肱骨近端骨折占全身骨折的4%~5%，是较常见的上肢骨折^[1]。肱骨近端内固定锁定系统(proximal humerus internal locking system，PHILOS)在肱骨近端骨折手术治疗中的普遍应用使其疗效有了明显提升^[2]，但大量临床观察^[3-4]显示：肱骨头复位丢失、内翻和塌陷等并发症常导致内固定失效。肩关节置换术是针对上述并发症的一种行之有效的手术方式^[5]。骨折造成骨性标志的破坏、术中假体高度、后倾角度的不确定性和大小结节是否达到解剖复位等均可影响肩关节置换术的疗效及预后^[6-9]。近年来，3D打印技术在骨科临床中得到了广泛应用。已有研究^[10]表明：将3D打印技术和计算机辅助设计相结合进行肩关节置换术前设计，可大大提高术中假体植入的精确性，使患者获得更好的肩关节功能。本研究的创新点在于除应用3D重建技术及3D打印树脂模型辅助术前规划模拟之外，还应用3D打印技术进行个体化定制半肩关节假体的计算机辅助设计，并以电子束熔融技术生产，辅以人工补片重建软组织附着点，达到了较好的解剖学与功能重建，国内外尚无类似文献报道。本研究探讨1例3D打印技术辅助下成功进行肱骨近端骨折术后内固定物失效的半肩关节置换术患者的治疗方法，阐明了其在并发骨缺损的关节置换中的意义，为涉及关节骨缺损的复杂肩关节重建提供一种行之有效的方式。

患者，女性，49岁，于2015年2月2日因“左侧肱骨近端骨折切开复位内固定术后内固定物断裂”收入吉林大学第二医院。患者11年前因车祸致左侧胫腓骨骨折、左肱骨上段骨折、左肘关节粉碎性骨折、右侧锁骨骨折和骨盆骨折，均行切开复位内固定术。术后患者左侧肩关节功能差，恢复欠佳。复查X线平片可见骨质连续性中断，内固定物断裂。为求进一步诊治就诊于本院。查体发现左侧肩关节活动明显受限，左肩关节活动度：前屈0~10°，后伸0~5°，外展0~5°。左侧肩关节X线平片检查发现左侧肱骨近端骨折骨质不连续，可见断裂金属内植物影，见图 1。经全科会诊后决定行左侧肱骨近端内固定物取出术及左侧半肩关节置换术。本研究采用3D打印技术辅助设计下个体化定制半肩关节假体植入手术，并经吉林大学第二医院医学伦理学会批准。在进行充分的医患沟通后，患者及其家属签署手术知情同意书。

图 1 患者左侧肱骨正位(A)和侧位(B)X线图像 Fig. 1 Anteroposterior(A) and lateral(B) of X-ray images of left humerus of patient

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采用飞利浦公司生产的256排螺旋CT扫描肱骨，各项参数如下：Tube Current 232mA，KVP 120 kV, 扫描层厚1 mm。扫描后导出DICOM格式的双侧肱骨CT数据。

将患者双侧肱骨CT扫描的DICOM数据导入Mimics14.0软件，对肱骨进行三维重建，获得STL格式肱骨文件，将STL文件导入Magics软件对肱骨的三维重建模型进行前处理并生成模型支撑。从Magics软件导出处理后的肱骨STL文件(图 2，见插页五)。向SLA450树脂打印机导入带有支撑数据的分层文件，打印患者光固化树脂半肩关节模型。

A:Front view; B:Posterior view; C:Lateral view 图 2 术前患者左侧上肢CT图像3D重建示意图 Fig. 2 3D reconstruction diagram of CT images of left upper limb of patient before operation

