3D打印技术在DAA全髋关节置换术中的应用

贾延庆 庞炎旭 邵丰博 齐良军 杨民坤 穆峰

河南巩义市人民医院骨科 巩义 451200

对于成人股骨颈骨折、股骨头坏死、髋关节发育不良和晚期髋关节骨性关节炎患者，全髋关节置换术(total hip arthroplasty，THA)具有可缓解疼痛、矫正髋关节畸形和改善髋关节功能等优势[1-2]。直接前方入路(direct anterior approach，DAA)从阔筋膜张肌与缝匠肌、股直肌的间隙进入，保持了髋关节周围软组织结构的完整性，具有术后恢复快、体位限制少、脱位率明显降低等优点，更符合现代微创外科理念[3]。侧卧位DAA实施THA，不需要特殊手术床，术中可通过内收、后伸、外旋动作充分显露股骨近端，便于股骨柄的置入[4]，故采取侧卧位DAA实施THA更加方便。DAA行THA需较长的学习曲线，髋臼假体前倾角及外展角选择不当是术后关节脱位的重要原因。目前,髋臼假体的置入多凭术者经验控制在安全区域，缺乏精确的角度等，均增加了对髋关节发育不良、翻修、髋臼侧骨缺损等复杂髋部疾病患者的THA难度[5-6]。3D打印技术作为一种新技术，目前在工业制造、医疗设计等方面均取得了好的效果，特别为人工髋关节置换术的个体化、精准化提供了重要参考依据。本研究拟通过病例对照分析，以探讨3D打印技术辅助下采取侧卧位经DAA行THA的效果。

1 资料与方法

1.1一般资料回顾性分析2020-11—2021-07于我院采取DAA行THA治疗股骨颈骨折、股骨头坏死患者的临床资料。纳入标准：(1) 均依据临床症状和X线摄片、CT扫描结果诊断为股骨颈骨折、股骨头坏死。无神经、血管损伤。(2)年龄30～80岁，需行THA者。(3)能按时随访，临床资料齐全者。排除标准：(1)存在下肢活动功能障碍。(2)开放性骨折，合并骨盆骨折或股骨粗隆间骨折。(3)合并严重心肺功能不全等不能耐受手术者。研究共纳入符合上述标准的患者65例，根据是否采用3D打印分为3D打印组(31例)和传统组(34例)。患者均签署知情同意书。

1.2方法完善骨盆平片、髋关节CT(0.625 mm)、下肢静脉彩超、凝血功能等相关术前检查。

1.2.1 传统组 根据骨盆平片及髋关节CT资料进行术前规划。患者取健侧卧位，切口起点在髂前上棘外侧2 cm及下方2 cm交界处，长8～10 cm，逐层切开，暴露阔筋膜张肌与缝匠肌。钝性分离阔筋膜张肌内侧缘与筋膜，避免损伤股外侧皮神经，显露Heuter 间隙。缝扎旋股外侧动脉升支，钝性分离、暴露髋关节前方关节囊。电刀切除髋关节前方关节囊，确定股骨颈截骨平面后截断股骨颈，取出股骨颈截骨块和股骨头。充分显露髋臼，依次使用球形磨锉打磨髋臼，冲洗臼窝骨床后，以髋臼外展角40°～45°、前倾角10°～15°压配植入髋臼杯，安装内衬。将股骨近端自髋臼后方牵向前方，极度内收、外旋及后伸髋关节，彻底松解后外侧关节囊的股骨转子窝附着区。充分显露股骨近端后扩髓，置入生物型股骨柄假体和股骨头假体。完成复位后比较双下肢长度，再次评估重建髋关节的稳定性。冲洗手术切口，关节腔放置引流管，经引流管注入关节腔100 mL 10%氨甲环酸。逐层关闭切口，夹闭引流管4 h后开放引流管。

