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. 2024 Dec;38(12):1474–1479. [Article in Chinese] doi: 10.7507/1002-1892.202403052

3D打印体外导板辅助髋关节镜治疗凸轮型股骨髋臼撞击综合征的前瞻性研究

Prospective study of three-dimensional-printed in vitro guide plates assisted hip arthroscopy in treatment of Cam-type femoroacetabular impingement

Dongqiang YANG 1,2, Songsong WEI 3, Yijun LIU 2, Yong HU 1,*
PMCID: PMC11655368  PMID: 39694837

Abstract

Objective

A prospective study was conducted to investigate the feasibility and effectiveness of three-dimensional printed in vitro guide plates assisted hip arthroscopy in the treatment of Cam-type femoroacetabular impingement (FAI).

Methods

The clinical data of 25 patients with Cam-type FAI who met the selection criteria between December 2016 and September 2022 were collected. There were 13 males and 12 females with an average age of 42 years (range, 19-66 years). The disease duration ranged from 3 to 120 months, with an average of 22.2 months. The preoperative range of internal rotation-external rotation was (28.70±4.50)°, α angle was (69.04±0.99)°, visual analogue scale (VAS) score was 6.5±0.2, and modified Harris hip score (HHS) was 50.5±0.7. All patients were treated with hip arthroscopy assisted by three-dimensional printed in vitro guide plate. The occurrence of complications was observed postoperatively, α angle of the affected hip joint was measured on Dunn X-ray film, and the glenoid labrum injury was observed by MRI. The percentage of overlap between the Cam plasty area and the preoperative simulated grinding area was calculated by three-dimensional CT+reconstruction. The effectiveness was evaluated by VAS score and modified HHS score.

Results

Postoperative dorsalis pedis numbness occurred in 1 case, and the symptoms disappeared after 1 month of conventional drug treatment such as neurotrophy. Two cases of perineal skin injury occurred, and healed after symptomatic treatment. There was no male erectile dysfunction, deep incision infection, pulmonary embolism, or other serious complications occurred. The percentage of overlap between the Cam plasty area and the preoperative simulated grinding area was 81.6%-95.3%, with an average of 89.8%. All 25 patients were followed up 6-12 months, with an average of 8 months. At last follow-up, the range of internal rotation-external rotation was (40.10±2.98)°, α angle was (43.72±0.84)°, VAS score was 1.8±0.2, and the modified HHS score was 72.1±1.3, which significantly improved when compared with preoperative ones (P<0.05).

Conclusion

The treatment of Cam-type FAI with three-dimensional printed in vitro guide plates assisted hip arthroscopy is safe and feasible, and can achieve good effectiveness.

Keywords: Three-dimensional printing technique, hip arthroscopy, femoroacetabular impingement, prospective study

股骨髋臼撞击综合征（femoroacetabular impingement，FAI）是一种发育性髋关节疾病，其特征是股骨头颈结合部异常凸起和/或髋臼边缘骨质增生，导致在关节活动时产生异常摩擦或碰撞，出现髋部疼痛、盂唇损伤和关节退变。FAI可分为凸轮型、钳夹型和混合型，其中35%男性和10%女性显示为凸轮形态，34%男性和17%女性为钳夹形态[1]。凸轮型 FAI 患者股骨头颈交界区隆起畸形磨除是解除撞击的关键，也是保证疗效的前提，但磨除的范围及深度目前仍有争议。早期曾有学者进行开放性手术磨除凸轮畸形，但存在创伤较大、并发症较多、术后康复困难等缺点[2]。随着髋关节镜技术发展，在关节镜下对头颈结合位置凸轮畸形的处理已成为主流手术方式[3-5]；髋关节镜手术具有创伤小和恢复快的优势[6]。迄今，有关3D打印体外导板辅助髋关节镜治疗凸轮型FAI的临床疗效报道较少。为此我们进行了一项前瞻性研究，旨在探讨3D打印体外导板辅助髋关节镜治疗凸轮型FAI的可行性及有效性。报告如下。

