3D打印技术在髋关节置换术中的应用

邹康，罗炜

郴州市第一人民医院骨外科，湖南郴州423001

前言

髋关节置换术是临床治疗复杂性髋部疾病的主要方法，术前依据X射线、CT等影像学方法对髋关节疾病进行观察并作出诊断［1-2］。传统的髋关节置换术存在局限性，无法准确预测病变及周围的解剖结构，提升了手术难度［3］。3D 打印技术通过打印患者个体化的骨骼模型，实现三维立体直观角度观察患者骨质情况，能够观察到以往辅助检查忽视的解剖细节，具有其独特优势［4-5］。本研究探讨3D 打印技术在髋关节置换术中的应用。

1 资料与方法

1.1 一般资料

对郴州市第一人民医院2018年5月～2020年4月间130 例行髋关节置换术患者的临床资料进行回顾性分析，按照手术方法不同分为传统手术组（n=70）和3D 打印组（n=60）。传统手术组：男性38 例，女性32 例；年龄50～74 岁，平均（59.69±5.02）岁；体质量指数：19～27 kg/m2，平均（23.01±1.19）kg/m2；病灶位置：均为单侧，右侧36 例，左侧34 例；疾病类型：发育性髋关节发育不良34 例（CroweⅢ型21 例，CroweⅣ型13 例），类风湿性髋关节炎20 例，髋关节骨性关节炎16 例。3D 打印组：男性37 例，女性23 例；年龄50～75岁，平均（55.26±4.48）岁；体质量指数：19～26 kg/m2，平均（22.87±1.24）kg/m2；病灶位置：均为单侧，右侧32 例，左侧28 例；疾病类型：发育性髋关节发育不良26 例（CroweⅢ型16 例，CroweⅣ型10 例），类风湿性髋关节炎18 例，髋关节骨性关节炎16 例。两组基线资料比较无统计学差异（P＞0.05）。本研究所有手术均由同一主刀医师带领的团队完成，排除不同医生手术经验问题导致结果的偏差。

1.2 纳入标准和排除标准

纳入标准：（1）髋关节疼痛伴明显功能障碍；（2）经影像学检查显示髋关节存在畸形；（3）无髋部手术史；（4）无手术禁忌证；（5）患者签署知情同意书。排除标准：（1）髋关节及邻近部位存在感染、烧伤、皮肤严重破损者；（2）合并免疫功能障碍、凝血功能障碍、严重精神性疾病者；（3）手术耐受性差者；（4）肾、肝、心等多器官严重障碍者；（5）临床资料不全者。

1.3 方法

患者均采用全麻插管麻醉，并使用小剂量右美托咪定减轻术后烦躁瞻妄表现，手术切皮前0.5 h 常规给予预防性使用抗生素五水头孢唑林钠2.0 g静脉滴注，术前静脉滴注氨甲环酸1.0 g，减少术中出血。

传统手术组：患者取侧卧位，行全身麻醉或硬膜外麻醉，以外侧入路，逐层切开皮肤、筋膜，并对臀大肌进行劈开处理，使关节囊后部充分暴露，通过屈曲及内收等方式松懈筋膜，将股骨颈脱出，随后斩断，将股骨头取出，进行截骨，暴露真臼，并清理其中的骨赘及软组织。根据手术情况开始造臼，假体需要经过不断测试，最后置于真臼。将股骨头假体放置于骨髓腔内，对髓臼进行复位，并留置引流管，闭合切口。

3D 打印组：手术前使用64 层螺旋CT 扫描髋关节，将图像上传至计算机重建平台，通过软件重建髋关节，构建3D 模型。打印材料选择聚乳酸，通过3D打印机得到两侧髋关节模型，对比健侧髋关节模型，对患侧髋臼损伤情况进行评估，并制作相应的髋臼盖，如图1～3。在模型上对手术方案进行模拟，确定最佳手术方案。随后进行手术，患者取侧卧位，行全身麻醉或硬膜外麻醉，以外侧入路，逐层切开皮肤、筋膜，并对臀大肌进行劈开处理，使关节囊后部充分暴露，通过屈曲及内收等方式松懈筋膜，将股骨颈脱出，随后斩断，将股骨头取出，进行截骨。根据术前髋臼损伤情况，选择自体髂骨块植骨，将术前制作的髋臼盖固定植骨块，对髋臼缺损进行修复，打磨髋臼，放置假体。将股骨头假体放置于骨髓腔内，对髓臼进行复位，通过X 线机观察复位情况，确定无误后对创面进行清洗止血，并留置引流管，闭合切口。

