3D打印模型及模擬手術(shù)在DDH全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中的應(yīng)用效果

湯勇,曾昭池,朱志勇,吳開元,余明陽,袁永端

(聯(lián)勤保障部隊第九二二醫(yī)院骨一科,湖南 衡陽 420002)

發(fā)育性髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良(developmental dysplasia of the hip,DDH)為臨床常見骨關(guān)節(jié)疾病,可分為四型,其中Crowe Ⅲ、Ⅳ型患者病情嚴(yán)重,若得不到及時有效干預(yù),可能繼發(fā)髖關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎,出現(xiàn)髖關(guān)節(jié)疼痛、跛行、肢體屈曲攣縮等癥狀[1]。全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)(total hip arthroplasty,THA)是治療DDH主要手段,由于此類患者髖關(guān)節(jié)解剖學(xué)變異、具有多樣性,需要術(shù)前對患髖解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行個性化分析。既往術(shù)前采用X線、CT了解術(shù)區(qū)解剖學(xué)變異情況,借助影像學(xué)資料設(shè)計臼體安放位置,手術(shù)效果極大受到術(shù)者經(jīng)驗(yàn)的影響[2]。近年來,3D打印技術(shù)在骨關(guān)節(jié)外科興起,該技術(shù)基于計算機(jī)三維設(shè)計,采用粉末、細(xì)胞組織、塑料等具有黏合性的材料,借助逐層疊加、分層制造等技術(shù)構(gòu)造模型,以此實(shí)現(xiàn)實(shí)物立體化,從而可更加精確地開展手術(shù)[3]。鑒于此,為提高DDH患者THA術(shù)治療效果,本研究引入3D打印技術(shù)進(jìn)行手術(shù)方案設(shè)計與手術(shù)模擬,以期為DDH手術(shù)方案選擇提供參考,現(xiàn)報告如下。

1 資料與方法

1.1 納入與排除標(biāo)準(zhǔn) 納入標(biāo)準(zhǔn):(1)符合《發(fā)育性髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良診療指南(2009年版)》[4]中DDH診斷標(biāo)準(zhǔn),經(jīng)X線、CT等檢查證實(shí);(2)Crowe分型Ⅲ～Ⅳ型;(3)保守治療無效,具備手術(shù)指征;(4)無手術(shù)禁忌證;(5)年齡≥18歲;(6)依從性良好;(7)病歷資料齊全。排除標(biāo)準(zhǔn):(1)伴有重要臟器功能異常、語言溝通障礙、精神疾病、嚴(yán)重心血管疾病、免疫功能障礙;(2)伴有影響術(shù)后康復(fù)的疾病,如下肢肌力異常、周圍神經(jīng)損傷;(3)合并髖關(guān)節(jié)外傷、感染、皮膚破損;(4)患髖既往接受過矯形手術(shù);(5)不能耐受手術(shù);(6)中途退出的患者。

1.2 一般資料 以2020年8月至2022年10月聯(lián)勤保障部隊第九二二醫(yī)院骨一科收治的60例DDH患者作為研究對象,采用隨機(jī)數(shù)字表法進(jìn)行分組,每組各30例。A組按照常規(guī)操作完成THA術(shù),B組采用3D打印技術(shù)制作患髖實(shí)體模型進(jìn)行手術(shù)方案設(shè)計和模擬手術(shù)。A組男13例,女17例;年齡36～69歲,平均(54.81±7.03)歲。B組男10例,女20例;年齡35～70歲,平均(52.09±7.44)歲。兩組間性別、年齡、Crowe分型、身體質(zhì)量指數(shù)(body mass index,BMI)、病灶位置、合并癥比較,差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05,見表1),具有可比性。本研究獲得聯(lián)勤保障部隊第九二二醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會批準(zhǔn),所有患者均知情并同意。

表1 兩組一般資料比較

1.3 手術(shù)方法 兩組患者術(shù)前均行心電圖、血常規(guī)、凝血功能、心肺功能以及下肢血管彩超、患髖CT掃描、髖關(guān)節(jié)正位與側(cè)位X線掃描等檢查。

