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人工关节假体经过多年的发展和应用，已经成为成熟的技术和产品。丰富的产品线不仅可以满足初次置换的临床需求，对于置换翻修的病例，也能够给予很好的支持。但是，对于严重骨缺损、肿瘤、严重畸形等病例，应用成品人工关节假体很难做到完美的临床治疗。3D打印技术恰好可以满足个性化、小批量、快速制造的要求，因此特别适合作为常规人工关节假体的必要补充。
进行肩关节假体形态学设计应考虑什么？
首先要考虑肱骨头的解剖特点，肱骨头关节面基本上呈椭球形，且长轴方向与肱骨长轴方向相近，而非国内某些定制假体的长轴与肱骨方向相反。肱骨头额状面半径为24mm，冠状面半径21mm，二者比值为0.88(0.78～1.01)；肱骨头基底部额状面直径44.5mm，冠状面直径42mm，二者比值为0.94(0.85～1.15)；肱骨头高度为17mm，额状面半径与高度的比值为0.64～0.77。
其次要考虑肱骨干的髓腔直径和长度，Harris等人的测量结果显示肱骨干一般近端较宽，远端较窄。平均总长为31.6cm，平均髓腔宽度为11.5mm。除此以外，肱骨干与肱骨头结构关系中包含的颈干角也是一个重要参数，颈干角平均为(135±5)°，肱骨头中心轴与肱骨干纵轴也并不在同一个额状面上，而是向后倾，称为肱骨头后倾角，这导致肱骨头中心较肱骨干中心偏内、偏后，其间的距离分别称为肱骨头内侧与后侧偏心距。肱骨头后倾角平均为17.9°，肱骨头后侧偏心距为2.6mm，内侧偏心距为6.9mm。
在以往的全肩关节置换中，往往会考虑到肩胛盂的形态，包括肩胛盂表面的曲率半径、前后径与上下径等，而当前全肩关节置换假体以反式肩关节为主，更多需要考虑的：
一是肩胛颈的形状，是否适合固定肩盂侧的假体；
二是正确的肩盂假体倾斜角度，关系到肩盂关节面与肱骨头之间的接触角度和面积。
肩盂与肩胛体轴心之间有成角，在2°前倾到7°后倾之间，平均后倾1.23°。针对肩关节发生严重骨缺损的患者，一定要注意上述肩关节的解剖学特点，最大程度重建真实的解剖位置和角度，从而尽可能模拟正常人肩关节的活动方式和生物力学特点，达到最佳的功能重建。
肩关节假体设计的生物力学考虑
肩关节是人体上活动度最大的一个关节，上肢可外展上举近180°，内、外旋活动范围加起来超过150°，围绕水平运动轴的前屈及后伸活动范围加起来接近170°。其中主要的运动发生在盂肱关节和肩胛骨胸壁关节上，而在运动范围的极限部分，胸锁关节的运动也很重要。
在肩关节假体中，肱骨头假体的大小和形状与肩关节稳定性及肩关节周围肌力直接相关：
假体头过小，则三角肌和冈上肌力臂过小，外展无力，易脱位；过大则周围肌肉张力过高，活动受限。
因而设计肩关节假体的原则是在恢复肱骨近端解剖的基础上，需首先确定肱骨头的形状、大小，以重建并维持周围软组织的平衡。
其次，肱骨髓腔的粗细是否能够与假体直径匹配，直接关系到是否该选用骨水泥进行安装。
根据Harris等的测量研究，解剖固定与骨水泥固定组中，骨水泥组稳定性较好，且近端骨水泥与全长骨水泥相比无明显差别。Sanchez-Sotelo等则根据4年的临床随访结果，证实56%的非骨水泥假体与31%的骨水泥假体有松动的危险，从而说明解剖型与水泥型固定方式均可考虑。在肱骨头与肱骨干的关系中，两者旋转中心协同作用时能保持假体稳定、减少磨损。两旋转中心不统一时，假体植入后肩关节内产生的接触应力比正常高8倍，导致术后假体松动与脱位。
肩关节假体发展及设计要点
肩关节的稳定性较其他关节差，是全身大关节中结构最不稳固的关节。肩部疼痛和功能障碍在人群中的发生率较高，仅次于颈部疼痛和下腰部疼痛，病情较重时会严重影响患者的生活。在美国每年约有400万人因为肩关节问题而就医；在1990—1993年间，有200万人接受了人工髋关节和膝关节置换手术，而肩关节植入物年增长率约为髋关节植入物的一半。第一个有记载的人工肩关节手术发生在1892年，由法国医生Jules Emile Pean在巴黎的Hospital St.Louis（圣-路易斯医院）完成，虽然以失败告终，但开创了人工肩关节的先河，也为后来肩关节的发展，奠定了基础。