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根据健侧肱骨镜像图像和患侧截骨范围设计个体化半肩关节假体。根据患侧肱骨骨质情况和残余肱骨髓腔宽度确定髓内部分长度及假体柄的宽度。因术中需取出断裂内固定物，可能对骨质造成一定破坏，且患者本身上肢长期制动，可能存在废用性骨质疏松，骨质条件较差，为防止术中截骨过多而与术前设计假体有偏差，本文作者设计了4个长度分别为4、8、12和15 mm的套筒，由套筒补齐截骨长度与假体设计的偏差。在设计假体时按照解剖位置预留肩袖等位置的韧带肌腱附着点，术中包绕以人工补片后加以缝合固定。半肩关节假体选择Ti₆Al₄V材料，采用ArcamA1金属打印机以电子束熔融技术制造(图 3)。

A:Prosthesis after sterilization; B:Prosthesis composed by three parts(head, stem and four sleeves); C: Assembled prothesis and four sleeves of different lengths; D:Reserved channels for artificial mesh's suture. 图 3 3D打印技术辅助设计的个体化定制半肩关节假体 Fig. 3 Individualized semi-shoulder prosthesis designed by 3D printing technology

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本研究使用患者患侧半肩关节树脂模型进行体外模拟截骨。截骨后的残余肱骨模型和个体化定制半肩关节假体进行模拟匹配以验证个体化定制半肩关节假体与残余肱骨的匹配性。

患者全身麻醉生效后取仰卧位，垫高左肩，术区常规消毒、铺单。采用前次手术切口，沿手术瘢痕进一步向深层次剥离，切开肩关节关节囊，取出断裂的接骨板HE螺钉。截除肱骨远端约2 cm骨质并清理髓腔，扩髓后以与健侧肱骨头匹配的后倾角植入个体化定制假体。尝试复位肩关节，可见肩关节功能良好、无脱位。取出假体，将肱骨髓腔内填入骨水泥，以相同后倾角植入个体化定制假体，待骨水泥硬化后再次复位肩关节，确认肩关节功能佳、无脱位。取人工补片缠绕至假体近端，以缝线将补片固定于个体化定制假体预留孔道上(图 4，见插页五)。于肩关节外展位将肩袖、肩关节囊肱和二头肌长头腱止点等肩关节周围软组织缝合固定于补片上。冲洗术野并缝合切口、无菌敷料包扎。行术中X线检查，显示假体位置良好(图 5)，术毕。手术时间约为150 min，术中失血约为290 mL，患者安返病房。

A: Thread non-absorbable stitch through reserved tunnels; B: Wrap proximal prosthesis with an artificial mesh; C: Suture artificial mesh with reserved stitches onto prosthesis; D: Artificial mesh fixed onto prosthesis for soft tissue reconstruction 图 4 半肩关节假体置换术患者通过预留孔道将人工补片缝合于假体上示意图 Fig. 4 Diagram of suturing artificial mesh onto prosthesis through reserved channels of patients under semi-shoulder prosthesis in hemiarthroplasty surgery

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图 5 术中患者假体位置的X线图像 Fig. 5 X-ray images of patient's prosthesis position during operation

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术肢常规给予肩肘外展架固定于中立位，患者术后24 h可进行柔和的关节运动，并逐步增加屈伸运动锻炼及肩部肌肉等长收缩。术后1周时可行肩关节被动练习并增加“钟摆”运动，术后6周，患肩可外展至90°，结合X线平片复查显示无异常情况，去除外展架，积极行主动活动练习、适当的抗阻肌力练习以及牵拉练习；术后3个月，进一步加强主动功能锻炼，鼓励患者尽早使用术肢完成日常活动。术后第1、3、6和12个月分别复查肩关节X线平片，可见假体位置和角度良好，未见透亮区，无松动(图 6)。且无假体周围骨折、神经损伤、感染(血沉、C-反应蛋白水平正常)和脱位等并发症。UCLA肩关节评分(总分为35分，主要包括疼痛、功能、主动前屈活动度、前屈力量测试和患者满意度)：术前13分，术中13分，术后1个月15分，术后3个月22分，术后6个月28分，术后12个月30分。Constant-Murley肩关节功能评分(满分100分，包括疼痛、日常生活活动能力、关节活动度和徒手肌力测定)：术前21分，术中21分，术后1个月28分，术后3个月61分，术后6个月65分，术后12个月70分。经系统康复训练，术后2个月患肩可独立完成外展及前屈动作；术后6个月患者能基本完成主动穿衣和梳头等动作。DASH上肢功能评分系统(Disability of Arm Shoulder and Hand)(DASH值为0分表示上肢功能完全正常，100分表示上肢功能极度受限)：术前患者DASH分为100分，术中100分，术后1个月63分，术后3个月50分，术后6个月44分，术后12个月25分。患者对日常生活能力恢复较为满意。

