3D打印技术指导成人髋发育不良全髋置换术中臼杯大小选择的初步探索

陈杰 许燕飞 郭英 艾元亮 王涛 张俊 李皎 袁长飞 李玉恒 蒋江丽

【摘 要】目的：探讨3D-打印技术在成人髋发育不良全髋置换术中如何指导选择臼杯大小的应用价值。方法：选择2014年6月至2017年12月间我院成人髋臼发育不良患者21例进行全髋关节置换术，男性5例5髋，女性16例16髋，按Crowe分型，Ⅱ型6例（6髋），Ⅲ型11例（11髖），Ⅳ型4例（4髋），年龄30～78岁，平均年龄55.3岁。所有患者术前行CT扫描并将二维原始数据导入专用软件进行三维重建，利用软件剖面分割技术充分观察髋臼的特异形态，并将模型数据传送至3D打印机打印出髋关节模型，提前确立旋转中心、真臼位置等，从而拟定臼杯大小，在实体模型上进行术前演练。术后对髋关节功能进行Harris评分，对二维术前计划及三维术前计划所拟定的臼杯假体大小型号与实际置换中的假体型号吻合度进行评估。结果：21例患者均获得3～36个月术后随访，平均随访12. 8月，术前为（46.2±5.3） 分，术后评分为（ 86.3±4.3） 分，差异有统计学意义（P<0. 05），优17例，良4例。利用3D—打印技术拟定的臼杯大小数据中85%与实际置换中一致，其组内相关系数为0.865，明显较基于X射线平片所作的二维术前计划准确。结论：3D-打印技术指导成人髋发育不良全髋关节置换术中臼杯大小型号选择具有较高的参考价值，同时可缩短手术时间，最大化地增加假体的稳定性。

【关键词】髋臼发育不良；全髋关节置换术； 臼杯型号； 3D打印

【中图分类号】R323.4+5

【文献标志码】A

【文章编号】1005-0019（2018）08-010-01

成人先天性髋臼发育不良（DDH）是一种先天性的髋关节发育性疾病，致残率较高，目前人工全髋关节置换术是治疗成人先天性髋发育不良的公认方案 [1]。由于DDH患者股骨-髋臼发育异常，如髋臼缺损、变浅，臀中肌变形等解剖畸形，使得手术操作及假体选择较为困难，臼杯选择不当在术后常会出现假体脱位、疼痛等并发症，而合适的臼杯大小能获得较好的力学稳定性，更好的压配及骨性覆盖能减少并发症的发生[2]，因此根据患者个体化的髋臼结构特点选择与骨盆相适的臼杯大小型号，制定出个性化的手术方案显得尤为重要。

既往传统的二维影像学资料对骨性结构特点的分析存在一定的局限性，使得术前计划存在偏差[3]。近年来兴起的3D-打印技术开始被广泛应用到全髋关节置换的术前计划中，3D-打印技术能准确、直观、立体的呈现出髋臼的特异性结构，在此技术上所进行的三维术前计划为个性化臼杯假体大小型号的选择提供了新的手段。

1 资料与方法

1.1 临床资料 选取我院2014年6月至2017年12月间在我院明确诊断为成人发育性髋关节发育不良且需进行全髋关节置换患者21例，按Crowe分型，Ⅱ型6例（6髋），Ⅲ型11例（11髋），Ⅳ型4例（4髋），年龄30～78岁，平均年龄55.3岁。

选择标准：①明确诊断为成人DDH并且Crowe 分型为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型的患者；②严格按髋关节置换适应证入选；③患者对治疗相关内容均知情同意。④年龄在20岁以上，能够耐受手术，均在我院成功实施初次人工THA；⑤手术均统一术者、术式操作。

排除条件： ①合并严重器质性疾病、内科基础较差的患者；②风湿、类风湿性关节炎患者；③合并严重感染患者等。

1.2 方法

1.2.1 术前3D模型制作

①所有患者行螺旋CT扫描后均进行模型运算，分别获得两种3D模型，并以STL格式保存，按照一定的参数输出至3D快速成形机，分别制作出与实体1∶1等大的全髋关节模型和不含股骨头及股骨上段的髋关节模型。

②打印模型的效度验证：邀请关节外科组医师进行问卷开放性调查，对采用3D打印模型进行术前规划的有用性、逼真度和真实感进行评价；术者术后填写问卷对3D打印模型的逼真性及假体吻合度进行评价。