1.2.2 3D打印组 患者的髋关节CT影像学原始资料由3D医学数字中心打印导板。(1)数据采集：使用飞利浦Brilliance iCT 256层螺旋极速CT扫描仪扫描骨盆数据，层厚0.625 mm，储存为原始 DICOM(digital imaging and communications in medicine)格式数据，由我院3D医学数字中心进行技术处理。从医学影像 PACS 系统(picture archiving and communication system)提取所需的部分进行后处理，包括计算机辅助设计 CAD(computer-aided design)，获得需要打印物体的表面信息，得到所需的 DICOM格式的图像(图2)。DICOM 转换 STL(standard tessellation language)格式图像，重建三维模型。打印模型用美国Stratasys F370打印机。(2)设计髋臼假体的位置和角度：利用获取的骨盆数据，重建骨盆3D模型，根据解剖标志确立坐标平面并确定髋臼位置。在3D骨盆模型上，模拟髋臼杯置入，满足髋臼杯角度(外展42°、前倾15°)。以髋臼周围的骨量和髋臼前后柱作为主要参考，估算臼杯直径(图2)。应用计算机辅助技术，设计最佳髋臼杯安放位置，确保导向器髋臼中心导针垂直于臼杯开口的平面，并且经过臼杯的中心，髋臼外侧导向针通过导板组合零件控制平行于髋臼中心导针，保证髋臼锉磨时前倾角、外展角准确(图3)。(3)髋臼假体安放方法：基本操作方式同传统组，检查导向器，观察其解剖标志，确定导向器在髋臼内安放位置。将导向器置入髋臼内，并确认与髋臼内壁及髋臼外缘紧密贴合。助手辅助维持导向器位置，术者通过导向针钉道钻入1支3.0 mm克氏针到髂骨作为导向针，钻入深度适中，避免导向针过浅出现松动发生角度错误。此时导针实现外展角42°、前倾角15°导向要求。移除导向器，按照导针方向进行锉臼，磨锉过程中保持锉杆与导针平行，磨至软骨下骨点状出血，参照导针方向，置入臼杯。

图2 骨盆三维图像及髋臼假体的位置和角度

图3 3D打印模型

1.2.3术后处理 术后24～48 h予以2组均静滴头孢呋辛钠1.5 g，1次/8 h。低分子肝素钙注射液 5 000 IU皮下注射，1次/d。引流管于术后24～48 h内拔除。指导患者行股四头肌收缩及踝泵功能锻炼，利用助行器下床适当活动，定时行实验室及X线检查。

1.3观察指标记录2组手术时间、术中出血量、术后24 h引流量。术前及术后应用外展角测量方法测量髋臼假体开口椭圆的长轴延长线与双侧泪滴最低点连线的角度即为髋臼假体的外展角。测量髋臼假体前倾角[7-8]。见图4。术后1个月、3个月、6个月依据Harris髋关节评分标准从疼痛、功能、畸形、活动度4方面评价髋关节功能，满分100分。90～100分为优，80～89分为良，70～79分为可，低<70 分为差[9]。统计髋关节脱位、股外侧皮神经损伤、感染、下肢深静脉血栓形成等并发症发生率。

图1 骨盆CT扫描图像，扫描层厚0.625 mm

图4 根据Bachhal法计算髋臼假体的前倾角：模拟髋臼假体开口的椭圆，测绘椭圆长轴与短轴，AB为髋臼投影椭圆长轴，在髋臼椭圆轮廓上取未被股骨头遮挡的一点C; 经C作长轴AB的垂线，与AB相交于O，与髋臼顶部轮廓相交于D; 以C为圆心，取 OD为半径作圆，与长轴AB所在直线相交于E; 测量∠AEC为髋臼的前倾角。

2 结果

2.1基线资料2组患者的基线资料差异无统计学意义(P>0.05)，见表1。

表1 2组患者的基线资料比较

2.2围手术期指标2组患者的手术时间、术中出血量及术后24 h引流量差异无统计学意义(P>0.05)，见表2。

表2 2组患者的围手术期指标比较

2.3髋关节假体角度比较术后3D打印组患者的髋臼前倾角和外展角均优于传统组，差异均有统计学意义(P<0.05)。3D打印组患者的髋臼前倾角和外展角与术前设计值差异无统计学意义(P>0.05)；传统组患者的髋臼前倾角和外展角与术前设计值差异有统计学意义(P<0.05)。见表3。

表3 2组患者术后髋关节假体角度比较

2.4术后髋关节Harris评分和并发症3D打印组术后1个月的髋关节Harris评分高于传统组，差异有统计学意义(P<0.05)。术后3个月、6个月，2组患者的Harris评分均较术后1个月时逐渐显著改善，差异均有统计学意义(P<0.05)；但2组间的差异无统计学意义(P>0.05)。见表4。2组术后并发症发生率差异无统计学意义(P>0.05)，见表5。

表4 2组术后髋关节Harris评分比较分)

表5 2组术后并发症比较[ n(%)]

