3D打印技術在DDH患者中重建髖臼旋轉中心的最新進展

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(南華大學附屬郴州市第一人民醫院骨科一區，湖南 郴州 423000)

先天性髖關節發育不良(displasia dislocation of the hip,DDH)是指髖臼和股骨頭失去正常的對位關系，“點圓”接觸面積減少，從而出現生物力學異常。隨著疾病的進展，尤其是出現股骨頭缺血壞死時的治療是非常棘手的，往往在疾病進展的晚期階段需行人工全髖關節置換術(total hip arthroplasty，THA)。同時手術中對于髖臼重建和股骨側的處理方案以及髖關節周圍軟組織平衡等因素依然制約著手術技術的發展[1]，特別是髖臼側旋轉中心的恢復對于手術的質量起著重要的作用。為了使術后髖臼假體能獲得更好的骨性覆蓋，術中臼杯位置的選擇、臼杯骨性覆蓋面積以及是否運用骨水泥或植骨成為髖臼旋轉中心重建不可避免的問題。伴隨著3D打印技術在骨科各個亞?？频呐畈l展，使用該技術術前制作骨盆模型，進行骨缺損面積的測量、真臼位置的確立、個性化假體的設計、術前手術模擬和疾病診斷分型以及醫患溝通都具有重要的實際意義?，F將3D打印技術在DDH患者行全髖關節置換術中重建髖臼側旋轉中心的最新進展進行闡述。

1 3D打印技術的理念

3D打印技術將計算機虛擬設計(computer-aided design，CAD)、數控系統和新材料應用等現代高端技術一體化，設計三維虛擬模型，以離散或者堆積為原理，區別于傳統的機械加工制造，將粉末狀的金屬或者塑料等新材料通過垂直方向和水平方向分層的形式來進行制造，被定義為增材制造(additive manufacturing，AM)或者快速成型技術(Rapid Prototyping，RP)。通過計算機的輔助模擬以及數控技術可將傳統的醫學影像資料(CT、MRI)進行建模，制作出精度高的立體物理模型。隨著技術的不斷發展，選擇性激光燒結(selective laser sintering，SLS)、熔融沉積成型(fused deposition modeling，FDM)以及立體噴射快速成型(three-di-mension injection molding，TDIM)等技術使3D打印技術在臨床上的應用更加廣泛[2]。由于新材料的不斷發現，使得傳統的工業材料(金屬、陶瓷、塑料)逐步向凝膠以及生物材料發展，都能滿足3D打印的需要。通過材料的不斷疊加，按照斷層面模型不斷生成相對應的液體層、粉末層或者薄層，形成最終的實物模型。按照添加的材料不同，利用該技術可以制作出任何復雜形狀或者幾何特征的物理模型，同時能為特定形狀的材料提供最佳的強度和特性[3]。

目前，3D 打印技術在髖關節置換的手術中能指導術中假體型號的選擇，選擇假體的植入位置以及通過立體模型進行術前手術演練，在減少手術時間和簡化手術流程等方面已有眾多研究報道。3D 打印技術在組織、軟骨等領域應用廣泛，制作的骨組織生物材料在臨床用于對骨折的修復及促進軟組織的生長。國內目前已有首臺能夠直接制作出人類相關活性細胞的生物3D打印機的相關報道[4]。運用3D生物打印技術可直接以生物相容性材料為基礎，依據細胞組織結構特征進行分層打印，可以實現將成型的器官和組織直接植入體內。目前，3D打印技術受限于材料學和制造技術的發展，制作的各種模型和內植物暫未達到人們預期的標準階段，因此，在臨床上的推廣還處于初級階段，但臨床上廣泛的應用前景與社會發展要求的“工業4.0”方向趨近，其應用前景值得探索。