图 6 术后1个月患者假体位置的X线图像 Fig. 6 X-ray image of patient's prosthesis position 1 month after operation

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肱骨近端骨折是指发生于肱骨外科颈远端1~2 cm至肱骨头关节面的骨折，常累及肱骨头、大结节、小结节和肱骨干近端等结构。肱骨近端骨折可发生于任何年龄段，但以中老年患者常见，国外报道其占所有类型骨折的4%~5%^[1]。肱骨近端骨折具有类型复杂和发生率较低等特点，因在临床工作中处理该类骨折的经验相对欠缺，可在一定程度上导致患者预后不良，该病一直是创伤骨科治疗中的难点。治疗该类骨折的传统术式——切开复位内固定术可能出现内固定失效、骨不连或肱骨头坏死等严重影响肩关节功能的并发症。1955年，Neer使用钒制人工半肩关节假体治疗肱骨近端粉碎性骨折，并报道其优良率和满意率约为90%。随着肩关节假体在设计、固定技术及疗效预后等方面取得的长足进步，肩关节置换术成为了除切开复位内固定术外治疗肱骨近端复杂性骨折主要的且行之有效的手术方式^[5]。既往文献[6-9]报道：人工肱骨头假体头和柄的选择、肱骨头的高度、后倾角的大小对于半肩关节置换术的效果均有不同程度的影响。首先，肱骨头假体型号过大或过小均会因减少了肱骨头和关节盂之间有效的活动轨迹而影响盂肱关节的活动范围。其次，假体过高或过低均会对肩关节的运动和功能带来不利的影响，过高会造成肩关节撞击，过低则导致肩关节不稳和术后疼痛^[11-12]。但是内固定失效的肱骨近端骨折，肩关节周围大量瘢痕组织增生，肱骨大、小结节已畸形愈合或已移位缺损，肱骨外科颈部位也难以识别，大部分手术解剖标志已丧失，从而带来以下弊端：①肱骨头塌陷、缺失，假体型号不确定，易造成关节活动度受限及术中复位困难；②肱骨近端解剖结构丢失、紊乱，假体的安装缺乏参考标志，易造成关节内撞击或不稳；③肱骨近端大面积骨质疏松，使用假体代替条件差的骨组织后造成了肩袖等组织丧失了附着点，将严重影响肩关节功能。