1.3.1 A組 按照常規(guī)操作完成THA術(shù),全麻,取側(cè)臥位。采用后外側(cè)入路方式,逐層切開皮膚、筋膜,劈開臀大肌,充分暴露關(guān)節(jié)囊后部,松解筋膜,使股骨頭脫位并切斷取出,截骨暴露真臼,清理真臼面的骨贅與軟組織,之后進(jìn)行造臼,置于真臼,將股骨頭假體置入骨髓腔并復(fù)位,放置引流管,縫合切口。術(shù)后使用抗生素進(jìn)行抗感染,術(shù)后48 h移除引流管,指導(dǎo)患者進(jìn)行功能訓(xùn)練。

1.3.2 B組 采用3D打印患髖實(shí)體模型進(jìn)行手術(shù)方案設(shè)計和模擬手術(shù),具體操作如下:(1)3D建模。對骨盆行CT掃描,以建模軟件構(gòu)建3D模型,對模型進(jìn)行分區(qū),得到逐層的截面,并將模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D打印機(jī),得到骨盆模型。(2)術(shù)前規(guī)劃。①應(yīng)用骨盆數(shù)據(jù)重建3D模型,依照解剖標(biāo)志確定坐標(biāo)平面,在坐標(biāo)平面的基礎(chǔ)上結(jié)合Ranawat三角定義,確定髖臼內(nèi)限面、下限面。②在3D骨盆模型上進(jìn)行置入髖臼杯的模擬操作,以骨量為依據(jù),在滿足覆蓋率(≥50%)、髖臼杯角度(外展40 °、前傾15 °)的前提下,將臼杯適當(dāng)內(nèi)移或上移,將患側(cè)或/和健側(cè)髖臼前后徑、上下徑當(dāng)作參考,預(yù)估臼杯直徑。③采用點(diǎn)云技術(shù)在真臼的位置虛擬出臼杯合適的安放位置,首先提取正常側(cè)髖臼表面點(diǎn)云,導(dǎo)入imageware 12.1軟件,提取髖臼表面最大范圍近似同一球面的結(jié)構(gòu),經(jīng)擬合求出最適球體,球心即髖臼旋轉(zhuǎn)中心,再利用鏡像原理,得到患側(cè)髖臼旋轉(zhuǎn)中心,并將其作為中心,于冠狀面外展40 °,于矢狀面前傾15 °,即可獲得導(dǎo)向器方位,之后再設(shè)計出導(dǎo)向器。(3)手術(shù)方法。全麻,取仰臥位,采用后外側(cè)入路方式,注意對坐骨神經(jīng)進(jìn)行保護(hù)。關(guān)節(jié)囊暴露之后將其“T”型切開,屈髖內(nèi)旋,股骨頭脫位并截除,將髖臼顯露;股骨骨鉤朝前方拉開,并將前方關(guān)節(jié)囊切除,在髖臼前緣、腰大肌之間將Hohmann牽開器插入,將切口后方軟組織切開,對股骨位置進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,最大程度上顯露髖臼;將圓韌帶殘端、關(guān)節(jié)盂唇及關(guān)節(jié)囊切除,髖臼面增生骨化組織采用刮匙刮除,顯露骨性結(jié)構(gòu);對導(dǎo)向器進(jìn)行檢查,并仔細(xì)觀察解剖特點(diǎn),在髖臼內(nèi)置入導(dǎo)向器,確保緊密貼合髖臼內(nèi)壁,術(shù)者通過預(yù)留釘?shù)烙?支3.5 mm克氏針在髖臼內(nèi)壁臨時固定導(dǎo)向器,助手對其穩(wěn)定性進(jìn)行維持,并確保導(dǎo)針角度正確,然后再經(jīng)側(cè)板導(dǎo)向針釘?shù)缹?枚4.0 mm的導(dǎo)針鉆入髂骨作為導(dǎo)向針,此時可達(dá)到外展40 °、前傾15 °要求,然后再將臨時固定的克氏針拔除,將導(dǎo)向器移除,依據(jù)導(dǎo)針方向銼臼。在此過程中注意確保導(dǎo)針與銼桿為平行狀態(tài),一直到軟骨下骨點(diǎn)狀出血,再根據(jù)導(dǎo)針方向?qū)⒕时萌?以髓腔銼進(jìn)行擴(kuò)髓,選取并植入適合股骨柄,置入股骨頭假體并復(fù)位;生理鹽水、碘伏沖洗創(chuàng)口,引流管置入關(guān)節(jié)腔后逐層縫合。(4)術(shù)后處理。術(shù)后結(jié)合患者實(shí)際情況行抗感染、鎮(zhèn)痛等對癥支持治療,給予低分子肝素、充氣泵抗凝;術(shù)后當(dāng)天即可行踝泵活動、肌四頭肌等長收縮鍛煉;術(shù)后24～48 h拔除引流管,復(fù)查患肢髖關(guān)節(jié)X線片。

