3D打印技术在成年发育性髋关节发育不良患者股骨柄匹配度测量中的应用

孙晓亮，官建中，吴 敏，周建生，王照东，陈笑天，李 琛

成年发育性髋关节发育不良(DDH)患者终末期生活质量下降，失去劳动能力，人工全髋关节置换术(THA)是目前最为有效的治疗方式。重度DDH患者的髋臼及股骨近端解剖形态变异程度大，THA难度高，其中股骨假体柄的选择尤为重要,需要根据患者股骨近端具体解剖形态进行选择。官建中 等[1]利用3D打印技术对8例成人DDH患者进行术前骨盆模型的打印，在模型上预手术，提高了实际手术的成功率。但目前大多数研究都集中在髋臼侧，在股骨侧的深入研究则较少。本研究收集2017年11月～2018年11月在蚌埠医学院第一附属医院骨科行THA的成年重度DDH患者的三维CT数据(从骨盆至股骨髁部)，运用3D打印机制作出23例成年DDH患者(29髋)的畸形股骨模型，在1 ∶1模型上模拟手术安装两种不同形状的股骨柄髓腔锉，比较股骨假体不同柄的匹配度，从而为真实手术中股骨柄的选择提供参考,报道如下。

1 材料与方法

1.1 病例资料纳入行THA的成年DDH患者23例(29髋)，男2例，女21例，年龄24～67岁。Crowe分型：Ⅰ型8髋，Ⅱ型6髋，Ⅲ型8髋，Ⅳ型7髋。

1.2 设备与软件GE 64排128层容积 CT、联想笔记本电脑(由蚌埠医学院第一附属医院提供)； 激光快速成型3D 打印机(上海联泰科技股份有限公司)；光敏树脂(帝斯曼迪索特化学有限公司)。打印方式：光固化成型技术；GE公司CT自带三维重建软件；3D 医学打印软件：Mimics Medical 19.0。全髋关节置换术专用器械(北京爱康宜诚医疗器材有限公司)。

1.3方法① 首先对23例患者(29髋)进行骨盆至股骨髁部CT三维重建。按照Noble et al(1988年)提出的髓腔开口指数(CFI，即小转子中心近端20 mm处髓腔冠状径和股骨髓腔峡部冠状径的比值)进行分型：CFI<3烟囱型，34.7香槟型。② 在 Mimics 19.0中生成.stl文件，将文件导入3D打印机，进行股骨全长1 ∶1打印。在模型上进行模拟手术，利用国产爱康关节自带的截骨标尺进行股骨颈标准截骨(保留股骨距1.5 cm)，再取国产爱康关节提供的矩形及锥形假体柄髓腔锉分别进行模拟安装，依次增加股骨假体试模型号，达到匹配良好，固定稳定即可。见图1～15。以上研究经过蚌埠医学院第一附属医院伦理委员会批准。

1.4 匹配度的测量将安装假体的股骨模型行CT三维重建，将数据导入Mimics 19.0进行股骨假体柄在股骨截骨处、截骨远端2.5 cm、截骨远端7.5 cm及髓腔峡部位置处匹配度[2]的测量，由冠状位股骨柄的宽度比股骨髓腔内径来计算(以百分数计算)。

图1 双侧DDH患者双下肢全长 图2 CT横断及冠状面图像 图3 经Mimics软件重建后图像 图4 3D打印股骨全长模型 图5用标准截骨标尺标记截骨线 图6 摆锯模拟截骨 图7 矩形股骨柄试模 图8 锥形股骨柄试模 图9 安装后再次行CT三维检查 图10 矩形股骨假体安装后CT定位像图11 锥形柄假体安装后CT定位像 图12 将CT数据再次利用Mimics软件重建图像 图13 各个髓腔平面定位图像 图14 ab为股骨柄宽度，ac为髓腔宽度，ab/ac×100%为股骨柄匹配度 图15 髓腔股骨柄匹配度示意[2]

2 结果

见表1。按照髓腔开口指数(CFI)分型，香槟型8髋，正常型11髋，烟囱型10髋。

2.1 股骨截骨处匹配度测量结果比较烟囱型股骨中，矩形柄的匹配度显著高于锥形柄(P<0.01)。香槟型股骨中，锥形柄的匹配度高于矩形柄(P<0.01)。

2.2 股骨截骨远端2.5 cm处匹配度测量结果比较正常型股骨中，矩形柄和锥形柄匹配度比较差异无统计学意义(P>0.05)。香槟型股骨在此位置的解剖变异较大，锥形柄匹配度显著高于矩形柄(P<0.001)。而对烟囱型股骨，矩形柄比锥形柄更占优势(P=0.001)。