2 髖臼旋轉中心的位置

DDH患者的手術目的是恢復髖關節的生物力學傳導結構，要求確保任何異型增生得到充分矯正并避免并發癥的發生以及改善患者的生活質量和減少翻修率。髖關節脫位后，髖臼壁缺乏有效的應力刺激，使髖臼的深度及形態發育異常，尤其是前壁發育受阻。髖關節脫位的程度越高，髖臼軸線與冠狀面之間的夾角越大，表明在高度脫位的情況下，髖臼的結構更復雜[5]。在許多情況下，發育不良的髖關節不能為植入原始髖臼的臼杯提供足夠的骨性支持，從而產生各種并發癥。盡管存在解剖學上的變異，但解剖和力學結構要求植入的髖臼需在真臼的位置。這個植入部位減少了施加在髖關節上的反作用力，從而降低了術后假體的松動率。隨著髖臼畸形變異逐漸加大，失去正常對位的股骨頭會緩慢適應假臼的位置，假臼與真臼之間可以相互融合，甚至往上分離，形成“假關節”。然而“真臼”是周圍骨量最為富集的位置[6]。翟吉良等[7]運用自體股骨頭在真臼處重建旋轉中心技術對34例DDH患者行THA，術后隨訪時間達30個月以上，假體生存率達100%。植入的臼杯應該安置于真臼的位置，最大程度恢復肢體的長度，有助于增強外展肌的功能、延長術后假體的使用時間，以及減少內村磨損率和翻修率。選擇旋轉中心完全符合真臼位置并不是現階段的標準，盡管目前國內外多數研究建議在真臼位置重建旋轉中心，但通過髖臼的內移或者上移可以減少過多植骨覆蓋，因此需要進一步研究。Nawabi等[8]將23例CroweⅡ、Ⅲ 型髖臼旋轉中心上移至真臼上緣，能增加臼杯的骨覆蓋率，平均隨訪時間為12年，與在解剖中心髖臼重建相對比，聚乙烯磨損率無顯著差別。髖臼上移重建的優勢在于操作簡便、軟組織損傷輕，但術后翻修難度增高。張進等[9]對37例DDH合并髖關節骨性關節炎患者進行髖臼原位重建與高位重建的回顧性分析對比，長達41個月以上的隨訪，末次髖關節隨訪兩者髖關節Harris評分無明顯差別。由此可知不同的患者需個體化的手術設計，運用3D打印技術的精確性和個體化特征設計的模型可以提升手術的質量，例如：(1)測量明確真臼的位置，直視下觀察臼緣骨贅方便術中處理，避免術后髖臼撞擊綜合征；(2)評估髖臼周圍骨量，精準選擇臼杯最適植入位置；(3)術前模擬髖臼磨銼的位置、角度和深度，減少經驗性的誤差以及術中因體位改變而引起的外展角與前傾角的變化 ；(4)個體化導航模板制作。Zhang等[10]將22例DDH患者按照是否使用3D打印技術制作導航模板輔助髖臼植入分成傳統手術組(11)例和導航模板組(11)例，預設植入臼杯的外展角45°，前傾角18°，隨訪時間1年以上，導航組植入角度變異小于傳統手術組，植入髖臼假體的位置更加精確。Won等[11]通過制作3D打印模型對21例DDH患者行THA，術中植入髖臼與術前模型設計測量相差<2 mm約占80.9%，復查X線提示臼杯穩定性較好，無周圍骨溶解征相。因此，利用3D打印技術能夠使髖臼旋轉中心位置的確定更加精確，有利于髖臼假體植入的穩定性，改善髖關節功能，減少翻修率，通過模型制作能提升手術精準度，方便醫患之間對于疾病診治的溝通。