1. 临床资料

1.1. 一般资料

患者纳入标准：① 股骨头颈部“枪柄样”畸形，α角>50°，单侧发病；② 髋关节骨关节炎Tönnis分级≤2级；③ 随访时间≥6个月。排除标准：① 髋臼发育不良，髋臼中心边缘角≤20°；② 髋关节外伤手术史；③ 患有类风湿关节炎、强直性脊柱炎及自身免疫系统疾病。2016年12月—2022年9月阜阳市人民医院共25例患者符合选择标准纳入研究。

本组男13例，女12例；年龄19～66岁，平均42岁。左髋8例，右髋17例。自然病程3～120个月，平均22.2个月。术前内旋-外旋活动度为（28.70±4.50）°，α角为（69.04±0.99）°，疼痛视觉模拟评分（VAS）为（6.5±0.2）分，改良Harris髋关节功能评分（HHS）为（50.5±0.7）分。

1.2. 体外导板模型设计与3D打印

① 体外导板模型雏形设计：术前采用德国Siemens公司64排CT扫描（管电压120 kV，管电流300 mA，扫描层厚0.6 mm）目标关节数据，进行3D虚拟现实及多平面重建。将CT数据以DICOM格式导入3D模拟软件（9yuan3D数字骨科系统，上海交通大学3D打印创新研究中心），提取患者骨骼与皮肤数据，利用软件提取加厚命令，提取体表皮肤并加厚获得皮肤贴合面，完成体外导板模型雏形设计。② 定位杆通道设计：设计外侧定位杆通道（冠状位平面）、前侧定位杆通道（矢状位平面）、股骨粗隆定位杆通道（水平位平面）。外侧和前侧定位杆通道是位于导板表面的直径2.0 mm空心通道，术中透视时安装相应直径克氏针；股骨粗隆定位杆通道是从股骨大转子尖斜向小转子的内置通道，术中透视时使用克氏针从骨质内穿过，起到定位和临时固定导板的作用。③ 关节镜入路通道设计：利用计算机模拟术中牵引动作，牵开髋关节间隙约2 cm。在肢体图像表面定位前外侧入路及中前入路体表位置。关节镜入路通道采用双层设计，内芯内径2 mm，外层内径5 mm，穿刺成功进入关节后拔出内芯，不影响使用扩张器进入关节囊。④ 磨除范围定位针通道设计：通过在股骨头内填充拟合圆的方式，在3D图像上模拟股骨头颈凸轮畸形范围；根据“三点确定一个平面”的法则，使用3个标记点标出凸轮畸形磨除范围；从导板表面设计可容直径2.0 mm克氏针通过的3处空心通道。见图1。⑤ 体外导板模型3D打印：使用光敏树脂（邢台春蕾新能源开发有限公司），采用SLA600-DLC激光快速成型机（北京星源三维科技有限公司）3D打印体外导板模型，环氧乙烷消毒备用。

图 1.

Design of in vitro guide plate model

体外导板模型设计

a. 根据术前CT数据模拟股骨颈凸轮畸形范围；b. 凸轮畸形磨除范围预测；c、d. 术前正、侧位视角模拟图1：外侧定位杆通道（冠状位平面）　2：前侧定位杆通道（矢状位平面）　3：股骨粗隆定位杆通道（水平位平面）　4：前外侧入路体外穿刺通道　5：中前入路体外穿刺通道　6～8：股骨颈凸轮成形区域模拟定位通道

a. Simulated the range of femoral neck Cam deformity according to preoperative CT data; b. Predicted the range of Cam deformity grinding; c, d. Preoperative anteroposterior and lateral visual simulation　1: Lateral positioning rod channel (coronal plane)　2: Anterior positioning rod channel (sagittal plane)　3: Femoral trochanter positioning rod channel (horizontal plane) 4: Anterolateral approach external puncture channel　5: Anterior-medial approach external puncture channel　6-8: Femoral neck Cam plasty area simulation positioning channel

图 1

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1.3. 手术方法

患者均采用全身麻醉，平卧于骨科牵引床上，患侧肢体内旋15°～20° 以矫正前倾角，取前屈10°～15° 或水平位，对侧肢体行常规对抗性牵引。体表标记前外侧入路和中前入路位置。C臂X线机透视下试行牵引髋关节，预测是否能将髋关节间隙牵引至>2 cm，初步判断关节间隙位置。常规消毒铺巾，C臂X线机透视下进行三平面定位。外侧定位杆和前侧定位杆置于股骨髓腔中心位置或接近中心位置，股骨粗隆定位杆通过通道引入，指向股骨小粗隆尖。见图2a～d。

图 2.