1.4 觀察指標(biāo)

1.4.1 手術(shù)及術(shù)后恢復(fù)指標(biāo) 比較兩組手術(shù)時間、術(shù)中出血量、術(shù)后下地時間、住院時間。

1.4.2 假體匹配率及股骨劈裂骨折發(fā)生率 假體匹配率是指術(shù)前預(yù)估股骨假體型號與術(shù)后所用股骨假體型號的匹配度;記錄兩組術(shù)中股骨劈裂骨折發(fā)生情況,計算發(fā)生率。

1.4.3 髖關(guān)節(jié)功能評分 于術(shù)前、術(shù)后4周分別使用Harris髖關(guān)節(jié)評分(Harris hip score,HHS)評估兩組髖關(guān)節(jié)功能,由畸形、疼痛、活動度、功能等4個項目組成,共15個條目,滿分100分,>89分為優(yōu),80～89分為可,70～79分為良,<70分為差[5]。

1.4.4 術(shù)后髖臼-股骨聯(lián)合前傾角 使用CT法分別測量兩組患者髖臼前傾角(在髖關(guān)節(jié)CT橫斷面上髖臼前后壁連線與骨盆矢狀軸構(gòu)成的夾角)、股骨前傾角(在下肢CT橫斷面上股骨頸軸線與股骨后髁連線構(gòu)成的夾角),兩者之和為髖臼-股骨聯(lián)合前傾角。

1.4.5 并發(fā)癥 記錄兩組股神經(jīng)及坐骨神經(jīng)損傷、假體松動及脫位、肺栓塞、下肢深靜脈血栓、假體周圍骨折、關(guān)節(jié)感染等并發(fā)癥發(fā)生情況。

2 結(jié) 果

2.1 手術(shù)指標(biāo)及術(shù)后恢復(fù)指標(biāo) B組術(shù)中出血量較A組少,手術(shù)時間、術(shù)后下地時間、住院時間較A組短(P<0.05,見表2)。

表2 兩組患者手術(shù)指標(biāo)與術(shù)后恢復(fù)指標(biāo)比較

2.2 假體匹配率及股骨劈裂骨折發(fā)生率 B組術(shù)前、術(shù)后假體匹配率(90.00%)較A組(30.00%)高,術(shù)中股骨劈裂骨折發(fā)生率(0%)較A組(50.00%)低(P<0.05,見表3)。

表3 兩組假體匹配率及股骨劈裂骨折發(fā)生率比較[例(%)]

2.3 髖關(guān)節(jié)功能評分 兩組患者術(shù)前HHS評分對比差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05);術(shù)后4周HHS評分均較術(shù)前上升(P<0.05),組間對比差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05,見表4)。

表4 兩組HHS評分比較分)

2.4 術(shù)后髖臼-股骨聯(lián)合前傾角 B組術(shù)后髖臼-股骨聯(lián)合前傾角為(46.31±3.07) °,A組為(45.68±2.76) °,組間比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義(t=0.836,P=0.407)。

2.5 并發(fā)癥 兩組患者術(shù)后均未出現(xiàn)股神經(jīng)及坐骨神經(jīng)損傷、假體松動及脫位、肺栓塞、下肢深靜脈血栓、假體周圍骨折、關(guān)節(jié)感染等并發(fā)癥。

