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三維打印技術在人工髖關節置換術中的應用與展望
發布時間:2019-01-05 18:05 來源:沈陽泰恒通用科技有限公司 閱讀:
隨著我國人口的增長和老齡化的趨勢,需要髖關節置換的患者數量逐年增加,隨著人工關節置換技術的進步和假體設計技術的改進,全髖關節置換術已成為治療終末期疾病最有效的方法之一。髖關節(股骨頭壞死、先天性髖關節發育不良(DDH)、股骨頸骨折、退行性髖關節炎、類風濕性關節炎、強直性脊柱炎等),相關調查顯示,2014年我國髖關節置換術總數已近40萬,其中髖關節置換術占近60%,具有較大的發展潛力。對于緩解疼痛、恢復髖關節活動范圍、改善髖關節功能、提高患者生活質量具有深遠的意義,髖關節翻修是治療因各種原因導致假體一次置換后不能繼續使用的一種方法,包括切除感染病灶、置換髖關節。假體等患者往往有較大的盆腔缺損,甚至盆腔不連續,三維打印技術的出現,無疑為髖關節發育不良和髖關節手術后盆腔缺損患者開辟了一條個性化、精確的醫療新途徑。
    
     三維打印技術是一種材料快速成型技術,與傳統的材料還原加工技術不同,它是基于分層制造和逐層疊加的原理。它采用計算機輔助設計制造技術(CAD)、數控技術、激光束或電子束將熱塑性材料或液態金屬逐層疊加,疊加成三維立體立體印刷方法,又稱增強材料制造,近年來由于不斷的發展隨著三維打印材料科學的發展和操作控制系統的不斷完善,三維打印技術不僅在工業設計和零部件制造領域有著突出的應用前景,而且越來越受到醫學界的重視和重視,本文綜述了三維打印技術在醫學領域的應用現狀。全髖關節置換術/修訂結合國內外文獻,探索和展望其未來的發展方向。
    
     盆腔三維打印導航模板在髖關節發育不良患者中的應用:DDH是一種病因尚不清楚的先天性髖關節疾病,其典型的影像學表現為股骨頭髖臼覆蓋率降低、髖臼壁淺薄、髖臼骨缺損、骨硬化和人工髖關節。不同程度的臀肌萎縮導致腹股溝改變,對于Crowe III/IV型發育不良患者,由于髖臼缺損嚴重,股骨頭脫位明顯,臨床治療常面臨巨大挑戰,目前THA已成為成人DDH中晚期手術治療的最佳選擇。然而,由于DDH患者的解剖變化和主觀因素,髖臼重建的位置往往不完全準確,假體松動的可能性相對較高。
    
     根據術前三維CT成像結果,利用計算機軟件對骨盆進行重建,將導出的STL文件輸入三維打印機,可得到1:1的骨盆模型,該模型能很好地顯示DDH患者髖關節的解剖形態,使外科醫生更直觀地了解患者的髖關節形態。髖臼壁缺損的情況及假髖臼與真髖臼的位置關系,能有效地幫助操作者提高術前計劃,獲得準確的髖關節旋轉中心,利用髖臼銼預測研磨深度,獲得初步的髖臼杯(股骨頭)直徑數據,以及精確的關節活動度。骨盆的三維打印不僅可以指導手術計劃和模擬手術,而且可以提高手術的準確性和安全性,減少手術時間,降低手術難度。對于患者來說,通過個性化的骨盆模型和患者的情況介紹和預處理手術供認,患者及家屬對手術情況、手術方法及手術風險有了更深的了解,患者的反饋表示滿意,患者依從性及醫療評價得到改善,由于術前充分規劃及術中風險的充分預測,接受盆腔三維Pri治療的患者在術中出現了嚴重的并發癥。手術效果較好,并發癥發生率明顯降低。
    
     近年來,快速打印導航模板的使用也日益增多。利用術前三維CT結果設計假體的最佳固定方向,提取髖臼表面解剖形態,并與定位模板匹配,快速成型后,根據導航模板的引導,快速確定真實髖臼的位置,并將其應用于臨床??筛鶕O計角度對髖臼進行拋光,縮短手術時間,提高手術精度,取得良好效果。
    
