引用本文： 張鐘元, 趙錦偉, 黃相杰, 江和訓, 徐梓耀. 髖關節翻修術中 3D 打印金屬骨小梁墊塊重建髖臼的近期療效. 中國修復重建外科雜志, 2019, 33(12): 1516-1520. doi: 10.7507/1002-1892.201905010 復制
隨著人工髖關節置換術的廣泛開展，髖關節翻修患者也在逐年遞增[1]。骨溶解、假體周圍感染侵蝕等造成的髖臼骨缺損是翻修術中面臨的挑戰，其中 Paprosky Ⅲ型骨缺損患者髖臼環支撐結構被破壞，通常需修復骨缺損、重建髖臼環或支撐點，以獲得髖臼穩定結構。目前修復髖臼骨缺損方法很多，主要包括結構性植骨、多孔金屬墊塊、髖臼加強環、Jumbo 臼杯、雙杯髖臼假體等[2]，但存在骨來源有限、植骨吸收、機械失效、醫源性加重骨缺損等不足。近年來臨床開始采用骨小梁臼杯聯合鉭金屬骨小梁墊塊修復復雜髖臼骨缺損[1, 3-5]，以重建髖關節旋轉中心，恢復髖關節正常生物力學[6-7]，但普通金屬骨小梁墊塊外形常與缺損不匹配。如何安全、有效修復復雜髖臼骨缺損、重建髖臼，實現穩定的初始固定和長效生物學穩定，是臨床需解決的難題。利用 3D 打印技術構建髖臼骨缺損模型，定制個性化墊塊、臼杯，同時行術前模擬固定進行驗證，為復雜髖關節翻修術中骨缺損的修復重建提供了一種新方法。2014 年 8 月—2015 年 12 月，我們在 5 例髖關節翻修術中應用 3D 打印金屬骨小梁墊塊修復 Paprosky Ⅲ型骨缺損、重建髖臼，取得滿意療效。報告如下。
1 臨床資料
1.1 一般資料
本組男 3 例，女 2 例；年齡 50～72 歲，平均 66 歲。患者均為初次單側翻修；初次置換至翻修術時間為 10～18 年，平均 14.4 年。初次置換原因：股骨頭缺血性壞死 2 例，髖關節發育不良并骨關節炎 2 例，股骨頸骨折 1 例。假體類型：非骨水泥型 3 例，骨水泥型 2 例。無假體周圍感染患者。髖臼骨缺損分型[8]：Paprosky ⅢA 型 3 例、ⅢB 型 2 例。術前 Harris 評分為（34.23±11.67）分。術前常規攝髖關節正側位 X 線片及 CT，測量患髖旋轉中心高度為（38.17±8.87）mm，旋轉中心水平位置為（35.62±9.12）mm。
1.2 術前處理
術前行雙側髖關節 CT 掃描，層厚 0.625 mm，將數據以 DICOM 格式導入至 Mimics 10.0 軟件，重建患側髖關節髖臼并轉換成三維數字模型；導入至 Magics 15.0 軟件進行后處理，重建患側髖關節髖臼骨缺損三維模型；導入 3D 打印機中，采用 ABS 樹脂按照 1∶1 比例打印髖臼骨缺損模型，評估骨缺損類型，設計金屬骨小梁墊塊和手術方案，建立墊塊三維數字模型，設置孔隙率和孔徑等參數后，使用電子束熔融金屬 3D 打印機采用鈦合金粉末打印金屬骨小梁墊塊，用于修復髖臼骨缺損。
1.3 手術方法
全麻下，患者取健側臥位。取髖關節后外側入路，切開關節囊，顯露髖關節假體，充分顯露髖臼緣，取出原假體，徹底清除殘留骨水泥及髖臼填充結締組織，充分暴露髖臼骨性結構，再次評估髖臼骨缺損情況。徹底清除髖臼處溶解灶，定位髖臼旋轉中心，使用髖臼銼磨銼髖臼和骨缺損處骨質至表面滲血。根據術前規劃安放 3D 打印金屬骨小梁墊塊，螺釘輔助固定。安放臼杯至合適位置，擰入固定螺釘。墊塊與墊塊之間、墊塊與臼杯之間涂抹少量骨水泥，以增大墊塊之間、墊塊與臼杯之間的接觸；墊塊與宿主骨間以及臼杯與宿主骨間的空隙均植入骨屑。術中根據股骨側松動情況決定是否更換股骨假體，本組 3 例更換股骨假體。X 線透視檢查翻修假體安放位置準確后，常規放置引流并關閉切口。
1.4 術后處理及療效評價指標
