3D打印技術在DAA全髖關節置換術中的應用

賈延慶 龐炎旭 邵豐博 齊良軍 楊民坤 穆峰

河南鞏義市人民醫院骨科 鞏義 451200

對于成人股骨頸骨折、股骨頭壞死、髖關節發育不良和晚期髖關節骨性關節炎患者，全髖關節置換術(total hip arthroplasty，THA)具有可緩解疼痛、矯正髖關節畸形和改善髖關節功能等優勢[1-2]。直接前方入路(direct anterior approach，DAA)從闊筋膜張肌與縫匠肌、股直肌的間隙進入，保持了髖關節周圍軟組織結構的完整性，具有術后恢復快、體位限制少、脫位率明顯降低等優點，更符合現代微創外科理念[3]。側臥位DAA實施THA，不需要特殊手術床，術中可通過內收、后伸、外旋動作充分顯露股骨近端，便于股骨柄的置入[4]，故采取側臥位DAA實施THA更加方便。DAA行THA需較長的學習曲線，髖臼假體前傾角及外展角選擇不當是術后關節脫位的重要原因。目前,髖臼假體的置入多憑術者經驗控制在安全區域，缺乏精確的角度等，均增加了對髖關節發育不良、翻修、髖臼側骨缺損等復雜髖部疾病患者的THA難度[5-6]。3D打印技術作為一種新技術，目前在工業制造、醫療設計等方面均取得了好的效果，特別為人工髖關節置換術的個體化、精準化提供了重要參考依據。本研究擬通過病例對照分析，以探討3D打印技術輔助下采取側臥位經DAA行THA的效果。

1 資料與方法

1.1一般資料回顧性分析2020-11—2021-07于我院采取DAA行THA治療股骨頸骨折、股骨頭壞死患者的臨床資料。納入標準：(1) 均依據臨床癥狀和X線攝片、CT掃描結果診斷為股骨頸骨折、股骨頭壞死。無神經、血管損傷。(2)年齡30～80歲，需行THA者。(3)能按時隨訪，臨床資料齊全者。排除標準：(1)存在下肢活動功能障礙。(2)開放性骨折，合并骨盆骨折或股骨粗隆間骨折。(3)合并嚴重心肺功能不全等不能耐受手術者。研究共納入符合上述標準的患者65例，根據是否采用3D打印分為3D打印組(31例)和傳統組(34例)。患者均簽署知情同意書。

1.2方法完善骨盆平片、髖關節CT(0.625 mm)、下肢靜脈彩超、凝血功能等相關術前檢查。

1.2.1 傳統組 根據骨盆平片及髖關節CT資料進行術前規劃。患者取健側臥位，切口起點在髂前上棘外側2 cm及下方2 cm交界處，長8～10 cm，逐層切開，暴露闊筋膜張肌與縫匠肌。鈍性分離闊筋膜張肌內側緣與筋膜，避免損傷股外側皮神經，顯露Heuter 間隙。縫扎旋股外側動脈升支，鈍性分離、暴露髖關節前方關節囊。電刀切除髖關節前方關節囊，確定股骨頸截骨平面后截斷股骨頸，取出股骨頸截骨塊和股骨頭。充分顯露髖臼，依次使用球形磨銼打磨髖臼，沖洗臼窩骨床后，以髖臼外展角40°～45°、前傾角10°～15°壓配植入髖臼杯，安裝內襯。將股骨近端自髖臼后方牽向前方，極度內收、外旋及后伸髖關節，徹底松解后外側關節囊的股骨轉子窩附著區。充分顯露股骨近端后擴髓，置入生物型股骨柄假體和股骨頭假體。完成復位后比較雙下肢長度，再次評估重建髖關節的穩定性。沖洗手術切口，關節腔放置引流管，經引流管注入關節腔100 mL 10%氨甲環酸。逐層關閉切口，夾閉引流管4 h后開放引流管。