     三維打印技術在髖關節翻修中的應用:隨著髖關節置換術的增加,感染、假體松動等并發癥需要翻修的患者數量也在悄然增加,無菌性松動不穩(66%)和感染(15%)是全髖關節置換術后最嚴重的兩種并發癥。嘿,不僅影響患者的身心健康,生活質量,而且增加了骨科治療的難度。翻修髖關節置換術,無論是髖臼還是股骨,通常都有非常嚴重的骨缺損,而且很難操作。
    
     Zrr等人。Hughes等人分別于2016年和2017年對髖關節翻修患者進行了盆腔三維打印模型研究。修訂前,采用骨盆模型對手術進行預覽,分層研磨,預測髖臼杯的大小,根據骨缺損的程度,選擇結構骨移植或鉭金屬墊模擬缺損,確定螺釘位置和軌跡。既保證了假體的穩定性,又避免了對血管或神經的螺釘損傷,使術前計劃更加完善,手術時間縮短,取得了良好的療效。
    
     何勇等人。報告了一些患者接受了翻修。利用一期術前三維CT圖像,獲取對側股骨數據,采用三維鏡像技術打印出個性化的間隔棒模具,術前預習和術中指導,使單個間隔棒提高手術精度,在二期手術前進行了最新的三維CT檢查。手術時,將受影響的股骨結構三維打印出來,模擬股骨干的選擇,指導術中假體的放置,術后感染控制和修復效果良好。
    
     個性化三維打印髖臼假體:電子束熔化快速成型(EBMRP)是一種新型金屬粉末(Ti6Al4V)快速成型技術,通過CT或MRI提取患者的骨骼信息數據,通過計算機輔助設計個性化假體,通過力學模擬驗證。最后,采用EBMRP技術完成了個性化假體的快速制作,相關研究表明,多孔鈦合金假體的孔隙率大于50%,孔徑在50-500微米之間,符合人體松質骨的力學強度,有利于骨細胞的增殖和分化。STS.EBM技術完全能滿足材料要求。它的小梁骨樣結構能夠支持骨細胞的生長,在骨與假體之間形成牢固的連鎖,促進骨與假體界面的骨愈合,延長假體的使用壽命,EBM技術的出現為新型人工關節的設計和制造帶來了前所未有的機遇。假肢。
    
     (1)三維打印鈦合金小梁金屬杯用于初次髖關節置換術:目前大部分髖臼置換術傾向于采用無骨水泥假體,髖臼杯表面與骨表面之間的骨生長能力是維持髖臼假體穩定性的最重要因素。常規髖臼假體由于技術缺陷,氣孔不足,孔徑不均勻,不利于骨的生長,與傳統的噴涂和燒結技術不同,EBM鈦合金杯的金屬基層和多孔層是一次性形成的,其多孔表面具有優越的生物學特性。CS能促進干細胞生長和成骨分化,從而顯著提高金屬生物材料對細胞的結合能力,獲得較好的力學性能,而且EBM金屬的硬度和彈性模量與松質骨相似,使應力傳導更加均勻。早期可獲得良好的骨生長。采用3D打印鈦合金金屬杯對老年患者進行第一次髖關節置換。實驗組術后6個月Harris髖關節平均評分為90.96分,與對照組相比,髖關節功能明顯改善,骨生長良好,穩定性好,中、短期預后良好,王善山等發現Harris評分與對照組比較差異有統計學意義。定制的臼杯明顯高于傳統的臼杯患者,治療總效率也顯著提高,在DDH和髖結核患者中使用定制鈦合金假體,王等。發現采用定制3D打印鈦合金假體的患者術后負重時間普遍較傳統髖關節置換組短。手術兩年后,Harris評分相對較高,說明3D打印定制假體更接近人體解剖結構。
    
     (2)快速打印金屬墊和三翼杯在翻修手術中的應用:在髖關節翻修手術中,處理髖臼骨缺損的方法很多,如髖臼杯、加強環、結構骨移植等。目的:重建髖臼精確旋轉中心,使髖臼假體完全穩定,隨著循證醫學技術的發展,髖關節翻修術出現了新的手術方法選擇。
    