1.2.2 两组术前计划

Ⅰ组：利用传统的胶片模板法在患者正位骨盆X线片上进行术前设计，预测臼杯假体型号大小，参照Ranawat标准安放髋臼假体。

Ⅱ组： ①在实体打印出的髋臼模型上，观察髋臼发育的形态（CroweⅡⅣ型浅杯状、CroweⅢ、Ⅳ型贝壳状等），对健侧及患侧进行对比，根据髋臼的发育情况判断出真臼位置；②观察股骨近端股骨头的畸形程度、颈干角大小及股骨位置上移的程度；③通过观察髋臼骨质缺损的程度及骨赘增生的程度，来评估髋臼后壁可磨削的范围及是否需要进行结构植骨；④测量髋臼后壁厚度、臼窝前后径、股骨偏心距等数值，确定出髋臼旋转中心，即假体安放的中心；⑤清除髋臼模型上的增生骨赘，进行术前模拟设计，通过使用不同直径的骨锉对髋臼进行磨锉，从而拟定出所要植入真臼内的臼杯型号大小，并模拟臼杯假体植入的过程，确保臼杯安放于真臼内，并获得最好的骨质包容，达到最佳的初始稳定性。

1.2.3 全髋关节置换术 取90°健侧卧位，髋关节后外侧切口，彻底松解患髋周围软组织，显露出关节囊，取出股骨头，显露髋臼骨性结构并明确髋臼发育不良类型和骨缺损程度，与术前三维数字重建图像进行对比。根据术前计划中的骨性标志确定真臼位置、清除骨赘、磨锉髋臼、安放假体，评估髋臼对臼杯包容度及稳定性，最后置放臼杯、股骨柄假体，必要时行粗隆下截骨，检查髋关节活动度及稳定性。术毕常规抗感染、抗凝等对症处理。

1.2.4 疗效评价 评价指标：（1）术后采用Harris评分标准对髋关节功能进行评测，总分为100分，优：>90分、良：8 0～90分、中：70～79分、差：<70分；（2） 评估二维及三维术前计划所拟定臼杯假体型号与实际关节置换中臼杯型号吻合度。

1.2.5 统计学方法 使用SPSS14.0软件进行统计学分析，采用组内相关系数（ICC）对二维髋关节置换术前计划及三维髋关节置换术前计划与实际置换中假体尺寸的吻合度进行评估。对于关节置换前后关节功能改善Harris评分差异采用配对t检验作分析，P < 0.05为差异有显著性意义。

2 结果

2.1 随访形式 要求患者术后第3、6个月、1年，以后每年返院复查，本组21例患者均获得3～36个月术后随访，平均随访12. 8月，随访率为88.5%，随访形式为来院复诊及电话随访，随访记录时间从术后第3个月开始。

2.2 疗效评定 术前Harris评分为（46.2 ±5.3） 分，随访时评分为（ 86.3 ± 4.3） 分，差异有统计学意义（P<0. 05） ，优17例，良4例。说明全髋关节置换术明显改善了髋关节的总体功能。

2.3 患者髋关节置换前计划与实际臼杯假体吻合情况 计算机辅助髋关节置换术前计划所拟定的臼杯大小数据中有17个与实际关节置换中的一致，比率为85%，相比之下，二维计划仅有15%的吻合率。对二维髋关节置换术前计划所拟定的臼杯尺寸与关节置换中实际应用尺寸大小进行吻合度评估，其ICC值为0.225，较三维髋关节置换前计划与实际应用臼杯尺寸间ICC值明显偏小，后者值为0.865。

3.1 成人髋发育不良全髋置换术臼杯大小的选择 成人髋发育不良进行全髋关节置换术，在臼杯大小选择的问题上通常面临以下两种情况：①选择大臼杯可有效降低脱位率，同时由于DDH患者年龄结构相对偏小，使用大直径陶瓷股骨头假体，可获得更优的摩擦界面增加抗磨损率、延长假体的使用寿命。但对于CroweⅢ、Ⅳ型臼壁发育较差的患者而言，需要通过进行结构植骨来满足臼杯的骨性覆盖，远期可能出现植骨块吸收、假体松动的风险；②选用小号臼杯臼杯初始稳定性更强，可避免结构植骨，为二期翻修做准备；但由于小臼杯假体应力集中，远期松动率较高。臼杯假体大、小各有自己优缺点，没有绝对的优劣之分，在对成人髋发育不良患者进行全髋置换时合适的臼杯假体显得极其重要，只有平衡好臼杯大小与稳定性、磨损率及活动度之间的关系，才能满足匹配大直径股骨头假体的需求，又能获得良好的骨性覆盖。由于术者有不同的手术经验和观点，术中往往根据自己的经验选择臼杯大小，对于经验不足的手术医师，术中对患者髋臼特异的骨性结构特点把握不是全面，往往不能真正做到“取长补短”，很难选择最合适的臼杯大小。所以在术前根据患者特异的髋臼骨性结构拟定合适的臼杯大小意义重大。

