3D打印技术在自体骨植骨的全髋关节置换术治疗髋关节发育不良继发骨性关节炎中的应用*

裴方 赵蕤 姚圣城 仇尚

髋关节发育不良（developmental dysplasia of the hip，DDH）主要是由于先天性髋关节结构发育畸形造成的髋臼与股骨头覆盖不良、匹配欠佳，使髋关节处于脱位的病理状态，可引起严重的关节功能障碍[1]，如得不到及时有效的治疗，患侧髋关节将出现继发性骨性关节炎，严重限制患者日常活动，降低生活质量。全髋关节置换术（total hip arthroplasty，THA）是治疗DDH 继发骨性关节的主要手段，其临床有效性已得到证实[2-4]。然而，由于DDH 继发骨性关节炎患者存在髋臼骨缺损严重、真臼浅小及解剖异常等问题，实施THA 手术难度较大。相关研究表明，采用自体骨植骨对于恢复正常解剖位置，纠正髋臼骨缺失，提高假体覆盖率方面具有明显优势，但也伴随着与植骨相关的并发症，如出现移植骨吸收、骨溶解等，从而导致假体松动[5-6]。目前临床上主要运用二维影像，包括X射线、CT 及MRI 等对髋关节疾病进行术前诊断和指导术中操作，但由于二维影像本身具有一定的局限性，难以对病变区域及周围的解剖结构进行准确的预测，加大了手术难度。3D 打印技术的出现彻底扭转了该局面，其以数字模型为模板，应用黏合材料制造出的三维实体，能够精确的打印出与髋关节1∶1 的三维形态模型，现已逐渐成为DDH 继发骨性关节炎患者实施个体化精准医疗的有效手段[7-8]。本研究探讨利用3D 打印技术制作骨盆模型及个性化导航模板，进行术前规划从而辅助自体骨植骨的THA 治疗DDH 继发骨性关节炎的应用价值。现报道如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2017 年1 月—2021 年12 月徐州医科大学附属医院收治的初次行自体骨植骨THA 治疗的48 例CroweⅡ～Ⅳ型成人DDH 继发骨性关节炎患者。纳入标准：（1）术前根据影像学资料及临床症状诊断为DDH 继发骨性关节炎，且为单侧发作；（2）Crowe分型为Ⅱ～Ⅳ型；（3）患处髋关节疼痛感明显且活动受限，经保守治疗效果欠佳；（4）病例及随访资料真实完整。排除标准：（1）年龄＜18 岁；（2）存在既往髋关节手术史；（3）存在严重的骨质疏松；（4）存在类风湿性关节炎等其他炎症疾病；（5）肢体肌力因患有其他疾病而受到影响或无法进行后期功能锻炼；（6）存在其他器官功能衰竭及凝血功能障碍。将患者分为观察组和对照组，所有患者及家属均对治疗方案及手术方式知情同意；研究经本院医学伦理委员会批准。

1.2 方法

1.2.1 术前计划 两组均进行常规术前检查和评估，完善相关的影像学检查。观察组：将术前CT扫描的骨盆数据以原始DICOM 格式导入计算机软件进行骨盆3D 模型重建，结合术前影像学资料与检查结果进行术前计划，根据模型确定真、假臼的情况，旋转中心下移的长度，根据真臼的直径确定术中安放髋臼假体的位置和大小，对周围骨量及髋臼壁缺损情况进行评估；利用软件按照计划模拟手术，确定导航模板的形态和角度，然后用聚酰胺材料3D 打印1∶1 骨盆模型和导航模板，并随手术器械消毒灭菌。对照组：根据骨盆X 线片和髋部CT扫描数据进行髋臼测量，利用影像学检查资料进行术前计划。