     2016年,毛兆光等采用三維打印技術設計制作了與患者髖臼高度相匹配的一體化個性化假體,并應用于Paprosky IIIA翻修患者,減少了手術難度、手術創傷和出血,術后患者恢復良好,但無隨訪結果。獲得。夏志勇等。采用三維CT數據和比例三維打印盆腔模型,結合計算機模擬和電子束技術,打印個體鈦合金小梁杯和定制鈦合金金屬墊,平均隨訪時間13.6個月。髖關節的Harris評分和Vas評分較翻修前有較大提高,目前術后未出現翻修失敗。影像學檢查顯示骨生長良好,行走步態良好,能正常行走和蹲下。短期療效滿意。還需要進一步的長期隨訪。比較了術后6個月常規翻修患者的三維打印假體和墊塊,認為定制的假體、墊塊和髖臼結構具有較高的吻合性和穩定性,個性化的三翼杯對paprosky-iib型骨缺損,甚至對患有不連續骨盆翻修:Christie等人首先提出了個性化的鈦三翼杯。它是一種定制的髖臼假體,由杯狀外緣連接三個翼形突起,可分別固定在髂骨、恥骨和坐骨上,能準確、穩定地恢復髖臼解剖,恢復強大的骨接觸和髖關節生物力學。
    
     Christie等人隨訪78例盆腔不連續患者,行三邊杯置換術24~107個月。平均哈里斯評分從33.3分增加到82.1分,但其中6分出現脫位。在Paprosky IIIB型骨缺損患者手術中使用26個定制的雷公藤皮碗。通過建立即刻穩定的宿主骨,恢復正常的髖關節中心。在中短期隨訪中,23例取得了滿意的效果,但價格和手術延遲的缺點不容忽視,在湯頓等報道的57例病例中。保留率95%,平均隨訪5.4年,20例髖關節重建2次。研究小組認為,3D打印定制雷公藤杯的成本與其他手術方法相當,在短期和中期隨訪中達到了可預測的固定效果。與良好的術后功能相比,手術延遲缺損是值得的。報告19例,平均隨訪31個月。術后發生5例脫位,均發生在髖關節,未經股側翻修,wind等認為脫位發生率高是由于術中任何時候都無法對假體部件進行修改所致,隨訪10~58個月?;颊邼M意率為100%。獲得了良好的臨床和影像學結果,Berasi等報道了28例骨盆不連續患者中,3例髖部死亡,4例髖部再次翻修。在隨訪中期,對假體骨生長的X光評價仍不完全。同時,安裝一個定制的雷公藤狀髖臼杯需要大量的髂骨暴露,這增加了神經和血管損傷的風險。以前的研究表明,定制的三翼髖臼杯的使用顯著提高了術后患者的Harris評分(表1),但在術后患者的Harris評分中存在著明顯的差異。手術并發癥仍然是導致髖關節手術失敗的最重要原因。
    
     最近,Berend等人報道稱,95個髖關節被三邊杯所取代。平均隨訪時間為3.5年。Harris平均分由術前46分提高到術后75分,但21髖(22%)至少有一個并發癥,因此他認為3D打印定制的三翼杯并發癥發生率與其他治療相同,提供了可預測的固定效果。
    
     三維打印技術在髖關節置換術中的應用,為手術困難提供了術前預覽,使醫生在手術中操作更加準確,為患者設計了與骨盆缺損高度匹配的定制假體,有力地促進了髖關節置換術的發展,但三維打印技術在髖關節置換術中的應用前景卻不容樂觀。導入技術仍面臨諸多挑戰:(1)臨床方面:快速打印和定制股骨干假體尚處于體外實驗階段;仍需大量臨床試驗來證明其有效性和安全性;3D打印成本高、效率低、生產周期長;缺乏相關法規。以及法規、行業標準和監管措施。(2)教學:理論上,3D打印模型直觀生動,可以提高學生的診斷和治療能力,對模型的操作演練可以培養學生的動手操作能力,但目前醫學院很少使用3D打印教具。材料科學:由于假體的無毒性、生物力學性能和生物相容性,臨床上使用的材料僅限于金屬、陶瓷和聚乙烯。同時,該階段使用的股骨假體材料的硬度遠高于人體骨骼,容易導致假體周圍應力屏蔽、二次骨吸收和骨折,并發癥嚴重,可發展成強度高、力學性能可調的多孔材料。耳鼻喉科是未來人工假體材料的發展方向,但對其的研究尚處于實驗階段,發展難度較大。
    
     盡管3D打印技術的臨床應用受到諸多因素的制約,但隨著相關技術的發展、材料科學的進步以及法律和監管的完善,這些困難將逐漸得到解決,3D打印技術將為關節外科的發展提供更大的動力。未來,更好地為患者和社會服務。
    
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