第一代人工肩关节假体为整体型，1951年由现代人工肩关节之父Neer医生设计并广泛应用。由于第一代肩关节是限制性结构，此类假体难以满足肩关节的活动需要，且增加了脱位的发生率，假体松动率和翻修率也较高，Neer Ⅰ型逐渐被淘汰。
第二代人工肩关节假体是模块化的聚乙烯假体，1974年由Neer医生提出。他突破了整体型假体的设计局限，提出模型化假体的概念，将假体改为非限制性设计，使得肱骨头关节面和肩胛盂关节面的弧度更加一致，代表产品为Neer Ⅱ型，假体可明显缓解肩关节疼痛和增加肩关节的活动范围。该假体手术方式成熟、简便，北美许多医生还在广泛使用，目前处于淘汰与改进阶段。
第三代人工肩关节可以算得上解剖型假体，1991年由法国医师Walch和Bioleau首先设计，思路来源于对肱骨近端严格的解剖三维分析，即“解剖关系重建”思想，命名为Aequalis型假体。但“解剖型”概念直到1999年才被学术界承认。第三代假体允许有相对于肱骨轴线不同的颈干角、扭转角和头的偏心性设计，而且设计出了骨水泥和非骨水泥两种假体，疗效进一步提高，是欧洲运用最多和最广的肩关节假体。此外1995年瑞士Cristian Gerber医生设计的Anatomical肩关节假体也是第三代假体中临床效果最显著的。该假体理念是尽可能地复制肩关节发病前和骨折前的解剖形状，特别重视肱骨近端颈干角、前后扭转角和肱骨头偏心距三者之间的关系，同时也考虑了肱骨头偏心距的设计。
第四代人工肩关节是三维型假体，主要以欧美和德国肩关节假体为主。德国海德堡的Habermeyer医生设计的“UNIVERS3D”三维肩关节肱骨近端假体是一种三维假体，实现了颈干角、前后扭转角和偏心距角度可调整，肱骨头假体大小可选，应用方便，临床效果满意。
在以上所有肩关节假体的设计过程中，无论哪种类型的肩关节假体，其目的都是尽可能地恢复肩关节损伤前的生理结构和功能作用，但由于不同患者的病损范围不同，涉及严重骨缺损的患者就无法直接应用上述的仅针对关节的假体，需要根据缺损部位重建解剖结构，进行个体化的设计，这就需要3D打印技术的辅助。
3D打印肩关节-半肩关节病例
1、病例信息：
患者，女性，11年前多发骨折行内固定术，术后持续肩关节活动受限，复查过程中见骨质愈合欠佳，内固定物折断，过程中未予以特殊处置。现以“内固定物折断，左侧肱骨近端骨不连”收入我科。右肩关节活动度良好。左肩关节活动度明显受限，屈曲在0°和10°之间，后伸在0°和5°之间，外展在0°和5°之间。双肘关节活动度良好。
2、病例分析：
患者内固定物断裂，肱骨头塌陷，肱骨近端形态发生变化，需重建肱骨近端和肩关节的解剖形态，现有肩关节和反肩关节虽然能够解决关节之间匹配的问题，但对于肱骨近端有大块畸形的骨缺损无能为力。在此基础上，取得患者的知情同意后，对该患者的肩关节进行个体化的设计和制造（图1）。
图1 患者术前X线及三维重建图像A.X线；B.CT三维重建图像。
3、设计制造流程：
首先，在CT数据采集上，需直接进行伪影的去除。将DICOM数据导入到Mimics中进行重建，由于该病例有内固定物，需在thresholding中选定Prosthesis选项，将钢板单独进行分离，在正常肱骨和骨不连股骨间分割，提取髓腔进行测量，作为3D打印植入物的柄参照物备用。镜像对侧肩关节，与患侧比对后将患侧缺少的部分补全，通过布尔运算提取出将要作为肩关节假体的草稿模型，转换为STL文件。