Operation procedure

手术操作流程

1：外侧定位杆（冠状位平面）　2：前侧定位杆（矢状位平面）　3：股骨粗隆定位杆（水平位平面）　a、b. 术中患者体位及导板位置；c、d. 术中体外导板定位影像；e. 术中透视下实际定位区域；f. 术中关节镜下克氏针定位区域；g. 术中关节镜下实际打磨区域；h. 三维CT模拟对比术后凸轮成形范围（红圈）与术前模拟打磨区域（黄圈）

1: Lateral positioning rod (coronal plane)　2: Anterior positioning rod (sagittal plane)　3: Femoral trochanter positioning rod (horizontal plane)　a, b. Intraoperative position and guide plate position; c, d. Intraoperative in vitro guide plate positioning images; e. Intraoperative actual positioning area under fluoroscopy; f. Arthroscopic Kirschner wire positioning area during operation; g. Arthroscopic actual grinding area during operation; h. CT three-dimensional simulation comparison of the postoperative Cam plasty area (red circle) and the preoperative simulated grinding area (yellow circle)

图 2

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确保位置满意后，使用穿刺针通过导板前外侧入路通道内的套管进入髋关节间隙；依次扩孔，并插入70° 关节镜镜套和镜头；在关节镜监视下，使用穿刺针沿中前入路导板通道进入髋关节。建立中前入路后撤去导板，开始行常规中央间室探查，清理增生滑膜，如存在软骨损伤，采用射频技术修整损伤软骨；如存在圆韧带损伤或退行性变，根据损伤、退变程度行清理或切除；如存在盂唇损伤，根据损伤程度及质量决定行清理或修复。

完成关节内探查治疗后，重新放置导板。C臂X线机透视下定位3枚定位杆位置，然后沿导板上的股骨颈凸轮成形区域模拟定位通道插入克氏针，标记头颈结合部凸轮区范围，使用电凝刀在该范围内进行灼烧，进一步标记定位范围。拔出克氏针，放松髋关节牵引，在标记范围内进行凸轮成形术，镜下探查外周间室病变、磨钻处理股骨头颈结合区异常增生骨质。见图2e～g。打磨结束后，常规缝合关节囊切口及皮肤切口。

1.4. 术后处理及疗效评价指标

术后常规止痛、预防异位骨化，持续治疗3周[7]。采用髋关节镜手术常规康复方案[8]：术后第2天开始踝泵、核心肌力训练等；髋关节活动范围控制在屈曲90° 以内，防止粘连，并进行部分负重步行锻炼，直至术后4周开始完全负重步行。

术后定期随访，观察有无会阴部麻木、疼痛以及下肢肌无力、麻木等牵引并发症发生。患者均完善手术前后影像学检查，Dunn位X线片上测量患侧髋关节α角，MRI观察有无盂唇损伤；行三维CT检查，对比凸轮畸形的磨削位置，计算凸轮成形范围与术前模拟打磨区域重合的百分比（图2h）。采用VAS评分、改良HHS评分评价临床疗效。

1.5. 统计学方法

采用SPSS22.0统计软件进行分析。计量资料经Shapiro-Wilk正态性检验，均符合正态分布，数据以均数±标准差表示，手术前后比较采用配对t检验；检验水准取单侧α=0.05。

2. 结果

术中探查发现患者合并软骨损伤4例、圆韧带损伤3例、盂唇损伤8例，术中给予相应处理。术后1例患者出现足背麻木，给予营养神经等常规药物治疗，1个月后症状消失；2例出现会阴区皮肤损伤，对症处理后自愈。本组无男性勃起功能障碍以及切口深部感染、肺栓塞等严重并发症发生。患者术后凸轮成形范围与术前模拟打磨区域重合的百分比为81.6%～95.3%，平均89.8%。25例患者均获随访，随访时间6～12个月，平均8个月。末次随访时，内旋-外旋活动度为（40.10±2.98）°，α角为（43.72±0.84）°，VAS评分为（1.8±0.2）分，改良HHS评分为（72.1±1.3）分，均较术前显著改善，差异有统计学意义（t=–11.325，P<0.001；t=18.309，P<0.001；t=17.623，P<0.001；t=–12.645，P<0.001）。见图3。

图 3.

