楊洋洋，楊磊，王躍，李凱

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髖關(guān)節(jié)翻修中不同假體柄長對股骨的力學(xué)影響

楊洋洋1*，楊磊2，王躍2，李凱1

（1.四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065；2.四川省人民醫(yī)院 骨科，四川 成都 610072）

針對髖關(guān)節(jié)翻修中使用的股骨柄長度進行再設(shè)計，從橫向和縱向兩個角度探討不同柄種、不同柄長的人工假體在術(shù)后的力學(xué)表現(xiàn)。利用CT影像數(shù)據(jù)重建髖關(guān)節(jié)模型，在專業(yè)醫(yī)師指導(dǎo)下完成模擬手術(shù)裝配。隨后，借助有限元的分析方法，在計算機中仿真模擬手術(shù)結(jié)果。最后對計算結(jié)果進行評價分析，一方面為髖關(guān)節(jié)翻修的假體選擇提供幫助；另一方面從工程力學(xué)的角度對人工假體的設(shè)計方向提出相應(yīng)的建議和指導(dǎo)。

髖關(guān)節(jié)翻修；股骨柄長度；生物力學(xué)

全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)（Total Hip Replacement，THR）仍是目前骨性關(guān)節(jié)病及骨質(zhì)疏松的主要治療手段[1]。作為人體最大、最穩(wěn)定的關(guān)節(jié)之一，髖關(guān)節(jié)的受力分析一直備受醫(yī)學(xué)界關(guān)注[2]。隨著近些年來醫(yī)—工結(jié)合新興學(xué)科的迅猛發(fā)展，借助計算機建模、仿真對正常髖關(guān)節(jié)、初次THR的力學(xué)分析[3]都如雨后春筍，但是針對于髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)（Revision of Total Hip Arthroplasty，RTHA）中股骨骨缺損力學(xué)模型分析鮮為少見。針對于臨床上少數(shù)但卻十分常見的病患模型，本文圍繞骨缺損的類型利用有限元分析的思想對其進行力學(xué)分析。因為丙烯酸骨水泥固定股骨假體容易產(chǎn)生骨水泥老化、碎裂及形成磨損顆粒等問題，從而造成了無菌松動導(dǎo)致關(guān)節(jié)重建失敗[4]，所以本研究中首選非骨水泥的生物固定型假體[5]，最具有代表性的即為涂層柱形柄和帶脊錐形柄[6-7]。

現(xiàn)代骨科醫(yī)學(xué)逐漸意識到保留截骨量可以規(guī)避諸多問題[8]。股骨柄的長短決定了股骨髓腔的掏空程度，在THR手術(shù)中，骨科醫(yī)生已經(jīng)盡量使用短柄股骨假體[9]。與之對應(yīng)的是，在RTHA手術(shù)中股骨柄的選擇常為190～220 mm的中遠端固定柄，其作為一個經(jīng)驗化的柄長被長期運用在全髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)中，但是目前尚無有力的力學(xué)分析結(jié)果證明其尺寸的必要性。本文針對選取的志愿者股骨的解剖數(shù)據(jù)，模擬髖關(guān)節(jié)翻修中股骨缺損的情況，設(shè)計一系列梯度變化的股骨柄長度，采用有限元分析的思想進行力學(xué)分析，為RTHA中股骨缺損的臨床應(yīng)用、假體設(shè)計提供力學(xué)分析支持。

1 骨缺損類型設(shè)計和股骨柄長的選擇

數(shù)據(jù)顯示2000年美國就曾進行了183000例THA，其中將近17%是RTHA達31000例左右，2005年美國髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)數(shù)量為40800臺，預(yù)計到2030年將增至驚人的96700臺[10-11]。由于初次髖關(guān)節(jié)置換術(shù)影響，在髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)中不管是髖臼還是股骨都伴隨著不同程度的骨缺損，如何對其進行歸納分類是進行系統(tǒng)性治療的前提。國際上比較認可的是美國骨科醫(yī)師學(xué)會（AAOS）的股骨缺損分型、Mallory分型、Paprosky分型[12]等，這里采取的是Parprosky骨缺損分型，它是臨床最常用且對手術(shù)操作有重要指導(dǎo)意義的分型方法之一[13]。

