3D打印技术在人工髋关节置换术中的应用现状及前景
时间:2019-01-07 13:30 来源:中国骨与关节杂志 作者:中国3D打印网 阅读:次
3D打印技术在全髋关节置换/翻修术中应用的现状
髋关节发育不良患者的骨盆3D打印及导航模板的使用:DDH是一种目前病因尚不明确的先天性髋部疾病。患者其典型影像学表现为髋臼对股骨头的覆盖减少,髋臼壁浅而薄,多存在髋臼骨缺损,骨质硬化,出现假臼等改变并伴有不同程度的臀中肌萎缩。而对于CroweIII/IV型的发育不良患者,由于其髋臼缺损严重,股骨头脱位明显,临床治疗常面临巨大挑战。目前,对于成人中、晚期DDH患者,THA已经成为其手术治疗的最优选择。但是由于DDH患者解剖学的变异以及人为主观因素,髋臼重建位置往往并不完全精确,存在相对较高的假体松动可能。
近几年来,快速打印导航模板的使用也在不断增多,利用患者术前三维CT结果设计出假体的最佳固定方向,并提取髋臼表面解剖形态拟合成定位模板。快速成型制作后,在术中按照导航模板的指引,快速确定真臼位置,并按照设计角度打磨髋臼,可缩短手术时间,提高手术精度,取得很好疗效。
髋关节翻修术的3D打印应用:随着髋关节置换术数量逐年上涨,由于感染,假体松动等术后并发症所导致的需要翻修的患者也在悄然增加。假体无菌性松动与不稳定(66%)和感染(15%)是全髋关节置换术后两种最严重的并发症。它们不仅影响患者的身心健康,生活质量,更增加了骨科医生的治疗难度。髋关节翻修术,无论是髋臼侧,还是股骨侧,骨缺损通常都会非常严重,手术难度较大。
何勇等报道了多例翻修患者,利用I期术前三维CT图像,取健侧股骨数据,应用镜像技术3D打印出个体化Spacer制作模具。术前预演并术中指导制作个体化Spacer,提高了手术精度。又于II期手术前拍摄最新三维CT,3D打印患侧股骨结构,模拟股骨柄的选择,指导术中假体安放,患者术后控制感染及翻修效果均良好。
个体化订制的3D打印髋臼假体:电子束熔融快速成型技术(EBMRP)是一种新型金属粉末(Ti6Al4V)快速成型技术。通过CT或MRI提取患者的骨骼信息数据进行个性化假体的计算机辅助设计,并加以仿真模拟及力学验证;最后通过EBMRP技术完成个性化假体的快速制作。相关研究表明,孔隙率>50%且孔径在50~500μm之间的多孔钛合金假体是符合人类松质骨机械强度且有利于成骨细胞的增殖和分化的。EBM技术订制假体可以完全满足此材料学要求,其“类骨小梁结构”可支持骨细胞在其中生长,使骨骼与假体之间形成牢固的绞锁,促进骨与假体交界面的骨性愈合,从而延长假体使用寿命。EBM技术的出现给新型骨科假体的设计和制造带来了前所未有的机遇。
(1)3D打印钛合金骨小梁金属臼杯应用于初次髋关节置换:目前,大部分髋臼置换手术均倾向于使用非骨水泥假体,臼杯表面与骨面之间的骨长入能力是维持髋臼假体稳定的最重要因素。传统通用髋臼假体由于技术缺陷,导致孔隙率不足,孔径不均,不利于骨长入。不同于传统臼杯表面采用喷涂和烧结技术,EBM钛合金臼杯金属基底层与表面多孔层是一次成型。其多孔表层拥有优越的生物学特性,这对于细胞的贴附生长以及干细胞的成骨分化都具有促进作用,从而明显增加金属生物材料与细胞的结合能力,获得更好的机械学性能。不仅如此,EBM金属的硬度与弹性模量与人体松质骨相似,使应力传导更加均匀,早期即可获得良好的骨长入。陈世柱等利用3D打印钛合金金属臼杯为老年患者行初次髋关节置换,实验组术后6个月Harris髋关节评分平均值为90.96。相比于使用普通非骨水泥臼杯的对照组,髋关节功能改善显著,骨长入也较为良好,且稳定性良好,短中期预后效果佳。王珊珊等发现订制臼杯患者术后Harris评分明显高于常规骨水泥臼杯组,治疗的总效率也显著提升。将订制钛合金假体应用于DDH及髋关节结核患者,Wang等发现,使用订制的3D打印钛合金假体的患者,术后负重时间普遍短于常规髋关节置换组,术后2年Harris评分也相对较高,说明3D打印订制假体更贴近人体解剖结构。
