3D打印模型及模拟手术在DDH全髋关节置换术中的应用效果

汤勇,曾昭池,朱志勇,吴开元,余明阳,袁永端

(联勤保障部队第九二二医院骨一科,湖南 衡阳 420002)

发育性髋关节发育不良(developmental dysplasia of the hip,DDH)为临床常见骨关节疾病,可分为四型,其中Crowe Ⅲ、Ⅳ型患者病情严重,若得不到及时有效干预,可能继发髋关节骨关节炎,出现髋关节疼痛、跛行、肢体屈曲挛缩等症状[1]。全髋关节置换术(total hip arthroplasty,THA)是治疗DDH主要手段,由于此类患者髋关节解剖学变异、具有多样性,需要术前对患髋解剖结构进行个性化分析。既往术前采用X线、CT了解术区解剖学变异情况,借助影像学资料设计臼体安放位置,手术效果极大受到术者经验的影响[2]。近年来,3D打印技术在骨关节外科兴起,该技术基于计算机三维设计,采用粉末、细胞组织、塑料等具有黏合性的材料,借助逐层叠加、分层制造等技术构造模型,以此实现实物立体化,从而可更加精确地开展手术[3]。鉴于此,为提高DDH患者THA术治疗效果,本研究引入3D打印技术进行手术方案设计与手术模拟,以期为DDH手术方案选择提供参考,现报告如下。

1 资料与方法

1.1 纳入与排除标准 纳入标准:(1)符合《发育性髋关节发育不良诊疗指南(2009年版)》[4]中DDH诊断标准,经X线、CT等检查证实;(2)Crowe分型Ⅲ～Ⅳ型;(3)保守治疗无效,具备手术指征;(4)无手术禁忌证;(5)年龄≥18岁;(6)依从性良好;(7)病历资料齐全。排除标准:(1)伴有重要脏器功能异常、语言沟通障碍、精神疾病、严重心血管疾病、免疫功能障碍;(2)伴有影响术后康复的疾病,如下肢肌力异常、周围神经损伤;(3)合并髋关节外伤、感染、皮肤破损;(4)患髋既往接受过矫形手术;(5)不能耐受手术;(6)中途退出的患者。

1.2 一般资料 以2020年8月至2022年10月联勤保障部队第九二二医院骨一科收治的60例DDH患者作为研究对象,采用随机数字表法进行分组,每组各30例。A组按照常规操作完成THA术,B组采用3D打印技术制作患髋实体模型进行手术方案设计和模拟手术。A组男13例,女17例;年龄36～69岁,平均(54.81±7.03)岁。B组男10例,女20例;年龄35～70岁,平均(52.09±7.44)岁。两组间性别、年龄、Crowe分型、身体质量指数(body mass index,BMI)、病灶位置、合并症比较,差异无统计学意义(P>0.05,见表1),具有可比性。本研究获得联勤保障部队第九二二医院医学伦理委员会批准,所有患者均知情并同意。

表1 两组一般资料比较

1.3 手术方法 两组患者术前均行心电图、血常规、凝血功能、心肺功能以及下肢血管彩超、患髋CT扫描、髋关节正位与侧位X线扫描等检查。

1.3.1 A组 按照常规操作完成THA术,全麻,取侧卧位。采用后外侧入路方式,逐层切开皮肤、筋膜,劈开臀大肌,充分暴露关节囊后部,松解筋膜,使股骨头脱位并切断取出,截骨暴露真臼,清理真臼面的骨赘与软组织,之后进行造臼,置于真臼,将股骨头假体置入骨髓腔并复位,放置引流管,缝合切口。术后使用抗生素进行抗感染,术后48 h移除引流管,指导患者进行功能训练。