分析文獻[14-17]，并根據(jù)Paprosky分型確定了RTHA中常見的ⅡA、ⅡB、ⅡC、ⅢA四種股骨缺損類型如圖1所示，ⅡA型位于小粗隆尖水平，ⅡB、ⅡC位于小粗隆尖下20 mm，ⅢA位于小粗隆尖下50 mm。在預(yù)實驗的過程中，發(fā)現(xiàn)ⅡA、ⅡB兩組模型的有限元云圖大致相同，不具有明顯的區(qū)別分析價值，故此處只?、駻型骨缺損分析；此外ⅢA型骨缺損不能滿足柄與原生骨交接超過5 cm以上的條件，故排除。最后選定了ⅡA、ⅡC兩組骨缺損模型進行有限元數(shù)據(jù)分析。

圖2 Wagner SL 14號（左）和Echelon 15號（右）

選取健康男性志愿者，25歲，體重60 kg，身高173 cm，X線檢查排除股骨畸形、外傷等疾病。將股骨CT影像數(shù)據(jù)以DICOM格式導(dǎo)入Mimics 17.0軟件中，利用不同組織密度的灰度值差異，分離、重建出股骨皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨的三維模型，并以工程文件的格式（STEP203）導(dǎo)入到工程軟件Solidworks 2015中，在Solidworks中測量其股骨長、骨髓腔大小等。在骨科醫(yī)生指導(dǎo)下選取正常翻修中適配的股骨柄假體，即Wagner SL鈦合金帶脊錐形股骨柄14號和Echelon鈷鉻合金廣泛涂層柱形柄15號如圖2所示，柄的標(biāo)準(zhǔn)長度均為190 mm。根據(jù)志愿者的生理解剖結(jié)構(gòu)，其在初次髖關(guān)節(jié)置換中可以選用短柄假體長度約為150 mm，且加長柄的長度一般為230 mm，在此之間的柄長在臨床上比較空白。據(jù)此，設(shè)計額外的柄長分別為190±20 mm、190±40 mm四個長度。

2 邊界條件

2.1 載荷大小和方向

在進行力的分解之前，擬合股骨頭為一規(guī)則的圓球如圖2（a）所示，以突出顯示股骨頭位置、方便力的分解和計算。文獻[18]給出人在慢步行走時髖關(guān)節(jié)的受力和靜力狀態(tài)相當(dāng)，每個髖關(guān)節(jié)交替承受體重2.5倍左右的力。但是在慢跑（3.5 m/s）狀態(tài)下，髖關(guān)節(jié)承受的力除了來自自身體重以外還有慣性力，大概是體重的5.0～6.0倍，針對于觀察的人群為髖關(guān)節(jié)翻修患者，這里取關(guān)節(jié)受力為體重的倍數(shù)＝5.0。

圖2 建立坐標(biāo)系和股骨頭受力方向

本文患者的＝60.0 kg，計算得：

分解力滿足：

式中：F1為沿軸方向的力，N；F1為沿軸方向的力，N；F1為沿軸方向的力，N。

聯(lián)合式（2）～式（4），求得：

外展肌分解力為：

2.2 約束條件

兩種股骨柄均為非骨水泥固定型柄，Wagner SL采用楔形原理進行壓配，Echelon則利用表面140 mm長的微孔涂層進行摩擦固定，如圖2所示。二者在臨床中都能獲得很好的固定性，這里統(tǒng)一以綁定接觸（bonded contact）模擬宿主骨長入翻修股骨假體表面的狀態(tài)[19]。由于主要觀察區(qū)在股骨段上，所以對股骨遠端即膝關(guān)節(jié)近端部位進行固定約束（fixed support），約束節(jié)點沒有位移和轉(zhuǎn)動，在各個方向上的自由度為零[20]。