3.2 3D-打印技术在臼杯假体选择中的优势 使用传统的胶片法進行术前设计可因为X片放大比率、骨性重叠、人为主观等因素导致选择假体时产生误差[3]。如何利用3D-打印技术进行术前设计选择合适的臼杯大小，我们的解决方案如下：①对于CroweⅡ、Ⅲ髋臼壁发育尚可，前后壁骨量相对较多患者，在保证髋臼杯有良好骨性包容、稳定性及骨贮备前提下尽量选择使用大号臼杯以匹配大直径陶瓷股骨头假体，术中通常可以在原髋臼骨性结构的基础上磨锉，放置臼杯假体，通过术前模拟观察臼杯的骨性包容情况，拟定臼杯大小。本组患者中CroweⅡ型6例（6髋）、Ⅲ型4例（4髋）我们采用直径50mm以上髋臼杯，平均臼杯直径达54mm；②对于部分CroweⅢ型患者，髋臼前壁或外上方发育不佳、骨质缺损者，为了避免结构植骨，可选择髋臼内移加深或内陷截骨，通过术前臼杯模拟植入，观察髋臼内壁有无戳穿及髋臼前后壁对臼杯的骨性包容情况，拟定一个臼杯大小，其既能满足骨性覆盖、稳定性的要求，又能避免结构植骨，本组CroweⅢ型4例（4髋）使用了48～52mm臼杯假体，平均直径为50mm。③对于髋臼发育不佳、骨量少，但必须使用大直径陶瓷股骨头假体的年轻患者，往往需进行结构植骨，我们利用术前测量、评估臼杯骨性覆盖情况，首先判断所选择臼杯骨缺损面积是否需要进行植骨，同时对植骨面积、位置进行术前测算。本组中CroweⅢ型3例（3髋）术前3D-CT模拟后发现臼杯假体有大于30%的缺损面积，选用直径52～56mm的骨小梁金属臼杯假体，同时进行结构植骨。④对于CroweⅣ患者，术前模拟发现髋臼各壁发育均较差，往往只能通过内移加深来重建髋臼，选择臼杯时只能选择型号偏小的臼杯假体来获得理想的骨性包容，但我们争取髋臼杯假体至少44mm，（LINK Combi CuP 臼杯直径44mm可匹配32mm的陶瓷股骨头假体），通过术前模拟以验证可行性。本组CroweⅣ型4例（4髋），选用直径40～48mm，平均44mm臼杯假体来获得理想的骨性包容。本组21例患者术中实际植入臼杯假体型号与术前拟定型号吻合度达85%，再次验证了3D-打印辅助技术对成人髋发育不良全髋关节置换术前假体型号的选择具有较高的参考价值，它为成人髋发育不良选择个性化的臼杯大小型号提供了一个精确、客观的新手段。不但有利于提高手术的精确性，缩短手术时间，更重要的是减少术中骨折及术后假体松动等并发症的发生。

4 结论

使用3D-打印技术进行术前设计为成人髋发育不良全髋置换术中臼杯假体大小型号的选择提供了一个较为直观、准确的测量和评定方法，具有较高的指导价值。

参考文献

[1] Li H，Wang L，Dai K，et al.Autogenous imPaction grafting in total hiP arthroPlasty with develoPmental dysPlasia of the hiP.J ArthroPlasty.2013；28（4）.637-643.

[2] 易勇，卜延民，李晓辉，蔡友毅，谢红波，刘继仁.全髋关节置换术生物型臼杯大小选择的影响因素[J].中国骨与关节损伤杂志，2011，26（04）：342-343.

[3] 王野舟，肖荣驰.人工全髋关节置换术前设计的研究进展[J].世界最新医学信息文摘，2018，18（06）：61-63.