2.3 股骨截骨远端7.5 cm处匹配度测量结果比较正常型股骨中，矩形柄和锥形柄匹配比较差异无统计学意义(P>0.05)。香槟型股骨中，锥形柄明显优于矩形柄(P<0.01)。而相较于锥形柄，烟囱型股骨更适合矩形柄(P<0.01)。

2.4 股骨髓腔峡部匹配度测量结果比较正常型股骨中，矩形柄匹配度与锥形柄比较差异无统计学意义(P=0.333)。香槟型股骨中，锥形柄的匹配度显著高于矩形柄(P<0.001)。烟囱型股骨近端髓腔较为陡直，锥度较香槟型股骨小，矩形柄匹配度优于锥形柄(P<0.01)。

3 讨论

成年DDH患者终末期常继发髋关节骨关节炎，严重影响生活质量。THA为目前最合理的治疗方法[3]，手术难点在于正确的髋臼假体安放位置、股骨柄的选择、前倾角的控制及双下肢长度的调整[4]。DDH患者股骨近端解剖变异大，研究结果表明股骨近端的髓腔狭窄和前倾角变大，颈干角增大及股骨大转子旋转移位[5]。刘双鲁[6]对48髋DDH患者进行Crowe分型并测量参数，相对于 Crowe Ⅰ～Ⅲ 型 DDH，CroweⅣ型股骨近端髓腔更直立、更接近烟囱型；大转子最高点和股骨峡部高度更高，小转子水平的近端髓腔缩窄更为显著。股骨近端解剖上的变异直接影响THA手术中股骨柄的选择和股骨近端的重建及双下肢长度。刘宏伟[7]认为，股骨柄理想的位置为假体轻度外翻位≤3°及中立位；>3°的内、外翻固定均要避免。

随着3D打印技术的普及，刘宏伟[8]利用电子束熔融(EBM RP)金属3D打印制造出个性化定制的股骨柄套袖，个性化袖套与干骺端髓腔有着完美的匹配。受到3D打印技术的限制，打印柄的强度较弱，暂时还不能完全适应人体直立行走，尚没有应用于临床。虽然S-ROM柄及Wagner柄在设计上有较大创新，在DDH患者的THA中受到许多关节外科医生的青睐，可是其费用较高，经济落后地区患者难以承担。相比之下，锥形柄及矩形柄等价格低廉，在实际应用中也能取得满意的疗效，减轻患者负担。朱晨 等[9]采用改良股骨大转子滑移截骨术联合近端固定型非骨水泥股骨假体柄对30例股骨近端严重畸形的患者(35髋)行初次THA，术中均选用近端固定生物型矩形或锥形直柄，临床效果良好。因此本研究选用矩形及锥形柄在同一个股骨模型上操作，测量股骨近端(截骨处，截骨远端 2.5 cm)及远端(截骨远端7.5 cm，髓腔峡部)水平位置处柄体与股骨髓腔内壁的匹配度。

表1 股骨柄匹配度

3.1 不同平面股骨柄匹配度差异分析

3.1.1股骨截骨处匹配度差异分析 本研究结果显示，在烟囱型股骨截骨处，矩形柄的匹配度显著高于锥形柄，笔者认为与柄的转子区形状有关，矩形柄横截面为矩形更接近截骨处股骨髓腔的形态。按照Noble et al的分型，CFI>4.7称为香槟型或漏斗型，而锥形柄的柄体整个纵向呈 3 °锥度，横截面呈圆形或椭圆形。假体固定理念为通过假体与股骨近端截骨处小转子区域的紧密压配，已获得良好的初始稳定性，而在矢状面上整个股骨柄获得股骨近端后方、中段前方、远端后方的3点支撑，以利于减轻应力的遮挡。香槟型股骨截骨端截面正如“漏斗口”般，与锥形柄的设计相契合。