3 讨论

DAA是经阔筋膜张肌与缝匠肌间隙和臀中肌与股直肌间隙(Hueter间隙)进入髋关节，该入路保护了髋关节周围外展、外旋肌群，显著降低了低血管、神经损伤和术后髋关节脱位的风险，有利于患者术后快速康复[10-11]。与传统仰卧位比较，侧卧位施术不需要特殊手术床及下肢牵引，对于习惯后外侧入路的术者，股骨侧显露、假体安放，操作更加方便。Barnett[12]等对4 473例患者进行5 090次DAA下THA早期并发症的研究发现，术后3个月的并发症中脱位12例，股骨骨折48例，其他并发症如感染、血肿、神经损伤等47例，表明DAA 下进行THA的术后早期风险较低。多项有关DAA与传统后外侧入路(posterolateral approach，PLA)下行THA的研究发现，术后DAA组的住院时间短于PLA组，VAS评分低于PLA组，术中出血量、脱位率，以及其他并发症发生率均明显低于PLA组。这与DAA从肌间隙进入，避免了血管神经的损伤，并保留髋关节周围外展外旋肌群完整性密切相关。充分表明侧卧位DAA行THA具有创伤小、出血少、术后体位不受限制、各种并发症少、患者术后恢复快和住院时间短等优势[13-15]。

3D打印技术依据计算机辅助设计、数控技术、三维CT技术等，将数据立体化建模，1∶1还原三维实物模型[16]。3D打印技术在骨科应用较为广泛，通过实物模型，让术者更加直观、透彻理解疾病的发生、发展机制，从而更好地进行术前设计，以降低手术难度，精准把握假体外展角及前倾角，缩短手术时间，减少术中出血量和降低术后关节感染的风险。同时，患者及其家属也能直观了解病情及治疗方法，有利于医患沟通[17-18]。在髋关节发育不良、髋部骨折、髋臼骨缺损等复杂髋部疾病治疗中，3D打印技术有利于内固定装置安放、髋关节假体前倾角及外展角的精准定位，降低了手术难度和提升了手术效果[16]。髋关节发育不良易继发骨性关节炎、股骨头坏死、髋关节疼痛及髋关节功能障碍等，髋关节置换手术的难度比较大。除股骨头脱位、相关角度改变、股骨近端髓腔畸形等因素外，受牵拉影响，血管、神经损伤风险也较高。而利用3D打印技术进行术前模拟设计，可以选择最佳髋臼重建位置，并对肢体长度恢复进行详细测量，降低了血管、神经损伤的风险，手术效果满意[19]。何忠等[20]利用3D打印辅助下治疗Crowe Ⅳ型成人髋关节发育不良10例(11髋)，结果表明，3D打印辅助精准治疗复杂髋部疾病效果显著，有利于加深骨科医生对疾病的认识与把握。邹康等[21]对60例3D打印辅助THA的研究发现，3D打印组术后3个月Harris评分高于传统组，且术中出血量、下床活动时间、术后感染、关节脱位等并发症发生率低于传统组，差异均有统计学意义。表明3D打印技术有利于促进患者术后髋关节功能和日常生活能力的快速恢复。

本研究结果显示， 虽然2组手术时间、术中出血量，以及术后24 h引流量、并发症发生率、术后3个月和6个月的Harris评分差异均无统计学意义，但 3D打印组患者术后的髋臼前倾角和外展角均优于传统组，且较传统组更接近于术前设计角度；术后1个月的髋关节Harris评分高于传统组；术后3个月、6个月的Harris评分显著优于术后1个月。以上差异均有统计学意义。充分表明3D打印技术不仅可为患者提供个性化、精准化治疗方案，还有助于术者对手术操作的理解和降低手术难度，并可促进关节功能早期恢复。分析其原因为：(1)本组选择的股骨头坏死、股骨颈骨折患者的髋臼及位置均无明显异常，故DAA入路操作较为方便，且对肌肉、血管的损伤较小。(2)3D打印组可按术前设计的目标，准确维持正常的髋臼前倾角及外展角，故有利于促进患者髋关节功能的恢复。而术后3个月至6个月，随着髋周肌肉、血管、神经的修复，2组患者的Harris评分均可逐渐得到改善。(3)股外侧皮神经损伤是DAA入路最常见的并发症，与手术切口位置、术中牵拉等因素有关。主要表现为大腿前外侧皮肤感觉障碍、疼痛，随着神经的修复，这种症状会逐渐消失。本研究中，2组各出现1例股外侧皮神经损伤，在术后6个月随访时症状全部消失。传统组出现1例髋关节前脱位，经测量髋臼假体前倾角为11°，外展角为31°，均在相对安全范围[22]，即髋臼前倾角(15±10)°，外展角(40±10)°。但亦有研究通过系统评价与Meta分析发现，髋臼前倾角与外展角的精确度与髋关节置换术后稳定性呈正相关，表明3D打印技术具有降低术后髋关节脱位发生风险的优势[18]。

综上所述， 3D打印技术采用DAA行THA，能提高髋臼假体前倾角及外展角安放精确度，改善患者术后早期髋关节功能，是安全、可行性的治疗股骨颈骨折、股骨头坏死患者的手段。但仍需扩大样本量和进行长期随访予以论证。