近年来，全髋关节置换术（total hip arthroplasty，THA）已成为治疗严重髋关节疾病的有效手段。然而由于假体松动、感染、骨折等原因，远期可能需要行髋关节翻修术。随着每年THA手术量的增加，未来会有越来越多的患者需要行翻修术^[1]。如何处理髋臼侧骨缺损以保证假体的初始稳定性及远期生物学稳定性，一直以来都是极具挑战性的难题。骨缺损的严重程度和分型对治疗方法的选择具有重要影响。针对髋臼侧骨缺损的处理方法主要是基于Paprosky分型系统，该分型由Paprosky和Cross^[2]基于泪滴破坏程度、坐骨骨缺损程度、旋转中心位置及髂坐线的完整性提出，其中Ⅲ型最为复杂，ⅢA型的旋转中心向外上方移位超过3 cm，其内侧壁和后柱缺损严重，髋臼环的缺损范围可达30%~60%。对髋臼侧骨缺损的准确评估和选择合适的假体是重建手术成功的关键^[3]。目前主要的重建方式包括使用骨水泥、打压植骨、金属垫块、“cup-cage”技术等。然而，这些重建方式都各有其局限性，如植骨、使用骨水泥固定难以保证有效的初始稳定性；金属垫块的形状和大小无法做到精确匹配骨缺损区域；“cup-cage”技术手术操作复杂精细，对手术医师的技术要求高，且“cup”和“cage”通过骨水泥粘合的方式也难以保证长期稳定性。

近年来，3D打印技术在医学领域的应用越来越广泛，尤其是在个性化假体的设计和制造方面^[4]。该技术不仅可以根据患者的具体情况设计和制造出精确匹配骨缺损区域的假体，还可进一步提高假体的力学性能和生物相容性^[5]。本研究拟设计和制造一种定制的3D打印一体式垫块假体，对PaproskyⅢA型髋臼侧骨缺损进行重建，并通过有限元方法评估其生物力学性能。

1   资料和方法

1.1   病例资料

选择1例重度髋臼侧骨缺损患者（男性，31岁，身高172 cm，体重65 kg），入院前经骨盆X线片、骨盆CT平扫及3D重建影像学数据诊断为PaproskyⅢA型髋臼侧骨缺损。取得该患者的双侧髋关节CT扫描数据（DICOM格式）并建立骨缺损模型。患者及家属均签署了知情同意书。

1.2   实验设备及软件

实验设备：多层螺旋CT机（德国Siemens公司）；台式计算机配置：处理器13^th Gen Intel(R) Core(TM) i9-13900KF 3.00 GHz，RAM 32.0 GB，Windows 11专业版。实验软件：Mimics Medical 21.0（比利时Materialise公司）；Geomagic Wrap 2021（美国Raindrop公司）；SolidWorks 2023（法国Dassault公司）；ANSYS Workbench 2022 R1（美国ANSYS公司）。

1.3   3D打印一体式垫块假体的设计

本例髋臼侧骨缺损患者以髋臼顶部缺损为主，髋臼旋转中心向外上方移位约4~5 cm，骨缺损的范围较大。因此，重建此髋臼侧骨缺损应在尽可能恢复髋关节旋转中心的同时，也要为缺损处提供足量骨储备。设计假体时以臼杯与前后柱及髋臼宿主骨实现最大程度贴合为主要原则，并尽量恢复髋关节旋转中心^[6]，因本例患者臼顶（10点~12点方向）缺损大，故在臼杯上方增加一体式金属垫块，使假体整体与髋臼窝的骨接触面积≥70%，从而减少应力集中，提高假体的初始稳定性。此外，该假体分别在髋臼上方和下方预留了7个和4个钉道，为后续的螺钉生物力学分析做准备。

