3D打印輔助重建重度骨缺損翻修患者髖臼旋轉中心的療效

許康永，童也，湯瑞新，周燁

(安徽醫科大學附屬宿州醫院骨科，安徽 宿州 234000)

在全髖關節的翻修手術中，處理較大的髖臼骨缺損是一項具有挑戰性的任務。如何修復骨缺損、重建髖臼穩定結構，以恢復髖臼的理想旋轉中心，存在著不同手術方法，如多孔生物型大臼杯、打壓植骨或結構性植骨、生物學金屬加強塊等，但這些方法存在骨來源有限、植骨吸收、固定失效、墊塊外形常與缺損不匹配、難以實現長效生物學穩定等不足，故臨床效果各異且爭議較多。隨著3D打印技術趨于成熟，個體化精準治療成為可能。利用3D打印技術構建髖臼骨缺損模型，定制個體化臼杯，同時行術前模擬固定進行驗證，為復雜髖關節翻修術中骨缺損的修復重建提供了一種新方法。本研究通過納入2017年1月至2018年12月安徽醫科大學附屬宿州醫院骨科應用個體化3D打印鈦合金臼杯重建重度骨缺損髖臼旋轉中心病例，探討其臨床療效，現報告如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料 納入標準：(1)需要翻修的全髖關節置換術后患者；(2)存在Paprosky ⅡB或Paprosky ⅢA型的重度髖臼骨缺損；(3)假體髖關節感染性行擴創+抗生素骨水泥占位器曠置超過3個月，感染已被控制，入院前每周查1次血常規、C-反應蛋白(C-reactive protein，CRP)和血沉(erythrocyte sedimentation rate，ESR)，結果連續3次均正常。排除標準：(1)髖關節周圍活動性感染者；(2)臨床、影像和化驗資料不全者；(3)髖臼骨缺損伴骨盆不連續者；(4)3個月內新發的嚴重心、腦血管疾病以及慢性心、肺、肝、腎功能不全等內科疾病，不能耐受手術的患者。

本研究共納入10例(10髖)患者，其中男4例，女6例；年齡36～67歲，平均(54.71±10.23)歲；身體質量指數(body mass index，BMI)16.81～33.62 kg/m2，平均(24.83±5.31)kg/m2；術前CRP為0.07～1.50 mg/dL，平均為(0.65±0.71)mg/dL；ESR為6～37 mm/h，平均(15.62±13.81)mm/h；白細胞介素6(interleukin-6，IL-6)為1.28～18.73 pg/mL，平均(5.72±7.11)pg/mL。術前Paprosky髖臼骨缺損分型，ⅡB型3例，ⅢA型7例。手術時間為1.51～3.12 h，平均為(1.81±0.82)h。術中出血量650～1 750 mL，平均(983.43±459.22)mL。手術過程中個體化3D打印鈦合金臼杯與缺損骨面在直視下貼附良好，匹配理想。3D打印臼杯外徑大小為52～68 mm不等，平均(58.03±3.82)mm。術后隨訪時間13～26個月，平均(18.35±4.51)個月，無失訪。

1.2 個體化3D打印鈦合金臼杯假體的制作

1.2.1 CT掃描 術前患者骨盆CT薄層掃描三維重建，翻修者采用金屬去偽影序列，CT數據存為DICOM圖像格式。

1.2.2 骨盆三維建模和個體化 3D打印鈦合金臼杯設計利用圖像處理軟件Mimics Research 20.0(Materialise，比利時)完成骨盆三維重建，然后采用CAD處理軟件建立三維數字模型，根據缺損情況和確定的髖臼位置進行個體化假體設計，對缺損的部分進行完全填充，在預設的髂骨、坐骨，范圍處選擇適合固定的骨質部分并設計翼板(見圖1～2)。并將建立的骨盆模型按照1∶1比例3D打印出來，然后術者在骨盆模型上模擬手術操作，打磨髖臼后設計假體髖臼的大小形狀及安放的位置、角度；翼板、螺釘固定方向等進行修改，經修改后最終決定方案，并打印實體臼杯(見圖3～4)。

