3D打印技术制造骨盆模型对DDH患者进行人工髋关节置换术的研究

陈银华，孙天祥，钟易林

(绵阳市第三人民医院(四川省精神卫生中心)骨科,绵阳　621000;*通讯作者,E-mail:13508109927@qq.com)

随着医学科技的不断提升,成人髋关节发育不良(developmental dysplasia of the hip in adults,DDH)的治疗手段不断增多,目前临床治疗DDH常见的方法有骨盆截骨、髋关节融合、股骨截骨以及人工髋关节置换等等[1]。其中骨盆、股骨截骨治疗方法受限于年轻患者,虽然在缓解该类人群早期病症和疼痛表现出理想效果,但对老年患者治疗效果不佳[2];髋关节融合虽然适用于各类患者,且在改善患者疼痛方面具有显著优势,但该治疗方法无法确保患肢活动机能的有效恢复,且患者满意度较差[3]。为了探索最适合的理想治疗手段,本次实验围绕人工髋关节置换术展开,同时采用3D打印技术制造骨盆模型,在治疗方面取得了理想成效,具体报道如下。

1　资料与方法

1.1　一般资料

选择2016-06～2017-01我院接受人工髋关节置换治疗的84例成人髋关节发育不良(developmental dysplasia of the hip in adults,DDH)患者作为研究对象,参与患者符合以下纳入标准[4]:①各个Crowe类型患者均有参与;②髋关节不存在外力造成的伤害,未伴随出现其他疾病且符合手术适应证;③患处疼痛感较明显,对日常起居均有一定影响,临床影像检查结果显示为髋关节发育性不良合并骨性关节炎;④患肢肌力超过Ⅳ级,表现正常。按照随机编号方法(将患者顺序编号,然后根据随机数字表法将患者进行分组)平均分为两组：3D打印组和对照组。3D打印组患者包括男性26例,女性16例,年龄43-69岁,平均年龄(43.7±6.4)岁,其中CroweⅠ型12例,CroweⅡ型9例,CroweⅢ型11例,CroweⅣ型10例；对照组患者包括男性23例,女性19例,年龄46-66岁,平均年龄(46.3±7.1)岁,其中CroweⅠ型11例,CroweⅡ型12例,CroweⅢ型14例,CroweⅣ型5例(见表1)。两组患者的一般资料有可比性(P>0.05),本研究经过医院伦理委员会批准，患者均知情同意。

1.2　方法

1.2.1对照组治疗方法对照组患者应用常规技术进行治疗,首先通过64排螺旋CT扫描方式对患者的患肢髋关节进行全面检查。检查完毕后,医生为患者实施手术,将患者脱位的关节复位。

表1两组患者Crowe型对比(例)

Table1ComparisonofCrowetypebetweentwogroups(cases)

组别nⅠ型Ⅱ型Ⅲ型Ⅳ型对照组4212911103D打印组421112145 χ21.3941.5911.5251.635 P0.8540.5580.5980.233

1.2.23D打印组治疗方法首先通过64排螺旋CT扫描方式为患者的患肢髋关节进行全面检查,将各项检查数据输入计算机后借助专用软件建立3D模型,随后将建立的三维数字模型进行分区操作,以层截面为单位完成分解后,将该模型相关参数值输入3D打印机后输出相应的髋关节模型[5]。以某患者为例,在置换术前为该患者进行X线片检查,并建立3D模型,将模型输入并打印,之后实施THA操作,观察患者股骨头畸形状态,在实际操作中使真臼点与模型指示位置吻合,以确保置换关节状态良好(见图1)。

A.置换术前患者X线片检查; B. 3D模型的建立; C.模型输入打印; D.实施THA操作后患者股骨头畸形状态; E.真臼点与模型指示位置吻合; F.置换关节状态良好图1　3D打印组某患者建模过程影像图Figure 1　Imaging of modeling process in a DDH patient in 3D group

待建模工作结束后结合模型确定手术治疗方案,同时展开模拟治疗操作,操作治疗的关键环节集中在重建髋臼、确定生物假肢、股骨近端处理三个方面[6]。重建髋臼要根据不同Crowe类型的DDH患者制造不同的形态,如CroweⅠ型和CroweⅡ型髋臼为浅杯状,CroweⅢ型和CroweⅣ型髋臼窝贝壳状[7]。在治疗方案确定后要结合已建立的患肢一侧髋关节模型和影像检查结果展开模拟手术,手术执行小组需要在详细分析治疗方案的前提下实施治疗,术前锁定髋臼中心,并结合患者需求确定合理的髋臼假体完成置换手术[8]。

1.3　观察指标

详细记录患者手术治疗时间、术中出血量、术后引流量等指标,对3D打印技术在人工髋关节置换术中的应用情况进行评估[9];同时借助Harris评分观察该技术在人工髋关节置换术中使用效果,分别从疼痛、功能、畸形和运动范围4个方面对患者术后髋关节情况进行评测;并观察和统计术后患者出现的并发症,如股骨劈裂骨折、神经并发症、截骨延迟愈合、术后脱位等[10]。

