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        3D打印技術(shù)在成年發(fā)育性髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良患者股骨柄匹配度測量中的應(yīng)用

        2020-03-04 05:27:16孫曉亮官建中周建生王照東陳笑天
        臨床骨科雜志 2020年1期
        關(guān)鍵詞:測量模型

        孫曉亮,官建中,吳 敏,周建生,王照東,陳笑天,李 琛

        成年發(fā)育性髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良(DDH)患者終末期生活質(zhì)量下降,失去勞動能力,人工全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)(THA)是目前最為有效的治療方式。重度DDH患者的髖臼及股骨近端解剖形態(tài)變異程度大,THA難度高,其中股骨假體柄的選擇尤為重要,需要根據(jù)患者股骨近端具體解剖形態(tài)進(jìn)行選擇。官建中 等[1]利用3D打印技術(shù)對8例成人DDH患者進(jìn)行術(shù)前骨盆模型的打印,在模型上預(yù)手術(shù),提高了實(shí)際手術(shù)的成功率。但目前大多數(shù)研究都集中在髖臼側(cè),在股骨側(cè)的深入研究則較少。本研究收集2017年11月~2018年11月在蚌埠醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院骨科行THA的成年重度DDH患者的三維CT數(shù)據(jù)(從骨盆至股骨髁部),運(yùn)用3D打印機(jī)制作出23例成年DDH患者(29髖)的畸形股骨模型,在1 ∶1模型上模擬手術(shù)安裝兩種不同形狀的股骨柄髓腔銼,比較股骨假體不同柄的匹配度,從而為真實(shí)手術(shù)中股骨柄的選擇提供參考,報(bào)道如下。

        1 材料與方法

        1.1 病例資料納入行THA的成年DDH患者23例(29髖),男2例,女21例,年齡24~67歲。Crowe分型:Ⅰ型8髖,Ⅱ型6髖,Ⅲ型8髖,Ⅳ型7髖。

        1.2 設(shè)備與軟件GE 64排128層容積 CT、聯(lián)想筆記本電腦(由蚌埠醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院提供); 激光快速成型3D 打印機(jī)(上海聯(lián)泰科技股份有限公司);光敏樹脂(帝斯曼迪索特化學(xué)有限公司)。打印方式:光固化成型技術(shù);GE公司CT自帶三維重建軟件;3D 醫(yī)學(xué)打印軟件:Mimics Medical 19.0。全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)專用器械(北京愛康宜誠醫(yī)療器材有限公司)。

        1.3方法① 首先對23例患者(29髖)進(jìn)行骨盆至股骨髁部CT三維重建。按照Noble et al(1988年)提出的髓腔開口指數(shù)(CFI,即小轉(zhuǎn)子中心近端20 mm處髓腔冠狀徑和股骨髓腔峽部冠狀徑的比值)進(jìn)行分型:CFI<3煙囪型,34.7香檳型。② 在 Mimics 19.0中生成.stl文件,將文件導(dǎo)入3D打印機(jī),進(jìn)行股骨全長1 ∶1打印。在模型上進(jìn)行模擬手術(shù),利用國產(chǎn)愛康關(guān)節(jié)自帶的截骨標(biāo)尺進(jìn)行股骨頸標(biāo)準(zhǔn)截骨(保留股骨距1.5 cm),再取國產(chǎn)愛康關(guān)節(jié)提供的矩形及錐形假體柄髓腔銼分別進(jìn)行模擬安裝,依次增加股骨假體試模型號,達(dá)到匹配良好,固定穩(wěn)定即可。見圖1~15。以上研究經(jīng)過蚌埠醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)。

        1.4 匹配度的測量將安裝假體的股骨模型行CT三維重建,將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 19.0進(jìn)行股骨假體柄在股骨截骨處、截骨遠(yuǎn)端2.5 cm、截骨遠(yuǎn)端7.5 cm及髓腔峽部位置處匹配度[2]的測量,由冠狀位股骨柄的寬度比股骨髓腔內(nèi)徑來計(jì)算(以百分?jǐn)?shù)計(jì)算)。