1.4   髋臼侧骨缺损模型的建立

指导患者平卧在扫描床上，双腿伸直并轻微分开，同时保持髋关节在扫描范围的中心位置。选择适当的扫描参数（像素512×512，层厚1.0 mm）进行CT检查，将获得的CT数据以DICOM格式导入Mimics Medical 21.0软件重建模型。调整图像的方向，裁剪图像以去除不相关的区域。选定合适的灰度阈值，利用蒙罩编辑、擦除、填补、平滑等工具对骨骼进行细化填充，去除不需要的区域，填补空洞和平滑边缘；利用手工编辑图层工具擦除上述骨块表面凸起及补足其凹陷部分，修复模型表面的缺陷、去除不规则结构、优化网格的拓扑结构。初步建立原始髋关节3D模型，以STL格式导出并保存。结果如图 1所示。

图  1  骨盆CT扫描及原始髋关节3D模型初步重建

A~C：将CT扫描数据导入Mimics Medical 21.0软件；D：原始髋关节3D模型. CT：计算机断层扫描.

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1.5   髋臼侧骨缺损模型的优化及后处理

建立准确的模型对后续力学分析的结果十分重要，因此需要对初始模型进行优化。将初步建立的髋关节3D模型以STL格式导入Geomagic Wrap 2021软件。运用软件中修补、平滑、填补等工具对模型进行网格重建，并识别、填补任何存在的空洞或缺失的区域。使用网格医生工具中的“清除”“去除特征”等命令对模型进行光滑处理，并去除模型表面多余特征。使用“减少噪声”命令减少模型的不规则度。为模拟真实情况下骨与骨之间的应力传导，本研究对髋部骨骼进行了皮质骨的建模，厚度为1.3 mm^[7]，其余部分为松质骨。在创建松质骨时，利用软件的“偏移/整体偏移”命令，将骨骼模型向内整体偏移1.3 mm，对模型进行缩小处理。利用NURBS（non-uniform rational B-spline）曲面拟合等功能进行曲面修复，使模型的表面更加平滑和连续。将优化后的模型转换为几何实体模型，以STP格式导出并保存。

将Geomagic Wrap 2021软件生成的STP文件导入SolidWorks 2023软件。在装配界面将皮质骨、松质骨、股骨柄、股骨头、内衬及一体式垫块进行装配，随后对装配中的零件进行干涉检查，确保在装配中没有发生碰撞或重叠，最后以X-T格式导出并保存。结果如图 2所示。

图  2  髋臼侧骨缺损模型的进一步处理、装配

A：一体式垫块假体模型；B：装配完成的有限元模型.

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1.6   模型的网格划分

将实体模型以X-T格式导入ANSYS Workbench 2022 R1有限元分析软件，在MESH模块中将每个模型的面网格转为体网格，体网格单元类型均为四节点四面体单元。设置网格尺寸为1 mm。统计出最终四面体单元数为2 119 197，节点数为437 335。结果如图 3所示。

图  3  髋臼侧骨缺损模型的网格划分

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1.7   材料属性赋予与接触模式设定

在ANSYS Workbench 2022 R1有限元分析软件中建立静力分析模块，设置各部件材料属性^[8]，其中松质骨泊松比为0.3、弹性模量为150 MPa，皮质骨泊松比为0.3、弹性模量为17 000 MPa，高交联聚乙烯内衬泊松比为0.25、弹性模量为360 MPa，钛合金（一体式垫块、螺钉、股骨侧假体）泊松比为0.3、弹性模量为110 000 MPa。进行布尔运算，并赋值、设定接触关系。

1.8   设置加载模式及边界条件

模拟单足站立姿态进行力学分析。力的载荷以点面耦合的方式，于骶髂关节处和耻骨联合处施加650 N向下的力^[9]；约束骶髂关节、耻骨联合，固定股骨远端，防止其在X轴、Y轴和Z轴上的移位（图 4）。观察定制3D打印一体式垫块假体各个部件与髋骨的应力分布及位移情况。