圖1 利用CT數據建立3D模型 圖2 個體化假體設計

圖3 打印出1︰1模型模擬固定 圖4 打印出的實體臼杯

1.3 個性化3D打印鈦合金臼杯重建髖臼骨缺損

1.3.1 術前準備 詢問患者病史，完善術前實驗室檢查和各影像學檢查，排除活動性感染，對骨缺損進行Paprosky髖臼骨缺損分型，測量旋轉中心數據和肢體長短、患側髖關節活動度、手術切口皮膚情況等；術前血型鑒定及備血。申請倫理委員會同意和患者知情同意。

a 術中檢查髖臼骨缺損程度 b 安放3D打印臼杯 c 假體安裝完成后檢查穩定性

1.3.2 手術過程 麻醉后患者健側臥位。常規碘酒、酒精消毒，鋪無菌手術單。取髖關節后外側切口，取出原假體或占位器，徹底切除髖臼周圍瘢痕組織，術中注意避免骨量的醫源性丟失，顯露髖臼，檢查確認髖臼骨性缺損是否與骨盆模型基本一致。按照術前在骨盆模型上的模擬操作依次打磨髖臼至術前計劃大小。然后將個體化3D打印鈦合金臼杯安放于術前模擬位置處，術中觀察個體化3D打印臼杯與宿主骨面的匹配程度，隨后用螺釘將其固定，安放高交聯聚乙烯內襯。處理股骨側，安放合適大小的股骨假體和股骨頭，復位髖關節，檢查其穩定性及周圍軟組織張力。大量生理鹽水沖洗后，逐層關閉切口，放置引流(見圖5)。

1.3.3 術后管理 麻醉過后，囑患者進行主動股四頭肌等長收縮鍛煉和踝關節趾曲背伸鍛煉預防深靜脈血栓，術后第2天常規低分子肝素抗凝，抗生素預防感染。48 h內拔除引流管，復查術后骨盆X線片測量術后旋轉中心數據和肢體長度。根據術中假體初始穩定程度決定下地時間，初始穩定性良好的可于術后第2天拄雙拐負重下地康復鍛煉，扶雙拐2個月，2個月后健側再扶單拐2周；初始穩定性差的患者囑臥床6周后扶雙拐下床負重活動。所有患者術后3個月、6個月、每年常規復查髖關節X線片，均測量假體髖關節旋轉中心數據和雙下肢長度。根據X線片觀察假體與宿主骨的結合程度，觀察是否有假體松動或骨長入。

1.4 觀察指標

1.4.1 影像學評估 患者于手術前后，術后3個月、6個月和每年拍攝骨盆正位X線片，在骨盆正位X線片上測量患側假體髖關節旋轉中心數據和雙下肢長度。應用Ranawat三角測量法[1]評估髖關節旋轉中心并作為理想旋轉中心，比較手術前后和末次隨訪時骨盆X線片上實際旋轉中心與理想旋轉中心的垂直距離和水平距離。雙下肢長度差定義為雙側小轉子頂點與淚滴連線的垂直距離差值。應用Massin方法評估假體松動及移位情況，在連續不同時間復查的骨盆X線片上測量假體移位超過2 mm或螺釘斷裂判定為松動，否則判定假體無松動移位，但如果周圍出現1 mm以上透光線定為可疑松動。評估假體骨長入情況，宿主骨與假體之間出現連續的骨小梁判定為骨長入。

1.4.2 功能和并發癥評估 記錄比較手術前后，術后3個月、6個月及末次隨訪時患者的髖關節功能，采用Harris髖關節評分量表進行評估，并同時記錄隨訪期間患者并發癥的發生情況。如假體關節感染、脫位、假體周圍骨折等。

