何　勇，　刘欣伟，　张敬东，　韩文锋，　王　宁，　刘海立，　柳云恩，　侯明晓

沈阳军区总医院 骨科，全军重症战创伤救治中心，辽宁 沈阳　110016



·3D打印技术·

3D打印技术在髋关节翻修手术中应用

何勇，刘欣伟，张敬东，韩文锋，王宁，刘海立，柳云恩，侯明晓

沈阳军区总医院 骨科，全军重症战创伤救治中心，辽宁 沈阳110016

目的探讨3D打印技术在髋关节翻修手术治疗中的应用效果。方法选择2014年6月至2015年11月我科收治的8例髋关节感染翻修患者。Ⅰ期行感染清创、假体取出、抗生素骨水泥占位器植入术，规范抗感染治疗3个月；复查炎性指标正常后，Ⅱ期行髋关节翻修术。术前利用CT扫描得到的数据进行计算机三维建模，通过3D打印技术打印经镜像处理后的健侧髋臼及股骨近端实体模型，术前预演并指导制作术中占位器及Ⅱ期假体的安放。结果3D打印技术的应用使复杂髋关节翻修占位器及假体的选择更精确，大大缩短了手术时间，减少了创伤。所有患者均获得随访，时间9～24个月，平均16.5个月。术后X线影像学检查显示，关节假体位置正确，固定可靠，髋关节功能获得较大的改善。Harris评分从术前平均(37.6±5.6)分，提高至末次随访的平均(83.6±9.8)分(P<0.05)。结论3D打印技术在髋关节翻修手术治疗中可以实现术前个体化设计、手术模拟，缩短手术时间，减少医源性损伤，提高手术效率，方法可行，效果良好。

3D打印；手术导板；感染；翻修术；手术并发症

Three dimensional printing technique；Operation guide plate；Infection；The second-stage revision；Postoperative complications

人工全髋关节置换术后深部感染是人工关节手术的严重并发症，一旦发生，可能导致整个手术的失败，患者往往需要接受翻修手术。在翻修手术当中，经常会遇到骨缺损的问题，难以处理。既往需要依据医师的经验在翻修手术前进行粗略估测，术中边清创，边调整制作占位器，费时费力且不准确。随着3D打印技术的兴起及在医学领域的应用，沈阳军区总医院骨科将3D打印技术应用于8例髋关节感染翻修术，取得了满意的效果。现报道如下。

1　资料与方法

1.1一般资料选择沈阳军区总医院骨科2014年6月至2015年11月收治的髋关节置换术后感染患者8例，设为研究组。其中，男性3例，女性5例；年龄48～72岁，平均56.5岁。全髋关节置换术前髋关节病变主要为：股骨头坏死2髋，髋关节骨关节炎3髋，股骨颈骨折(Garden Ⅳ型)2髋，先天性髋关节发育不良1髋。初次手术用骨水泥型假体3例，非骨水泥型假体5例。8例患者均为术后晚期慢性感染，患髋有不同程度疼痛。关节液血培养，8例均为阳性，均为革兰阳性球菌感染。随机选取8例既往未采用3D打印技术的髋关节置换术后感染患者(对照组)，进行比较分析。

1.2手术导板制作术前常规行双侧髋关节3D-CT检查，扫描层厚0.625 mm，将数据以DICOM格式导出并存储。通过Mimics 10.0软件将DICOM格式的文件提取后，对健侧髋关节进行三维建模后，通过Magics 15.0软件进行后处理；通过逆向工程技术求得反向模型后，确保计算机程序设计的导板能够准确制作患侧个体化spacer模具。将骨与导板生成的STL文件导入3D打印机中，执行3D打印。本研究中使用的打印材料均为ABS树脂。打印完成后，将spacer模具导板与骨模型再次适配，确认无误后，将导板送手术室进行消毒备用。

