3D打印技術在髖關節置換術中的應用

鄒康，羅煒

郴州市第一人民醫院骨外科，湖南郴州423001

前言

髖關節置換術是臨床治療復雜性髖部疾病的主要方法，術前依據X射線、CT等影像學方法對髖關節疾病進行觀察并作出診斷［1-2］。傳統的髖關節置換術存在局限性，無法準確預測病變及周圍的解剖結構，提升了手術難度［3］。3D 打印技術通過打印患者個體化的骨骼模型，實現三維立體直觀角度觀察患者骨質情況，能夠觀察到以往輔助檢查忽視的解剖細節，具有其獨特優勢［4-5］。本研究探討3D 打印技術在髖關節置換術中的應用。

1 資料與方法

1.1 一般資料

對郴州市第一人民醫院2018年5月～2020年4月間130 例行髖關節置換術患者的臨床資料進行回顧性分析，按照手術方法不同分為傳統手術組（n=70）和3D 打印組（n=60）。傳統手術組：男性38 例，女性32 例；年齡50～74 歲，平均（59.69±5.02）歲；體質量指數：19～27 kg/m2，平均（23.01±1.19）kg/m2；病灶位置：均為單側，右側36 例，左側34 例；疾病類型：發育性髖關節發育不良34 例（CroweⅢ型21 例，CroweⅣ型13 例），類風濕性髖關節炎20 例，髖關節骨性關節炎16 例。3D 打印組：男性37 例，女性23 例；年齡50～75歲，平均（55.26±4.48）歲；體質量指數：19～26 kg/m2，平均（22.87±1.24）kg/m2；病灶位置：均為單側，右側32 例，左側28 例；疾病類型：發育性髖關節發育不良26 例（CroweⅢ型16 例，CroweⅣ型10 例），類風濕性髖關節炎18 例，髖關節骨性關節炎16 例。兩組基線資料比較無統計學差異（P＞0.05）。本研究所有手術均由同一主刀醫師帶領的團隊完成，排除不同醫生手術經驗問題導致結果的偏差。

1.2 納入標準和排除標準

納入標準：（1）髖關節疼痛伴明顯功能障礙；（2）經影像學檢查顯示髖關節存在畸形；（3）無髖部手術史；（4）無手術禁忌證；（5）患者簽署知情同意書。排除標準：（1）髖關節及鄰近部位存在感染、燒傷、皮膚嚴重破損者；（2）合并免疫功能障礙、凝血功能障礙、嚴重精神性疾病者；（3）手術耐受性差者；（4）腎、肝、心等多器官嚴重障礙者；（5）臨床資料不全者。

1.3 方法

患者均采用全麻插管麻醉，并使用小劑量右美托咪定減輕術后煩躁瞻妄表現，手術切皮前0.5 h 常規給予預防性使用抗生素五水頭孢唑林鈉2.0 g靜脈滴注，術前靜脈滴注氨甲環酸1.0 g，減少術中出血。

傳統手術組：患者取側臥位，行全身麻醉或硬膜外麻醉，以外側入路，逐層切開皮膚、筋膜，并對臀大肌進行劈開處理，使關節囊后部充分暴露，通過屈曲及內收等方式松懈筋膜，將股骨頸脫出，隨后斬斷，將股骨頭取出，進行截骨，暴露真臼，并清理其中的骨贅及軟組織。根據手術情況開始造臼，假體需要經過不斷測試，最后置于真臼。將股骨頭假體放置于骨髓腔內，對髓臼進行復位，并留置引流管，閉合切口。

3D 打印組：手術前使用64 層螺旋CT 掃描髖關節，將圖像上傳至計算機重建平臺，通過軟件重建髖關節，構建3D 模型。打印材料選擇聚乳酸，通過3D打印機得到兩側髖關節模型，對比健側髖關節模型，對患側髖臼損傷情況進行評估，并制作相應的髖臼蓋，如圖1～3。在模型上對手術方案進行模擬，確定最佳手術方案。隨后進行手術，患者取側臥位，行全身麻醉或硬膜外麻醉，以外側入路，逐層切開皮膚、筋膜，并對臀大肌進行劈開處理，使關節囊后部充分暴露，通過屈曲及內收等方式松懈筋膜，將股骨頸脫出，隨后斬斷，將股骨頭取出，進行截骨。根據術前髖臼損傷情況，選擇自體髂骨塊植骨，將術前制作的髖臼蓋固定植骨塊，對髖臼缺損進行修復，打磨髖臼，放置假體。將股骨頭假體放置于骨髓腔內，對髓臼進行復位，通過X 線機觀察復位情況，確定無誤后對創面進行清洗止血，并留置引流管，閉合切口。

