3D打印技术用于人工全髋关节置换术治疗成人DDH的临床应用

杨清，杨毅，杨柳，张正学，龚跃昆，杨佳，溪应龙，段于平，李彪

(昆明医科大学第一附属医院骨科，云南 昆明 650000)

3D打印技术用于人工全髋关节置换术治疗成人DDH的临床应用

杨清，杨毅，杨柳，张正学，龚跃昆，杨佳，溪应龙，段于平，李彪*

(昆明医科大学第一附属医院骨科，云南 昆明 650000)

目的 本研究拟探究3D打印技术用于人工全髋关节置换术治疗成人髋关节发育不良(developmental dysplasia of the hip，DDH)的临床应用效果。方法 纳入2013年1月至2016年6月昆明医科大学第一附属医院骨科Crowe各型成人DDH患者共20例，Crowe Ⅰ型2例，Crowe Ⅱ型2例，Crowe Ⅲ型8例，Crowe Ⅳ型8例。所有患者制造出与实体1∶1的髋关节模型，并制定出合适的手术方案并按方案实施手术。记录患者的一般情况、并发症和患者患髋的功能指标(活动度、疼痛视觉模拟评分、髋关节功能评分)。结果 患者平均手术时间为(75.25±20.42)min，下床时间为术后(2.90±0.72)d，平均住院时间为(15.35±5.95)d。患者的髋关节功能评分(harris hip score，HHS)术前平均(51.30±8.02)分，末次随访(86.50±5.85)分，差异有统计学意义(P<0.001)；视觉模拟评分(visual analogue scale，VAS)术前为(5.51±1.19)分，末次随访为(1.05±0.88)分，差异有统计学意义(P<0.001)。所有患者均获随访，随访期间未出现关节感染、假体松动、假体脱位、坐骨神经损伤等并发症。结论 3D打印技术治疗髋关节发育不良的患者，特别是Crowe Ⅲ/Ⅳ型患者效果显著。

3D打印；成人髋关节发育不良；全髋关节置换术

成人髋关节发育不良(developmental dysplasia of the hip，DDH)因为病史较长、局部解剖异常、生物力学特点的变化以及继发骨关节炎等原因使其治疗一直是骨科医生面临的挑战[1-3]。随着个体的成长，其病理改变可能出现髋关节松弛，髋关节头臼比配异常，髋关节僵硬性脱位，髋臼发育障碍到最终关节软骨退变，骨关节炎形成等变化[4-5]。Wiberg在1939年就提出髋臼发育不良这一概念，并在其相应的影像学及临床研究中对髋臼发育不良、髋关节半脱位及脱位的区别进行了进一步明确[6]。全髋关节置换是治疗成人髋关节发育不良有效的治疗方法[7]。但是由于DDH患者解剖结构相当复杂，术前选择合适的假体，重建髋臼中心变得尤为重要。

3D打印技术是以计算机三维设计为基础，采用粉末、塑料、细胞组织等可黏合的材料，通过分层制造、逐层叠加的技术来构造相应的模型，3D打印技术作为一种新兴发展的技术，目前在工业制造、医疗设计等方面有较好的发展，并取得了相应的成就[8]。3D打印技术在骨科临床的应用主要是以下几种：a)实物模型的制作；b)骨科手术辅助材料的打印；c)骨科内置物材料的打印[9]。本研究探究了3D打印技术用于人工全髋关节置换术治疗成人DDH的临床应用。

1 资料与方法

1.1 一般资料 2013年1月至2016年6月，昆明医科大学第一附属医院骨科共收治Crowe各型成人DDH患者20例，其中男性8例，女性12例；Crowe Ⅰ型2例，Crowe Ⅱ型2例，Crowe Ⅲ型8例，Crowe Ⅳ型8例(见表1)。左侧9例，右侧11例。

表1 Crowe分型标准

纳入标准：Crowe各型成人DDH患者；疼痛影响日常生活和工作；对治疗均知情同意。排除标准：年龄小于18岁；疼痛不明显；合并髋关节感染；合并严重器官功能合并症，不能够耐受手术。