        圖1 雙側(cè)DDH患者雙下肢全長 圖2 CT橫斷及冠狀面圖像 圖3 經(jīng)Mimics軟件重建后圖像 圖4 3D打印股骨全長模型 圖5用標(biāo)準(zhǔn)截骨標(biāo)尺標(biāo)記截骨線 圖6 擺鋸模擬截骨 圖7 矩形股骨柄試模 圖8 錐形股骨柄試模 圖9 安裝后再次行CT三維檢查 圖10 矩形股骨假體安裝后CT定位像圖11 錐形柄假體安裝后CT定位像 圖12 將CT數(shù)據(jù)再次利用Mimics軟件重建圖像 圖13 各個髓腔平面定位圖像 圖14 ab為股骨柄寬度,ac為髓腔寬度,ab/ac×100%為股骨柄匹配度 圖15 髓腔股骨柄匹配度示意[2]

        2 結(jié)果

        見表1。按照髓腔開口指數(shù)(CFI)分型,香檳型8髖,正常型11髖,煙囪型10髖。

        2.1 股骨截骨處匹配度測量結(jié)果比較煙囪型股骨中,矩形柄的匹配度顯著高于錐形柄(P<0.01)。香檳型股骨中,錐形柄的匹配度高于矩形柄(P<0.01)。

        2.2 股骨截骨遠(yuǎn)端2.5 cm處匹配度測量結(jié)果比較正常型股骨中,矩形柄和錐形柄匹配度比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。香檳型股骨在此位置的解剖變異較大,錐形柄匹配度顯著高于矩形柄(P<0.001)。而對煙囪型股骨,矩形柄比錐形柄更占優(yōu)勢(P=0.001)。

        2.3 股骨截骨遠(yuǎn)端7.5 cm處匹配度測量結(jié)果比較正常型股骨中,矩形柄和錐形柄匹配比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。香檳型股骨中,錐形柄明顯優(yōu)于矩形柄(P<0.01)。而相較于錐形柄,煙囪型股骨更適合矩形柄(P<0.01)。

        2.4 股骨髓腔峽部匹配度測量結(jié)果比較正常型股骨中,矩形柄匹配度與錐形柄比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.333)。香檳型股骨中,錐形柄的匹配度顯著高于矩形柄(P<0.001)。煙囪型股骨近端髓腔較為陡直,錐度較香檳型股骨小,矩形柄匹配度優(yōu)于錐形柄(P<0.01)。

        3 討論

        成年DDH患者終末期常繼發(fā)髖關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎,嚴(yán)重影響生活質(zhì)量。THA為目前最合理的治療方法[3],手術(shù)難點(diǎn)在于正確的髖臼假體安放位置、股骨柄的選擇、前傾角的控制及雙下肢長度的調(diào)整[4]。DDH患者股骨近端解剖變異大,研究結(jié)果表明股骨近端的髓腔狹窄和前傾角變大,頸干角增大及股骨大轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)移位[5]。劉雙魯[6]對48髖DDH患者進(jìn)行Crowe分型并測量參數(shù),相對于 Crowe Ⅰ~Ⅲ 型 DDH,CroweⅣ型股骨近端髓腔更直立、更接近煙囪型;大轉(zhuǎn)子最高點(diǎn)和股骨峽部高度更高,小轉(zhuǎn)子水平的近端髓腔縮窄更為顯著。股骨近端解剖上的變異直接影響THA手術(shù)中股骨柄的選擇和股骨近端的重建及雙下肢長度。劉宏偉[7]認(rèn)為,股骨柄理想的位置為假體輕度外翻位≤3°及中立位;>3°的內(nèi)、外翻固定均要避免。