術后預防性應用抗生素1～2 d，術后8 h開放引流管，改為負壓引流，每天引流量不超過50 mL，拔除引流管。術后予鎮痛泵持續鎮痛處理，術后8 h 使用低分子肝素鈣抗凝預防血栓。術后肢體要擺放在外展15°中立位，健側仍在原位置并在膝下墊枕以減少不適感，指導患者進行勾腳股四頭肌功能鍛煉。

圖1 健側髖臼測量Fig.1 Measurement of acetabulum at unaffected side

圖2 前面觀Fig.2 Front view

圖3 整體觀Fig.3 Overall view

1.4 觀察指標

1.4.1 手術情況比較兩組術中出血量、手術時間、下床時間、住院時間等指標。

1.4.2 影像學指標手術前后使用X 線機照射患側髖關節，計算外展角偏差、前傾角偏差、髖關節旋轉中心的水平距離及垂直距離偏差。

1.4.3 治療前后髖關節功能及下肢力線比較兩組手術前、手術后3個月髖關節功能及下肢力線。髖關節功能采用Harris 評分［6］評估，該評分包括活動度、疼痛、運動功能、屈曲度，滿分100 分，得分越高髖關節功能恢復越好。下肢力線角度為股骨和脛骨機械軸之間的夾角。

1.4.4 并發癥發生率隨訪1年，記錄并比較兩組臼襯磨損、感染、關節脫位、無菌性松動等并發癥發生情況。

1.5 統計學方法

采用SPSS19.0 統計學軟件分析數據，符合正態分布的計量資料以均數±標準差表示，行t檢驗；計數資料以例（%）表示，行χ2檢驗。P＜0.05 為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 兩組手術情況比較

3D 打印組術中出血量少于傳統手術組，手術時間、下床時間、住院時間短于傳統手術組（P＜0.05），見表1。

表1 兩組手術情況比較（±s）Tab.1 Comparison of evaluation indexes of surgery between two groups(Mean±SD)

表1 兩組手術情況比較（±s）Tab.1 Comparison of evaluation indexes of surgery between two groups(Mean±SD)

組別3D打印組傳統手術組t值P值n 60 70術中出血量/mL 315.29±30.67 360.84±33.95 7.971 0.000手術時間/min 62.89±9.15 83.47±13.24 10.140 0.000下床時間/d 2.46±0.66 3.58±1.02 7.295 0.000住院時間/d 13.17±3.68 16.54±4.39 4.697 0.000

2.2 兩組影像學指標比較

3D打印組術后臼杯外展角偏差、前傾角偏差、髖關節旋轉中心的水平距離及垂直距離偏差均小于傳統手術組（P＜0.05），見表2。

表2 兩組影像學指標比較（±s）Tab.2 Comparison of imaging indexes between two groups(Mean±SD)

表2 兩組影像學指標比較（±s）Tab.2 Comparison of imaging indexes between two groups(Mean±SD)

組別3D打印組傳統手術組t值P值n 60 70髖關節旋轉中心偏差/mm水平距離6.02±1.12 8.34±1.41 10.266 0.000垂直距離9.63±2.04 13.78±3.36 8.338 0.000臼杯外展角偏差/°2.01±0.37 4.63±0.81 23.067 0.000臼杯前傾角偏差/°2.72±0.88 4.90±1.52 9.789 0.000

2.3 兩組手術前后Harris評分和下肢力線比較

兩組手術前下肢力線和髖關節活動度相比較，差異無統計學意義（P＞0.05）。兩組術后3個月Harris評分較術前升高，且3D 打印組高于傳統手術組（P＜0.05）。兩組術后3 個月下肢力線較術前降低，且3D打印組低于傳統手術組（P＜0.05），見表3。

表3 兩組手術前后下肢力線和髖關節活動度比較（±s）Tab.3 Comparison of force line of lower limbs and range of motion of hip before and after surgery between two groups(Mean±SD)

表3 兩組手術前后下肢力線和髖關節活動度比較（±s）Tab.3 Comparison of force line of lower limbs and range of motion of hip before and after surgery between two groups(Mean±SD)