2.6 典型病例 DDH Ⅲ型典型病例為一62歲女性患者,“反復(fù)右髖部疼痛、活動受限20余年”入院。查體:右下肢短縮畸形,右髖關(guān)節(jié)活動明顯受限。入院診斷:右髖臼發(fā)育不良并髖關(guān)節(jié)脫位(DDH Ⅲ型)。擇期行3D打印技術(shù)輔助下右側(cè)THA術(shù)。手術(shù)前后影像學(xué)資料見圖1～2。

圖1 術(shù)前X線片示右髖臼發(fā)育不良并髖關(guān)節(jié)脫位(DDH Ⅲ型)

圖2 術(shù)后X線片示假體位置良好

DDH Ⅳ型典型病例為一40歲女性患者,“反復(fù)右髖部疼痛、活動受限10余年”入院。查體:右側(cè)髖關(guān)節(jié)活動明顯受限。入院診斷:右髖臼發(fā)育不良并髖關(guān)節(jié)脫位。擇期行3D打印技術(shù)輔助下右側(cè)THA術(shù)。手術(shù)前后影像學(xué)資料見圖3～4。

圖3 術(shù)前X線片示右髖臼發(fā)育不良并髖關(guān)節(jié)脫位(DDH Ⅳ型)

圖4 術(shù)后X線片示假體位置良好

3 討 論

Crowe Ⅲ、Ⅳ型DDH患者髖臼骨嚴(yán)重缺損、股骨頭嚴(yán)重脫位,在臨床治療過程中面臨巨大挑戰(zhàn)。THA術(shù)是治療中晚期DDH的可靠方法,可改善髖關(guān)節(jié)功能,使患者恢復(fù)正常行走[6],但長期實(shí)踐證實(shí)THA術(shù)仍具有一定不足[7]。為提升DDH手術(shù)療效,本研究應(yīng)用3D打印模型及模擬手術(shù),并展開分析其價值與效果。

3D打印模型及模擬手術(shù)具有具體化、標(biāo)準(zhǔn)化、精準(zhǔn)化等特點(diǎn),相較于傳統(tǒng)THA術(shù)優(yōu)勢如下:(1)通過CT掃描重建骨盆形態(tài),利用3D打印機(jī)得到1∶1復(fù)原的骨盆模型,術(shù)者可觀察患髖解剖變異情況,對臼杯大小、傾角、安放高度進(jìn)行預(yù)判斷,開展手術(shù)預(yù)操作,從而提升手術(shù)效果;(2)可利用骨盆模型分析髖周骨贅情況,判斷骨贅是否需清除,既可節(jié)約手術(shù)時間,還能保留無需清除的髖臼壁骨贅,提高髖臼假體穩(wěn)定性;(3)術(shù)中對患髖解剖結(jié)構(gòu)存疑時,可再次觀察骨盆模型,為手術(shù)操作安全性提供保障[8-11]。鄒康等[12]學(xué)者指出,在THA術(shù)中應(yīng)用3D打印技術(shù),能縮短手術(shù)時間、下地時間、住院時間,減少出血量。本研究中B組術(shù)中出血量較A組少,手術(shù)時間、術(shù)后下地時間、住院時間較A組短,與上述研究結(jié)果一致。分析原因如下:傳統(tǒng)THA術(shù)依靠影像學(xué)資料難以確定準(zhǔn)確的假體參數(shù),術(shù)中需進(jìn)行數(shù)次匹配,不僅延長手術(shù)時間,增加出血量,還會增加關(guān)節(jié)感染風(fēng)險,不利于術(shù)后康復(fù)。而3D打印模型及模擬手術(shù)在術(shù)前制造骨盆模型,可使術(shù)者準(zhǔn)確掌握患髖解剖結(jié)構(gòu),同時術(shù)前可算出假體參數(shù),術(shù)中無需進(jìn)行反復(fù)匹配,利于縮短手術(shù)時間、減少出血量。

