3D打印技術在髖、膝關節置換術中的應用進展

于辰曦，孫水

(山東大學附屬省立醫院，濟南250021)

3D打印技術在髖、膝關節置換術中的應用進展

于辰曦，孫水

(山東大學附屬省立醫院，濟南250021)

3D打印技術可將抽象的三維數字模型轉化為直觀、立體的實物模型，能夠實現假體的個體化制作，可較好地解決關節置換術中假體型號選擇、提高假體安放位置準確性以及畸形矯正程度等技術難題，從而提高關節置換術的精準程度。3D打印技術在髖關節置換術中的應用研究較為深入，可提高髖臼假體、股骨導航模板設計制作的個體化水平，并使髖關節翻修術中骨缺損的處理更為精準。大部分研究認為3D打印技術可提高截骨定位模板制作的個體化水平，但其在膝關節翻修術及骨缺損處理中的應用尚處于探索階段。

關節置換術；3維打印技術；髖關節置換術；膝關節置換術

3D打印技術是一種以數字模型文件為模板，使用金屬粉末或者塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術，屬于快速成型技術。近年來，選擇性激光燒結、熔融沉積成型以及噴墨打印等技術極大地推動了3D打印技術在臨床上的應用[1]。在關節置換手術中，3D打印技術能為患者定制個體化假體，較好地解決傳統置換手術中假體型號選擇、假體位置判斷以及嚴重關節畸形矯正等難點問題，提高關節置換術的成功率和翻修效果。本文就3D打印技術在髖、膝關節置換術中的應用作一綜述。

1 3D打印技術在髖關節置換術中的應用

1.1 提高髖臼假體設計制作的個體化水平 全髖關節置換術(THA)的目的是用人工假體取代不能行使正常功能的髖關節，以恢復髖關節原有的支撐作用、穩定性和活動度。發育性髖關節脫位(DDH)患者的髖臼發育異常導致髖臼形態發生變化，給髖臼重建帶來極大困難[2,3]，呈現完整的髖臼立體解剖結構是DDH患者髖臼重建成功的關鍵。3D打印技術可根據患者術前的三維影像學資料，精確打印出三維髖臼假體模型，讓手術醫師在術前能更直觀地了解患者髖臼的立體形態以及各解剖結構之間的空間關系，以制作個體化髖臼假體并進行模擬手術，從而提高髖臼假體的匹配程度和初始穩定性[3～5]。Zhang等[3]將22例DDH患者分為傳統THA手術組(11例)和導航模板組(11例)，其中導航模板組在3D打印技術制作的模板導航下植入髖臼假體，試驗預設髖臼假體的外展角和前傾角分別為45°和18°；1年后隨訪，導航模板組可獲得良好的髖臼外展角和前傾角，同預設值相比，變異角度明顯小于傳統THA手術組。Xu等[4]應用3D打印技術為10例DDH患者(6例單側髖關節、4例雙側髖關節)設計了髖臼假體，并進行術前規劃以及術前假體位置、方向以及大小的預測；結果顯示，髖臼假體術前測量結果與實際應用完全吻合的占71.4%(10/14)，相差<2 mm的占21.4%(3/14)，相差<4 mm的僅有1例；術后隨訪平均23.1個月，均未發生深靜脈血栓形成、肺栓塞、深部感染、神經麻痹等并發癥，且均未行翻修手術。Won等[5]采用3D打印技術為21例嚴重髖臼畸形患者制作髖臼模型，THA中植入髖臼假體大小與術前測量相差<2 mm的占80.9%(17/21)，患者術后影像學檢查提示髖臼假體的骨長入和穩定性均良好，末次隨訪平均HHS評分為79.9分，且影像學檢查未發現磨損顆粒及假體周圍骨溶解。

1.2 提高髖關節翻修術中髖臼骨缺損的處理效果 髖關節翻修術的手術指征包括無菌性松動、骨溶解等，其中超過一半的患者需進行髖臼翻修，而需要翻修的髖臼多存在不同程度的骨缺損。處理髖臼骨缺損尤其嚴重的骨缺損是髖關節翻修術的重點及難點[6～8]。髖臼翻修術中發現巨大骨缺損或骨盆連續性中斷時，需使用髖臼加強環如抗內突籠，以恢復髖臼的連續性和完整性，為骨水泥固定髖臼假體提供堅強支撐[8]。傳統設計的髖臼加強環存在個體化程度低、不能提供長期生物固定、缺少多孔涂層等缺點；而3D打印技術一方面可為患者定制個體化髖臼加強環，另一方面打印時可提供多孔涂層，有利于完全修補髖臼骨缺損、促進骨長入、獲得假體的初始穩定性和長期穩定性[7,8]。Mao等[7]制作了一種含有多孔羥基磷灰石的髖臼加強環，并成功應用于22例接受髖關節翻修術的患者(共23髖，其中3髖為Paprosky ⅢA型髖臼骨缺損、20髖PaproskyⅢB型髖臼骨缺損)，術后隨訪結果顯示治療效果較好，末次隨訪平均HHS評分從術前39.6分提高到80.9分，且未發生深部感染、深靜脈血栓形成及神經麻痹等并發癥。Li等[9]采用3D打印技術制作了一種表面經過流砂處理的鉭金屬髖臼加強環，該髖臼加強環既有跨越坐骨的固定裝置，又結合了三翼臼杯的髂骨固定翼設計，可獲得更為牢靠的固定；該課題組將其應用于24例接受髖關節翻修術的患者(共24髖，均存在巨大髖臼骨缺損)，術后平均隨訪67個月，末次隨訪結果顯示患者平均HHS評分從術前36分提高到82分，并且可使髖關節旋轉中心的位置恢復到解剖旋轉中心。Colen等[10]通過激光燒結技術制作了一種三翼臼環，并將其應用于6例有嚴重髖臼骨缺損的髖關節翻修術患者，術后隨訪10～58個月結果顯示效果均較好，無手術失敗或需再次翻修者。Zerr等[11]采用3D打印技術設計制作術前模板，并應用于1例因術后感染導致嚴重骨缺損的THA患者二期髖關節翻修術，術后結果顯示未發生骨盆連續性中斷。近年來國內學者[12,13]也開始嘗試采用3D打印技術制作與患者骨盆高吻合度的髖臼假體，并用于PaproshyⅢ型髖臼骨缺損翻修術患者，均獲得了滿意的治療效果。