3D打印技术是20世纪后期综合信息采集技术、计算机技术与材料技术等多项前沿技术结合诞生的一项新型创造、制造技术，其在医疗重建技术方面的应用开创了一个崭新的数字化医学领域。近年来，3D打印技术被引入骨科疾病治疗领域，其在医学教学、医患沟通、临床诊断和手术演练方面的应用已日臻成熟^[13-14]。使用3D打印技术辅助制造的骨科内植物(如接骨板、肿瘤假体和翻修假体)的应用已经在临床实践中初见曙光^[15-17]。本研究采用3D打印技术在数字化三维重建技术、逆向工程软件及光固化成型、电子束熔融成型等手段的辅助下进行半肩关节置换的术前评估、设计、预演及个性化假体定制。本文作者进行双侧肱骨CT扫描，获取数据进行三维重建，使用3D打印技术制造患者健侧与患侧肱骨光固化树脂模型；根据骨质破坏范围设计截骨长度；以健侧肱骨镜像图像为基础设计患侧半肩关节假体外形，通过电子束熔融技术3D打印制造Ti₆Al₄V半肩关节假体；术前采用患侧模型进行模拟截骨后，使用定制假体与残余模型进行模拟匹配实验；术中进行近端肱骨截骨后，按照术前设计位置植入定制假体进行肩关节重建。相较于传统手术流程，其优势更加明显：传统的肩关节置换术中需辨明肱骨解剖标志，根据其周径选择合适的肱骨头假体并以适当后倾角植入假体^[6-7]，调整肱骨头假体高度，将大、小结节骨块复位固定于假体之上。本研究中，患者由于肱骨近端骨折已11年余且伴有内固定物失效，肩关节周围大量瘢痕组织增生，肱骨大、小结节已移位且有不同程度缺损，外科颈无法辨识，即手术时依照的大部分解剖标志已丧失，且患者左肩关节功能长期丧失，造成左侧上肢长期制动，左侧肱骨近端骨质已发生废用性骨质疏松，加之植入螺钉引起的骨质破坏，假体周围骨质条件极差。术中扩髓、安装假体或术后遭受外力时，极易发生术中及术后假体周围骨折。

传统的半肩关节置换在本病例中的应用存在着诸如假体型号难选择和假体高度不确定等问题。因此本文作者引入3D打印技术，术前收集患者双侧肱骨的CT数据，导入CAD软件经三维重建后生成双侧肱骨的STL文件。根据患侧肩关节图像初步评估患侧的骨质情况、截骨长度及髓腔宽度，而后根据健侧半肩关节镜像图像以及患侧截骨范围设计3D打印肱骨头假体，髓内部分长度及宽度均依照上述测得的截骨长度及髓腔宽度设计。由于本例患者患侧肱骨头正常解剖结构消失，无法正确测量其肱骨头大小，因此根据健侧模型直接镜像得到患侧肱骨头大小显得非常有意义且简便易行，直接避免了假体型号选择这一过程。与市售的标准型号假体对比，3D打印技术辅助设计的个性化定制假体在形态学上与对侧正常肱骨头解剖结构完全一致，从根本上消除了标准型号假体不完全符合患者原有肱骨头解剖特点而导致术后并发症的可能性。另外，由于假体的长度完全根据术前3D重建的对侧肱骨形态特点及患侧设计截骨长度而定，也就保证了假体位置的准确性和术后双上肢的长度一致。但考虑到因术中需取出断裂的接骨板，且患者骨质较差，为防止术中探查发现患者骨质疏松超过预期，需增加截骨长度，因此本文作者又设计了4个长度依次递增的“套筒”，以补齐增加的截骨长度。以防术中截骨过多而引起的术中假体位置过低或术后双上肢不等长。