1.2.2 3D打印組 患者的髖關節CT影像學原始資料由3D醫學數字中心打印導板。(1)數據采集：使用飛利浦Brilliance iCT 256層螺旋極速CT掃描儀掃描骨盆數據，層厚0.625 mm，儲存為原始 DICOM(digital imaging and communications in medicine)格式數據，由我院3D醫學數字中心進行技術處理。從醫學影像 PACS 系統(picture archiving and communication system)提取所需的部分進行后處理，包括計算機輔助設計 CAD(computer-aided design)，獲得需要打印物體的表面信息，得到所需的 DICOM格式的圖像(圖2)。DICOM 轉換 STL(standard tessellation language)格式圖像，重建三維模型。打印模型用美國Stratasys F370打印機。(2)設計髖臼假體的位置和角度：利用獲取的骨盆數據，重建骨盆3D模型，根據解剖標志確立坐標平面并確定髖臼位置。在3D骨盆模型上，模擬髖臼杯置入，滿足髖臼杯角度(外展42°、前傾15°)。以髖臼周圍的骨量和髖臼前后柱作為主要參考，估算臼杯直徑(圖2)。應用計算機輔助技術，設計最佳髖臼杯安放位置，確保導向器髖臼中心導針垂直于臼杯開口的平面，并且經過臼杯的中心，髖臼外側導向針通過導板組合零件控制平行于髖臼中心導針，保證髖臼銼磨時前傾角、外展角準確(圖3)。(3)髖臼假體安放方法：基本操作方式同傳統組，檢查導向器，觀察其解剖標志，確定導向器在髖臼內安放位置。將導向器置入髖臼內，并確認與髖臼內壁及髖臼外緣緊密貼合。助手輔助維持導向器位置，術者通過導向針釘道鉆入1支3.0 mm克氏針到髂骨作為導向針，鉆入深度適中，避免導向針過淺出現松動發生角度錯誤。此時導針實現外展角42°、前傾角15°導向要求。移除導向器，按照導針方向進行銼臼，磨銼過程中保持銼桿與導針平行，磨至軟骨下骨點狀出血，參照導針方向，置入臼杯。

圖2 骨盆三維圖像及髖臼假體的位置和角度

圖3 3D打印模型

1.2.3術后處理 術后24～48 h予以2組均靜滴頭孢呋辛鈉1.5 g，1次/8 h。低分子肝素鈣注射液 5 000 IU皮下注射，1次/d。引流管于術后24～48 h內拔除。指導患者行股四頭肌收縮及踝泵功能鍛煉，利用助行器下床適當活動，定時行實驗室及X線檢查。

1.3觀察指標記錄2組手術時間、術中出血量、術后24 h引流量。術前及術后應用外展角測量方法測量髖臼假體開口橢圓的長軸延長線與雙側淚滴最低點連線的角度即為髖臼假體的外展角。測量髖臼假體前傾角[7-8]。見圖4。術后1個月、3個月、6個月依據Harris髖關節評分標準從疼痛、功能、畸形、活動度4方面評價髖關節功能，滿分100分。90～100分為優，80～89分為良，70～79分為可，低<70 分為差[9]。統計髖關節脫位、股外側皮神經損傷、感染、下肢深靜脈血栓形成等并發癥發生率。

圖1 骨盆CT掃描圖像，掃描層厚0.625 mm

圖4 根據Bachhal法計算髖臼假體的前傾角：模擬髖臼假體開口的橢圓，測繪橢圓長軸與短軸，AB為髖臼投影橢圓長軸，在髖臼橢圓輪廓上取未被股骨頭遮擋的一點C; 經C作長軸AB的垂線，與AB相交于O，與髖臼頂部輪廓相交于D; 以C為圓心，取 OD為半徑作圓，與長軸AB所在直線相交于E; 測量∠AEC為髖臼的前傾角。

2 結果

2.1基線資料2組患者的基線資料差異無統計學意義(P>0.05)，見表1。

表1 2組患者的基線資料比較

2.2圍手術期指標2組患者的手術時間、術中出血量及術后24 h引流量差異無統計學意義(P>0.05)，見表2。

表2 2組患者的圍手術期指標比較

2.3髖關節假體角度比較術后3D打印組患者的髖臼前傾角和外展角均優于傳統組，差異均有統計學意義(P<0.05)。3D打印組患者的髖臼前傾角和外展角與術前設計值差異無統計學意義(P>0.05)；傳統組患者的髖臼前傾角和外展角與術前設計值差異有統計學意義(P<0.05)。見表3。

表3 2組患者術后髖關節假體角度比較

2.4術后髖關節Harris評分和并發癥3D打印組術后1個月的髖關節Harris評分高于傳統組，差異有統計學意義(P<0.05)。術后3個月、6個月，2組患者的Harris評分均較術后1個月時逐漸顯著改善，差異均有統計學意義(P<0.05)；但2組間的差異無統計學意義(P>0.05)。見表4。2組術后并發癥發生率差異無統計學意義(P>0.05)，見表5。

表4 2組術后髖關節Harris評分比較分)

表5 2組術后并發癥比較[ n(%)]

