3D打印技术辅助全髋关节置换治疗成人发育性髋关节发育不良

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.1895

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

发育性髋关节发育不良：早期成人发育性髋关节发育不良患者可选择外科保守治疗，目前主流的保髋手术方式有伯尔尼髋臼周围截骨术、Chiari骨盆内截骨术、髋臼造盖术等，术后通常能够缓解患者的疼痛和跛行，但缓解成度与术前骨性关节炎的严重成度有关。因此对于出现严重骨性关节炎的晚期发育性髋关节发育不良患者人工全髋关节置换是首选。但由于发育性髋关节发育不良患者的髋关节解剖结构变异复杂，使传统的全髋关节置换仍面临巨大挑战。

3D打印技术结合全髋关节置换治疗发育性髋关节发育不良：与传统的全髋关节置换术治疗发育性髋关节发育不良相比，其更有利于术前计划，模拟手术操作，帮助快速确定真臼位置，指导髋臼挫的打磨，可缩短手术时间，减少出血量，降低手术难度，提高手术精准度及安全性，让患者更加直观地了解手术，提升了患者的依从性及医疗评价。

摘要

背景：人工全髋关节置换是目前成年人发育性髋关节发育不良疾病后期的终极治疗手段，但由于发育性髋关节发育不良的解剖结构变异复杂，使传统的全髋关节置换面临巨大挑战。

目的：探讨在3D打印技术辅助下完成全髋关节置换治疗发育性髋关节发育不良的临床效果及安全性。

方法：纳入2016年1月至2018年6月于沈阳医学院附属中心医院骨科接受初次人工全髋关节置换的20例发育性髋关节发育不良患者，随机分为2组，3D打印组10例在3D打印技术辅助下行全髋关节置换，传统置换组10例行传统全髋关节置换。记录2组患者的手术时间、出血量、并发症出现情况，术前及术后6个月对比Harris髋关节功能评分和疼痛目测类比评分。

结果与结论：①与传统置换组相比，3D打印组手术时间及出血量均明显减少，差异均有显著性意义(P=0.000)；②2组术后6个月目测类比评分、Harris髋关节功能评分均显著优于术前(P=0.000)；③术后6个月，2组目测类比评分、Harris髋关节功能评分比较差异无显著性意义(P > 0.05)；④2组均无并发症发生；⑤说明3D打印技术辅助下行全髋关节置换与传统全髋关节置换治疗发育性髋关节发育不良均可取得较好的修复效果，但3D打印技术结合全髋关节置换的手术时间更短，出血量更少。

ORCID: 0000-0003-3776-5659(陈拥)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 3D打印技术, 全髋关节置换, 发育性髋关节发育不良, 人工关节, 髋关节假体

Abstract:

BACKGROUND: Total hip arthroplasty is the ultimate treatment for adult developmental dysplasia of the hip in the late stage of disease. However, due to the complicated anatomical variation of developmental dysplasia of the hip patients, the traditional total hip arthroplasty faces great challenges.

OBJECTIVE: To explore the effectiveness and safety of three-dimensional (3D) printing technology-assisted total hip arthroplasty in the treatment of developmental dysplasia of the hip.

METHODS: Twenty patients with developmental dysplasia of the hip, who underwent primary total hip arthroplasty in Department of Orthopedics, Central Hospital Affiliated to Shenyang Medical College from January 2016 to June 2018, were randomly divided into two groups. The 10 patients in the 3D printing group underwent total hip arthroplasty assisted by 3D printing technology, and 10 patients in the traditional operation group underwent traditional total hip arthroplasty. The operation time, blood loss, occurrence of complication, visual analog scale score and Harris hip joint function score before and 6 months after operation were recorded.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) Compared with the traditional operation group, the operation time and blood loss in the 3D printing group were significantly shortened, with significant differences (P=0.000). (2) Visual analog scale score and Harris hip joint function score were significantly higher at 6 months after operation than that before operation in both groups (P=0.000). (3) There was no significant difference in visual analog scale score and Harris hip joint function score between the two groups 6 months after operation (P > 0.05). (4) No complication occurred in both groups. (5) These results indicate that both 3D printing technology-assisted total hip arthroplasty and traditional total hip arthroplasty can achieve good clinical effects in the treatment of developmental dysplasia of the hip, but 3D printing technology combined with total hip arthroplasty has shorter operation time and less blood loss.

Key words: 3D printing technology, total hip arthroplasty, developmental dysplasia of the hip, artificial joint, hip prosthesis

中图分类号:

R459.9|R318|R445

陈拥，张斌. 3D打印技术辅助全髋关节置换治疗成人发育性髋关节发育不良[J]. 中国组织工程研究, 2019, 23(36): 5772-5776.

Chen Yong, Zhang Bin. Three-dimensional printing technique-assisted total hip arthroplasty for developmental dysplasia of the hip in adults[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2019, 23(36): 5772-5776.