1.2.2 手术方法 两组均采取椎管内麻醉或全麻，取健侧卧位，髋关节后外侧切口入路，逐层分离皮下组织及筋膜，钝性分离臀大肌，切断外旋肌群，用骨钩向前牵开股骨，暴露关节囊后“T”型切开，对切口后方软组织使用拉钩牵开以获得髋臼最佳显露；清除髋臼内的脂肪组织，清理关节腔，屈髋内旋，使股骨头后脱位，将小转子上部约1.0 cm 处的股骨头颈截去，取出股骨头。观察组：依据3D 打印模型的骨性标记，确定髋臼锉打磨的位置，将髋臼面增生骨化组织刮除至显露骨性结构。采用导航模板置入髋臼内临时固定，确定自体股骨头移植位置后，用3.5 mm 直径皮质骨螺钉将修整后的自体股骨头固定于髋臼外上方，然后移除导向器，按照导针方向进行锉臼，磨去软骨至点状出血；参照导针方向置入合适型号人工臼杯假体，使用髓腔锉扩髓，置入合适型号股骨柄并调整前倾角。对照组：依据经验确定打磨的位置、深度、前倾角及外展角，逐级扩大和加深髋臼，将修整后的自体股骨头固定于髋臼缺损处并打压紧实，测试和安装相应髋臼假体与股骨假体，必要时使用螺钉固定。两组术后均反复冲洗创口，止血，复位髋关节，放置引流管，逐层关闭切口。3D 打印技术辅助下自体骨植骨的THA 治疗DDH 的过程，见图1～4。

图1 术前3D打印规划

图2 术前双髋正位片，显示左侧II型发育性DDH伴骨性关节炎

图3 术中自体骨植骨造盖，增加“真臼”覆盖（H为近端，A为前端）

图4 术后双髋正位片

1.2.3 术后处理 两组术后均口服抗凝药物配合充气泵按摩预防静脉血栓，静脉滴注抗生素预防感染，同时进行营养支持；鼓励患者尽早进行屈髋外展位功能锻炼；术后影像学复查假体及植骨情况，稳定性较好的患者可在助行器辅助下逐渐负重锻炼。两组均分别于术后6 个月、1 年行门诊复查。

1.3 观察指标及评价标准

（1）围手术期相关指标。观察并比较两组手术时间，术中出血量，计算髋臼假体覆盖率及移植骨覆盖率、臼杯位置合格率。（2）术后影像学资料与术前手术计划的差值。术后1 周采集患者影像学资料，比较两组髋臼假体大小、外展角、前倾角、旋转中心垂直距离及水平距离与术前手术计划的差值。（3）Harris 髋关节功能评分。分别于术前及术后1 周进行评价，包括疼痛、功能、畸形、运动范围等方面，满分100 分，90～100 分为优，80～89 分为良，70～79 分为中，＜70 分为差。（4）三维步态。术后6、12 个月，使用三维步态分析仪进行三维步态评价，比较两组在行走过程中的三维步态参数（步频、步幅、步速及髋、膝关节运动角度）。（5）并发症发生情况。收集术后1 年内并发症发生情况， 包括静脉血栓、坐骨神经损伤、异位骨化。

1.4 统计学处理

采集数据应用SPSS 20.0 统计学软件进行分析。计量资料以（x-±s）形式表示，组间比较采用独立样本t 检验，组内比较采用配对t 检验；计数资料以率（%）表示，比较采用χ2检验。均以P＜0.05 为有差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两组一般资料比较

观察组男19 例，女5 例；年龄44～65 岁，平均（56.92±2.16）岁；Crowe 分型：Ⅱ型4 例，Ⅲ型7 例，Ⅳ型13 例；发病至就诊时间平均（25.82±3.82）月；双下肢长度差距平均（3.14±0.45）cm。对照 组 男20 例， 女4 例； 年 龄46～68 岁， 平 均（58.74±4.27）岁；Crowe 分型：Ⅱ型5 例，Ⅲ型8 例，Ⅳ型11 例；发病至就诊时间平均（26.44±3.15）月；双下肢长度差距平均（3.23±0.48）cm。两组患者一般资料比较，差异均无统计学意义（P＞0.05），具有可比性。

2.2 两组围手术期相关指标比较

观察组手术时间短于对照组，术中出血量明显少于对照组，观察组髋臼假体覆盖率及移植骨覆盖率均明显高于对照组，差异均有统计学意义（P＜0.05）。两组臼杯位置合格率比较，差异无统计学意义（P＞0.05）。见表1。