CT and three-dimensional reconstruction of a 50-year-old male patient with right hip Cam type FAI

患者，男，50岁，右髋凸轮型FAI CT及三维重建

a. 术前α角为64.7°；b. 术前示凸轮畸形；c. 术后2 d α角为44.9°；d. 术后2 d 示凸轮畸形已磨除

a. Preoperative α angle was 64.7°; b. Preoperative image showed Cam deformity; c. Postoperative α angle was 44.9° at 2 days; d. Postoperative image at 2 days showed Cam deformity was removed

图 3

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3. 讨论

FAI早期可能表现为间歇性髋部疼痛，如果合并髋臼盂唇撕裂和髋关节软骨损伤，髋关节活动将逐渐受限，影响患者生活质量[9]。随着疾病进展，患者较早出现髋关节骨关节炎和行人工全髋关节置换术的风险将增加[10]。本研究中，在髋关节镜下发现髋臼前上方往往是盂唇损伤的主要部位，部分患者有不同程度盂唇损伤，同时伴有边缘骨质增生。在髋关节屈曲内旋或外旋运动中，由于偏心的股骨头被挤入髋臼口中，形成反复的拱桥式撞击，常导致髋臼软骨与盂唇分离[11]，可能进一步加剧患者症状，突显了髋关节解剖结构异常对关节功能的不良影响。

目前，凸轮型FAI的治疗主要包括髋关节外科脱位手术和髋关节镜微创手术，目的均在于解除撞击，恢复股骨头-颈与髋臼部的正常解剖结构[12-13]。髋关节外科脱位手术虽然能显露股骨头解剖结构，但其严重破坏了髋关节周围血管、神经组织，导致截骨不愈合或愈合不良等相关并发症[14-15]。据报道，术后有4.8%患者出现了坐骨神经麻痹或股骨头血供受损等严重并发症[15]。髋关节镜微创治疗则优势明显，对髋关节周围血管、神经损伤较轻，有助于患者快速康复，并且经临床研究证实其与开放手术临床效果相似[16]。而且，对于3种不同类型FAI，髋关节镜治疗效果也不尽相同，其中髋关节镜治疗凸轮型FAI效果最佳[17]。

然而，髋关节镜治疗FAI也有其不足，如进镜困难、操作空间小，较难清除异常组织，对手术医师技术要求较高等。建立关节镜手术入路一直是术者面临的难题之一，尤其是初期行髋关节镜手术时。由于髋关节内部存在负压，关节囊坚韧紧实，关节镜入路需要在下肢牵引状态、透视下进行穿刺方可建立。一些学者提出了通过刨开前侧关节囊（由外到内）进入关节手术的方法[18]，但这需要经过长期专业训练才能够熟练掌握。本研究通过在3D打印体外导板上提前预设穿刺入路通道，建立便捷的髋关节镜入路，有效降低了手术难度。与开放性手术不同，关节镜手术无法直接接触到骨性标志。如何确保在导板使用时能够精准达到预先设计的位置，是设计中首要考虑的问题。因此，我们于体外导板上分别设计了3枚克氏针通道，采用三维定位办法，通过矢状位和水平位透视，确保体外导板位于理想术区范围。

髋关节镜治疗FAI常用的手术入路有前侧入路、大转子前入路和大转子后入路。Sandoval等[19]采用不同入路对91例 FAI患者行髋关节镜治疗，发现行前外侧入路手术的35岁以上患者术后康复较其他入路手术患者更快。部分术者根据手术需要可能会建立第3个入路，以便器械到达关节所有部位，更充分准确地定位和处理 凸轮畸形。本研究设计体外导板上的进镜入路为常用的前外侧入路和中前入路；根据实际情况，术者也可在体外导板上提前预设所需入路。本研究结果表明，这种方法可以有效提高穿刺效率、手术准确性，并且有助于避开重要神经、血管，从而减少术中透视次数。但由于患者个体差异，术中出现少数患者定位克氏针与术前偏差较大，仍需要反复定位，导致手术时间延长。一旦这些定位克氏针与术前计算机设计的位置相符，就代表导板所处位置基本符合设计的理想位置或接近理想位置。通过实践验证，这些误差仍处于可接受范围内。