1.3手术方法研究组8例患者均采用全身麻醉，手术由同一组医师完成。麻醉成功后，常规消毒、铺无菌手术单，取原手术切口，逐层切开皮肤、皮下组织、筋膜、瘢痕及感染组织，显露髋关节后，取出感染假体，彻底清除假体与骨界面之间的界膜、感染肉芽组织，Ⅲ型安尔碘浸泡术区5 min，再用大量的生理盐水脉冲冲洗，反复3次，重新铺无菌手术单。此时，应用镜像技术3D打印的个体化spacer模具制造个体化含万古霉素的骨水泥假体，彻底清创后，置入含万古霉素的骨水泥假体。术后根据药敏结果规范使用抗生素6周，直至局部无症状，血沉、C反应蛋白、白介素-6正常。3～6个月后，再行Ⅱ期翻修手术。通过术前的3D打印了解髋臼及股骨侧骨缺损情况，定制合适假体。术中逐层切开并显露髋关节后，取出占位器，取关节液培养，肉眼判断感染控制情况，如创面干净，则再次彻底清创。清创彻底后，依据术前3D打印设计及参照术中消毒骨模型进行骨缺损重建，置入翻修假体。

对照组8例患者的手术由上述同一组医师完成。围术期操作与研究组相同，但不使用3D打印设计及重建技术。

1.4观察指标记录各导板的制作时间、手术时间，二次手术前后的髋关节功能按Harris标准进行评分，临床评估包括比较患者术前及末次随访的髋关节Harris评分。

2　结果

研究组的导板制作时间为(15.5±4.5)h，8例患者均成功应用了手术导板，术中制作并使用个体化占位器。Ⅱ期翻修术中，依据3D打印实体模具了解骨缺损情况，选择合适翻修假体。术中占位器未出现变形、断裂，髋关节功能良好。研究组手术时间(96.6±22.4)min，与未使用导板的对照组(132.4±30.6)min比较，差异有统计学意义(P<0.05)。研究组8例患者均获随访，随访时间9～24个月，平均16.5个月。Ⅱ期翻修术后，所有患者切口均临床愈合，无髋部疼痛、感染复发、关节脱位、血管、神经损伤等手术并发症。术后3个月内基本恢复正常，无不适感。研究组Harris评分从术前的(37.6±5.6)分，提高至末次随访的平均(83.6±9.8)分(P<0.05)；对照组Harris评分从术前平均(38.4±6.2)分，提高至末次随访的平均(78.4±7.2)分(P<0.05)。典型病例见图1。

图1患者男性，62岁，人工髋关节置换术后感染，应用3D打印技术行髋关节翻修术(a.术前X线影像；b,c.使用3D打印技术制作个体化模具；d.第1次占位器置入术后X线影像；e,f.术前电脑呈现的髋关节3D图像及模拟的假体大小；g.术中依据术前3D打印指导，选择合适假体安放；h.术后X线影像可见，假体大小选择及安放效果良好、位置佳)

3　讨论

3D打印技术在工业制造领域已应用近30年，其前身是集激光快速成型、高分子材料、三维CT技术于一体的一种现代化工业制造技术[5]。在计算机扫描的前提下，通过对零件几何信息的数字化处理，在计算机中对零件进行符合设计要求的再次精细加工，逐层堆积即可得到三维重建模型，该模型通过3D打印机将一定的可打印材料注入后，即可制作出实体模型[6-8]。近年来，3D打印技术在各个领域广泛兴起，在医用材料领域特别是硬组织领域更是得到了较快发展，由于人体组织的不规则性，人与人之间的个体化差异，该技术在医学领域的实施给患者及医师带来了很大帮助[9]。