(2)翻修手术中快速打印金属垫块、三翼杯的应用:在髋关节翻修手术中,目前我们所知的处理髋臼骨缺损的方法有很多,如大臼杯,加强环,结构植骨等,目的就是为了重建准确的髋臼旋转中心,使髋臼假体得到充分的稳定。EBM技术的发展,使髋关节翻修术出现了新的手术方式选择。
Christie等对订制三翼臼杯的置换78例骨盆不连续患者,进行了24~107个月的随访,平均Harris评分从33.3分提升至82.1分,但是其中6例发生脱位。Holt等在针对PaproskyIIIB型骨缺损患者的手术中,使用了26次订制三翼臼杯,通过建立宿主骨的即时稳定,恢复正常的髋关节中心,在短中期随访中,有23例疗效满意。但是价格与手术延迟的缺点却不容忽视。在Taunton等报道的假体存留率为95%的57例中,在平均为5.4年的随访中有20髋进行了二次翻修,其团队认为:3D打印订制三翼臼杯以与其它手术方法相当的经济成本,获得了在短、中期随访中可预知的固定效果,相较于优秀的术后功能而言,手术的延迟缺陷是值得的。Wind等报告了19例,平均随访31个月,术后出现5例脱位,均发生在股骨侧未进行翻修的患髋。Wind等认为:术中无法随时修改订制假体组件,成了脱位的高发原因。Colen等进行了10~58个月不等的随访,患者的满意率为100%,获得了良好的临床及影像学结果。Berasi等报道28例骨盆不连续患者中,3髋死亡,4髋进行了二次翻修,随访中期,X线对假体骨长入的评估仍不完善,同时,安装订制三翼臼杯需要大量暴露髂骨,增加了神经和血管损伤的风险。既往研究情况表明,订制三翼臼杯的使用,给患者术后的Harris评分带来了显著提高(表1),但是术后并发症仍是髋关节手术失败的最重要原因。
最近Berend等报道:三翼臼杯置换的95个髋关节,平均随访3.5年,平均Harris评分从术前的46分提升至术后的75分,但是21髋(22%)出现了至少一种并发症。因此他认为:3D打印订制的三翼臼杯的并发症发生率与其它治疗方法相同,提供了可预知的固定效果。
3D打印技术在髋关节置换术中的应用前景
3D打印技术在髋关节置换中的应用,为高难手术提供了术前预演,使医生术中操作更加精确,为患者设计打印与骨盆缺损高度匹配的订制假体,有力地推动了髋关节置换术的发展。但是3D打印技术的应用前景还是面临诸多挑战。
(1)临床方面:快速打印订制股骨柄假体仍处于体外实验阶段;订制假体及导板仍需大量临床试验证明其有效性及安全性;3D打印价格昂贵,效率低,制作周期长;缺乏相关法律法规,行业标准,监管措施。
(2)教学方面:理论上,3D打印模型直观而生动,可以使学生提高诊疗能力。模型上的手术预演,可以培养学生的动手操作能力。但目前医学院较少使用3D打印教具,具有巨大的发展潜力。
虽然3D打印技术的临床应用受到诸多因素制约,但是随着相关技术的发展,材料学的进步,法律及监管的完善,以上困难将会被逐步解决。3D打印技术将在未来为关节外科的发展提供更多的动力,更好地服务于患者和社会。
(责任编辑:admin)
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