3D打印技術在自體骨植骨的全髖關節置換術治療髖關節發育不良繼發骨性關節炎中的應用*

裴方 趙蕤 姚圣城 仇尚

髖關節發育不良（developmental dysplasia of the hip，DDH）主要是由于先天性髖關節結構發育畸形造成的髖臼與股骨頭覆蓋不良、匹配欠佳，使髖關節處于脫位的病理狀態，可引起嚴重的關節功能障礙[1]，如得不到及時有效的治療，患側髖關節將出現繼發性骨性關節炎，嚴重限制患者日常活動，降低生活質量。全髖關節置換術（total hip arthroplasty，THA）是治療DDH 繼發骨性關節的主要手段，其臨床有效性已得到證實[2-4]。然而，由于DDH 繼發骨性關節炎患者存在髖臼骨缺損嚴重、真臼淺小及解剖異常等問題，實施THA 手術難度較大。相關研究表明，采用自體骨植骨對于恢復正常解剖位置，糾正髖臼骨缺失，提高假體覆蓋率方面具有明顯優勢，但也伴隨著與植骨相關的并發癥，如出現移植骨吸收、骨溶解等，從而導致假體松動[5-6]。目前臨床上主要運用二維影像，包括X射線、CT 及MRI 等對髖關節疾病進行術前診斷和指導術中操作，但由于二維影像本身具有一定的局限性，難以對病變區域及周圍的解剖結構進行準確的預測，加大了手術難度。3D 打印技術的出現徹底扭轉了該局面，其以數字模型為模板，應用黏合材料制造出的三維實體，能夠精確的打印出與髖關節1∶1 的三維形態模型，現已逐漸成為DDH 繼發骨性關節炎患者實施個體化精準醫療的有效手段[7-8]。本研究探討利用3D 打印技術制作骨盆模型及個性化導航模板，進行術前規劃從而輔助自體骨植骨的THA 治療DDH 繼發骨性關節炎的應用價值。現報道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2017 年1 月—2021 年12 月徐州醫科大學附屬醫院收治的初次行自體骨植骨THA 治療的48 例CroweⅡ～Ⅳ型成人DDH 繼發骨性關節炎患者。納入標準：（1）術前根據影像學資料及臨床癥狀診斷為DDH 繼發骨性關節炎，且為單側發作；（2）Crowe分型為Ⅱ～Ⅳ型；（3）患處髖關節疼痛感明顯且活動受限，經保守治療效果欠佳；（4）病例及隨訪資料真實完整。排除標準：（1）年齡＜18 歲；（2）存在既往髖關節手術史；（3）存在嚴重的骨質疏松；（4）存在類風濕性關節炎等其他炎癥疾病；（5）肢體肌力因患有其他疾病而受到影響或無法進行后期功能鍛煉；（6）存在其他器官功能衰竭及凝血功能障礙。將患者分為觀察組和對照組，所有患者及家屬均對治療方案及手術方式知情同意；研究經本院醫學倫理委員會批準。

1.2 方法

1.2.1 術前計劃 兩組均進行常規術前檢查和評估，完善相關的影像學檢查。觀察組：將術前CT掃描的骨盆數據以原始DICOM 格式導入計算機軟件進行骨盆3D 模型重建，結合術前影像學資料與檢查結果進行術前計劃，根據模型確定真、假臼的情況，旋轉中心下移的長度，根據真臼的直徑確定術中安放髖臼假體的位置和大小，對周圍骨量及髖臼壁缺損情況進行評估；利用軟件按照計劃模擬手術，確定導航模板的形態和角度，然后用聚酰胺材料3D 打印1∶1 骨盆模型和導航模板，并隨手術器械消毒滅菌。對照組：根據骨盆X 線片和髖部CT掃描數據進行髖臼測量，利用影像學檢查資料進行術前計劃。