        隨著3D打印技術(shù)的普及,劉宏偉[8]利用電子束熔融(EBM RP)金屬3D打印制造出個性化定制的股骨柄套袖,個性化袖套與干骺端髓腔有著完美的匹配。受到3D打印技術(shù)的限制,打印柄的強(qiáng)度較弱,暫時還不能完全適應(yīng)人體直立行走,尚沒有應(yīng)用于臨床。雖然S-ROM柄及Wagner柄在設(shè)計(jì)上有較大創(chuàng)新,在DDH患者的THA中受到許多關(guān)節(jié)外科醫(yī)生的青睞,可是其費(fèi)用較高,經(jīng)濟(jì)落后地區(qū)患者難以承擔(dān)。相比之下,錐形柄及矩形柄等價格低廉,在實(shí)際應(yīng)用中也能取得滿意的療效,減輕患者負(fù)擔(dān)。朱晨 等[9]采用改良股骨大轉(zhuǎn)子滑移截骨術(shù)聯(lián)合近端固定型非骨水泥股骨假體柄對30例股骨近端嚴(yán)重畸形的患者(35髖)行初次THA,術(shù)中均選用近端固定生物型矩形或錐形直柄,臨床效果良好。因此本研究選用矩形及錐形柄在同一個股骨模型上操作,測量股骨近端(截骨處,截骨遠(yuǎn)端 2.5 cm)及遠(yuǎn)端(截骨遠(yuǎn)端7.5 cm,髓腔峽部)水平位置處柄體與股骨髓腔內(nèi)壁的匹配度。

        表1 股骨柄匹配度

        3.1 不同平面股骨柄匹配度差異分析

        3.1.1股骨截骨處匹配度差異分析 本研究結(jié)果顯示,在煙囪型股骨截骨處,矩形柄的匹配度顯著高于錐形柄,筆者認(rèn)為與柄的轉(zhuǎn)子區(qū)形狀有關(guān),矩形柄橫截面為矩形更接近截骨處股骨髓腔的形態(tài)。按照Noble et al的分型,CFI>4.7稱為香檳型或漏斗型,而錐形柄的柄體整個縱向呈 3 °錐度,橫截面呈圓形或橢圓形。假體固定理念為通過假體與股骨近端截骨處小轉(zhuǎn)子區(qū)域的緊密壓配,已獲得良好的初始穩(wěn)定性,而在矢狀面上整個股骨柄獲得股骨近端后方、中段前方、遠(yuǎn)端后方的3點(diǎn)支撐,以利于減輕應(yīng)力的遮擋。香檳型股骨截骨端截面正如“漏斗口”般,與錐形柄的設(shè)計(jì)相契合。

        3.1.2股骨截骨遠(yuǎn)端2.5 cm處匹配度差異分析 股骨截骨處及截骨遠(yuǎn)端2.5 cm水平位置代表股骨柄的近端穩(wěn)定性,我們利用Mimics Medical 19.0測量的結(jié)果分析,截骨遠(yuǎn)2.5 cm是香檳型股骨髓腔截面由近似矩形向類圓形轉(zhuǎn)變的交界處,且相對于正常型股骨形變的幅度較大。錐形柄整體呈縱向3°錐度,形變處與股骨皮質(zhì)更加貼合。與錐型柄在轉(zhuǎn)子下區(qū)域強(qiáng)調(diào)“填充”理念不同,矩形柄的側(cè)重點(diǎn)在于緊密的壓配,可保留大量骨內(nèi)膜,保存髓腔內(nèi)的血供,促進(jìn)骨長入。本研究患者中,煙囪型股骨的髓腔寬大但CFI較小,且髓腔在截骨遠(yuǎn)2.5 cm位置處形變較小,髓腔較為陡直,并沒有像香檳型股骨在該區(qū)域突然變窄,矩形柄橫截面的4邊與骨面緊密壓配,下肢旋轉(zhuǎn)時柄的穩(wěn)定性得以保持,并能夠緩沖應(yīng)力傳導(dǎo)。

        3.1.3股骨截骨遠(yuǎn)端7.5 cm處匹配度差異分析 股骨截骨遠(yuǎn)端7.5 cm及股骨峽部均為股骨干區(qū)域,根據(jù)本研究中對股骨遠(yuǎn)端7.5 cm位置橫截面參數(shù)的測量,發(fā)現(xiàn)股骨在此位置的橫截面更接近于圓形,與錐形柄橫截面的橢圓形更加契合。由于DDH患者的髓腔大多細(xì)于正常人,錐形柄設(shè)計(jì)時強(qiáng)調(diào)在股骨干骺端及頸干交界區(qū)域的高匹配和填充效應(yīng)導(dǎo)致柄的型號相對較小。本研究模擬手術(shù)時發(fā)現(xiàn),大一號的錐形股骨柄因股骨干骺端的阻擋難以安裝到滿意的位置,但對于同一例股骨模型矩形柄則可以用到較大型號,故在股骨遠(yuǎn)端區(qū)域錐形柄較細(xì),矩形柄的4邊截面使匹配度更高,可以對股骨遠(yuǎn)端提供良好的把持力防止柄體旋轉(zhuǎn),增加遠(yuǎn)端穩(wěn)定性。