術后常規抗感染、預防下肢深靜脈血栓形成治療，24 h 后拔除引流。患者麻醉清醒后即開始踝關節主動跖屈、背伸活動，股四頭肌和小腿三頭肌舒縮功能鍛煉，第 2 天開始下地扶拐部分負重行走，2 周后根據患者康復情況逐漸改為負重行走。
記錄手術時間、術中出血量及輸血量。術后 1、3、6、12 個月及以后每年 1 次門診復查。采用 Harris 評分評價關節功能。復查 X 線片評估假體位置、有無松動以及髖關節旋轉中心位置，于術后 1 周 X 線片測量髖臼杯外展角、前傾角以及雙髖旋轉中心高度（旋轉中心至雙側淚滴連線的垂直距離）、旋轉中心水平位置（旋轉中心至通過淚滴下緣并垂直于雙側淚滴連線的直線距離）。
1.5 統計學方法
采用 SPSS16.0 統計軟件進行分析。數據以均數±標準差表示，組間比較采用配對 t 檢驗；檢驗水準 α=0.05。
2 結果
本組手術時間 120～180 min，平均 142 min；術中出血量 800～1 700 mL，平均 1 100 mL。術中均行自體血回輸，回輸量 200～500 mL，平均 348 mL；同時輸血 200～600 mL，平均 360 mL。5 例患者均獲隨訪，隨訪時間 18～24 個月，平均 21 個月。末次隨訪時，患者步態基本正常，髖關節屈伸功能恢復良好，能完成日常行走、下蹲等活動。髖關節 Harris 評分為（79.82±8.70）分，較術前明顯提高，差異有統計學意義（t=16.991，P=0.000）。
術后 1 周，X 線片測量髖臼杯外展角為 38～42°，平均 39.4°；前傾角為 13～18°，平均 14.6°。患側髖關節旋轉中心高度為（22.08±8.33）mm，較術前明顯下降（t=6.730，P=0.000），與健側髖關節（28.62±7.73）mm 比較差異無統計學意義（t=?3.070，P=0.080）；患側髖關節旋轉中心水平位置為（29.03±6.28）mm，較術前明顯減小（t=4.280，P=0.000），與健側髖關節（27.29±4.22）mm 比較差異無統計學意義（t=1.380，P=0.132）。隨訪期間均無假體松動、脫位及假體周圍骨折等并發癥發生。見圖 1。患者詳細資料見表 1。
圖1
患者，男，50 歲，人工全髖關節置換術后 17 年發生假體松動行翻修術
a. 術前正側位 X 線片顯示假體松動，髖臼嚴重骨缺損；b. 三維重建髖臼骨缺損模型并模擬墊塊植入；c. 3D 打印金屬骨小梁墊塊實物；d. 術中植入金屬骨小梁墊塊及臼杯；e. 術后 6 個月正側位 X 線片
Figure1. A 50-year-old male patient underwent revision because of prosthesis loosening at 17 years after total hip arthroplastya. Anteroposterior and lateral X-ray films showed the prosthesis loosening and severe bone defect of the acetabulum before operation; b. The model of acetabular bone defect was constructed by 3D reconstruction and the implantation of pad was simulated; c. 3D printed trabecular metal pads; d. Intraoperative implantation of trabecular metal pads and cups; e. Anteroposterior and lateral X-ray films at 6 months after operation
表1
患者臨床資料
Table1.