目前，对于凸轮型FAI的磨除范围和深度仍有争议。Cvetanovich等[20]纳入348例髋关节镜翻修术的系统综述报道，81%的髋关节镜翻修患者是因残余撞击因素，其中混合型45%、凸轮型27%、钳夹型9%。因此，如何进行充分有效的关节镜下凸轮畸形切除，已成为髋关节镜医生共同关注的问题。有文献指出[21-22]术前α角越大，越可预测更严重的髋臼软骨损伤。对于头-颈交界处的凸轮畸形，切除深度是以术中透视α角恢复正常为标准。值得注意的是，如果磨除过度，可能导致髋关节密闭性丧失，关节液外流，增加关节间摩擦力，进而加重髋关节骨关节炎进展。对于凸轮型FAI磨除深度的范围也有限制，过度磨除头-颈交界区必然会导致关节不稳及骨折风险[23]。磨除的终止标准是在髋关节屈曲110°、内旋内收20° 时，确保髋臼盂唇与股骨头-颈交界区无异常撞击[24]。由于股骨头颈结合部在镜下无明确解剖标志，凸轮畸形磨除范围不易辨认，传统手术方式通常需要术中透视，边透视边磨削，以确保磨除范围是否足够充分。通常凸轮畸形骨赘切除需要参考局部解剖结构（如皮质骨⁃松质骨边界和纵向血管），以及撞击部位软骨表面的变化[25]。骨赘切除开始于髋臼盂唇边缘15 mm处，由近端向远端进行，通常建议深度<10 mm；而实际中应根据患者自身凸轮畸形大小进行个体化切除[26]。因此，我们通过在3D图像股骨头内填充拟合圆的方式，模拟凸轮畸形范围。利用在导板上设计定位针通道置入克氏针导针，帮助术者在术中判断手术需要磨除的范围。这样可以有效减少偏差，充分做到个体化设计。髋关节屈曲角度决定了出现在关节镜视野中股骨头颈的部位。大多数外科医生选择髋关节屈曲至30°～40° 进行股骨头颈成形术，也有少数医生选择髋关节屈曲至45° 或20°。本研究采用三点定位法确定磨除范围，术中无需特别改变患者髋关节屈曲角度也可以明确磨除范围。术后对患者再次进行三维CT检查，对比凸轮畸形的磨除位置，以确定术前设计的磨除范围与实际操作是否吻合，并评估二者之间的差异。本组术后凸轮成形范围与术前模拟打磨区域重合的百分比平均达89.8%，最大重合率甚至达95.3%。表明本研究中的导板预留定位孔方法在术后实际磨削中取得了较高精准性，为手术准确性和可控性提供了有力支持。

目前，3D 打印技术在市级医院得到了广泛应用，普通医师经过培训后完全能够独立设计出所需的个体化导板模型。本研究结果表明，3D 打印体外导板辅助髋关节镜治疗凸轮型FAI安全、可行，且能取得良好临床疗效。然而，该方法仍存在以下局限性：其一，体外导板的设计和打印需要3D打印中心配合，给患者带来一定额外经济负担，不利于在基层医院推广使用；其二，术中虽然能够对磨除范围进行有效控制，但对于磨削深度的控制还无法满足临床需求，导板仍需进一步改进；其三，导板的定位精确度有待进一步提高，皮下脂肪厚度对导板的设计和使用仍是一个挑战。

利益冲突　在课题研究和文章撰写过程中不存在利益冲突；经费支持没有影响文章观点和对研究数据客观结果的统计分析及其报道

伦理声明　研究方案经阜阳市人民医院医学伦理委员会批准（2021-42）；患者签署手术知情同意书

作者贡献声明　杨东强：文章撰写；魏松松：研究实施；刘一军：数据收集整理及统计分析；胡勇：对文章的知识性内容作批评性审阅

Funding Statement

安徽省高校自然科学基金重大项目（KJ2020ZD17）；阜阳市科技局立项课题项目（FK202081025）

Major Project of Natural Science Foundation of Anhui Universities (KJ2020ZD17); Project of Fuyang Science and Technology Bureau (FK202081025)

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Articles from Chinese Journal of Reparative and Reconstructive Surgery are provided here courtesy of Sichuan University

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