图/表（结果） 4

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引言

材料方法

1.1 设计随机对照试验。

1.2 时间及地点于2016年1月至2018年6月在沈阳医学院附属中心医院骨关节外科完成。

1.3 对象选择2016年1月至2018年6月在沈阳医学院附属中心医院接受初次全髋人工关节置换治疗的20例成人发育性髋关节发育不良患者。沈阳医学院附属中心医院伦理委员会批准实施该临床研究。

纳入标准：①所有Crowe分型的成人发育性髋关节发育不良患者|②髋关节无外力造成的损伤，无其他疾病；③经保守治疗无效者；④患处疼痛影响日常的工作及生活，⑤临床影像检查显示发育性髋关节发育不良伴有骨性关节炎；⑥患侧下肢其他关节功能正常者；⑦患者对治疗方案知情同意并签署“知情同意书”。

排除标准：①年龄<18岁；②疼痛不明显；③凝血障碍患者；④多器官功能衰竭及孕妇患者；⑤合并髋关节感染；⑥不能耐受手术；⑦患侧肌肉力量减退者；⑧伴有严重骨质疏松者；

分组情况：为避免选择性偏倚，采用计算机随机数字法将20例患者分为2组，3D打印组10例在3D打印技术辅助下行全髋关节置换手术，传统置换组10例行传统全髋关节置换。由专人负责患者的纳入与分组，患者对治疗方案完全知情同意。

随访方式：术后单人随访，并且对患者治疗方案不知情。

1.4 材料植入物情况见表1。

1.5 方法

1.5.1 术前准备常规行术前下肢站立位全长正、侧位的X射线片及髋关节CT检查确定临床诊断，按全髋关节置换指南行血常规、生化、凝血功能检查、胸片、心电图、心肺功能及双下肢动静脉彩色超声等检查，来评估患者的重要脏器功能及能否手术治疗。

1.5.2 3D打印1∶1骨盆模型将3D打印组患者进行术前骨盆CT数据值采集，应用Philips ict 256 CT机(飞利浦公司生产)，层间距为0.5 mm，球管电压为120 kV，层厚为1 mm，采集骨盆周围，导出CT图像的DICOM资料。术前经计算机软件3D重建测定真、假臼的情况，确定旋转中心下移的长度；测定原有真臼的直径，预估术中使用假体的大小。再通过三维成像技术制作个体化1∶1骨盆模型，可以非常清晰地了解患者髋臼壁的病损情况，真臼及假臼的情况，进一步有效地帮助手术团队完成术前规划，预计髋臼挫打磨的位置、角度及深度，髋臼杯的直径、前倾角、外展角等。

1.5.3 手术方法 2组患者的手术均由同一位主任医师主刀完成。

3D打印组：全麻或椎管内麻醉生效后，患者取侧卧位，常规消毒及铺无菌巾，取髋关节后外侧入路，约10 cm，按续切开皮肤、皮下组织、阔筋膜，钝性分离臀大肌，常规探查坐骨神经并予以保护，于大转子止点处切断外旋肌群，“T”型切开后关节囊，显露关节。去除增生骨赘，屈曲、内收、内旋患肢，使股骨头后脱位，于小转子上1.5 cm处截骨，去除股骨头，股骨头多变形及发育不良。切除冗余的关节囊、滑膜组织及关节盂唇，以马蹄窝、股骨头圆韧带残端和3D打印模型为线索向上显露假臼，向下寻找真臼，显露真臼的骨性边界。再次根据3D打印骨盆模型，确定髋臼挫打磨的位置、深度、前倾角及外展角，打磨髋臼真臼，磨去软骨至露出松质骨80%点状出血，选择髋臼杯的型号，人工臼杯假体固定于真臼上，必要时使用螺钉固定，置入相应大小的聚乙烯内衬。于股骨近端使用开槽器扩髓，选择合适大小的试模假体，复位满意后，置入股骨柄并调整前倾角，置入股骨头假体并复位。使用医用脉冲式冲洗枪冲洗创口，止血，去除无活性的组织，缝合关节囊、筋膜、皮下组织及皮肤。

3D打印1∶1骨盆模型辅助下完成人工全髋关节置换治疗发育性髋关节发育不良的过程，见图1。

传统置换组：手术入路、去除多余骨赘和软组织过程与3D打印组相同，以关节囊为线索向上显露假臼，以马蹄窝、股骨头韧带圆残端为标志寻找真臼，显露真臼的骨性边界。凭临床经验确定髋臼挫打磨的位置、深度、前倾角及外展角，选择髋臼杯的型号，人工臼杯假体固定于真臼上，必要时使用螺钉固定，置入相应大小的聚乙烯内衬。于股骨近端使用开槽器扩髓，选择合适大小的试模假体，复位满意后，置入股骨柄并调整前倾角，置入股骨头假体并复位。余过程与3D打印组相同。