1.4　统计学方法

2　结果

两组DDH患者进行人工髋关节置换术结果显示,3D打印组患者手术操作时间、出血量、术后引流量均显著低于对照组(P<0.05,见表2)。

对比两组DDH患者治疗前后Harris评分情况可知,治疗前两组患者Harris评分相差不大,治疗后3D打印组患者Harris评分结果明显优于对照组(P<0.05,见表3)。

组别n手术出血量(ml)手术操作时间(min)术后引流量(ml)对照组42510±2886±21312±113D打印组42460±2273±18270±15 t4.7686.4136.451 P0.0210.0360.038

组别时间 疼痛 功能 畸形运动范围 对照组治疗前28.6±4.327.8±3.92.1±0.22.2±0.4治疗后31.7±4.9*30.4±9.7*2.6±0.4*2.9±0.6* 3D打印组治疗前28.4±4.128.1±3.62.2±0.32.3±0.3治疗后39.1±5.8*#37.8±10.4*#3.1±0.6*#3.5±0.7*#

同组与治疗前比较,*P<0.05;治疗后与对照组比较,#P<0.05

对比两组DDH患者治疗后不良反应发生情况可知,3D打印组患者治疗后并发症发生率明显低于对照组(P<0.05,见表4),可见采用3D打印技术相比其他制造骨盆模型方法在DDH患者进行人工髋关节置换术后并发症发生率较低。

表4两组DDH患者治疗后不良反应发生情况比较例(%)

Table4Comparisonofincidenceofadversereactionsbetweenthetwogroupsaftertreatmentcases(%)

组别n股骨劈裂骨折神经并发症截骨延迟愈合术后脱位对照组426(14.3)8(19.0)9(21.4)7(16.7)3D打印组423(7.1)3(7.1)2(4.8)3(7.1) χ25.4676.9417.4166.794 P0.0340.0150.0460.023

3　讨论

3.1　3D打印技术简述

3D打印技术是指以计算机技术、数字控制技术以及三维CT技术作为支撑,将相关数据参数按照离散或者堆积的原理建立模型,同时将模型按照真实生物结构塑造成实物[11]。该技术分为多种类型,包括光固化成型技术、电子束熔融技术、选择性激光烧结技术、熔融沉积成型技术、分层实体制造技术、选择性激光熔融技术和电子束熔融技术等[12]。本研究结果显示,对照组患者手术操作时间、出血量、术后引流量均显著高于3D打印组(P<0.05),由此可知3D打印技术相比其他制造骨盆模型方法在DDH患者进行人工髋关节置换术中具有明显优势,可以缩短手术时间,降低术后出血量和引流量,促进DDH患者快速康复。

3.2　全髋关节置换术后患者情况

全髋关节置换术后患者出现不同程度的并发症反应,集中表现为血管损伤、神经并发症、创口感染、脱臼、静脉血栓、生物假体松动或者四周骨组织出现移位和骨折现象等[13]。对比两组DDH患者治疗后不良反应发生情况可知,3D打印组患者治疗后并发症发生率明显低于对照组(P<0.05),可见采用3D打印技术相比其他制造骨盆模型方法在DDH患者进行人工髋关节置换术后并发症发生率较低。相关实践证实[14],3D打印技术在DDH患者进行人工髋关节置换术后并发症的发生与手术治疗方案的确定、生物假肢、术中和术后精细处理等有直接关系,此外还可能与随访时间等因素有相关联系[15]。对比两组DDH患者治疗前后Harris评分情况可知,治疗前两组患者Harris评分相差不大,治疗后3D打印组患者Harris评分结果明显优于对照组(P<0.05),由此可知该技术有利提升Harris评分,对患者患肢运动功能改善具有积极作用。

3.3　3D打印术的应用

当前临床治疗DDH中,3D打印技术在生物假体、关节置换术中发挥了关键的建模作用,就其在生物体支架方面的贡献而言,水凝胶支架解决了一直困扰操作的软骨填充问题,科学实验证实3D打印技术制造的纤维蛋白已经满足骨填充的需要[16]。种子细胞打印技术作为传统打印细胞方法近年来得到有效的改进,不断突破技术瓶颈[17]。利用周围环境实现调节和控制的激光技术直接、高效地提升种子细胞存活率[18]。人体骨髓间质干细胞可同时分化为不同细胞,通过外界环境的激发和诱导干细胞分化为不同组织细胞,从而提升各种组织细胞的获取能力,因此该细胞作为生物置换术的基础细胞在关节置换围术期发挥了重要作用[19]。当前阶段3D打印技术依然实现了固化生物活性因子的目标,使得该类因子在水凝胶支架上完成对种子细胞的调控[20]。生物关节材料后期分解及置换后关节机能的恢复已经成为继置换术后受到广泛关注的议题[21]。当前医学水平,伴随着3D打印技术在关节置换方面的不断深入应用,以及渗透到各个骨科范畴,具有巨大的发展、使用价值[22]。

综上所述,3D打印技术在人工髋关节置换术方面已经取得理想效果,随着医学研究的不断发展,该技术在生物假体模型制作和关节置换术方面的优势不断凸显。

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