术后预防性应用抗生素1～2 d，术后8 h开放引流管，改为负压引流，每天引流量不超过50 mL，拔除引流管。术后予镇痛泵持续镇痛处理，术后8 h 使用低分子肝素钙抗凝预防血栓。术后肢体要摆放在外展15°中立位，健侧仍在原位置并在膝下垫枕以减少不适感，指导患者进行勾脚股四头肌功能锻炼。

图1 健侧髋臼测量Fig.1 Measurement of acetabulum at unaffected side

图2 前面观Fig.2 Front view

图3 整体观Fig.3 Overall view

1.4 观察指标

1.4.1 手术情况比较两组术中出血量、手术时间、下床时间、住院时间等指标。

1.4.2 影像学指标手术前后使用X 线机照射患侧髋关节，计算外展角偏差、前倾角偏差、髋关节旋转中心的水平距离及垂直距离偏差。

1.4.3 治疗前后髋关节功能及下肢力线比较两组手术前、手术后3个月髋关节功能及下肢力线。髋关节功能采用Harris 评分［6］评估，该评分包括活动度、疼痛、运动功能、屈曲度，满分100 分，得分越高髋关节功能恢复越好。下肢力线角度为股骨和胫骨机械轴之间的夹角。

1.4.4 并发症发生率随访1年，记录并比较两组臼衬磨损、感染、关节脱位、无菌性松动等并发症发生情况。

1.5 统计学方法

采用SPSS19.0 统计学软件分析数据，符合正态分布的计量资料以均数±标准差表示，行t检验；计数资料以例（%）表示，行χ2检验。P＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两组手术情况比较

3D 打印组术中出血量少于传统手术组，手术时间、下床时间、住院时间短于传统手术组（P＜0.05），见表1。

表1 两组手术情况比较（±s）Tab.1 Comparison of evaluation indexes of surgery between two groups(Mean±SD)

表1 两组手术情况比较（±s）Tab.1 Comparison of evaluation indexes of surgery between two groups(Mean±SD)

组别3D打印组传统手术组t值P值n 60 70术中出血量/mL 315.29±30.67 360.84±33.95 7.971 0.000手术时间/min 62.89±9.15 83.47±13.24 10.140 0.000下床时间/d 2.46±0.66 3.58±1.02 7.295 0.000住院时间/d 13.17±3.68 16.54±4.39 4.697 0.000

2.2 两组影像学指标比较

3D打印组术后臼杯外展角偏差、前倾角偏差、髋关节旋转中心的水平距离及垂直距离偏差均小于传统手术组（P＜0.05），见表2。

表2 两组影像学指标比较（±s）Tab.2 Comparison of imaging indexes between two groups(Mean±SD)

表2 两组影像学指标比较（±s）Tab.2 Comparison of imaging indexes between two groups(Mean±SD)

组别3D打印组传统手术组t值P值n 60 70髋关节旋转中心偏差/mm水平距离6.02±1.12 8.34±1.41 10.266 0.000垂直距离9.63±2.04 13.78±3.36 8.338 0.000臼杯外展角偏差/°2.01±0.37 4.63±0.81 23.067 0.000臼杯前倾角偏差/°2.72±0.88 4.90±1.52 9.789 0.000

2.3 两组手术前后Harris评分和下肢力线比较

两组手术前下肢力线和髋关节活动度相比较，差异无统计学意义（P＞0.05）。两组术后3个月Harris评分较术前升高，且3D 打印组高于传统手术组（P＜0.05）。两组术后3 个月下肢力线较术前降低，且3D打印组低于传统手术组（P＜0.05），见表3。

表3 两组手术前后下肢力线和髋关节活动度比较（±s）Tab.3 Comparison of force line of lower limbs and range of motion of hip before and after surgery between two groups(Mean±SD)

表3 两组手术前后下肢力线和髋关节活动度比较（±s）Tab.3 Comparison of force line of lower limbs and range of motion of hip before and after surgery between two groups(Mean±SD)