*:與本組術前比較，P＜0.05

組別3D打印組傳統手術組t值P值n 60 70 Harris評分/分術前50.82±8.49 48.47±8.63 1.559 0.121術后3個月70.59±7.95*63.04±8.28*5.279 0.000下肢力線/°術前7.29±1.43 7.36±1.48 0.273 0.785術后3個月2.71±0.68*3.97±1.02*8.141 0.000

2.4 兩組并發癥發生率比較

兩組并發癥發生率比較無統計學差異（P＞0.05），見表4。

表4 兩組并發癥發生率比較［例（%）］Tab.4 Comparison of incidence of complications between two groups［cases(%)］

3 討論

髖關節置換術是臨床治療髖骨關節炎、發育性髖關節發育不良、髖關節畸形、股骨頭壞死等嚴重髖關節病變的有效而可靠的治療方法［7］。近年來3D 打印技術發展迅速，具有精準化、標準化、具體化的特點［8］。3D 打印技術通過打印模型、模擬手術可以最大程度地優化手術方案，提升團隊的協作能力，降低傳統手術質量中對術者能力與經驗的依賴程度，減少手術風險［9-10］。

本研究中3D 打印組術中出血量少于傳統手術組，手術時間、下床時間、住院時間短于傳統手術組，提示3D打印技術應用于髖關節置換術能夠減少術中出血量，縮短手術時間、下床時間及住院時間。分析原因：在傳統髖關節置換術中，術前依靠影像學結果無法準確得出人工假體的參數，導致術中要進行多次匹配，使術中出血量增加、手術時間延長。長時間暴露手術切口也會使關節內感染的風險升高，不利于患者術后恢復，導致下床時間及住院時間延后。相比于傳統手術，3D 打印技術在術前就制造了關節個體化生物模型，有利于術者和生物模型進行物理交互，準確掌握患者骨關節病變的空間解剖結構。此外，3D打印技術在術前便可計算人工假體參數，避免術中進行多次假體匹配，這都有利于減少術中出血量、避免手術時間過長。3D 打印技術也優化了術中操作，術中僅需顯露預安放假體結構，等待骨性結構與假體緊密貼符，避免了術中多次透視，僅需在術后進行透視驗證即可，也有利于縮短手術時間。

髖關節發育不良患者的髖關節長時間處于脫位狀態，導致軟組織及骨贅封閉髖關節真臼，進而形成假臼［11］。此外，在手術過程中出血會模糊手術視野，加之股骨頸高位脫位遮擋，不易確定真臼［12］。這些因素均會影響假體外展角、前傾角、髖關節旋轉中心的確定。適當的外展角可以避免髖內收時的撞擊，提升髖關節穩定性，減少脫位發生。適當的前傾角可以擴大髖關節置換術后的活動范圍，同時也可以降低假體脫位的風險［13］。因此，確保假體外展角、前傾角、髖關節旋轉中心的精確性對提升術后髖關節的穩定性具有重要作用。臨床研究發現3D打印技術可以提升掃描、建模和制作模型的精確性，有利于維持術后髖關節穩定［14］。3D 打印組臼杯外展角偏差、前傾角偏差、髖關節旋轉中心的水平距離及垂直距離偏差均小于傳統手術組，表明3D 打印技術輔助髖關節置換術可以提升臼杯外展角、前傾角、髖關節旋轉中心的精確性，有利于提升關節穩定性，這可能是因為3D打印技術通過模擬手術能夠幫助醫生判斷假體植入的最優位置，確定外展角、前傾角及髖關節旋轉中心。

Harris 評分是臨床評價髖關節功能常用的指標之一，主要包括日常生活功能、疼痛等方面，能評估髖關節置換及保髖情況［15］。本研究中3D 打印組術后3 個月Harris 評分高于傳統手術組，下肢力線低于傳統手術組，表明3D 打印技術能夠加速術后早期髖關節功能恢復，這可能是因為3D 打印技術能提前根據患者自身解剖特點三維重建髖關節模型，并能反復進行虛擬手術演練，有利于提高手術方案設計質量，促進髖關節恢復、糾正下肢力線。除了髖關節功能恢復外，患者術后并發癥發生率也是臨床研究的重點。隨訪1年，兩組并發癥發生率比較無顯著性差異，說明3D打印技術并不會增加并發癥發生率。

綜上所述，3D 打印技術輔助髖關節置換術的效果與傳統手術相當，但其能夠減少術中出血量，縮短手術時間、下床時間及住院時間，提升術后髖關節的穩定性，改善下肢力線，值得臨床推廣使用。