有學(xué)者認(rèn)為,股骨劈裂骨折的發(fā)生主要在于假體型號選擇不當(dāng)、對股骨髓腔情況缺乏了解,股骨假體與股骨髓腔充分匹配能為假體穩(wěn)定性提供堅實(shí)基礎(chǔ),減少假體松動、假體周圍骨折發(fā)生,同時能降低股骨劈裂骨折發(fā)生率[13]。本研究結(jié)果顯示,B組手術(shù)前后假體匹配率、術(shù)中股骨劈裂骨折發(fā)生率較A組低,產(chǎn)生此結(jié)果的原因與DDH患者術(shù)區(qū)解剖學(xué)變異密不可分。常規(guī)術(shù)前檢查不能完全掌握股骨端骨骼情況,而3D打印模型及模擬手術(shù)能設(shè)計個性化股骨柄,可更好適應(yīng)股骨髓腔不同情況。本研究還關(guān)注患者手術(shù)前后髖關(guān)節(jié)功能,結(jié)果顯示術(shù)后4周兩組HHS評分均較術(shù)前上升,組間對比差異無統(tǒng)計學(xué)意義,說明3D打印模型及模擬手術(shù)應(yīng)用于Crowe Ⅲ、Ⅳ型DDH患者THA術(shù)中效果確切。

髖臼-股骨聯(lián)合前傾角的概念由Mckbbbin于1970年提出,其值過大易出現(xiàn)前脫位,過小易出現(xiàn)后脫位,25 °～50 °是髖臼-股骨聯(lián)合前傾角的合理范圍,處于該范圍內(nèi)既可擴(kuò)大THA術(shù)后關(guān)節(jié)活動空間,又能降低假體脫落風(fēng)險[14]。因此,髖臼-股骨聯(lián)合前傾角可用于判斷髖關(guān)節(jié)穩(wěn)定性。有文獻(xiàn)報道,對接受THA術(shù)DHH患者應(yīng)用聯(lián)合前傾角技術(shù),能明顯改善術(shù)后髖臼-股骨聯(lián)合前傾角,減少關(guān)節(jié)脫位的發(fā)生[15]。本研究經(jīng)數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn),兩組術(shù)后髖臼-股骨聯(lián)合前傾角比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義,分析原因可能在于:(1)術(shù)中均將橫韌帶卵圓窩作為參考標(biāo)志,擺放臼杯位置,確定髖臼旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)。在髖臼保持固定位置的前提下,對股骨前傾角進(jìn)行調(diào)整,均可得到合適髖臼-股骨聯(lián)合前傾角。3D打印模型及模擬手術(shù)的應(yīng)用不會明顯改善術(shù)后髖臼-股骨聯(lián)合前傾角。(2)軟組織遮擋可能一定程度干擾髖臼-股骨聯(lián)合前傾角的調(diào)整。(3)選取病例數(shù)較少可能不能反映出真實(shí)情況。此外,本研究發(fā)現(xiàn)兩組患者術(shù)后均未出現(xiàn)股神經(jīng)及坐骨神經(jīng)損傷、假體松動及脫位、肺栓塞、下肢深靜脈血栓、假體周圍骨折、關(guān)節(jié)感染等并發(fā)癥,證實(shí)3D打印模型與模擬技術(shù)輔助THA術(shù)、傳統(tǒng)THA術(shù)治療DDH均具有較高安全性。3D打印模型及模擬手術(shù)時應(yīng)注意:(1)在假體難以置入的情況下,切忌繼續(xù)暴力置入,應(yīng)拔出假體,認(rèn)真思考原因后再次置入;(2)磨銼時應(yīng)注意深度,既不能過深,也不能過淺,以防影響臼杯假體的穩(wěn)定性。

綜上所述,3D打印模型及模擬手術(shù)應(yīng)用于Crowe Ⅲ、Ⅳ型DDH患者THA術(shù)中效果確切,能提高假體匹配率,降低術(shù)中股骨劈裂骨折發(fā)生率,縮短手術(shù)時間,減少術(shù)中出血量,促進(jìn)康復(fù),值得臨床推廣應(yīng)用。