1.3.2 B组 采用3D打印患髋实体模型进行手术方案设计和模拟手术,具体操作如下:(1)3D建模。对骨盆行CT扫描,以建模软件构建3D模型,对模型进行分区,得到逐层的截面,并将模型数据导入3D打印机,得到骨盆模型。(2)术前规划。①应用骨盆数据重建3D模型,依照解剖标志确定坐标平面,在坐标平面的基础上结合Ranawat三角定义,确定髋臼内限面、下限面。②在3D骨盆模型上进行置入髋臼杯的模拟操作,以骨量为依据,在满足覆盖率(≥50%)、髋臼杯角度(外展40 °、前倾15 °)的前提下,将臼杯适当内移或上移,将患侧或/和健侧髋臼前后径、上下径当作参考,预估臼杯直径。③采用点云技术在真臼的位置虚拟出臼杯合适的安放位置,首先提取正常侧髋臼表面点云,导入imageware 12.1软件,提取髋臼表面最大范围近似同一球面的结构,经拟合求出最适球体,球心即髋臼旋转中心,再利用镜像原理,得到患侧髋臼旋转中心,并将其作为中心,于冠状面外展40 °,于矢状面前倾15 °,即可获得导向器方位,之后再设计出导向器。(3)手术方法。全麻,取仰卧位,采用后外侧入路方式,注意对坐骨神经进行保护。关节囊暴露之后将其“T”型切开,屈髋内旋,股骨头脱位并截除,将髋臼显露;股骨骨钩朝前方拉开,并将前方关节囊切除,在髋臼前缘、腰大肌之间将Hohmann牵开器插入,将切口后方软组织切开,对股骨位置进行适当调整,最大程度上显露髋臼;将圆韧带残端、关节盂唇及关节囊切除,髋臼面增生骨化组织采用刮匙刮除,显露骨性结构;对导向器进行检查,并仔细观察解剖特点,在髋臼内置入导向器,确保紧密贴合髋臼内壁,术者通过预留钉道用2支3.5 mm克氏针在髋臼内壁临时固定导向器,助手对其稳定性进行维持,并确保导针角度正确,然后再经侧板导向针钉道将1枚4.0 mm的导针钻入髂骨作为导向针,此时可达到外展40 °、前倾15 °要求,然后再将临时固定的克氏针拔除,将导向器移除,依据导针方向锉臼。在此过程中注意确保导针与锉杆为平行状态,一直到软骨下骨点状出血,再根据导针方向将臼杯置入;以髓腔锉进行扩髓,选取并植入适合股骨柄,置入股骨头假体并复位;生理盐水、碘伏冲洗创口,引流管置入关节腔后逐层缝合。(4)术后处理。术后结合患者实际情况行抗感染、镇痛等对症支持治疗,给予低分子肝素、充气泵抗凝;术后当天即可行踝泵活动、肌四头肌等长收缩锻炼;术后24～48 h拔除引流管,复查患肢髋关节X线片。

1.4 观察指标

1.4.1 手术及术后恢复指标 比较两组手术时间、术中出血量、术后下地时间、住院时间。

1.4.2 假体匹配率及股骨劈裂骨折发生率 假体匹配率是指术前预估股骨假体型号与术后所用股骨假体型号的匹配度;记录两组术中股骨劈裂骨折发生情况,计算发生率。

1.4.3 髋关节功能评分 于术前、术后4周分别使用Harris髋关节评分(Harris hip score,HHS)评估两组髋关节功能,由畸形、疼痛、活动度、功能等4个项目组成,共15个条目,满分100分,>89分为优,80～89分为可,70～79分为良,<70分为差[5]。

1.4.4 术后髋臼-股骨联合前倾角 使用CT法分别测量两组患者髋臼前倾角(在髋关节CT横断面上髋臼前后壁连线与骨盆矢状轴构成的夹角)、股骨前倾角(在下肢CT横断面上股骨颈轴线与股骨后髁连线构成的夹角),两者之和为髋臼-股骨联合前倾角。

1.4.5 并发症 记录两组股神经及坐骨神经损伤、假体松动及脱位、肺栓塞、下肢深静脉血栓、假体周围骨折、关节感染等并发症发生情况。

2 结 果

2.1 手术指标及术后恢复指标 B组术中出血量较A组少,手术时间、术后下地时间、住院时间较A组短(P<0.05,见表2)。

表2 两组患者手术指标与术后恢复指标比较

2.2 假体匹配率及股骨劈裂骨折发生率 B组术前、术后假体匹配率(90.00%)较A组(30.00%)高,术中股骨劈裂骨折发生率(0%)较A组(50.00%)低(P<0.05,见表3)。

表3 两组假体匹配率及股骨劈裂骨折发生率比较[例(%)]

2.3 髋关节功能评分 两组患者术前HHS评分对比差异无统计学意义(P>0.05);术后4周HHS评分均较术前上升(P<0.05),组间对比差异无统计学意义(P>0.05,见表4)。

表4 两组HHS评分比较分)

2.4 术后髋臼-股骨联合前倾角 B组术后髋臼-股骨联合前倾角为(46.31±3.07) °,A组为(45.68±2.76) °,组间比较差异无统计学意义(t=0.836,P=0.407)。

2.5 并发症 两组患者术后均未出现股神经及坐骨神经损伤、假体松动及脱位、肺栓塞、下肢深静脉血栓、假体周围骨折、关节感染等并发症。

2.6 典型病例 DDH Ⅲ型典型病例为一62岁女性患者,“反复右髋部疼痛、活动受限20余年”入院。查体:右下肢短缩畸形,右髋关节活动明显受限。入院诊断:右髋臼发育不良并髋关节脱位(DDH Ⅲ型)。择期行3D打印技术辅助下右侧THA术。手术前后影像学资料见图1～2。

图1 术前X线片示右髋臼发育不良并髋关节脱位(DDH Ⅲ型)

图2 术后X线片示假体位置良好

DDH Ⅳ型典型病例为一40岁女性患者,“反复右髋部疼痛、活动受限10余年”入院。查体:右侧髋关节活动明显受限。入院诊断:右髋臼发育不良并髋关节脱位。择期行3D打印技术辅助下右侧THA术。手术前后影像学资料见图3～4。