术前所有患者患肢髋部疼痛症状明显，髋关节活动受限，严重影响患者正常生活，并伴有不同程度髋关节发育性不良影像表现，具备手术适应证。

1.2 3D建模及制定手术方案 所有患者均行螺旋CT扫描，计算髋关节3D模型，以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出与实体1︰1等大的髋关节模型。

术前根据打印出相应的髋关节模型，分析患者的髋关节解剖结构、缺损部位、骨赘增生情况，术前首先制定出合适的手术方案。应用髋关节模型模拟手术过程，最终确定患者髋臼位置及对应假体(见图1～3)。

1.3 手术方法 所有患者取侧卧位，常规消毒，铺无菌巾，贴无菌手术贴膜。取后外侧入路切口，约10 cm。逐层切开，显露关节囊后部，取患肢屈曲、内收、内旋位，脱出并切断股骨颈，取出股骨头。彻底清除髋臼盂唇赘生物，根据术前制定手术方案寻找马蹄窝及股骨头韧带残端，显露真臼；打磨髋臼真臼，磨去软骨至露出松质骨、点状出血，人工臼体固定于真臼上，必要时可使用螺钉固定；植入相应大小聚乙烯内衬；截取股骨干中上部骨质约2 cm，将上下股骨合并。保留股骨矩1.5 cm，股骨近端开槽，植入股骨柄并调整前倾角；植入股骨头假体并复位；双氧水、碘伏、生理盐水冲洗伤口，关节腔内放入硅胶引流管，缝合关节囊，逐层缝合。

图1 患者1︰1骨盆模型

图2 打磨髋臼后，假体与髋臼匹配良好(正面观)

1.4 术后处理 术后给予抗感染、镇痛和安眠等对症支持治疗方案。术后同时使用低分子肝素药物抗凝和充气泵物理抗凝。术后3 d、5 d、1周和3周常规行下肢动静脉超声预防血栓。术后24 h拔除引流管，复查患肢髋关节X线片。术后指导患者行屈髋外展锻炼患肢功能，早期下床，在助行器辅助下行走。在术后康复锻炼过程中，详细记录患者功能锻炼情况。术后常规复查站立位双下肢全长正位X线片、骨盆正位X线片和股骨颈正斜位X线片。

1.5 评价指标 记录患髋的活动度、疼痛视觉模拟评分(visual analogue scale，VAS)、髋关节功能评分(harris hip score，HHS)和患者并发症(关节感染、假体周围骨折、下肢深静脉血栓、肺栓塞、假体松动及脱位、坐骨神经损伤)。

2 结 果

2.1 患者一般情况 患者的平均年龄为(45.40±13.35)岁，身高平均(160.10±7.55)cm，体重平均(60.75±12.78)kg，BMI指数平均(23.68±3.33)kg/m2。5例患者合并高血压，3例患者合并骨质疏松，3例患者合并糖尿病，4例患者合并有慢性阻塞性肺疾病。患者平均手术时间为(75.25±20.42)min；下床时间为术后(2.90±0.72)d，平均住院时间为(15.35±5.95)d。

2.2 患者功能比较 患者末次随访指标较术前有明显的提高。患者的HHS评分术前平均(51.30±8.02)分，末次随访(86.50±5.85)分，两者差异有统计学意义(P<0.001)。患者术前的VAS疼痛评分(5.51±1.19)分，末次随访为(1.05±0.88)分，患者疼痛明显减轻，术前与末次随访相比差异有统计学意义(P<0.001)。患者的术前曲髋外展活动度分别为(88.00±17.94)°、(21.50±12.68)°，术后末次随访曲髋、外展活动度分别为(106.00±8.82)°、(37.50±6.59)°，手术前后曲髋、外展活动度比较差异有统计学意义(P<0.001)。

2.3 并发症 患者均获得随访，平均随访时间(3.32±1.21)年。术中无假体周围骨折发生；术后无下肢静脉血栓、肺栓塞等并发症发生；随访期间未出现关节感染、假体松动、假体脱位、截骨不愈合、坐骨神经损伤等并发症。