表1 两组围手术期相关指标比较（±s）

表1 两组围手术期相关指标比较（±s）

组别 手术时间（min） 术中出血量（mL） 髋臼假体覆盖率（%） 移植骨覆盖率（%） 臼杯位置合格[例（%）]观察组（n=24） 76.36±12.24 353.28±62.31 98.12±8.14 24.93±2.57 22（91.67）对照组（n=24） 115.22±21.04 562.35±83.30 87.84±6.33 21.26±2.10 19（79.17）χ2/t 值 -8.101 -10.176 5.021 5.572 0.600 P 值 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 0.439

2.3 两组术后影像学资料与术前手术计划的差值比较

采集术后1 周两组影像学资料，结果显示观察组髋臼假体大小、外展角、前倾角、旋转中心垂直距离及水平距离与术前手术计划的差值均明显小于对照组，差异均有统计学意义（P＜0.05）。见表2。

表2 两组术后影像学资料与术前手术计划的差值比较（±s）

表2 两组术后影像学资料与术前手术计划的差值比较（±s）

组别 髋臼假体大小（mm） 外展角（°） 前倾角（°） 旋转中心垂直距离（mm） 旋转中心水平距离（mm）观察组（n=24） 2.23±0.27 2.19±0.35 2.55±0.57 2.39±0.31 1.27±0.22对照组（n=24） 4.14±0.62 5.01±0.78 5.14±0.96 5.66±0.72 3.12±0.50 t 值 -14.360 -16.768 -11.770 -21.210 -17.218 P 值 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001

2.4 两组并发症发生情况比较

两组并发症发生情况比较，差异均无统计学意义（P＞0.05），见表3。

2.5 两组Harris 髋关节功能评分比较

术前两组Harris 髋关节功能评分比较，差异无统计学意义（P＞0.05）；术后1 周，两组Harris 髋关节功能评分均较术前升高，差异均有统计学意义（P＜0.05），但组间比较差异无统计学意义（P＞0.05）。见表4。

表4 两组Harris髋关节功能评分比较[分，（±s）]

组别 术前 术后1 周 t 值 P 值观察组（n=24） 36.73±8.32 84.20±5.18 23.728 ＜0.001对照组（n=24） 36.26±8.49 82.16±5.09 22.716 ＜0.001 t 值 0.847 1.418 P 值 0.194 0.163

2.6 两组三维步态参数比较

术前两组三维步态参数比较，差异均无统计学意义（P＞0.05）；术后6、12 个月观察组三维步态参数（步速、步频、步幅及髋、膝关节运动角度）均优于对照组，差异均有统计学意义（P＜0.05）。见表5。

表5 两组三维步态参数比较（±s）

表5 两组三维步态参数比较（±s）

组别 步频（步/min）步幅（m）术前 术后6 个月 术后12 个月 术前 术后6 个月 术后12 个月观察组（n=24） 93.12±7.45 107.32±11.25 110.23±12.09 0.48±0.05 0.54±0.06 0.60±0.09对照组（n=24） 94.17±8.01 100.54±10.48 102.20±10.66 0.46±0.04 0.50±0.05 0.53±0.07 t 值 -0.485 2.225 2.512 1.573 2.581 3.092 P 值 0.630 0.031 0.015 0.122 0.013 0.003组别 步速（m/s）髋关节运动角度（°）术前 术后6 个月 术后12 个月 术前 术后6 个月 术后12 个月观察组（n=24） 0.76±0.11 0.90±0.15 0.94±0.17 31.15±4.42 39.61±6.58 44.21±6.89对照组（n=24） 0.75±0.12 0.81±0.14 0.83±0.14 32.22±5.01 35.40±6.04 38.27±6.41 t 值 0.310 2.213 2.517 -0.810 2.378 3.184 P 值 0.758 0.032 0.015 0.422 0.021 0.003组别 膝关节运动角度（°）术前 术后6 个月 术后12 个月观察组（n=24） 50.22±9.07 59.98±10.01 65.64±10.57对照组（n=24） 50.76±9.35 54.12±9.83 58.49±10.35 t 值 -0.209 2.072 2.440 P 值 0.835 0.044 0.018