半肩关节置换术中以准确的后倾角植入肩关节假体是保证术后肩关节稳定的重要因素^[8-9]，主要体现为：①肩关节前脱位的发生率和后倾角的大小存在相关性。后倾角越小，轻微外力造成肩关节前脱位的可能性就越大，后倾角减小甚至由后倾变为前倾是造成习惯性肩关节脱位的重要原因^[18]。但是，如果后倾角度过大、软组织张力不平衡则会导致肩关节后方不稳。②后倾角不相匹配时，假体植入后肩关节内部的接触应力增大，术后容易发生假体松动与脱位^[19]。只有匹配的后倾角才能维持假体稳定，减少假体磨损。③后倾角增大会明显提高肩关节囊病变的发生率^[20]。所以假体植入时后倾角的精确复原对于置换后肩关节的功能与稳定具有重要意义。在传统的半肩关节置换术中，后倾角的大小是术者按照之前的手术经验和既往文献中报道的结论来控制。但成人肱骨后倾角的变异较大，其原因：①不同个体之间的差异本身较大；②肱骨近远端定义线不同，因此造成后倾角测量方法不同。本文作者以健侧半肩关节镜像图像设计患侧半肩关节假体，即直接健侧后倾角为标准，是目前最直接和最具有特异性的方法，将直接影响到患者的预后及功能恢复。虽然可以通过对侧的3D重建结果直接得出后倾角的数值，但如何在术中将假体按照术前测得的后倾角植入又是一个棘手的问题。在传统的肩关节置换手术中，后倾角的确定要依靠肱骨大结节脊、肱骨大结节内侧缘、肱骨小结节外侧缘和肱骨结节间沟等解剖标志^[21]。但该患者肱骨大、小结节已畸形愈合或已移位缺损，结节间沟等解剖结构均已消失。此时，个体化定制假体再次发挥出标准假体和定制假体无可替代的优势。由于个体化定制的外形是直接由健侧模型镜像得到的，因此其完全具备了原有肱骨头所具有的的包括肱骨大、小结节及结节间沟等正常解剖结构，为手术医师在安装假体时准确地还原肱骨头后倾角提供了准确的解剖学标志。

半肩关节置换中不仅要注重骨组织的修复和替代，还有极为重要的一步即肩关节周围软组织的修复与重建，对其处理的好坏直接决定肩关节功能的远期恢复。重建肩袖结构就是恢复了肩关节的动力系统，如果肩袖系统重建失败则很容易引起术后肩关节脱位或半脱位^[22]。术中正确处理大、小结节的固定是恢复肩袖功能的关键^[23]，既往文献[22]报道中常以不可吸收缝线将肩袖的骨腱交界处牢固缝合并固定在假体的缝合孔上，使大、小结节与肱骨干重叠以达到骨性愈合。修补时还应注意保护三角肌、尽量避免对大结节进行截骨，以免影响肩关节功能并减少术后并发症^[24]。而本研究中，患者肱骨大、小结节已移位或缺损，且肱骨近端大面积骨质疏松，因此术中本文作者根据病变区域的骨质条件已行肱骨近端截骨，并清理了缺损的大、小结节，这直接造成了肱骨近端大面积骨缺损。但近端肱骨除了是上肢长骨的重要组成部分，其还是冈上肌、冈下肌和小圆肌等的止点。如果单纯采用假体填充了骨缺损区域，就意味着置换术后肱骨头周围的软组织失去了附着点，必将对肩关节的功能和稳定性产生不良影响。因此，本研究引入3D打印技术的同时，还引入了聚丙烯人工补片。迄今国内外已广泛使用聚丙烯人工补片进行关节囊、胸壁、腹壁及疝的修复并取得良好的效果。国外也有文献[25]报道其可用于恶性肿瘤关节置换中。本文作者针对肱骨头置换后周围软组织无附着点的情况，采用3D打印技术，在计算机辅助设计假体(即CAD技术)时预留了缝合固定的孔道，将不可吸收缝线穿入预留孔道中，再引入聚丙烯人工补片，将其缠绕于肱骨假体近端，使用预先准备好的不可吸收性缝合线固定补片，最后采用补片修补关节囊和肌肉止点。从而保证了肱骨头周围的软组织覆盖，进一步加强了肩关节的稳定性，为患者今后的功能锻炼和康复奠定了解剖学基础。

本研究采用3D打印技术成功地进行了肱骨近端骨折术后内固定物失效的半肩关节置换术，在术后为期12个月的随访中也取得了比较满意的短期随访结果，显示了3D打印技术在处理并发骨缺损的关节置换中的先进性与实用性，为类似的涉及关节骨缺损的复杂肩关节重建提供了一条可行的道路。因本研究仅针对1例患者探索了3D打印技术在复杂的创伤后肩关节重建术中的应用，更深入的结论尚需更多的临床试验及更长期的随访结果来验证。