在对肱骨头进行拟合时发现，肱骨头实际情况下更接近一个光滑的半椭球形，根据美国弗吉尼亚长滩医疗系统的Bong Jae Jun等人通过生物力学实验验证得出的结论，非球形的假体肱骨头比球形的假体更接近解剖形态。与正常肱骨头相比，非球形头和肱骨解剖头无活动范围上的差异；在多个位置下，球形头的活动范围要明显减小，而活动时肱骨头峰活动范围增加，旋转中心活动范围减小。而Jeremy J.Gebhart等人则发现肱骨头表面形态与身高、性别以及肱骨长度等都有关系，因此最后用半椭球形拟合肩关节假体进行形态仿生。肱骨假体与肱骨头假体则采常规锥配合进行固定，锥配合加长量预留1mm。
把Mimics镜像后的正常侧肱骨上半段STL文件导入到Geomagic Studio中进行平滑化处理。为了防止对缝合线的切割，设计上倒圆角，毛坯件打磨，但考虑患者术后时间较长，肌肉功能退化，甚至萎缩、粘连，按正常解剖位置设计孔道可能会出现问题，因此参考Baichuan Wang等人在肱骨近端肿瘤切除后的关节囊补片重建方法，术前备好补片。拟合的肱骨头需要添加软骨厚度，根据Hodler等人的解剖学研究，肱骨头的平均厚度为1.2mm，在拟合的椭球体加1.2mm预留量。假体设计后与原有骨骼进行匹配组装（图2），为防止术中出现截骨误差，设计不同厚度的垫圈备用。上述过程在计算机端确认无误后进行打印制造（图3）。
图2 假体设计及与原有骨骼匹配验证A.假体设计图；B.假体与骨骼匹配验证。
图3 3D打印半肩关节假体A.3D打印半肩关节前后位（肱骨头组装），左侧为侧放的垫圈；B.3D打印半肩关节侧位，左上为肱骨头，左下为垫圈。
4、随访结果：
患者术后康复良好，在术后2个月的时候，患者经康复训练，即可独立外展、前屈。UCLA（the university of California at Los Angeles shoulder rating scale，美国加州大学肩关节评分）及Constant肩关节评分从术前的13分和21分，分别提高到术后9个月的50分和28分，效果令人满意（表1，图4）。
表1 半肩关节置换术后评分
图4 术后9个月X线图像
3D打印肩关节-反肩关节病例
1、病例信息：
患者，男性，左侧半肩关节置换术后5年，因“疼痛伴活动受限”收入我院（图5）。
2、病例分析：
X线及CT重建可见患者肱骨有较大范围的缺损，且由于之前定制的假体长短及肱骨头假体的直径匹配问题，造成关节盂的破坏，该患者只能根据当前状况重新设计全肩关节。当前反式肩关节效果较好，且能满足该患者关节方面的需求，再利用3D打印技术对缺损部位进行重建，纠正不合适的长度和角度，可重新建立患者肩关节的解剖和功能。综上考虑，将反肩关节的肱骨组件以20°～40°放置能够提供更大的外旋角度。肱骨组件扭转角按照30°放置。在此基础上取得患者的知情同意后，对该患者的肩关节进行个体化的设计和制造（图6）。
图5 患者术前X线图像A.患者第一次常规定制假体植入术前；B.患者常规定制假体失败；C.常规定制假体取出术后。
图6 3D打印个性化假体及匹配验证A.3D打印反肩关节假体设计；B.假体与残余骨骼匹配验证。
3、设计制造流程：
该患者设计制造流程基本同上一位患者，其不同点在于：
①反式肩关节对肱骨头的要求并不像半肩关节，需进行解剖外形的仿生，而是在关节盂的位置设计成半球体，原来肱骨头的位置设计成聚乙烯衬垫；
②考虑到患者肢体实际长度，该患者并不能完全按照左、右侧对称的长度来设计，而要综合考虑软组织状况，给予一定的松紧度；
③该患者需在颈干角、后倾角等方面进行特殊考虑，以满足其解剖需求。在设计及验证无误的情况下进行模型和假体的打印制造，并于术前进行匹配验证（图7）。
图7 打印的假体和模型匹配验证A.假体与剖开模型匹配验证（主要看髓腔）；B.假体与完整模型匹配验证（主要看形态）。
4、病例随访：
患者术后随访效果较好；术后1.5个月时即可完成部分外展、前屈、后伸动作，术后UCLA评分从术前4分提高到术后11个月的29分（图8）。
图8 患者术后X线图像及功能外相A.术后X线图像；B.患者活动度外相。
文章来源：骨今中外
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