修后不確定因素增多，并發(fā)癥出現(xiàn)可能性極高。3D打印的患者個(gè)性化的骨骼實(shí)體模型與金屬臼杯或股骨側(cè)金屬假體模型，除了能夠進(jìn)行原髖臼或股骨側(cè)假體、周圍骨質(zhì)缺損及骨量丟失情況的全面評(píng)估外，還能利用金屬假體模型制定個(gè)性化的手術(shù)方案，進(jìn)行術(shù)前的反復(fù)模擬演練，提前預(yù)知術(shù)中可能出現(xiàn)的各種情況，從而及時(shí)制定相關(guān)應(yīng)急方案，促進(jìn)手術(shù)順利進(jìn)行。李慧武等[15]利用 3D打印定制個(gè)性化的cage，術(shù)前通過模擬cage 安放，大致確定螺釘固定位置，結(jié)果表明術(shù)前的模擬手術(shù)有助于cage位置與角度的調(diào)整，提高cage放置的準(zhǔn)確性。在進(jìn)行THA復(fù)雜髖臼骨質(zhì)缺損翻修時(shí)，3D打印的假體模型可反饋影像資料無法提供的關(guān)鍵信息，指導(dǎo)假體的選擇和翻修手術(shù)的實(shí)施，進(jìn)而改善手術(shù)效果，降低翻修手術(shù)失敗率。通過術(shù)前的反復(fù)預(yù)演，模擬原假體取出、修補(bǔ)骨質(zhì)缺損區(qū)域以及更加直觀地進(jìn)行假體安裝，以對(duì)術(shù)中可能出現(xiàn)的突發(fā)情況做到心中有數(shù)，盡可能降低翻修的難度系數(shù)，減少翻修及翻修過程的并發(fā)癥，減少手術(shù)時(shí)間，使得翻修安全、有效進(jìn)行。

4 展望：近年來，個(gè)性化的數(shù)字醫(yī)學(xué)3D打印模型已被普遍應(yīng)用于術(shù)前溝通與診斷、模擬手術(shù)、術(shù)中精確手術(shù)(個(gè)體化導(dǎo)航、植入物)、組織工程及生物材料等方面。在髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)方面，3D打印模型實(shí)現(xiàn)了術(shù)前個(gè)體化設(shè)計(jì)、手術(shù)模擬預(yù)演及指導(dǎo)翻修術(shù)的精確、安全進(jìn)行，具有個(gè)性化治療、縮短術(shù)中時(shí)間及降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)等優(yōu)點(diǎn)，方法可行有效，效果良好，極其值得繼續(xù)推廣。但目前所運(yùn)用的3D打印模型多數(shù)只有質(zhì)硬的骨骼模型，期待未來的3D打印技術(shù)向軟組織重建方向發(fā)展，制作出包含周圍軟組織的完整模型，能夠高度模擬人體器官形態(tài)、質(zhì)地及生物力學(xué)功能，使得模型更加逼真、生動(dòng)。同時(shí)，希望能夠研發(fā)更多的打印材料，打印出更加適合植入人體的假體，如帶有骨膜和血供的骨組織等，形成真正意義上的“生物型人體化人工關(guān)節(jié)”[16]。隨著信息新技術(shù)及材料學(xué)的發(fā)展，根據(jù)骨質(zhì)缺損情況，通過模塊化的適配系統(tǒng)[17-18]、3D打印的個(gè)性化植骨塊及金屬植入物[19,20]進(jìn)行缺損區(qū)域的修補(bǔ)、翻修假體的選擇、準(zhǔn)確植入，真正達(dá)到髖關(guān)節(jié)翻修的個(gè)性化、精確化治療，這或是將來的主要研究方向。