图  4  加载模式（红色箭头为载荷施加方向）

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2   结果

2.1   应力分布情况

在髋关节总体应力分布云图上，von Mises峰值分布于股骨柄处，为67.318 MPa。在定制3D打印一体式垫块假体的应力分布云图上，其von Mises峰值分布于一体式垫块与髋臼骨接触的前上方，为6.935 MPa（图 5）。在股骨柄应力分布云图上，其von Mises峰值分布于股骨柄与股骨头连接处，为67.318 MPa（图 6）。上述结果与正常情况下应力沿股骨传导一致。在衬垫的应力分布云图上，其von Mises峰值分布于靠近臼杯顶部螺钉9固定处，为1.333 MPa；衬垫上的应力主要集中在臼杯顶部，向周围均匀分散（图 7）。在螺钉总体应力分布云图上，其von Mises峰值分布于螺钉9与一体式垫块连接处，为2.215 MPa；应力主要分布在位于骨缺损处的螺钉上（图 8）。

图  5  3D打印一体式垫块假体的应力分布云图

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图  6  股骨柄的应力分布云图

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图  7  衬垫的应力分布云图

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图  8  各螺钉的应力分布图

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在松质骨应力分布云图上，其von Mises峰值分布于股骨与股骨柄连接处的远端，为0.701 MPa（图 9A），平均值为0.108 MPa。在皮质骨应力分布云图上，其von Mises峰值分布于股骨远端，为9.844 MPa（图 9B），平均值为1.322 MPa。在髋骨应力分布云图上，其von Mises峰值分布于正常臼窝与缺损髋臼移行处前方，为8.002 MPa（图 10）。

图  9  松质骨（A）和皮质骨（B）的应力分布云图

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图  10  髋骨的应力分布云图

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2.2   各部件位移情况

股骨柄及股骨头的微动值峰值位于股骨头与臼杯接触处，为0.132 mm。一体式垫块假体与髋骨接触面的微动值范围为0.098~0.131 mm。定制3D打印一体式垫块假体的微动值峰值位于垫块顶部靠近髋臼后上方处（红色云图分布区），为0.114 mm（图 11）。

图  11  3D打印一体式垫块假体的位移

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3   讨论

髋臼侧骨缺损的患者由于中心边缘角逐渐减小，引起骨关节软骨负重面积缩小，从而加速软骨的变形坏死与骨的溶解吸收。有限元分析有助于了解假体与周围骨组织之间的负荷传递情况，避免因为假体植入不当而导致的应力集中、骨吸收、骨溶解等并发症。

因解剖结构复杂，完整模拟髋关节应力分布与微动程度难度较大，在实际建模过程中本研究简化了建模。但有研究再现了完整髋关节的有限元模型，构建了髋骨周围肌肉、韧带和软骨，并将其纳入有限元分析的边界条件^[10-11]，这不仅计算复杂烦琐，而且很可能与实际情况有出入^[12]。既往有研究者通过建立无股骨近端的骨盆髋关节模型、简化髋骨周围肌群受力的方法减少误差^[13]。本研究基于1例PaproskyⅢA型患者的CT数据建立了3D打印一体式垫块假体重建髋臼侧骨缺损模型，在尽可能符合实际情况的同时简化了计算。有研究对各种如慢跑、上下楼梯甚至完整的步态进行了分析^[14]，但由于PaproskyⅢA型患者长期解剖结构异常导致关节周围软组织萎缩或缺如，难以模拟运动时髋关节活动情况，本研究只对单足站立姿态下的假体生物力学性能进行了分析。