3.1.2股骨截骨远端2.5 cm处匹配度差异分析 股骨截骨处及截骨远端2.5 cm水平位置代表股骨柄的近端稳定性，我们利用Mimics Medical 19.0测量的结果分析，截骨远2.5 cm是香槟型股骨髓腔截面由近似矩形向类圆形转变的交界处，且相对于正常型股骨形变的幅度较大。锥形柄整体呈纵向3°锥度，形变处与股骨皮质更加贴合。与锥型柄在转子下区域强调“填充”理念不同，矩形柄的侧重点在于紧密的压配，可保留大量骨内膜，保存髓腔内的血供，促进骨长入。本研究患者中，烟囱型股骨的髓腔宽大但CFI较小，且髓腔在截骨远2.5 cm位置处形变较小，髓腔较为陡直，并没有像香槟型股骨在该区域突然变窄，矩形柄横截面的4边与骨面紧密压配，下肢旋转时柄的稳定性得以保持，并能够缓冲应力传导。

3.1.3股骨截骨远端7.5 cm处匹配度差异分析 股骨截骨远端7.5 cm及股骨峡部均为股骨干区域，根据本研究中对股骨远端7.5 cm位置横截面参数的测量，发现股骨在此位置的横截面更接近于圆形，与锥形柄横截面的椭圆形更加契合。由于DDH患者的髓腔大多细于正常人，锥形柄设计时强调在股骨干骺端及颈干交界区域的高匹配和填充效应导致柄的型号相对较小。本研究模拟手术时发现，大一号的锥形股骨柄因股骨干骺端的阻挡难以安装到满意的位置，但对于同一例股骨模型矩形柄则可以用到较大型号，故在股骨远端区域锥形柄较细，矩形柄的4边截面使匹配度更高，可以对股骨远端提供良好的把持力防止柄体旋转，增加远端稳定性。

3.1.4股骨髓腔峡部匹配度差异分析 有学者利用三维CT对正常股骨形态进行测量，发现股骨近段髓腔横断面由近向远从不规则椭圆形向圆形转变，骨皮质逐渐增厚，峡部处的骨皮质最厚[10]。锥形柄的设计理念是取得股骨干骺端及转子下区域的稳定和压配，对远端的稳定性关注较少，中远端柄体较细小，在髓腔中的填充稍差[11]。但是矩形柄柄体远端横截面宽而扁，虽然也属于近端固定为主型，但其远端稳定性强于锥形柄，因此可应用于烟囱型髓腔。

3.2 本研究的创新点及不足之处创新点：① 本研究利用3D打印技术重建DDH患者的1 ∶1全股骨模型，精确地模拟了DDH患者股骨近端的解剖形态，能够为实验中股骨柄的安装提供可靠的依据。② 研究所用的打印材料为液体的光敏树脂，在模型成型后髓腔内表面处理光滑，减少测量误差。本研究的64排螺旋CT在扫描模型前可以将模式调整为“MAR模式”，减少金属伪影对测量结果的影响。③ 由于进行的是全股骨打印，包括股骨头至股骨髁部，在模拟手术安装股骨柄时，可以参照股骨后髁间连线来掌握股骨颈前倾角，使安装更接近真实手术。④ 本研究用同一股骨模型分别安装两种形状的股骨柄，是在真实手术中所不能实现的，这样可以避免不同患者股骨柄匹配度所产生的随机误差。不足之处：① 本研究中所用的股骨柄为试模，同真实的股骨柄相比在柄体的宽度上有一定差距，影响了测量结果。② 通过3D打印的股骨模型主要模拟的是形态参数，但骨组织是具有复杂结构的不均质材料，主要成分为羟基磷灰石、Ⅰ型胶原和水，具有很好的硬度和强度及一定的韧性[12]，而打印出的模型是单一的光敏树脂材料，在硬度和韧性上均有区别。在安装股骨柄时缺乏股骨内皮质对假体的“夹持力”，不能100%重建骨骼的细微结构。CT 扫描层厚及 3D 打印机的精度还有待进一步提高，以便完美地重建骨骼形态。③ 本研究的DDH患者例数较少，需要在今后研究中进一步扩大样本量。④ 对于Crowe Ⅳ型的高脱位DDH患者，在THA中如果想将髋臼恢复到真臼水平，可能需要进行股骨短缩截骨来完成，但是也有不截骨取得良好疗效的报道。本研究高脱位病例较少且截骨的方法众多暂无统一术式，故未模拟短缩截骨术，待下一步加强高脱位病例的收集进行更深入的研究。