1.2.2 手術方法 兩組均采取椎管內麻醉或全麻，取健側臥位，髖關節后外側切口入路，逐層分離皮下組織及筋膜，鈍性分離臀大肌，切斷外旋肌群，用骨鉤向前牽開股骨，暴露關節囊后“T”型切開，對切口后方軟組織使用拉鉤牽開以獲得髖臼最佳顯露；清除髖臼內的脂肪組織，清理關節腔，屈髖內旋，使股骨頭后脫位，將小轉子上部約1.0 cm 處的股骨頭頸截去，取出股骨頭。觀察組：依據3D 打印模型的骨性標記，確定髖臼銼打磨的位置，將髖臼面增生骨化組織刮除至顯露骨性結構。采用導航模板置入髖臼內臨時固定，確定自體股骨頭移植位置后，用3.5 mm 直徑皮質骨螺釘將修整后的自體股骨頭固定于髖臼外上方，然后移除導向器，按照導針方向進行銼臼，磨去軟骨至點狀出血；參照導針方向置入合適型號人工臼杯假體，使用髓腔銼擴髓，置入合適型號股骨柄并調整前傾角。對照組：依據經驗確定打磨的位置、深度、前傾角及外展角，逐級擴大和加深髖臼，將修整后的自體股骨頭固定于髖臼缺損處并打壓緊實，測試和安裝相應髖臼假體與股骨假體，必要時使用螺釘固定。兩組術后均反復沖洗創口，止血，復位髖關節，放置引流管，逐層關閉切口。3D 打印技術輔助下自體骨植骨的THA 治療DDH 的過程，見圖1～4。

圖1 術前3D打印規劃

圖2 術前雙髖正位片，顯示左側II型發育性DDH伴骨性關節炎

圖3 術中自體骨植骨造蓋，增加“真臼”覆蓋（H為近端，A為前端）

圖4 術后雙髖正位片

1.2.3 術后處理 兩組術后均口服抗凝藥物配合充氣泵按摩預防靜脈血栓，靜脈滴注抗生素預防感染，同時進行營養支持；鼓勵患者盡早進行屈髖外展位功能鍛煉；術后影像學復查假體及植骨情況，穩定性較好的患者可在助行器輔助下逐漸負重鍛煉。兩組均分別于術后6 個月、1 年行門診復查。

1.3 觀察指標及評價標準

（1）圍手術期相關指標。觀察并比較兩組手術時間，術中出血量，計算髖臼假體覆蓋率及移植骨覆蓋率、臼杯位置合格率。（2）術后影像學資料與術前手術計劃的差值。術后1 周采集患者影像學資料，比較兩組髖臼假體大小、外展角、前傾角、旋轉中心垂直距離及水平距離與術前手術計劃的差值。（3）Harris 髖關節功能評分。分別于術前及術后1 周進行評價，包括疼痛、功能、畸形、運動范圍等方面，滿分100 分，90～100 分為優，80～89 分為良，70～79 分為中，＜70 分為差。（4）三維步態。術后6、12 個月，使用三維步態分析儀進行三維步態評價，比較兩組在行走過程中的三維步態參數（步頻、步幅、步速及髖、膝關節運動角度）。（5）并發癥發生情況。收集術后1 年內并發癥發生情況， 包括靜脈血栓、坐骨神經損傷、異位骨化。

1.4 統計學處理

采集數據應用SPSS 20.0 統計學軟件進行分析。計量資料以（x-±s）形式表示，組間比較采用獨立樣本t 檢驗，組內比較采用配對t 檢驗；計數資料以率（%）表示，比較采用χ2檢驗。均以P＜0.05 為有差異有統計學意義。

2 結果

2.1 兩組一般資料比較

觀察組男19 例，女5 例；年齡44～65 歲，平均（56.92±2.16）歲；Crowe 分型：Ⅱ型4 例，Ⅲ型7 例，Ⅳ型13 例；發病至就診時間平均（25.82±3.82）月；雙下肢長度差距平均（3.14±0.45）cm。對照 組 男20 例， 女4 例； 年 齡46～68 歲， 平 均（58.74±4.27）歲；Crowe 分型：Ⅱ型5 例，Ⅲ型8 例，Ⅳ型11 例；發病至就診時間平均（26.44±3.15）月；雙下肢長度差距平均（3.23±0.48）cm。兩組患者一般資料比較，差異均無統計學意義（P＞0.05），具有可比性。