Clinical data of patients
3 討論
髖關節翻修術的主要目標是有效填充骨缺損、穩定的假體植入以及恢復髖關節旋轉中心[9-10]，最終恢復髖關節功能。Paprosky Ⅲ型髖臼骨缺損的修復是翻修術中難點，由于患者假體型號不同、骨缺損形狀不規則，增大了手術難度。隨著 3D 打印技術趨于成熟，個性化精準治療成為可能。楊龍等[11]認為應用 3D 打印技術能準確顯示髖關節解剖形態，有效幫助醫生進行手術規劃，并進行精準的人工髖關節置換術。劉曦明等[12]認為 3D 打印技術可輔助醫生進行骨盆髖臼骨折術前診斷、術前規劃和術中導航，并能制作個體化植入物。個性化導航模塊及術前規劃能有效縮短手術時間和減少骨量丟失，使軟組織損傷降至最低，減少感染等手術并發癥的發生。趙星等[13]認為該技術具有精確性、個性化、直觀化等優點，并將 3D 打印技術與傳統手術方式相結合，有效地解決了肱骨遠端骨缺損修復重建問題。目前，髖關節翻修手術不斷追求假體個性化、精確化[14-17]，因此 3D 打印技術在翻修術中的應用獲得了巨大關注。夏志勇等[18]在人工全髖關節翻修術中應用 3D 打印鈦合金骨小梁金屬臼杯、墊塊，術后假體初始穩定性好，短期療效滿意。
本組均為 Paprosky Ⅲ型髖臼骨缺損患者，翻修術中需修復骨缺損、重建髖臼。參照既往相關研究，我們選擇應用 3D 打印技術定制個性化金屬骨小梁墊塊修復髖臼骨缺損。術前在 CT 掃描數據基礎上構建髖臼骨缺損模型，精準測量髖臼骨缺損范圍，定制金屬骨小梁墊塊，填充大部分骨缺損，避免了結構性植骨，實現精準的髖臼骨缺損修復和旋轉中心重建。同時，在 3D 打印骨缺損模型上進行模擬翻修術，使復雜的 Paprosky Ⅲ型髖臼骨缺損翻修術變得簡單易行。
我們認為采用 3D 打印金屬骨小梁墊塊重建髖臼骨性環狀結構，增加與宿主骨的接觸面積，最大限度避免了醫源性骨量丟失；同時術后即可獲得良好初始穩定性，患者能夠早期扶拐下地部分負重，減少了患者的痛苦，避免了術后假體松動及并發癥的發生，明顯提高了手術成功率。此外，重建了相對正常的髖關節旋轉中心，為恢復髖關節生物力學奠定基礎；同時墊塊空隙有利于骨長入，有望獲得長期生物學穩定。
采用 3D 打印金屬骨小梁墊塊手術時應注意以下事項：① 金屬骨小梁墊塊、臼杯之間由于表面摩擦系數大，按照傳統方法選擇大 1 mm 的假體植入有難度，因此我們選擇相同大小的假體。但植入后臼杯與骨組織間常存在空隙，可植入少量骨屑填充，增加接觸面積，有利于骨長入。② 對于墊塊與墊塊間、墊塊與臼杯間留存的間隙可涂抹少量骨水泥，增加墊塊之間、墊塊與臼杯間接觸，防止應力集中，增加穩定性，并防止微動產生金屬碎屑；注意使用骨水泥填充時，應避免骨水泥通過螺釘孔擠入假體與宿主骨之間，影響骨長入。
綜上述，PaproskyⅢ型髖臼骨缺損患者的髖關節翻修術中，選擇 3D 打印金屬骨小梁墊塊修復髖臼骨缺損，可重建相對正常的髖關節旋轉中心，避免進一步醫源性骨量丟失，假體初始穩定性可靠，術后早期髖關節功能改善明顯。但本組僅 5 例患者，隨訪時間短，遠期關節功能、假體生存率、骨長入以及并發癥發生情況均待進一步觀察。
作者貢獻：黃相杰負責研究設計及實施，張鐘元負責研究實施、數據收集整理及文章撰寫，江和訓負責研究實施、數據收集整理，趙錦偉負責數據收集整理及統計分析，徐梓耀負責研究實施。
利益沖突：所有作者聲明，在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突。
機構倫理問題：研究方案經山東省文登整骨醫院醫學倫理委員會批準（20-140601001）。