图3 术前X线片示右髋臼发育不良并髋关节脱位(DDH Ⅳ型)

图4 术后X线片示假体位置良好

3 讨 论

Crowe Ⅲ、Ⅳ型DDH患者髋臼骨严重缺损、股骨头严重脱位,在临床治疗过程中面临巨大挑战。THA术是治疗中晚期DDH的可靠方法,可改善髋关节功能,使患者恢复正常行走[6],但长期实践证实THA术仍具有一定不足[7]。为提升DDH手术疗效,本研究应用3D打印模型及模拟手术,并展开分析其价值与效果。

3D打印模型及模拟手术具有具体化、标准化、精准化等特点,相较于传统THA术优势如下:(1)通过CT扫描重建骨盆形态,利用3D打印机得到1∶1复原的骨盆模型,术者可观察患髋解剖变异情况,对臼杯大小、倾角、安放高度进行预判断,开展手术预操作,从而提升手术效果;(2)可利用骨盆模型分析髋周骨赘情况,判断骨赘是否需清除,既可节约手术时间,还能保留无需清除的髋臼壁骨赘,提高髋臼假体稳定性;(3)术中对患髋解剖结构存疑时,可再次观察骨盆模型,为手术操作安全性提供保障[8-11]。邹康等[12]学者指出,在THA术中应用3D打印技术,能缩短手术时间、下地时间、住院时间,减少出血量。本研究中B组术中出血量较A组少,手术时间、术后下地时间、住院时间较A组短,与上述研究结果一致。分析原因如下:传统THA术依靠影像学资料难以确定准确的假体参数,术中需进行数次匹配,不仅延长手术时间,增加出血量,还会增加关节感染风险,不利于术后康复。而3D打印模型及模拟手术在术前制造骨盆模型,可使术者准确掌握患髋解剖结构,同时术前可算出假体参数,术中无需进行反复匹配,利于缩短手术时间、减少出血量。

有学者认为,股骨劈裂骨折的发生主要在于假体型号选择不当、对股骨髓腔情况缺乏了解,股骨假体与股骨髓腔充分匹配能为假体稳定性提供坚实基础,减少假体松动、假体周围骨折发生,同时能降低股骨劈裂骨折发生率[13]。本研究结果显示,B组手术前后假体匹配率、术中股骨劈裂骨折发生率较A组低,产生此结果的原因与DDH患者术区解剖学变异密不可分。常规术前检查不能完全掌握股骨端骨骼情况,而3D打印模型及模拟手术能设计个性化股骨柄,可更好适应股骨髓腔不同情况。本研究还关注患者手术前后髋关节功能,结果显示术后4周两组HHS评分均较术前上升,组间对比差异无统计学意义,说明3D打印模型及模拟手术应用于Crowe Ⅲ、Ⅳ型DDH患者THA术中效果确切。

髋臼-股骨联合前倾角的概念由Mckbbbin于1970年提出,其值过大易出现前脱位,过小易出现后脱位,25 °～50 °是髋臼-股骨联合前倾角的合理范围,处于该范围内既可扩大THA术后关节活动空间,又能降低假体脱落风险[14]。因此,髋臼-股骨联合前倾角可用于判断髋关节稳定性。有文献报道,对接受THA术DHH患者应用联合前倾角技术,能明显改善术后髋臼-股骨联合前倾角,减少关节脱位的发生[15]。本研究经数据对比发现,两组术后髋臼-股骨联合前倾角比较差异无统计学意义,分析原因可能在于:(1)术中均将横韧带卵圆窝作为参考标志,摆放臼杯位置,确定髋臼旋转中心点。在髋臼保持固定位置的前提下,对股骨前倾角进行调整,均可得到合适髋臼-股骨联合前倾角。3D打印模型及模拟手术的应用不会明显改善术后髋臼-股骨联合前倾角。(2)软组织遮挡可能一定程度干扰髋臼-股骨联合前倾角的调整。(3)选取病例数较少可能不能反映出真实情况。此外,本研究发现两组患者术后均未出现股神经及坐骨神经损伤、假体松动及脱位、肺栓塞、下肢深静脉血栓、假体周围骨折、关节感染等并发症,证实3D打印模型与模拟技术辅助THA术、传统THA术治疗DDH均具有较高安全性。3D打印模型及模拟手术时应注意:(1)在假体难以置入的情况下,切忌继续暴力置入,应拔出假体,认真思考原因后再次置入;(2)磨锉时应注意深度,既不能过深,也不能过浅,以防影响臼杯假体的稳定性。

综上所述,3D打印模型及模拟手术应用于Crowe Ⅲ、Ⅳ型DDH患者THA术中效果确切,能提高假体匹配率,降低术中股骨劈裂骨折发生率,缩短手术时间,减少术中出血量,促进康复,值得临床推广应用。