2.2 兩組圍手術期相關指標比較

觀察組手術時間短于對照組，術中出血量明顯少于對照組，觀察組髖臼假體覆蓋率及移植骨覆蓋率均明顯高于對照組，差異均有統計學意義（P＜0.05）。兩組臼杯位置合格率比較，差異無統計學意義（P＞0.05）。見表1。

表1 兩組圍手術期相關指標比較（±s）

表1 兩組圍手術期相關指標比較（±s）

組別 手術時間（min） 術中出血量（mL） 髖臼假體覆蓋率（%） 移植骨覆蓋率（%） 臼杯位置合格[例（%）]觀察組（n=24） 76.36±12.24 353.28±62.31 98.12±8.14 24.93±2.57 22（91.67）對照組（n=24） 115.22±21.04 562.35±83.30 87.84±6.33 21.26±2.10 19（79.17）χ2/t 值 -8.101 -10.176 5.021 5.572 0.600 P 值 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 0.439

2.3 兩組術后影像學資料與術前手術計劃的差值比較

采集術后1 周兩組影像學資料，結果顯示觀察組髖臼假體大小、外展角、前傾角、旋轉中心垂直距離及水平距離與術前手術計劃的差值均明顯小于對照組，差異均有統計學意義（P＜0.05）。見表2。

表2 兩組術后影像學資料與術前手術計劃的差值比較（±s）

表2 兩組術后影像學資料與術前手術計劃的差值比較（±s）

組別 髖臼假體大小（mm） 外展角（°） 前傾角（°） 旋轉中心垂直距離（mm） 旋轉中心水平距離（mm）觀察組（n=24） 2.23±0.27 2.19±0.35 2.55±0.57 2.39±0.31 1.27±0.22對照組（n=24） 4.14±0.62 5.01±0.78 5.14±0.96 5.66±0.72 3.12±0.50 t 值 -14.360 -16.768 -11.770 -21.210 -17.218 P 值 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001

2.4 兩組并發癥發生情況比較

兩組并發癥發生情況比較，差異均無統計學意義（P＞0.05），見表3。

2.5 兩組Harris 髖關節功能評分比較

術前兩組Harris 髖關節功能評分比較，差異無統計學意義（P＞0.05）；術后1 周，兩組Harris 髖關節功能評分均較術前升高，差異均有統計學意義（P＜0.05），但組間比較差異無統計學意義（P＞0.05）。見表4。

表4 兩組Harris髖關節功能評分比較[分，（±s）]

組別 術前 術后1 周 t 值 P 值觀察組（n=24） 36.73±8.32 84.20±5.18 23.728 ＜0.001對照組（n=24） 36.26±8.49 82.16±5.09 22.716 ＜0.001 t 值 0.847 1.418 P 值 0.194 0.163

2.6 兩組三維步態參數比較

術前兩組三維步態參數比較，差異均無統計學意義（P＞0.05）；術后6、12 個月觀察組三維步態參數（步速、步頻、步幅及髖、膝關節運動角度）均優于對照組，差異均有統計學意義（P＜0.05）。見表5。

表5 兩組三維步態參數比較（±s）

表5 兩組三維步態參數比較（±s）

組別 步頻（步/min）步幅（m）術前 術后6 個月 術后12 個月 術前 術后6 個月 術后12 個月觀察組（n=24） 93.12±7.45 107.32±11.25 110.23±12.09 0.48±0.05 0.54±0.06 0.60±0.09對照組（n=24） 94.17±8.01 100.54±10.48 102.20±10.66 0.46±0.04 0.50±0.05 0.53±0.07 t 值 -0.485 2.225 2.512 1.573 2.581 3.092 P 值 0.630 0.031 0.015 0.122 0.013 0.003組別 步速（m/s）髖關節運動角度（°）術前 術后6 個月 術后12 個月 術前 術后6 個月 術后12 個月觀察組（n=24） 0.76±0.11 0.90±0.15 0.94±0.17 31.15±4.42 39.61±6.58 44.21±6.89對照組（n=24） 0.75±0.12 0.81±0.14 0.83±0.14 32.22±5.01 35.40±6.04 38.27±6.41 t 值 0.310 2.213 2.517 -0.810 2.378 3.184 P 值 0.758 0.032 0.015 0.422 0.021 0.003組別 膝關節運動角度（°）術前 術后6 個月 術后12 個月觀察組（n=24） 50.22±9.07 59.98±10.01 65.64±10.57對照組（n=24） 50.76±9.35 54.12±9.83 58.49±10.35 t 值 -0.209 2.072 2.440 P 值 0.835 0.044 0.018