近20年来，国内人工全髋关节置换数量大幅度上升。由于临床医疗自身所具有的风险与并发症，全髋关节翻修的数量也在不断上升。翻修手术过程中，感染的控制、骨缺损的处理、翻修假体的选择等，均是骨关节外科医师所需解决的临床难题。人工髋关节置换术后感染导致的骨缺损常很严重，一方面是化脓、骨溶解或假体松动导致骨丢失，另一方面是在取出固定良好的感染假体或清除残余骨水泥以及感染组织时，骨丢失会进一步加重。因此，在面对需行全髋关节翻修的患者时，应在翻修前对患者进行全面的查体，明确翻修主要原因，借助实验室与影像学检查，做好周密的翻修前计划，术前利用CT扫描得到的数据进行计算机三维建模，通过3D打印技术打印经镜像处理后的健侧髋臼及股骨近端实体模型[10]，术前预演并指导制作术中个体化占位器及Ⅱ期假体的安放，翻修过程中根据术前计划及术中具体情况处理骨缺损及选择假体，翻修后进行科学的功能锻炼，可使全髋关节翻修取得良好的临床疗效。

全髋关节置换术后感染是关节外科医师所面临的一个难题，尤其是慢性深部感染。目前，其治疗方法主要为单一应用抗生素抗感染治疗，Ⅰ期翻修，Ⅱ期翻修；关节切除成形，关节融合，甚至截肢。Ⅱ期翻修，即Ⅰ期彻底清创后，取出假体，置入含抗生素骨水泥假体，全身应用抗生素，观察至炎症完全控制后，Ⅱ期行全髋关节置换。目前，美国已将此种方法作为全髋关节置换术后深部感染的标准治疗措施[11]。Ⅱ期翻修治疗关节感染相比其他外科手段具有根治感染率高等优点，颇受关节外科医师青睐。利用含抗生素骨水泥假体对人工关节术后感染进行Ⅱ期翻修是由Duncan等[12]发明的。这种含抗生素骨水泥假体由特殊的金属模具制成，使用细长的股骨柄假体与更小的髋臼杯。虽然制作精细；但由于需要特殊的模具与假体，在临床上普及有一定困难。而且，模具制作的抗生素骨水泥假体型号固定，抗生素骨水泥假体表面不如金属光滑，型号不匹配会造成运动时疼痛、异响，影响生活质量。因此，本研究通过3D打印对含抗生素骨水泥假体进行了个体化制作，在所有患者随访中均能实现早期负重，并且未发现断裂现象。在治疗费用方面，3D打印价格低廉，仅仅是二次CT检查的费用，并未增加多余的巨大治疗费用。在本研究中，研究组8例髋关节感染翻修患者通过3D打印技术均成功设计制作并应用了骨模型及抗生素骨水泥占位器，控制感染效果[13]及翻修效果良好，与对照组比较，手术时间明显缩短，患者随访的髋关节Harris评分明显高于手术前及对照组，取得了满意的临床疗效。

3D打印模型应用于髋关节翻修中的临床意义[14]在于：(1)3D打印的实物模型能够清晰显示感染病变位置的形态及正常健侧局部解剖结构等，可以发现影像学资料无法显示的信息，提高疾病诊断率；(2)应用关节实物3D打印模型有利于向患者及其家属解释、沟通病情及制订治疗方案，将外科手术水平提髙至新的“个性化手术方案”阶段；(3)在3D打印模型上模拟手术能够发现手术设计的不完善之处以及预想术中最可能会发生的突发情况，并及时对手术方案进行调整，提高手术的准确性及安全性，减少不必要的手术创伤，在一定程度上提高手术成功率、降低手术并发症的发生。

综上所述，3D打印技术作为一种新兴技术，在骨关节外科领域具有独特的优势与广阔的发展前景，该技术具有能够实现术前个体化设计、进行手术预演、缩短手术时间、减少医源性损伤、提高手术效率等优点，值得推广。

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辽宁省科技攻关(2013225089)

何勇(1982-)，男，辽宁本溪人，医师，硕士

张敬东，E-mail：zhangjingdongdr@163.com

2095-5561(2016)05-0269-04

R687.4

B

∶10.16048/j.issn.2095-5561.2016.05.04

2016-09-13