1.5.4 术后处理术后予低分子量肝素钙注射液(河北常山生化药业股份有限公司，批号：F402181111)抗凝、镇痛、消肿等对症治疗，充气泵按摩预防下肢深静脉血栓形成。术后指导患者行屈髋外展位锻炼患肢功能，预防髋关节脱位同时保护坐骨神经，早期助行器辅助下下床行走。

1.6 主要观察指标记录手术出血量及时间，术后并发症(髋关节脱位、深静脉血栓形成、髋关节及切口感染、假体松动、假体周围骨折、坐骨神经损伤等)；术前和术后6个月评估患者疼痛目测类比评分(0分无痛，10分剧痛)及Harris髋关节功能评分(满分100分，分数越高，功能越好)。

1.7 统计学分析使用SPSS 20.0统计学软件(IBM公司，美国)行统计学分析，计数资料采用卡方检验；计量资料用x(_)±s表示，组内的比较应用配对设计t 检验，组间的比较应用成组设计资料t 检验，检验水平α值双侧取0.05。

讨论

发育性髋关节发育不良是过早地导致继发性髋关节骨性关节炎的一种常见疾病，没有疼痛的成人发育性髋关节发育不良患者无须手术治疗，一旦出现髋部疼痛且伴有日常活动受限的患者，建议手术治疗。根据髋关节骨性关节炎的程度，早期可选择外科保髋手术治疗，但有大出血、神经损伤、截骨后复位不稳定、骨不连等风险^[11]。对于出现严重骨性关节炎的晚期发育性髋关节发育不良患者建议行人工全髋关节置换术。普通的X射线、CT、MRI等检查不能够细致、整体、直观、准确的体现出髋关节解剖结构变异性质及程度，导致传统的全髋关节置换手术仍面临如髋臼重建、髋关节周围软组织平衡和股骨髓腔处理等难点^[12]。

重建发育不良的髋臼是全髋关节置换治疗中的重点也是手术中难度最大的部分，其高度依赖术者的临床经验及手术技巧，因此手术的精准性及安全性不能得到有效保障。3D打印技术是一种以三维数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式将材料堆积起来的新型增材制造技术，又称材料快速成型技术^[13]。有研究报道，与传统的全髋关节置换治疗发育性髋关节发育不良相比，3D打印骨盆模型辅助全髋关节置换更有利于术前计划，模拟手术操作，可缩短手术时间，减少出血量，降低手术难度，提高手术精准度及安全性，让患者更加直观地了解手术，提升了患者的依从性及医疗评价^[14-16]。

在此次研究中，通过三维成像技术制作个体化1∶1骨盆模型，可更加直观地了解髋臼壁的缺损情况，真、假臼的位置，预计髋臼挫打磨的角度及深度，髋臼杯的直径、前倾角、外展角等。作者发现基于3D打印个性化骨盆模型行全髋关节置换治疗的10例发育性髋关节发育不良患者的手术时间确实要比传统全髋关节置换更短，同时严格遵循术前制定的置换方案，减少了对髋臼的探查及周围软组织的损伤，使出血量更少，差异有显著性意义。

作者所在课题组在关注3D打印个性化骨盆模型辅助行全髋关节置换治疗发育性髋关节发育不良患者的手术时间及出血量得同时，也同样关注患者术前、术后髋关节疼痛、功能及术后并发症情况^[17-18]。结果发现，2组患者术后6个月目测类比评分、Harris评分均优于术前，差异均有显著性意义。全髋关节置换后会出现不同程度的并发症，如静脉血栓、生物假体松动、假体周围骨折等^[19-20]，此次研究中所有患者均获得至少6个月的随访，术中无假体周围骨折发生，术后无下肢深静脉血栓形成、肺栓塞等并发症出现，随访期间未出现髋关节脱位、髋关节感染、切口感染、假体松动、坐骨神经损伤等情况。这说明在3D打印技术辅助下完成全髋人工关节置换与传统全髋关节置换治疗发育性髋关节发育不良均可取得较好的临床效果及安全性。但通过3D打印模型可以直观、全方位地研究患髋的内部解剖结构，减少通过术中探查和临床经验来判断病变情况，并在术前确定置入假体的情况，使3D打印组具有手术时间更短，出血量更少的优越性。此外，其一定程度上降低了手术难度，增加了假体置入的精准度，提高了手术安全性。

3D打印技术辅助下行全髋人工关节置换治疗发育性髋关节发育不良有着传统全髋关节置换无法具备的优势，但也有着其不完美之处。此次研究样本数量较少，更远期的疗效并不确切，3D打印过程耗时较长，除此之外为单一中心研究，不如多中心研究的结果更具说服力。因此，需要大样本多中心的长期随访来证实其可信性。

此次研究对术后6个月2组患者的髋关节疼痛目测类比评分、Harris功能评分及并发症情况进行比较，发现2种术式差异无显著性意义，但3D打印个性化骨盆模型辅助下人工全髋关节置换治疗发育性髋关节发育不良的手术时间更短，出血量更少，术后髋关节疼痛缓解明显，髋关节功能明显增高，证实了其疗效是确实的。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程