3D打印技术在髋臼骨缺损全髋翻修术中的应用

随着我国人口老龄化进程的加快、关节假体材料与设计的不断革新，初次髋关节置换数量迅速增长，随之而来的髋关节翻修术也与日俱增。髋关节翻修的常见原因包括假体无菌性松动、感染、聚乙烯内衬磨损、骨溶解、假体周围骨折等。在髋关节翻修术中，骨缺损的处理可谓是最具挑战性的难题。骨缺损以髋臼侧多见，髋臼侧骨性结构缺失过多将直接导致翻修术中臼杯固定不牢靠，假体稳定性难以保证。因此，髋臼骨缺损能否得到有效重建，将直接影响髋关节翻修手术的成败。

目前临床上用于翻修术中重建髋臼侧骨缺损的填充置入物以成品钽金属垫块最为常见。但由于人工钽金属垫块形态单一，且价格昂贵，临床较难推广。近年来，随着3D打印技术的迅速发展，利用计算机辅助设计（CAD）及电子束熔融技术（EBM）定制的个性化3D打印金属垫块及假体置入物则很好地解决了上述问题，为髋关节翻修术中骨缺损的重建带来了新思路。本文介绍1例利用3D打印技术治疗合并髋臼侧骨缺损的全髋关节翻修病例。

病例资料

患者，女性，65岁，14年前因右股骨头坏死于外院行右全髋关节置换术。3年前患者无明显诱因出现右髋部疼痛，后进行性加重，近半年来右髋疼痛症状明显加剧伴活动受限、跛行。查体右髋部前外侧见约25CM陈旧性手术瘢痕，皮温不高，无窦道。右下肢较健侧短缩约2.5CM（图1a），右侧腹股沟区局部压痛，右下肢纵向叩痛（+）。右髋屈曲100°时疼痛，伸直及内外旋活动尚可，4字试验（+）。实验室检查血常规、ESR、CRP均正常。X线片及CT示右侧小粗隆下缘较健侧上移2.5CM，右侧股骨头假体旋转中心较健侧上移1.5CM，右侧髋臼前壁、后壁及臼顶存在不同程度的骨缺损，髋臼内壁完整，Kohler线及泪滴无破坏，股骨柄假体下陷，周围见透亮影。结合病史及影像资料可以初步判断，该患者为右侧全髋关节置换术后假体松动，松动的原因主要考虑为磨损所致的假体周围进行性骨溶解。术前VAS评分7分，Harris评分52分。根据髋臼骨缺损Paprosky分型，此例患者属于PaproskyⅡB型。

术前应用Mimics交互式医学影像控制系统对骨盆薄层CT扫描图像进行3D建模，利用UG工业设计软件对三维数字模型数据进行编辑处理，再导入3D打印机制作出1:1半骨盆模型。根据半骨盆三维模型及骨缺损情况，利用计算机辅助设计绘制出用于填充骨缺损的个性化人工金属垫块及翻修所使用假体的三维数字化模块，导入3D打印机中，借助电子束熔融技术（EBM）以钛合金金属粉末为原料在真空环境中通过分层加工、叠加成型的方式打印出个性化的人工金属垫块及翻修所使用的假体（由爱康医疗控股有限公司生产制作）见图1。

手术采用改良Harding入路切开暴露，术中见股骨柄假体松动，髋臼侧聚乙烯内衬磨损严重，臼杯周围骨溶解和骨缺损与术前3D打印半骨盆模型所示一致。取出假体，髋臼侧经磨搓后按照术前计划方案在髋臼骨缺损处置入3D打印钛金属垫块，并按术前设计制作的钉孔方向置入3枚6.5mm螺钉固定。置入54mm臼杯假体，压配牢靠后安装聚乙烯内衬。最后置入生物型股骨柄假体并安装36mm陶瓷球头。术后1、3、6个月定期摄X线片随诊，进行VAS评分及Harris功能评分。随访期间无感染、脱位、假体松动等并发症，末次随访VAS评分0分，Harris评分90分。