隨著人工髖關節置換術的廣泛開展，髖關節翻修患者也在逐年遞增[1]。骨溶解、假體周圍感染侵蝕等造成的髖臼骨缺損是翻修術中面臨的挑戰，其中 Paprosky Ⅲ型骨缺損患者髖臼環支撐結構被破壞，通常需修復骨缺損、重建髖臼環或支撐點，以獲得髖臼穩定結構。目前修復髖臼骨缺損方法很多，主要包括結構性植骨、多孔金屬墊塊、髖臼加強環、Jumbo 臼杯、雙杯髖臼假體等[2]，但存在骨來源有限、植骨吸收、機械失效、醫源性加重骨缺損等不足。近年來臨床開始采用骨小梁臼杯聯合鉭金屬骨小梁墊塊修復復雜髖臼骨缺損[1, 3-5]，以重建髖關節旋轉中心，恢復髖關節正常生物力學[6-7]，但普通金屬骨小梁墊塊外形常與缺損不匹配。如何安全、有效修復復雜髖臼骨缺損、重建髖臼，實現穩定的初始固定和長效生物學穩定，是臨床需解決的難題。利用 3D 打印技術構建髖臼骨缺損模型，定制個性化墊塊、臼杯，同時行術前模擬固定進行驗證，為復雜髖關節翻修術中骨缺損的修復重建提供了一種新方法。2014 年 8 月—2015 年 12 月，我們在 5 例髖關節翻修術中應用 3D 打印金屬骨小梁墊塊修復 Paprosky Ⅲ型骨缺損、重建髖臼，取得滿意療效。報告如下。
1 臨床資料
1.1 一般資料
本組男 3 例，女 2 例；年齡 50～72 歲，平均 66 歲。患者均為初次單側翻修；初次置換至翻修術時間為 10～18 年，平均 14.4 年。初次置換原因：股骨頭缺血性壞死 2 例，髖關節發育不良并骨關節炎 2 例，股骨頸骨折 1 例。假體類型：非骨水泥型 3 例，骨水泥型 2 例。無假體周圍感染患者。髖臼骨缺損分型[8]：Paprosky ⅢA 型 3 例、ⅢB 型 2 例。術前 Harris 評分為（34.23±11.67）分。術前常規攝髖關節正側位 X 線片及 CT，測量患髖旋轉中心高度為（38.17±8.87）mm，旋轉中心水平位置為（35.62±9.12）mm。
1.2 術前處理
術前行雙側髖關節 CT 掃描，層厚 0.625 mm，將數據以 DICOM 格式導入至 Mimics 10.0 軟件，重建患側髖關節髖臼并轉換成三維數字模型；導入至 Magics 15.0 軟件進行后處理，重建患側髖關節髖臼骨缺損三維模型；導入 3D 打印機中，采用 ABS 樹脂按照 1∶1 比例打印髖臼骨缺損模型，評估骨缺損類型，設計金屬骨小梁墊塊和手術方案，建立墊塊三維數字模型，設置孔隙率和孔徑等參數后，使用電子束熔融金屬 3D 打印機采用鈦合金粉末打印金屬骨小梁墊塊，用于修復髖臼骨缺損。
1.3 手術方法
全麻下，患者取健側臥位。取髖關節后外側入路，切開關節囊，顯露髖關節假體，充分顯露髖臼緣，取出原假體，徹底清除殘留骨水泥及髖臼填充結締組織，充分暴露髖臼骨性結構，再次評估髖臼骨缺損情況。徹底清除髖臼處溶解灶，定位髖臼旋轉中心，使用髖臼銼磨銼髖臼和骨缺損處骨質至表面滲血。根據術前規劃安放 3D 打印金屬骨小梁墊塊，螺釘輔助固定。安放臼杯至合適位置，擰入固定螺釘。墊塊與墊塊之間、墊塊與臼杯之間涂抹少量骨水泥，以增大墊塊之間、墊塊與臼杯之間的接觸；墊塊與宿主骨間以及臼杯與宿主骨間的空隙均植入骨屑。術中根據股骨側松動情況決定是否更換股骨假體，本組 3 例更換股骨假體。X 線透視檢查翻修假體安放位置準確后，常規放置引流并關閉切口。
1.4 術后處理及療效評價指標
術后常規抗感染、預防下肢深靜脈血栓形成治療，24 h 后拔除引流。患者麻醉清醒后即開始踝關節主動跖屈、背伸活動，股四頭肌和小腿三頭肌舒縮功能鍛煉，第 2 天開始下地扶拐部分負重行走，2 周后根據患者康復情況逐漸改為負重行走。