在静态分析的过程中，在髋骨中应力分布主要集中在髋臼上部靠近坐骨大切迹侧，股骨柄的von Mises峰值分布于股骨颈内侧区域，为67.318 MPa；螺钉总体von Mises峰值分布于螺钉9与一体式垫块连接处，为2.215 MPa，衬垫的von Mises峰值也位于此。该结果与既往研究^[15]结果无明显差异，符合正常髋关节的应力分布。本研究中，定制3D打印一体式垫块假体的von Mises峰值为6.935 MPa，股骨柄的von Mises峰值为67.318 MPa，衬垫的von Mises峰值为1.333 MPa，螺钉总体von Mises峰值为2.215 MPa，其材料均为钛合金，均小于相关文献报道中的屈服强度（890~920 MPa）^[16]。松质骨的von Mises平均值为0.108 MPa，皮质骨的von Mises平均值为1.322 MPa，均小于相关文献报道中的屈服强度平均值（松质骨为3 MPa，皮质骨为90 MPa）^[17]。结果说明该一体式垫块假体在模拟单足站立载荷下不会失效，因此，术后即刻进行负重站立康复训练是可行的。髋骨的应力云图显示，髋臼后壁的平均应力大于前壁，正常髋臼的应力集中于臼杯顶部，其次为后壁，前壁应力最小，与既往研究^[18]相符。3D打印一体式垫块假体的微动值峰值为0.114 mm，骨缺损处髋关节的微动值范围为0.098~0.131 mm，假体与骨关节接触面可能大于50 μm阈值，但均小于150 μm阈值^[19]。在这个范围内假体与周围骨组织之间存在一定程度的接触和微动，这种微动可以促进骨组织的生长和长入，骨组织不会因为过度的压力而受损，同时也不会因为缺乏刺激而出现松动，有助于形成良好的生物学固定。

本研究发现螺钉应力集中出现在螺钉5~11上，应力峰值出现在螺钉9处，且髋臼处应力主要分布在髋臼上方。有学者对不同的骨缺损重建方式进行了生物力学分析，结果表明应在解剖重建旋转中心的同时于髋臼外上方植骨并增加螺钉以减少应力集中^[20]。在严重骨缺损情况下通常需要将臼杯固定在坐骨内，Meneghini等^[21]发现增加后柱或坐骨螺钉能显著提升各部件的力学稳定性。因此，可考虑在主要应力分布的上方4枚螺钉（螺钉4、5、6、9）位置上固定一体式垫块，并放置后柱和坐骨螺钉进一步加固臼杯。

本研究重点研究了3D打印一体式垫块假体的稳定性，结果表明在单足站立状态下假体各个部件均小于其屈服强度，假体微动值在可接受范围内，术后进行负重站立康复训练时该假体安全可靠。Beckmann等^[22]对假体与髋臼骨接触面的不同固定方式进行了对比研究，发现假体表面与骨接触面的稳定性是维持整体结构稳定性的关键因素。不同于传统假体，本研究中的3D打印一体式垫块假体基于1例PaproskyⅢA型髋臼侧骨缺损患者的CT数据重建了髋臼侧骨缺损形态，利用3D打印计算机软件模拟设计的假体更加贴合髋臼侧骨缺损处，结合假体多孔表面可使假体表面与髋臼骨接触面积达到70%以上，有助于促进骨长入、保证远期稳定性。Hao等^[23]对58例使用3D打印钛合金骨小梁增强块重建的PaproskyⅡ型及Ⅲ型髋关节骨缺损患者进行了平均64.5个月的随访，Harris评分从（33.0±10.7）分提升至（80.3±8.8）分。丁育健等^[6]使用3D打印带翼臼杯对10例严重髋臼侧骨缺损患者进行重建，平均随访时间40.8个月，Harris评分从（28.60±8.40）分提升至（83.80±6.73）分。此外，由于3D打印假体表面可以控制孔隙数量及大小，可使假体使用寿命进一步延长，也有利于减轻患者的疼痛和负担。

本研究存在以下不足：（1）仅对单足站立姿态下而未对其他工况（如慢走、上下楼梯、慢跑等）进行分析，在运动或极限状态下假体的可靠性尚不明确，因此患者术后应避免即刻进行完全负重的慢走或慢走康复运动。（2）不同的载荷设置和边界条件也会影响分析结果，本研究为简化计算，只能尽量使之符合真实情况。（3）本研究样本量少，仅基于1例患者的影像数据对3D打印一体式垫块假体的生物力学性能进行评估，不能充分说明该定制假体的普适性。未来还需评估和比较3D打印一体式垫块假体及其他不同类型假体重建髋臼侧骨缺损的临床疗效，为治疗方式的选择提供依据。