3 討論

DAA是經闊筋膜張肌與縫匠肌間隙和臀中肌與股直肌間隙(Hueter間隙)進入髖關節，該入路保護了髖關節周圍外展、外旋肌群，顯著降低了低血管、神經損傷和術后髖關節脫位的風險，有利于患者術后快速康復[10-11]。與傳統仰臥位比較，側臥位施術不需要特殊手術床及下肢牽引，對于習慣后外側入路的術者，股骨側顯露、假體安放，操作更加方便。Barnett[12]等對4 473例患者進行5 090次DAA下THA早期并發癥的研究發現，術后3個月的并發癥中脫位12例，股骨骨折48例，其他并發癥如感染、血腫、神經損傷等47例，表明DAA 下進行THA的術后早期風險較低。多項有關DAA與傳統后外側入路(posterolateral approach，PLA)下行THA的研究發現，術后DAA組的住院時間短于PLA組，VAS評分低于PLA組，術中出血量、脫位率，以及其他并發癥發生率均明顯低于PLA組。這與DAA從肌間隙進入，避免了血管神經的損傷，并保留髖關節周圍外展外旋肌群完整性密切相關。充分表明側臥位DAA行THA具有創傷小、出血少、術后體位不受限制、各種并發癥少、患者術后恢復快和住院時間短等優勢[13-15]。

3D打印技術依據計算機輔助設計、數控技術、三維CT技術等，將數據立體化建模，1∶1還原三維實物模型[16]。3D打印技術在骨科應用較為廣泛，通過實物模型，讓術者更加直觀、透徹理解疾病的發生、發展機制，從而更好地進行術前設計，以降低手術難度，精準把握假體外展角及前傾角，縮短手術時間，減少術中出血量和降低術后關節感染的風險。同時，患者及其家屬也能直觀了解病情及治療方法，有利于醫患溝通[17-18]。在髖關節發育不良、髖部骨折、髖臼骨缺損等復雜髖部疾病治療中，3D打印技術有利于內固定裝置安放、髖關節假體前傾角及外展角的精準定位，降低了手術難度和提升了手術效果[16]。髖關節發育不良易繼發骨性關節炎、股骨頭壞死、髖關節疼痛及髖關節功能障礙等，髖關節置換手術的難度比較大。除股骨頭脫位、相關角度改變、股骨近端髓腔畸形等因素外，受牽拉影響，血管、神經損傷風險也較高。而利用3D打印技術進行術前模擬設計，可以選擇最佳髖臼重建位置，并對肢體長度恢復進行詳細測量，降低了血管、神經損傷的風險，手術效果滿意[19]。何忠等[20]利用3D打印輔助下治療Crowe Ⅳ型成人髖關節發育不良10例(11髖)，結果表明，3D打印輔助精準治療復雜髖部疾病效果顯著，有利于加深骨科醫生對疾病的認識與把握。鄒康等[21]對60例3D打印輔助THA的研究發現，3D打印組術后3個月Harris評分高于傳統組，且術中出血量、下床活動時間、術后感染、關節脫位等并發癥發生率低于傳統組，差異均有統計學意義。表明3D打印技術有利于促進患者術后髖關節功能和日常生活能力的快速恢復。

本研究結果顯示， 雖然2組手術時間、術中出血量，以及術后24 h引流量、并發癥發生率、術后3個月和6個月的Harris評分差異均無統計學意義，但 3D打印組患者術后的髖臼前傾角和外展角均優于傳統組，且較傳統組更接近于術前設計角度；術后1個月的髖關節Harris評分高于傳統組；術后3個月、6個月的Harris評分顯著優于術后1個月。以上差異均有統計學意義。充分表明3D打印技術不僅可為患者提供個性化、精準化治療方案，還有助于術者對手術操作的理解和降低手術難度，并可促進關節功能早期恢復。分析其原因為：(1)本組選擇的股骨頭壞死、股骨頸骨折患者的髖臼及位置均無明顯異常，故DAA入路操作較為方便，且對肌肉、血管的損傷較小。(2)3D打印組可按術前設計的目標，準確維持正常的髖臼前傾角及外展角，故有利于促進患者髖關節功能的恢復。而術后3個月至6個月，隨著髖周肌肉、血管、神經的修復，2組患者的Harris評分均可逐漸得到改善。(3)股外側皮神經損傷是DAA入路最常見的并發癥，與手術切口位置、術中牽拉等因素有關。主要表現為大腿前外側皮膚感覺障礙、疼痛，隨著神經的修復，這種癥狀會逐漸消失。本研究中，2組各出現1例股外側皮神經損傷，在術后6個月隨訪時癥狀全部消失。傳統組出現1例髖關節前脫位，經測量髖臼假體前傾角為11°，外展角為31°，均在相對安全范圍[22]，即髖臼前傾角(15±10)°，外展角(40±10)°。但亦有研究通過系統評價與Meta分析發現，髖臼前傾角與外展角的精確度與髖關節置換術后穩定性呈正相關，表明3D打印技術具有降低術后髖關節脫位發生風險的優勢[18]。

綜上所述， 3D打印技術采用DAA行THA，能提高髖臼假體前傾角及外展角安放精確度，改善患者術后早期髖關節功能，是安全、可行性的治療股骨頸骨折、股骨頭壞死患者的手段。但仍需擴大樣本量和進行長期隨訪予以論證。