3 讨论

THA 是治疗DDH 继发骨性关节炎最有效的方法，其中髋臼侧的重建是影响THA 成败的关键因素之一[9-10]。CroweⅡ～Ⅳ型成人DDH 继发骨性关节炎患者与普通骨性关节炎患者相比，治疗难度系数更大，一方面患者髋臼侧骨量不足，长期缺少力量刺激，真性髋臼发育异常，存在程度不一的骨质缺损，而且随着脱位程度的增加，骨量进一步减少，髋臼外上方骨质缺损会更为严重；另一方面，周围骨缺损合并骨赘增生，造成髋臼内正常解剖标志缺失，影响术者对真臼的判断，这给后期髋臼假体的选择及安放带来较大困难，如重建后臼杯位置出现偏移，会降低重建关节的稳定性，增加后期假体的松动率；而假体的有效安放需要具备70%以上骨质覆盖才能够保证新骨的生长和假体的稳定性[11-13]。因此DDH 继发骨性关节炎患者在进行THA 时，如何对骨量进行一个更为准确的评估，为假体的安放寻找一个更为精准的位置，既是THA 术的难点也是手术成功的关键。

传统的手术方式对解剖变异复杂的DDH 患者缺乏个体化的分析，术者在操作过程中仅凭借经验和影像学资料进行评估和假体的安放，在一定程度上会影响手术效果[14-15]。3D 打印技术通过1∶1 复原患者骨盆结构，术者可以对患者实现术前预操作，精准选择臼杯的大小和安放的位置，这对于提高手术的安全性和有效性具有很大帮助；同时借助模型可以有选择性地清除和保留骨赘，既节省手术时间，也使假体的稳定性得到提升[16-18]。在本研究中，观察组手术时间短于对照组，术中出血量明显少于对照组，观察组髋臼假体覆盖率及移植骨覆盖率均明显高于对照组（P＜0.05），主要是由于术前及术中利用3D 打印模型能够更为直观全面的了解髋关节内部的解剖结构，很大程度上减少了术中暴露操作，同时能够指导假体的精准放置；两组髋关节功能评分和并发症发生率比较均无明显差异，这说明在3D 打印技术辅助下完成自体骨植骨的THA 与传统THA 相比均能够获得较好的有效性及安全性。

与传统的THA 术中徒手操作置入假体，借助骨性标志寻找真臼等完全依赖术中经验的操作相比，利用3D 打印技术制作骨盆模型及导航模板在术前进行评估预测，术中进行指导操作，能够最大程度降低髋关节结构异常、解剖标志模糊等因素对假体准确放置造成的干扰，明显缩小假体安放位置、角度与术前规划之间的偏差。通过术后对患者进行影像学资料采集，结果显示术后1 周观察组髋臼假体大小、外展角、前倾角、旋转中心垂直距离及水平距离与术前手术计划的差值均明显小于对照组（P＜0.05）。赵资坚等[19]研究结果也支持这一结论。三维步态评价主要是通过收集步态数据对下肢的活动能力进行定量描述，从而评价远期手术效果和指导康复治疗[20-21]。本研究在三维步态分析的参数能够客观地反映THA 术后患者髋关节周围肌群的协调性。本研究于手术后6、12 个月对患者进行步态分析，结果显示观察组三维步态参数（步速、步频、步幅及髋、膝关节运动角度）均优于对照组（P＞0.05），说明在3D 打印技术辅助自体骨植骨的THA 手术与传统手术相比，在术后步态恢复方面更具优势。

综上所述，3D 打印技术辅助自体骨植骨的THA 治疗成人DDH 继发骨性关节炎与传统THA 均可取得较好的修复效果，但3D 打印技术能明显减少手术时间和术中出血，提高全髋关节置换的精确度，有助于髋关节的恢复和术后步态的改善。