3 髖臼個體化設計以及骨缺損修復

DDH患者髖臼側常常伴有嚴重的病理改變，髖臼的頂壁及前壁多有骨質缺損，髖臼作為股骨與骨盆之間力學的傳導體，骨缺損處將導致力學傳導的改變。在骨缺損植骨技術上，最常用有結構性植骨以及顆粒打壓植骨。Ermis等[12]研究發現THA中髖臼假體骨覆蓋不全處進行結構性植骨能明顯改善髖關節功能，但隨訪時發現存在術后假體松動和移植骨吸收塌陷等現象。Bush等[13]對62例(74髖)髖臼結構性植骨使用骨水泥臼杯患者長達10年以上隨訪，假體使用率達98%，而且骨水泥型臼杯與非骨水泥型臼杯無明顯統計學差異。研究還發現年輕患者植入非骨水泥型假體具有更大的優勢。由于后期在臼杯翻修時對髖臼周圍骨量儲備要求較高，臨床實際應用中初次置換時可鉗取股骨頭中的松質骨與髖臼打磨出的骨泥相融合，并采用打壓植骨技術修補臼緣缺損處，使臼杯能被充分的骨性覆蓋。趙中原等[14]運用顆粒打壓植骨技術結合骨水泥型聚乙烯臼杯治療DDH患者發現，合適大小的顆粒骨打壓植骨能使宿主骨更好地與移植骨相融合，增強了假體的初始穩定性，髖關節Harris評分較術前提升較高，近期效果值得肯定，其中遠期效果值得探討。吳天昊等[15]使用自體顆粒骨結合骨泥打壓植骨治療40 例(45 髖)DDH患者，平均隨訪時間32.7個月，能加強髖臼骨性包裹，增強臼杯早期穩定性并恢復周圍骨量，短期療效滿意。但是當臼杯支撐的力學結構中存在1個部位的完全骨缺損時，僅顆粒打壓植骨難以維持髖臼假體的力學傳導，可運用結構性植骨技術[16]。目前臨床上使用的髖臼假體多為標準化設計而成，然而術中手術方式的選擇常因植入假體的特性而改變，因此根據患者的疾病特征制定個體化的假體和骨缺損修復方式，能穩定的重建髖臼旋轉中心將是未來的發展趨勢。隨著新型材料的發現和臨床應用研究隨訪，個體化的3D打印技術逐步獲得臨床醫生認可。付君等[17]運用個性化3D打印多孔鈦合金加強塊在動物模型上進行髖臼骨缺損重建的基礎研究，結論表明3D打印的加強塊在骨組織相容性和維持生物力學等方面具有較大優勢。程文俊等[18]采用3D打印技術制作的鈦合金骨小梁金屬(titanium trabecular metal，TTM)臼杯在THA中與經典Pinnacle臼杯相對比，發現3D打印定制臼杯表面摩擦系數更大，孔隙率和孔徑大小更適合早期骨長入，術后髖關節Harris評分對比無差異。Perticarini 等[19]使用3D打印鈦金屬臼杯對134例行全髖關節置換術，有效隨訪達72個月以上，復查X提示99.3%的臼杯無松動，周圍無骨質溶解征相。對于晚期行全髖關節置換術的DDH患者，將會使翻修率上升，其解剖變異更大，骨缺損面積更大，極大地提升了手術的難度。標準化設計的髖臼假體無法滿足大面積的骨缺損修復，容易導致手術的失敗。利用3D打印技術制作骨盆模型，定量測量髖臼缺損的面積，結合力學分析設計個性化的髖臼假體進行術前手術模擬，評估其是否滿足手術治療標準。Li等[20]使用3D打印定制化的髖臼假體對25例髖關節復雜骨缺損患者行THA治療，隨訪時間達52個月，復查X線片中未發現明顯假體松動征像。利用3D 打印技術進行病變模型制作、個體化植入物的設計，可以依據患者疾病的特征，制作符合生物相容性和力學結構的個體化骨缺損修復材料或者定制化的髖臼假體，在已有標準化的假體設計中增加了個性化的特征，使臨床實際應用中可選擇性增加。同時有助于疾病的診斷與分型，醫患之間直觀的溝通治療方案，術前植入物的術中預演，簡化手術流程等方面的發展。

4 問題與不足

目前3D打印技術已在DDH患者對于疾病的診斷分型以及手術規劃起著重要的作用，較傳統的CT三維影像有著無可比擬的優勢，但隨著應用的廣泛深入，其潛在的不足之處也越發明顯。其不足之處在于：(1)制作周期長，從CT、MRI等影像學資料到模型三維重建，數據整合，模型制作需要臨床醫生與各部門協調合作，從而無法在急診患者中使用；(2)材料與精度要求嚴苛，需要專業的人員培訓；(3)雖然3D打印技術在相關領域普遍使用，但臨床上由于涉及相關醫學倫理且尚無明確的法規審批，其制作成本較高，在當今緊張的醫患環境下，限制了其在臨床上的普及率。

5 展 望

3D打印技術在關節領域的應用，符合目前要求的個體化、精準化、微創化的發展理念。為復雜手術提供了術中手術模擬的機會，使手術更加標準化和精準化，為內植物的植入以重建解刨結構和功能完整性更加個體化，實現了患者與醫生之間的雙贏。

現階段3D 打印技術在術前規劃，部分個體化假體制造等方面已逐漸開始普及，隨著數字醫學及材料學的發展，利用3D 打印技術直接創造出有組織相容性的骨骼、血管、肌腱等，做到真正的實物打印，以獲取更高的臨床實用性。