2.4 典型病例 42岁女性患者，术前诊断为双侧DDH继发骨关节炎(Crowe Ⅵ型)，HHS评分39分，左髋屈曲65°，外展20°，右髋屈曲90°，外展40°。术前患者活动受限，步行距离约200 m，活动后VAS评分7分，疼痛剧烈，严重影响患者生活质量。根据患者三维重建结果，3D打印1︰1等大患者髋关节模型，并模拟手术。术中采用后外侧入路，由于患者下肢短缩明显，采用转子下截骨，并植入S-ROM假体。术后2年随访，患者未述特殊不适。末次随访中，患者左髋屈曲100°，外展35°，HHS评分91分，VAS评分1分，患者功能良好，满意度高。未发生关节感染、假体松动现象，假体脱位、截骨不愈合、坐骨神经损伤等并发症。手术前后影像学资料见图4～6。

3 讨 论

髋关节发育不良因为病史较长、局部解剖异常、生物力学特点的变化以及继发骨关节炎等原因使其治疗一直是骨科医生面临的挑战[1，10]。目前对于成人DDH主要采用手术治疗。手术治疗应考虑患者的年龄，手术治疗的最终目的是改变异常的髋臼方向使其变为正常的生理方向，并增加髋臼对股骨头的包容性，使股骨头与髋臼达到同心圆的复位，从而缓解髋关节的疼痛，恢复髋关节功能[6]。对于Crowe Ⅲ/Ⅳ型的患者，其由于股骨头脱位严重，髋臼骨缺损严重，在临床上的治疗面临巨大挑战[11]。

图4 术前骨盆正位X线片示双侧DDH继发骨关节炎(Crowe Ⅵ型)

图5 术后骨盆正位X线片示假体位置良好，无假体松动、假体脱位、截骨不愈合

图6 术后股骨颈正位及轴位X线片示假体位置良好，截骨处愈合良好，无假体松动及脱位

3D打印技术是一种先进的增材制造技术。在骨科领域，3D打印出手术部位实物模型及导航模板指导个性化手术已逐步应用于临床，主要用于进行术前方案设计、虚拟手术及术中辅助手术操作[12]。在膝关节、肩关节、肘关节等骨科领域，3D打印技术也为患者带来了良好的效果[13-22]。

现在国内应用3D打印技术治疗DDH也有研究报道了不错的治疗效果。官建中等在8例DDH患者中使用3D打印技术进行治疗，得出3D打印技术降低了成人髋关节发育不良行全髋关节置换的手术难度，具有广泛的临床意义[8]。杨龙等对收治的10例DDH患者的髋关节进行3D打印，得出了3D打印模型能够很好地显示髋关节的解剖形态，并可以有效帮助医生进行手术规划[23]。赵坤等应用3D打印机打印模型，得出3D打印技术能够指导制定手术计划，模拟手术操作，增加了手术的精确性，提高了安全性[24]。

因此，在我们的临床工作中我们将全髋关节置换和3D打印技术结合起来，解决掉DDH患者全髋关节置换术中的两个核心困难点：a)髋臼的处理。DDH CroweⅢ/Ⅳ型患者，常常由于多年的髋关节脱位，导致髋关节真臼被骨赘和软组织封闭，形成假臼。术中由于出血导致手术视野模糊以及股骨颈高位脱位遮挡的缘故，真臼的确定往往比较困难。其次，由于髋关节长期脱位，DDH患者的髋臼往往较为浅平，这就为髋臼的良好覆盖带来了困难；b)股骨的处理。DDH患者由于其异常的解剖结构，其股骨近端结构通常也有股骨干屈曲、股骨颈干角异常等特点，在术中进行股骨处理时，常常出现股骨骨折等严重并发症。因此，针对DDH CroweⅢ/Ⅳ型患者的这些特点，3D打印技术是一个既实用又有效的选择。在我们的临床实践中，发现术前应用3D打印的1︰1髋关节模型，可以提前确定患者真臼位置、髋关节旋转中心，提前确定是否需要髋臼植骨或金属垫块，确定臼杯和股骨假体的型号、股骨假体的前倾角及外展角和股骨截骨的位置。通过术前确定手术方案以及手术过程中严格执行，这20例患者的平均手术时间仅需75 min，同时由于术前手术方案的确定，减少了髋臼探查和股骨准备的时间，减少了术中对患者软组织的损伤，术后患者的下地时间平均2.9 d，患者术后早期功能得到快速康复。