1.3 提高股骨導航模板設計制作的個體化水平 相對于傳統THA，髖關節表面置換術(SRA)具有保留股骨頭、磨損界面低、截骨量少等優點，但股骨頸骨折是其主要并發癥。研究認為，SRA后股骨頸骨折的主要原因是股骨假體定位準確性差，因此引導股骨假體準確定位是SRA成功的關鍵[14,15]。Du等[15]在髖關節骨關節炎患者CT掃描結果的基礎上，采用3D打印技術生產出一種個體化股骨頭截骨模板，術后影像學檢查顯示其術后假體柄干角明顯高于傳統SRA；該研究顯示，使用這種個體化模板能提高假體置入的準確性、縮短手術時間并減少術中并發癥的發生。Raaijmaakers等[16]設計了一種3D打印股骨頭截骨導航夾具，并將其應用于5例SRA患者，結果顯示均定位準確，平均最大鉆孔角度偏差和置入點偏差分別為2.9°、2.1 mm。Kunz等[17]運用3D打印技術設計了一種個性化股骨引導鉆孔模板，應于45例SRA患者；結果顯示與傳統計算機輔助SRA相比，個性化股骨引導鉆孔模板具有同樣的準確性。

2 3D打印技術在膝關節置換術中的應用

2.1 提高截骨定位模板設計制作的個體化水平 由于人體膝關節大小、形態存在較大差異，傳統的機械引導裝置及截骨工具是基于歐美人體解剖學特點而設計的，因此全膝關節置換術(TKA)精確度較低，術后下肢力線對位誤差>3°的發生率超過10%。個體化模板輔助TKA截骨術(PSI)依據患者術前MRI或CT掃描數據，采用3D打印技術設計制作個體化截骨定位模板，是一種應用于復雜膝關節置換術前規劃、模擬截骨和術中操作的新型膝關節截骨方法，術后下肢力線對位誤差小，具有截骨精確性高、手術時間短、手術損傷輕等優點。Daniilidis等[18]研究顯示，PSI患者術后下肢力線偏差>3°的比例為9.3%，而采用傳統截骨板的患者則為21.2%，提示PSI下肢力線對位準確、誤差較小。Ferrara等[19]研究顯示，采用PSI的觀察組較采用傳統截骨術的對照組手術時間更短，術中出血量更少，股骨假體的旋轉對位改善情況更好。Gan等[20]采用3D打印技術開發了一種為TKA患者特殊設計的膝關節截骨板，并用于采用截骨板行TKA的患者；結果顯示，與傳統截骨術相比，采用截骨板行TKA的患者可獲得更加理想的下肢力線機械軸、股骨前傾角、脛骨后傾角以及截骨間隙，平均手術時間短、平均術中出血量少。Heyse等[21]研究顯示，PSI患者的股骨假體旋轉對位情況明顯優于傳統截骨術患者。

然而，國外也有學者對PSI的臨床效果提出了質疑，認為其與傳統截骨術并無明顯差異。Abane等[22]以126例擬接受TKA的患者為研究對象，其中59例進行PSI、67例進行傳統截骨術；結果顯示二者手術時間、術中出血量、術后X線測量髖-膝-踝角比較差異均無統計學意義。Woolson等[23]研究顯示，PSI患者術后股骨旋轉對位情況并不優于傳統截骨術患者，且PSI患者的截骨模塊更容易導致脛骨假體后傾角增大。

2.2 提高膝關節翻修術中骨缺損的處理效果 骨缺損是膝關節翻修術中的常見問題，其修復方法很多，但傳統的修復方法在處理累及干骺端甚至骨干部位的巨大骨缺損效果不理想[24]。多孔金屬坦墊塊具有較好的生物相容性和多孔特性，可提供良好結構支持和牢靠穩定性，近年來逐漸應用于巨大骨缺損修復，取得了較為理想的中、短期效果[25]。但因骨缺損形態各異，實際應用中仍存在墊塊與骨缺損難以完全匹配的不足，而3D打印技術可打印出新型多孔金屬鉭墊塊，克服這一不足。

綜上所述，3D打印技術在髖、膝關節置換術中的應用取得了很大進步，特別是在髖關節置換術中的應用研究比較深入，今后應在進一步提高3D打印技術假體制作個體化水平的基礎上，采取措施加快制作速度、縮短制作周期、降低制作成本以拓展其應用范圍；還應加大假體材料和制作工藝的創新力度，制作包含細胞成分、血管和神經等多種生物組織的“生物型假體”，以促使骨組織長入，提高假體的長期穩定性。

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孫水(E-mail: sunshui1965@foxmail.com)

10.3969/j.issn.1002-266X.2017.32.035

R687.3

A

1002-266X(2017)32-0104-03

2017-02-04)