3 討論

THA 是治療DDH 繼發骨性關節炎最有效的方法，其中髖臼側的重建是影響THA 成敗的關鍵因素之一[9-10]。CroweⅡ～Ⅳ型成人DDH 繼發骨性關節炎患者與普通骨性關節炎患者相比，治療難度系數更大，一方面患者髖臼側骨量不足，長期缺少力量刺激，真性髖臼發育異常，存在程度不一的骨質缺損，而且隨著脫位程度的增加，骨量進一步減少，髖臼外上方骨質缺損會更為嚴重；另一方面，周圍骨缺損合并骨贅增生，造成髖臼內正常解剖標志缺失，影響術者對真臼的判斷，這給后期髖臼假體的選擇及安放帶來較大困難，如重建后臼杯位置出現偏移，會降低重建關節的穩定性，增加后期假體的松動率；而假體的有效安放需要具備70%以上骨質覆蓋才能夠保證新骨的生長和假體的穩定性[11-13]。因此DDH 繼發骨性關節炎患者在進行THA 時，如何對骨量進行一個更為準確的評估，為假體的安放尋找一個更為精準的位置，既是THA 術的難點也是手術成功的關鍵。

傳統的手術方式對解剖變異復雜的DDH 患者缺乏個體化的分析，術者在操作過程中僅憑借經驗和影像學資料進行評估和假體的安放，在一定程度上會影響手術效果[14-15]。3D 打印技術通過1∶1 復原患者骨盆結構，術者可以對患者實現術前預操作，精準選擇臼杯的大小和安放的位置，這對于提高手術的安全性和有效性具有很大幫助；同時借助模型可以有選擇性地清除和保留骨贅，既節省手術時間，也使假體的穩定性得到提升[16-18]。在本研究中，觀察組手術時間短于對照組，術中出血量明顯少于對照組，觀察組髖臼假體覆蓋率及移植骨覆蓋率均明顯高于對照組（P＜0.05），主要是由于術前及術中利用3D 打印模型能夠更為直觀全面的了解髖關節內部的解剖結構，很大程度上減少了術中暴露操作，同時能夠指導假體的精準放置；兩組髖關節功能評分和并發癥發生率比較均無明顯差異，這說明在3D 打印技術輔助下完成自體骨植骨的THA 與傳統THA 相比均能夠獲得較好的有效性及安全性。

與傳統的THA 術中徒手操作置入假體，借助骨性標志尋找真臼等完全依賴術中經驗的操作相比，利用3D 打印技術制作骨盆模型及導航模板在術前進行評估預測，術中進行指導操作，能夠最大程度降低髖關節結構異常、解剖標志模糊等因素對假體準確放置造成的干擾，明顯縮小假體安放位置、角度與術前規劃之間的偏差。通過術后對患者進行影像學資料采集，結果顯示術后1 周觀察組髖臼假體大小、外展角、前傾角、旋轉中心垂直距離及水平距離與術前手術計劃的差值均明顯小于對照組（P＜0.05）。趙資堅等[19]研究結果也支持這一結論。三維步態評價主要是通過收集步態數據對下肢的活動能力進行定量描述，從而評價遠期手術效果和指導康復治療[20-21]。本研究在三維步態分析的參數能夠客觀地反映THA 術后患者髖關節周圍肌群的協調性。本研究于手術后6、12 個月對患者進行步態分析，結果顯示觀察組三維步態參數（步速、步頻、步幅及髖、膝關節運動角度）均優于對照組（P＞0.05），說明在3D 打印技術輔助自體骨植骨的THA 手術與傳統手術相比，在術后步態恢復方面更具優勢。

綜上所述，3D 打印技術輔助自體骨植骨的THA 治療成人DDH 繼發骨性關節炎與傳統THA 均可取得較好的修復效果，但3D 打印技術能明顯減少手術時間和術中出血，提高全髖關節置換的精確度，有助于髖關節的恢復和術后步態的改善。