讨论

随着1983年CharlesHull研发的第一台3D打印机问世以来，3D打印技术已在包括医疗卫生行业在内的众多领域广泛运用。3D打印技术是快速成形（RP）技术的一种，其以三维数据模型文件为基础，通过计算机辅助设计（CAD）完成一系列数字切片处理，并将这些切片的信息传送到3D打印机上，以粉末状或液态的金属、塑料等粘合材料为原料，通过分层加工、叠加成型的方式来构建实体物件，也称为“增材制造”，与传统的减材加工技术完全不同。电子束熔融技术（EBM），是近年来新兴的快速成型制造技术，其原理是将三维实体模型数据导入EBM打印设备，在真空环境中以金属粉末为原料，通过高能电子束经磁场诱导偏转聚焦后所产生的高能使金属微粒熔融，再通过凝固融合形成金属薄层，经过逐层铺设的方式完成金属实体的构建。利用电子束熔融（EBM）3D打印技术制备的假体及金属置入物具备多项传统工艺无法实现的优势特征。其一，EBM所需的真空熔炼环境排除了氧化物、氮化物等杂质产生的可能，保证了材料的高强度。同时，置入物为一体成型，避免了实体层与多孔层之间产生裂隙及涂层脱落问题。其二，金属涂层骨小梁之间以三维立体结构连接，与人体松质骨骨小梁结构类似。此种类骨小梁的“微刺”表面结构既增加了假体与宿主骨的接触面积又加大了界面摩擦系数，提高了把持力，为假体提供了良好的初始稳定性。其三，垫块及假体涂层的金属孔径及孔隙率可通过计算机来调整，高孔隙率的三维类骨小梁金属结构有利于诱导骨长入，为假体远期稳定性提供了保障。

髋关节翻修术技术复杂，手术难度大，术中出血量多且耗时长，特别是合并髋臼严重骨缺损的翻修手术极具挑战性，令广大骨科医生望而却步。Johanson所报道的大样本的髋关节置换术文献报道，在髋关节翻修手术中合并髋臼骨缺损的仅占17％，但手术失败率却高达30％。如何借助3D打印技术有效解决髋臼骨缺损的重建从而提高髋关节翻修手术的成功率是本文探讨的重点。3D打印技术在髋关节翻修手术中的应用主要包括两个方面：（1）术前手术方案的辅助规划；（2）置入物的个体化设计与制作。首先，利用3D打印技术可制作出1:1仿真骨盆模型以用于术前手术方案的规划。传统的二维影像资料难以直观、精确地显示骨缺损的具体大小、形态，而通过3D打印技术可重塑患者的1:1髋臼实体模型，能将骨缺损的具体情况以最直观的方式呈现给手术医生。同时，利用实体模型可在体外对翻修手术进行规划预演，做到心中有数，从而缩短手术时间，提高手术效率。其次，利用计算机辅助设计的3D打印技术可定制个体化的金属置入物。翻修术中骨缺损的情况形态多样，而传统的成品钽金属垫块则形态单一，难以较好地与骨缺损实现完美契合，且价格昂贵。而根据患者CT三维数据经计算机辅助设计（CAD）定制的个体化3D打印金属垫块则能与骨缺损形成较好的匹配，最大限度地实现骨缺损部位的精确重建。而且借助计算机软件可精确规划垫块内部的钉道方向，使得螺钉的置入更安全可靠，有助于避开重要的解剖结构，防止可能造成的神经血管损伤。

虽然3D打印技术在骨科领域的应用前景可观，但总体来讲仍处于起步阶段，目前仍然面临着诸多问题，例如硬件设施及软件技术配备要求高，术前审批及置入物制作时间长，额外增加患者住院时间及经济负担等都给3D打印技术在基层医院的推广带来了阻力。同时，3D打印置入物的金属毒性、生物相容性、生物力学稳定性仍待长期随访观察。但随着3D打印技术在骨科相关领域的逐步推广，其必将为骨科技术的发展带来一场新的革命。