2 結 果

2.1 影像學評估結果 髖關節旋轉中心的垂直移位距離：術前(31.03±9.32)mm，術后3個月、6個月和末次隨訪時分別為(5.62±3.44)mm、(5.70±4.23)mm、(5.82±4.27)mm，與術前比較差異均有統計學意義(P<0.05)。水平移位距離：術前(16.03±1.32)mm，術后3個月、6個月和末次隨訪時分別為(3.63±1.41)mm、(3.73±1.38)mm、(3.81±1.23)mm，與術前比較差異有統計學意義(P<0.05)。雙下肢長度差：術前(26.11±12.32)mm，術后3個月、6個月和末次隨訪分別為(4.74±3.61)mm、(4.97±4.58)mm、(5.31±4.72)mm，與術前比較差異有統計學意義(P<0.05，見表1)。術后隨訪期間骨盆X線片均未見個體化3D打印臼杯與其宿主骨之間放射性透光線和假體松動。術后6個月隨訪時X線片示，3D臼杯周圍骨組織結合緊密、固定可靠，有較好的骨長入。

2.2 功能評估結果 Harris髖關節功能評分：術前(34.02±14.91)分，術后3個月、6個月和末次隨訪時分別為(80.12±9.81)分、(83.15±9.75)分、(84.31±9.71)分，與術前比較差異有統計學意義(P<0.05，見表1)。隨訪期間未見假體關節感染、脫位、假體周圍骨折等并發癥。

表1 手術前后旋轉中心的垂直、水平距離、雙下肢長度差和Harris評分的比較

2.3 典型病例 (a)61歲男性患者，因“右髖關節置換術后11年，疼痛2年”入院，診斷“右髖假體無菌性松動”。術前骨盆X線片提示髖臼Paprosky ⅡB型骨缺損，箭頭所示骨溶解明顯。應用個體化3D打印鈦合金臼杯重建旋轉中心，術后1年隨訪可見旋轉中心位置佳，臼杯周圍骨組織結合緊密，骨長入良好，髖關節Harris功能評分由術前32分提高至術后的95分(見圖6～8)。(b)65歲女性患者，因“左髖關節置換術后4年，疼痛2年”入院，診斷“左髖假體無菌性松動”。術前骨盆X線片提示髖臼Paprosky ⅢA型骨缺損，術后18個月隨訪未見臼杯與其宿主骨之間放射性透光線和假體松動，旋轉中心位置良好。髖關節Harris功能評分由術前35分提高至術后的90分(見圖9～11)。

圖6 術前骨盆X線片示Paprosky ⅡB型骨缺損 圖7 個體化3D打印鈦合金臼杯 圖8 術后1年隨訪臼杯周圍骨組織結合緊密，旋轉中心位置佳

圖9 術前骨盆X線片示髖臼Paprosky ⅢA型骨缺損 圖10 個體化3D打印鈦合金臼杯 圖11 術后18個月隨訪臼杯周圍骨組織結合緊密，旋轉中心位置良好

3 討 論

臨床工作中，因假體松動或感染控制后而需要翻修的患者，其骨缺損的程度、缺損位置各有不同，髖關節的旋轉中心也發生明顯異常，重建合適的旋轉中心是手術的主要目標及難點。目前，重建髖臼旋轉中心并沒有統一的方法，即使是骨缺損程度、缺損位置、類型大體相同的病例。既往大量研究報道多孔生物型大臼杯用于重建髖臼骨缺損取得了良好的臨床療效[2-3]，其10年的假體在位率達到80%～95%，療效十分肯定。多孔生物型大臼杯重建重度髖臼骨缺損Paprosky Ⅲ型的報道較少，但已有研究表明大臼杯的使用通常伴隨著髖臼旋轉中心的上移、髖部周圍軟組織張力升高和臀中肌力臂的異常。

