3D打印技術指導成人髖發育不良全髖置換術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 袁長飛 李玉恒 蔣江麗

【摘 要】目的：探討3D-打印技術在成人髖發育不良全髖置換術中如何指導選擇臼杯大小的應用價值。方法：選擇2014年6月至2017年12月間我院成人髖臼發育不良患者21例進行全髖關節置換術，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。所有患者術前行CT掃描并將二維原始數據導入專用軟件進行三維重建，利用軟件剖面分割技術充分觀察髖臼的特異形態，并將模型數據傳送至3D打印機打印出髖關節模型，提前確立旋轉中心、真臼位置等，從而擬定臼杯大小，在實體模型上進行術前演練。術后對髖關節功能進行Harris評分，對二維術前計劃及三維術前計劃所擬定的臼杯假體大小型號與實際置換中的假體型號吻合度進行評估。結果：21例患者均獲得3～36個月術后隨訪，平均隨訪12. 8月，術前為（46.2±5.3） 分，術后評分為（ 86.3±4.3） 分，差異有統計學意義（P<0. 05），優17例，良4例。利用3D—打印技術擬定的臼杯大小數據中85%與實際置換中一致，其組內相關系數為0.865，明顯較基于X射線平片所作的二維術前計劃準確。結論：3D-打印技術指導成人髖發育不良全髖關節置換術中臼杯大小型號選擇具有較高的參考價值，同時可縮短手術時間，最大化地增加假體的穩定性。

【關鍵詞】髖臼發育不良；全髖關節置換術； 臼杯型號； 3D打印

【中圖分類號】R323.4+5

【文獻標志碼】A

【文章編號】1005-0019（2018）08-010-01

成人先天性髖臼發育不良（DDH）是一種先天性的髖關節發育性疾病，致殘率較高，目前人工全髖關節置換術是治療成人先天性髖發育不良的公認方案 [1]。由于DDH患者股骨-髖臼發育異常，如髖臼缺損、變淺，臀中肌變形等解剖畸形，使得手術操作及假體選擇較為困難，臼杯選擇不當在術后常會出現假體脫位、疼痛等并發癥，而合適的臼杯大小能獲得較好的力學穩定性，更好的壓配及骨性覆蓋能減少并發癥的發生[2]，因此根據患者個體化的髖臼結構特點選擇與骨盆相適的臼杯大小型號，制定出個性化的手術方案顯得尤為重要。

既往傳統的二維影像學資料對骨性結構特點的分析存在一定的局限性，使得術前計劃存在偏差[3]。近年來興起的3D-打印技術開始被廣泛應用到全髖關節置換的術前計劃中，3D-打印技術能準確、直觀、立體的呈現出髖臼的特異性結構，在此技術上所進行的三維術前計劃為個性化臼杯假體大小型號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育性髖關節發育不良且需進行全髖關節置換患者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。

選擇標準：①明確診斷為成人DDH并且Crowe 分型為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型的患者；②嚴格按髖關節置換適應證入選；③患者對治療相關內容均知情同意。④年齡在20歲以上，能夠耐受手術，均在我院成功實施初次人工THA；⑤手術均統一術者、術式操作。

排除條件： ①合并嚴重器質性疾病、內科基礎較差的患者；②風濕、類風濕性關節炎患者；③合并嚴重感染患者等。

1.2 方法

1.2.1 術前3D模型制作

①所有患者行螺旋CT掃描后均進行模型運算，分別獲得兩種3D模型，并以STL格式保存，按照一定的參數輸出至3D快速成形機，分別制作出與實體1∶1等大的全髖關節模型和不含股骨頭及股骨上段的髖關節模型。

②打印模型的效度驗證：邀請關節外科組醫師進行問卷開放性調查，對采用3D打印模型進行術前規劃的有用性、逼真度和真實感進行評價；術者術后填寫問卷對3D打印模型的逼真性及假體吻合度進行評價。