*:与本组术前比较，P＜0.05

组别3D打印组传统手术组t值P值n 60 70 Harris评分/分术前50.82±8.49 48.47±8.63 1.559 0.121术后3个月70.59±7.95*63.04±8.28*5.279 0.000下肢力线/°术前7.29±1.43 7.36±1.48 0.273 0.785术后3个月2.71±0.68*3.97±1.02*8.141 0.000

2.4 两组并发症发生率比较

两组并发症发生率比较无统计学差异（P＞0.05），见表4。

表4 两组并发症发生率比较［例（%）］Tab.4 Comparison of incidence of complications between two groups［cases(%)］

3 讨论

髋关节置换术是临床治疗髋骨关节炎、发育性髋关节发育不良、髋关节畸形、股骨头坏死等严重髋关节病变的有效而可靠的治疗方法［7］。近年来3D 打印技术发展迅速，具有精准化、标准化、具体化的特点［8］。3D 打印技术通过打印模型、模拟手术可以最大程度地优化手术方案，提升团队的协作能力，降低传统手术质量中对术者能力与经验的依赖程度，减少手术风险［9-10］。

本研究中3D 打印组术中出血量少于传统手术组，手术时间、下床时间、住院时间短于传统手术组，提示3D打印技术应用于髋关节置换术能够减少术中出血量，缩短手术时间、下床时间及住院时间。分析原因：在传统髋关节置换术中，术前依靠影像学结果无法准确得出人工假体的参数，导致术中要进行多次匹配，使术中出血量增加、手术时间延长。长时间暴露手术切口也会使关节内感染的风险升高，不利于患者术后恢复，导致下床时间及住院时间延后。相比于传统手术，3D 打印技术在术前就制造了关节个体化生物模型，有利于术者和生物模型进行物理交互，准确掌握患者骨关节病变的空间解剖结构。此外，3D打印技术在术前便可计算人工假体参数，避免术中进行多次假体匹配，这都有利于减少术中出血量、避免手术时间过长。3D 打印技术也优化了术中操作，术中仅需显露预安放假体结构，等待骨性结构与假体紧密贴符，避免了术中多次透视，仅需在术后进行透视验证即可，也有利于缩短手术时间。

髋关节发育不良患者的髋关节长时间处于脱位状态，导致软组织及骨赘封闭髋关节真臼，进而形成假臼［11］。此外，在手术过程中出血会模糊手术视野，加之股骨颈高位脱位遮挡，不易确定真臼［12］。这些因素均会影响假体外展角、前倾角、髋关节旋转中心的确定。适当的外展角可以避免髋内收时的撞击，提升髋关节稳定性，减少脱位发生。适当的前倾角可以扩大髋关节置换术后的活动范围，同时也可以降低假体脱位的风险［13］。因此，确保假体外展角、前倾角、髋关节旋转中心的精确性对提升术后髋关节的稳定性具有重要作用。临床研究发现3D打印技术可以提升扫描、建模和制作模型的精确性，有利于维持术后髋关节稳定［14］。3D 打印组臼杯外展角偏差、前倾角偏差、髋关节旋转中心的水平距离及垂直距离偏差均小于传统手术组，表明3D 打印技术辅助髋关节置换术可以提升臼杯外展角、前倾角、髋关节旋转中心的精确性，有利于提升关节稳定性，这可能是因为3D打印技术通过模拟手术能够帮助医生判断假体植入的最优位置，确定外展角、前倾角及髋关节旋转中心。

Harris 评分是临床评价髋关节功能常用的指标之一，主要包括日常生活功能、疼痛等方面，能评估髋关节置换及保髋情况［15］。本研究中3D 打印组术后3 个月Harris 评分高于传统手术组，下肢力线低于传统手术组，表明3D 打印技术能够加速术后早期髋关节功能恢复，这可能是因为3D 打印技术能提前根据患者自身解剖特点三维重建髋关节模型，并能反复进行虚拟手术演练，有利于提高手术方案设计质量，促进髋关节恢复、纠正下肢力线。除了髋关节功能恢复外，患者术后并发症发生率也是临床研究的重点。随访1年，两组并发症发生率比较无显著性差异，说明3D打印技术并不会增加并发症发生率。

综上所述，3D 打印技术辅助髋关节置换术的效果与传统手术相当，但其能够减少术中出血量，缩短手术时间、下床时间及住院时间，提升术后髋关节的稳定性，改善下肢力线，值得临床推广使用。