記錄手術時間、術中出血量及輸血量。術后 1、3、6、12 個月及以后每年 1 次門診復查。采用 Harris 評分評價關節功能。復查 X 線片評估假體位置、有無松動以及髖關節旋轉中心位置，于術后 1 周 X 線片測量髖臼杯外展角、前傾角以及雙髖旋轉中心高度（旋轉中心至雙側淚滴連線的垂直距離）、旋轉中心水平位置（旋轉中心至通過淚滴下緣并垂直于雙側淚滴連線的直線距離）。
1.5 統計學方法
采用 SPSS16.0 統計軟件進行分析。數據以均數±標準差表示，組間比較采用配對 t 檢驗；檢驗水準 α=0.05。
2 結果
本組手術時間 120～180 min，平均 142 min；術中出血量 800～1 700 mL，平均 1 100 mL。術中均行自體血回輸，回輸量 200～500 mL，平均 348 mL；同時輸血 200～600 mL，平均 360 mL。5 例患者均獲隨訪，隨訪時間 18～24 個月，平均 21 個月。末次隨訪時，患者步態基本正常，髖關節屈伸功能恢復良好，能完成日常行走、下蹲等活動。髖關節 Harris 評分為（79.82±8.70）分，較術前明顯提高，差異有統計學意義（t=16.991，P=0.000）。
術后 1 周，X 線片測量髖臼杯外展角為 38～42°，平均 39.4°；前傾角為 13～18°，平均 14.6°。患側髖關節旋轉中心高度為（22.08±8.33）mm，較術前明顯下降（t=6.730，P=0.000），與健側髖關節（28.62±7.73）mm 比較差異無統計學意義（t=?3.070，P=0.080）；患側髖關節旋轉中心水平位置為（29.03±6.28）mm，較術前明顯減小（t=4.280，P=0.000），與健側髖關節（27.29±4.22）mm 比較差異無統計學意義（t=1.380，P=0.132）。隨訪期間均無假體松動、脫位及假體周圍骨折等并發癥發生。見圖 1。患者詳細資料見表 1。
圖1
患者，男，50 歲，人工全髖關節置換術后 17 年發生假體松動行翻修術
a. 術前正側位 X 線片顯示假體松動，髖臼嚴重骨缺損；b. 三維重建髖臼骨缺損模型并模擬墊塊植入；c. 3D 打印金屬骨小梁墊塊實物；d. 術中植入金屬骨小梁墊塊及臼杯；e. 術后 6 個月正側位 X 線片
Figure1. A 50-year-old male patient underwent revision because of prosthesis loosening at 17 years after total hip arthroplastya. Anteroposterior and lateral X-ray films showed the prosthesis loosening and severe bone defect of the acetabulum before operation; b. The model of acetabular bone defect was constructed by 3D reconstruction and the implantation of pad was simulated; c. 3D printed trabecular metal pads; d. Intraoperative implantation of trabecular metal pads and cups; e. Anteroposterior and lateral X-ray films at 6 months after operation
表1
患者臨床資料
Table1.