1.2.2 兩組術前計劃

Ⅰ組：利用傳統的膠片模板法在患者正位骨盆X線片上進行術前設計，預測臼杯假體型號大小，參照Ranawat標準安放髖臼假體。

Ⅱ組： ①在實體打印出的髖臼模型上，觀察髖臼發育的形態（CroweⅡⅣ型淺杯狀、CroweⅢ、Ⅳ型貝殼狀等），對健側及患側進行對比，根據髖臼的發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通過觀察髖臼骨質缺損的程度及骨贅增生的程度，來評估髖臼后壁可磨削的范圍及是否需要進行結構植骨；④測量髖臼后壁厚度、臼窩前后徑、股骨偏心距等數值，確定出髖臼旋轉中心，即假體安放的中心；⑤清除髖臼模型上的增生骨贅，進行術前模擬設計，通過使用不同直徑的骨銼對髖臼進行磨銼，從而擬定出所要植入真臼內的臼杯型號大小，并模擬臼杯假體植入的過程，確保臼杯安放于真臼內，并獲得最好的骨質包容，達到最佳的初始穩定性。

1.2.3 全髖關節置換術 取90°健側臥位，髖關節后外側切口，徹底松解患髖周圍軟組織，顯露出關節囊，取出股骨頭，顯露髖臼骨性結構并明確髖臼發育不良類型和骨缺損程度，與術前三維數字重建圖像進行對比。根據術前計劃中的骨性標志確定真臼位置、清除骨贅、磨銼髖臼、安放假體，評估髖臼對臼杯包容度及穩定性，最后置放臼杯、股骨柄假體，必要時行粗隆下截骨，檢查髖關節活動度及穩定性。術畢常規抗感染、抗凝等對癥處理。

1.2.4 療效評價 評價指標：（1）術后采用Harris評分標準對髖關節功能進行評測，總分為100分，優：>90分、良：8 0～90分、中：70～79分、差：<70分；（2） 評估二維及三維術前計劃所擬定臼杯假體型號與實際關節置換中臼杯型號吻合度。

1.2.5 統計學方法 使用SPSS14.0軟件進行統計學分析，采用組內相關系數（ICC）對二維髖關節置換術前計劃及三維髖關節置換術前計劃與實際置換中假體尺寸的吻合度進行評估。對于關節置換前后關節功能改善Harris評分差異采用配對t檢驗作分析，P < 0.05為差異有顯著性意義。

2 結果

2.1 隨訪形式 要求患者術后第3、6個月、1年，以后每年返院復查，本組21例患者均獲得3～36個月術后隨訪，平均隨訪12. 8月，隨訪率為88.5%，隨訪形式為來院復診及電話隨訪，隨訪記錄時間從術后第3個月開始。

2.2 療效評定 術前Harris評分為（46.2 ±5.3） 分，隨訪時評分為（ 86.3 ± 4.3） 分，差異有統計學意義（P<0. 05） ，優17例，良4例。說明全髖關節置換術明顯改善了髖關節的總體功能。

2.3 患者髖關節置換前計劃與實際臼杯假體吻合情況 計算機輔助髖關節置換術前計劃所擬定的臼杯大小數據中有17個與實際關節置換中的一致，比率為85%，相比之下，二維計劃僅有15%的吻合率。對二維髖關節置換術前計劃所擬定的臼杯尺寸與關節置換中實際應用尺寸大小進行吻合度評估，其ICC值為0.225，較三維髖關節置換前計劃與實際應用臼杯尺寸間ICC值明顯偏小，后者值為0.865。

3.1 成人髖發育不良全髖置換術臼杯大小的選擇 成人髖發育不良進行全髖關節置換術，在臼杯大小選擇的問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，同時由于DDH患者年齡結構相對偏小，使用大直徑陶瓷股骨頭假體，可獲得更優的摩擦界面增加抗磨損率、延長假體的使用壽命。但對于CroweⅢ、Ⅳ型臼壁發育較差的患者而言，需要通過進行結構植骨來滿足臼杯的骨性覆蓋，遠期可能出現植骨塊吸收、假體松動的風險；②選用小號臼杯臼杯初始穩定性更強，可避免結構植骨，為二期翻修做準備；但由于小臼杯假體應力集中，遠期松動率較高。臼杯假體大、小各有自己優缺點，沒有絕對的優劣之分，在對成人髖發育不良患者進行全髖置換時合適的臼杯假體顯得極其重要，只有平衡好臼杯大小與穩定性、磨損率及活動度之間的關系，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。由于術者有不同的手術經驗和觀點，術中往往根據自己的經驗選擇臼杯大小，對于經驗不足的手術醫師，術中對患者髖臼特異的骨性結構特點把握不是全面，往往不能真正做到“取長補短”，很難選擇最合適的臼杯大小。所以在術前根據患者特異的髖臼骨性結構擬定合適的臼杯大小意義重大。