除了患者的功能恢复之外，患者术中、术后的并发症同样是我们关注的重点。在手术期间，全部20例患者，无假体周围骨折发生，远低于既往文献报道DDH患者全髋关节置换假体周围骨折的发生率(20%～40%)[25]，其原因很大程度在于术前对股骨侧3D打印假体的充分测量，并选择最合适的股骨假体型号、最合适的股骨截骨位置，制定相应的手术方案并严格执行。由于相应手术方案的制定并严格执行，手术难度相对降低，手术时间仅为75 min，在一定程度上降低了患者术后假体周围感染的发生率。同时，减少了软组织破坏和术中出血，术后仅1例贫血和输血。本组无深静脉血栓、肺栓塞等严重并发症的发生，一定程度也得益于严格执行手术方案。患者术后下地时间仅为2.9 d，提前活动，早期功能锻炼，促进了患者下肢血液循环，减少了患者下肢静脉血栓和肺栓塞的发生。术后及随访过程中无假体脱位、坐骨神经损伤等并发症发生。

然而我们的研究仍有不足。纳入的患者一共为20例，其中男性8例，女性12例，远高于既往文献报道1︰6左右的男女比例[26-27]，很大程度上是由于经济条件等各方面原因，部分女性患者最终放弃手术。由于性别的比例及样本量较小的原因，相关并发症和功能的探究可以进一步扩大研究样本量，在此基础上相应的并发症可能有所发现。其次，我们的研究是没有传统治疗组的对照，如果有传统治疗组的对照，实验的说服力可以进一步提高。

3D打印技术降低髋关节发育不良患者全髋关节置换手术的难度，促进患者快速康复，特别是Crowe Ⅲ/Ⅳ型患者效果显著。在未来，进一步高质量的随机双盲对照的临床研究需要进一步开展，从而探究最佳的临床质量方案。

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Clinical Application of 3D Printing Technique in the Treatment of Developmental Dysplasia of the Hip in Total Hip Arthroplasty

Yang Qing，Yang Yi，Yang Liu，et al

(Department of Orthopedics，the First Affiliated Hospital of Kunming Medical University，Kunming 650000，China)

Objective To explore the clinical effect of 3D printing in the treatment of adult developmental dysplasia of the hip(DDH) with total hip arthroplasty(THA).Methods From January，2013 to June，2016，20 patients were diagnosed as DDH in the First Affiliated Hospital of Kunming Medical University.There were 2 cases of Crowe Ⅰ ，2 cases of Crowe Ⅱ，8 cases of Crowe Ⅲ，8 cases of Crowe Ⅳ .All patients underwent spiral CT scanning，and the hip 3D model were calculated to produce a large hip joint model with entity 1︰1.According to print out the corresponding hip model，we developed a suitable surgical program.The general condition，complications and the patient’s hip function (activity，pain VAS score，Harris Hip Score(HHS)) were recorded.Results 20 patients were diagnosed as DDH.The mean operative time was (75.25±20.42) min and the patient could stand and walk (2.90±0.72) d after operation.The average length of stay was (15.35±5.95)d.The mean HHS was (51.30±8.02) before the surgery and (86.50±5.85) at the last follow-up(P<0.001).The VAS score was (5.51±1.19) before the surgery and (1.05±0.88) at last follow-up (P<0.001).All patients were followed up with no complications such as joint infection，prosthetic loosening，fracture，prosthetic dislocation，sciatic nerve injury and other complications recorded.Conclusion 3D print technology was efficient in the treatment of hip dysplasia in patients，especially Crowe Ⅲ / Ⅳ patients.

three-dimensional printing；developmental dysplasia of the hip in adult；total hip arthroplasty

1008-5572(2017)08-0693-05

2016年云南省医疗卫生单位内设研究机构科研项目(2016 NS 023)；*本文通讯作者：李彪

R682.4

B

2017-03-09

杨清(1989- )，男，研究生在读，昆明医科大学第一附属医院骨科，650000。

杨清，杨毅，杨柳，等.3D打印技术用于人工全髋关节置换术治疗成人DDH的临床应用[J].实用骨科杂志，2017，23(8)：693-697.