        3.1.4股骨髓腔峽部匹配度差異分析 有學(xué)者利用三維CT對正常股骨形態(tài)進(jìn)行測量,發(fā)現(xiàn)股骨近段髓腔橫斷面由近向遠(yuǎn)從不規(guī)則橢圓形向圓形轉(zhuǎn)變,骨皮質(zhì)逐漸增厚,峽部處的骨皮質(zhì)最厚[10]。錐形柄的設(shè)計(jì)理念是取得股骨干骺端及轉(zhuǎn)子下區(qū)域的穩(wěn)定和壓配,對遠(yuǎn)端的穩(wěn)定性關(guān)注較少,中遠(yuǎn)端柄體較細(xì)小,在髓腔中的填充稍差[11]。但是矩形柄柄體遠(yuǎn)端橫截面寬而扁,雖然也屬于近端固定為主型,但其遠(yuǎn)端穩(wěn)定性強(qiáng)于錐形柄,因此可應(yīng)用于煙囪型髓腔。

        3.2 本研究的創(chuàng)新點(diǎn)及不足之處創(chuàng)新點(diǎn):① 本研究利用3D打印技術(shù)重建DDH患者的1 ∶1全股骨模型,精確地模擬了DDH患者股骨近端的解剖形態(tài),能夠?yàn)閷?shí)驗(yàn)中股骨柄的安裝提供可靠的依據(jù)。② 研究所用的打印材料為液體的光敏樹脂,在模型成型后髓腔內(nèi)表面處理光滑,減少測量誤差。本研究的64排螺旋CT在掃描模型前可以將模式調(diào)整為“MAR模式”,減少金屬偽影對測量結(jié)果的影響。③ 由于進(jìn)行的是全股骨打印,包括股骨頭至股骨髁部,在模擬手術(shù)安裝股骨柄時,可以參照股骨后髁間連線來掌握股骨頸前傾角,使安裝更接近真實(shí)手術(shù)。④ 本研究用同一股骨模型分別安裝兩種形狀的股骨柄,是在真實(shí)手術(shù)中所不能實(shí)現(xiàn)的,這樣可以避免不同患者股骨柄匹配度所產(chǎn)生的隨機(jī)誤差。不足之處:① 本研究中所用的股骨柄為試模,同真實(shí)的股骨柄相比在柄體的寬度上有一定差距,影響了測量結(jié)果。② 通過3D打印的股骨模型主要模擬的是形態(tài)參數(shù),但骨組織是具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的不均質(zhì)材料,主要成分為羥基磷灰石、Ⅰ型膠原和水,具有很好的硬度和強(qiáng)度及一定的韌性[12],而打印出的模型是單一的光敏樹脂材料,在硬度和韌性上均有區(qū)別。在安裝股骨柄時缺乏股骨內(nèi)皮質(zhì)對假體的“夾持力”,不能100%重建骨骼的細(xì)微結(jié)構(gòu)。CT 掃描層厚及 3D 打印機(jī)的精度還有待進(jìn)一步提高,以便完美地重建骨骼形態(tài)。③ 本研究的DDH患者例數(shù)較少,需要在今后研究中進(jìn)一步擴(kuò)大樣本量。④ 對于Crowe Ⅳ型的高脫位DDH患者,在THA中如果想將髖臼恢復(fù)到真臼水平,可能需要進(jìn)行股骨短縮截骨來完成,但是也有不截骨取得良好療效的報(bào)道。本研究高脫位病例較少且截骨的方法眾多暫無統(tǒng)一術(shù)式,故未模擬短縮截骨術(shù),待下一步加強(qiáng)高脫位病例的收集進(jìn)行更深入的研究。

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