3.2 3D-打印技術在臼杯假體選擇中的優勢 使用傳統的膠片法進行術前設計可因為X片放大比率、骨性重疊、人為主觀等因素導致選擇假體時產生誤差[3]。如何利用3D-打印技術進行術前設計選擇合適的臼杯大小，我們的解決方案如下：①對于CroweⅡ、Ⅲ髖臼壁發育尚可，前后壁骨量相對較多患者，在保證髖臼杯有良好骨性包容、穩定性及骨貯備前提下盡量選擇使用大號臼杯以匹配大直徑陶瓷股骨頭假體，術中通常可以在原髖臼骨性結構的基礎上磨銼，放置臼杯假體，通過術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54mm；②對于部分CroweⅢ型患者，髖臼前壁或外上方發育不佳、骨質缺損者，為了避免結構植骨，可選擇髖臼內移加深或內陷截骨，通過術前臼杯模擬植入，觀察髖臼內壁有無戳穿及髖臼前后壁對臼杯的骨性包容情況，擬定一個臼杯大小，其既能滿足骨性覆蓋、穩定性的要求，又能避免結構植骨，本組CroweⅢ型4例（4髖）使用了48～52mm臼杯假體，平均直徑為50mm。③對于髖臼發育不佳、骨量少，但必須使用大直徑陶瓷股骨頭假體的年輕患者，往往需進行結構植骨，我們利用術前測量、評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行植骨，同時對植骨面積、位置進行術前測算。本組中CroweⅢ型3例（3髖）術前3D-CT模擬后發現臼杯假體有大于30%的缺損面積，選用直徑52～56mm的骨小梁金屬臼杯假體，同時進行結構植骨。④對于CroweⅣ患者，術前模擬發現髖臼各壁發育均較差，往往只能通過內移加深來重建髖臼，選擇臼杯時只能選擇型號偏小的臼杯假體來獲得理想的骨性包容，但我們爭取髖臼杯假體至少44mm，（LINK Combi CuP 臼杯直徑44mm可匹配32mm的陶瓷股骨頭假體），通過術前模擬以驗證可行性。本組CroweⅣ型4例（4髖），選用直徑40～48mm，平均44mm臼杯假體來獲得理想的骨性包容。本組21例患者術中實際植入臼杯假體型號與術前擬定型號吻合度達85%，再次驗證了3D-打印輔助技術對成人髖發育不良全髖關節置換術前假體型號的選擇具有較高的參考價值，它為成人髖發育不良選擇個性化的臼杯大小型號提供了一個精確、客觀的新手段。不但有利于提高手術的精確性，縮短手術時間，更重要的是減少術中骨折及術后假體松動等并發癥的發生。

4 結論

使用3D-打印技術進行術前設計為成人髖發育不良全髖置換術中臼杯假體大小型號的選擇提供了一個較為直觀、準確的測量和評定方法，具有較高的指導價值。

參考文獻

[1] Li H，Wang L，Dai K，et al.Autogenous imPaction grafting in total hiP arthroPlasty with develoPmental dysPlasia of the hiP.J ArthroPlasty.2013；28（4）.637-643.

[2] 易勇，卜延民，李曉輝，蔡友毅，謝紅波，劉繼仁.全髖關節置換術生物型臼杯大小選擇的影響因素[J].中國骨與關節損傷雜志，2011，26（04）：342-343.

[3] 王野舟，肖榮馳.人工全髖關節置換術前設計的研究進展[J].世界最新醫學信息文摘，2018，18（06）：61-63.