打壓植骨或結構性植骨往往存在骨愈合的問題，常導致預后不佳，特別在重建重度髖臼骨缺損時療效比較差[4-5]，隨著關節內植物材料的進一步改善及優化，金屬生物學材料如多孔鈦合金加強塊等被越來越多的應用到臨床當中。郭宇等[6]報道應用3D打印技術聯合打壓植骨重建髖臼骨缺損取得滿意效果。Lingaraj等[7]報道了23例應用骨小梁鉭金屬(trabecular metal，TM)加強塊重建Paprosky Ⅲ型及以上的重度髖臼骨缺損病例，經過24～62個月的隨訪，共發現22例患者的TM加強塊穩定，未出現假體、加強塊的松動，假體在位率高達95.7%。Borland等[8]同樣報道了TM加強塊重建復雜髖臼骨缺損的研究，共納入24例患者，經過3～7年的隨訪，僅1例患者發現加強塊斷裂。雖然生物型金屬加強塊重建骨缺損的療效令人滿意，但手術難度較大，加強塊形狀單一，術中難以做到和宿主骨間和臼杯間的完美匹配。生物型加強塊重建骨缺損是通過自身和宿主骨的長入來達到生物學固定，利用加強塊的幾何形狀來彌補骨缺損對關節旋轉中心和穩定性的影響，達到生物學的固定需要加強塊和宿主骨有良好的匹配。髖臼骨缺損較嚴重且呈縱軸橢圓形的病例十分適用加強塊，這類骨缺損和加強塊的幾何形狀高度吻合，且整體安裝也比較方便，能夠滿足髖臼穩定性的需要。但呈縱軸橢圓形骨缺損的病例并不常見，更常見到的是臼底的缺損或前、后壁的缺損，這類病例加強塊和宿主骨的匹配就十分困難。而個體化3D打印鈦合金臼杯假體按照患者骨盆三維數據逆向設計，其外形與髖臼骨缺損實現了高度匹配[9]，整體性強便于安裝，相當于在手術前實際模擬了一次手術，對手術過程更熟悉，髖臼的打磨和假體的外展角、前傾角均預演確定，更能保證手術的安全性及準確性。

大多數的髖臼骨缺損存在不同程度的臼頂缺損和臼底缺損，臼頂缺損導致旋轉中心上移，臼底缺損導致旋轉中心內移，Paprosky ⅡB型ⅢA型和ⅢB型十分明顯，加上此類病例關節周圍軟組織松弛，使關節功能喪失，個體化3D打印鈦合金臼杯有助于將旋轉中心恢復至正?；蛳鄬φ５奈恢貌@得合適的周圍軟組織張力，從而恢復關節功能，而應用其他重建方法(如Jumbo杯和加強環)是很難實現的。Abolghasemian等[10-13]回顧性分析了34例應用TM臼杯+加強塊重建重度髖臼骨缺損術后的旋轉中心，上移距離由術前48.5 mm恢復至24.8 mm。Banerjee等[14，15]在一項Meta分析中報道了應用多孔金屬涂層生物型臼杯+加強塊重建髖臼骨缺損術后旋轉中心的上移距離由術前39.3 mm恢復至術后24.1 mm。而本研究應用個體化3D打印鈦合金臼杯重建髖臼骨缺損，術后旋轉中心的上移距離恢復至2～8 mm，平均(5.6±3.4)mm，更有助于恢復上移距離趨于正常范圍。

本研究的結果表明，應用個體化3D打印鈦合金臼杯能夠重建重度骨缺損髖臼的旋轉中心，術后肢體長度和髖關節功能均有顯著改善，3D臼杯與缺損的宿主骨匹配佳，早期隨訪臨床療效好，且未見嚴重并發癥發生，在髖臼重度骨缺損重建中具有可靠的臨床應用前景。然而較小的樣本量及較短的隨訪時間是當前研究的缺陷，再今后的研究中需進一步擴充病例并納入中、遠期隨訪數據。