Clinical data of patients
3 討論
髖關節翻修術的主要目標是有效填充骨缺損、穩定的假體植入以及恢復髖關節旋轉中心[9-10]，最終恢復髖關節功能。Paprosky Ⅲ型髖臼骨缺損的修復是翻修術中難點，由于患者假體型號不同、骨缺損形狀不規則，增大了手術難度。隨著 3D 打印技術趨于成熟，個性化精準治療成為可能。楊龍等[11]認為應用 3D 打印技術能準確顯示髖關節解剖形態，有效幫助醫生進行手術規劃，并進行精準的人工髖關節置換術。劉曦明等[12]認為 3D 打印技術可輔助醫生進行骨盆髖臼骨折術前診斷、術前規劃和術中導航，并能制作個體化植入物。個性化導航模塊及術前規劃能有效縮短手術時間和減少骨量丟失，使軟組織損傷降至最低，減少感染等手術并發癥的發生。趙星等[13]認為該技術具有精確性、個性化、直觀化等優點，并將 3D 打印技術與傳統手術方式相結合，有效地解決了肱骨遠端骨缺損修復重建問題。目前，髖關節翻修手術不斷追求假體個性化、精確化[14-17]，因此 3D 打印技術在翻修術中的應用獲得了巨大關注。夏志勇等[18]在人工全髖關節翻修術中應用 3D 打印鈦合金骨小梁金屬臼杯、墊塊，術后假體初始穩定性好，短期療效滿意。
本組均為 Paprosky Ⅲ型髖臼骨缺損患者，翻修術中需修復骨缺損、重建髖臼。參照既往相關研究，我們選擇應用 3D 打印技術定制個性化金屬骨小梁墊塊修復髖臼骨缺損。術前在 CT 掃描數據基礎上構建髖臼骨缺損模型，精準測量髖臼骨缺損范圍，定制金屬骨小梁墊塊，填充大部分骨缺損，避免了結構性植骨，實現精準的髖臼骨缺損修復和旋轉中心重建。同時，在 3D 打印骨缺損模型上進行模擬翻修術，使復雜的 Paprosky Ⅲ型髖臼骨缺損翻修術變得簡單易行。
我們認為采用 3D 打印金屬骨小梁墊塊重建髖臼骨性環狀結構，增加與宿主骨的接觸面積，最大限度避免了醫源性骨量丟失；同時術后即可獲得良好初始穩定性，患者能夠早期扶拐下地部分負重，減少了患者的痛苦，避免了術后假體松動及并發癥的發生，明顯提高了手術成功率。此外，重建了相對正常的髖關節旋轉中心，為恢復髖關節生物力學奠定基礎；同時墊塊空隙有利于骨長入，有望獲得長期生物學穩定。
采用 3D 打印金屬骨小梁墊塊手術時應注意以下事項：① 金屬骨小梁墊塊、臼杯之間由于表面摩擦系數大，按照傳統方法選擇大 1 mm 的假體植入有難度，因此我們選擇相同大小的假體。但植入后臼杯與骨組織間常存在空隙，可植入少量骨屑填充，增加接觸面積，有利于骨長入。② 對于墊塊與墊塊間、墊塊與臼杯間留存的間隙可涂抹少量骨水泥，增加墊塊之間、墊塊與臼杯間接觸，防止應力集中，增加穩定性，并防止微動產生金屬碎屑；注意使用骨水泥填充時，應避免骨水泥通過螺釘孔擠入假體與宿主骨之間，影響骨長入。
綜上述，PaproskyⅢ型髖臼骨缺損患者的髖關節翻修術中，選擇 3D 打印金屬骨小梁墊塊修復髖臼骨缺損，可重建相對正常的髖關節旋轉中心，避免進一步醫源性骨量丟失，假體初始穩定性可靠，術后早期髖關節功能改善明顯。但本組僅 5 例患者，隨訪時間短，遠期關節功能、假體生存率、骨長入以及并發癥發生情況均待進一步觀察。
作者貢獻：黃相杰負責研究設計及實施，張鐘元負責研究實施、數據收集整理及文章撰寫，江和訓負責研究實施、數據收集整理，趙錦偉負責數據收集整理及統計分析，徐梓耀負責研究實施。
利益沖突：所有作者聲明，在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突。
機構倫理問題：研究方案經山東省文登整骨醫院醫學倫理委員會批準（20-140601001）。