3 有限元分析

3.1 模型處理

這里設(shè)計了三種骨質(zhì)狀態(tài)（未缺損、ⅡA型缺損、ⅡC型缺損）、兩種柄種、五種柄長的30組模型，如表1所示。

表1 有限元模型組

○：柱形柄 △：脊錐柄

骨科手術(shù)受力分析的要點在于如何盡可能的還原實況。CT源文件包容細節(jié)更豐富，本實驗創(chuàng)新式地利用不同密度骨組織灰度值不同的特性分離出松質(zhì)骨和皮質(zhì)骨。雖然松質(zhì)骨在材料屬性上遠低于皮質(zhì)骨，并不能分擔(dān)承受很大的力，但在實際中它起到了襯墊的作用將假體柄上的力進行均勻分配，其卻在大多數(shù)類似實驗中被忽略。由于不能完全模擬真實的骨缺損情況，在這里對分型中應(yīng)該缺損區(qū)域進行松質(zhì)骨的屬性賦值處理，材料屬性見表2。

表2 模型材料屬性

3.2 股骨柄裝配

在髖關(guān)節(jié)重建過程中有一個重要的指標(biāo)[21]就是要恢復(fù)下肢的長度，所以在裝配的時候要注意假體股骨頭要保持和原生股骨頭的高度一致，如圖3所示。此外，裝配中需要控制股骨柄準(zhǔn)確地插入到髓腔內(nèi)，為此，借助“近似擬合”的思想對提取得的松質(zhì)骨進行外圓周擬合，如圖3中髓腔中部所示，得到一系列空間圓，最后用空間B樣條曲線將圓心遞次串聯(lián)，得到了用于固定股骨柄遠端的空間曲線如圖3中擬合曲線所示。

圖3 裝配效果圖

3.3 有限元云圖展示

由于模型太過繁多，在此選擇具有代表性的展示，分別如圖4～圖7所示，圖7中三個截面位置分別代表了柄近端面、柄未接觸端面和柄遠端面。

圖4 ⅡA型缺損股骨云圖

圖5 未缺損股骨云圖

圖6 ⅡC型缺損股骨云圖

4 結(jié)果分析

4.1 最大應(yīng)力

從顯示結(jié)果來看，無論是長柄假體還是短柄假體都表現(xiàn)出了漸變的應(yīng)力云圖分布，并未出現(xiàn)嚴重的應(yīng)力突變現(xiàn)象，對其最大應(yīng)力的統(tǒng)計可以簡略表達隨著柄長的增加兩種柄的應(yīng)力變化趨勢。如圖8所示，數(shù)字①②③折線代表的是Echelon假體組股骨未缺損、ⅡA型缺損、ⅡC型缺損隨著柄長的遞次變化最大應(yīng)力的變化，相應(yīng)地，字母abc折線代表了Wagner組。

圖7 ⅡA型缺損股骨等距離橫截面云圖

從折線圖上可以看出兩組假體的宿主骨最大應(yīng)力值都隨著柄長的增加而呈現(xiàn)遞減的趨勢，并且與股骨缺損與否無關(guān)。Echelon組股骨應(yīng)力值在短柄假體上表現(xiàn)相對較小，應(yīng)力值下降的過程中在170～190 mm、210～230 mm階段出現(xiàn)了“滯留”狀況，并且隨著柄長的增加應(yīng)力值反超對應(yīng)的Wagner組。Wagner組股骨最大應(yīng)力值在短柄階段略微較大，隨后連續(xù)遞減，表現(xiàn)穩(wěn)定。

4.2 應(yīng)力變化曲線

從圖5～圖7的云圖展示可以看出，Wagner組云圖表現(xiàn)更為均勻，Echelon組在股骨近端變化較為劇烈。為此，對兩組ⅡC型骨缺損從缺損面等距離向股骨遠端應(yīng)力值做了統(tǒng)計，如圖9所示。從圖中可以看出，Echelon組在距離缺損面50～100 mm左右的時候有一個明顯的突變過程，可以推斷其位置在涂層止點附近。隨著柄長的增加，Echelon組應(yīng)力分布整體上有對應(yīng)的輕微減少，但不太明顯。Wagner組的應(yīng)力變化更為均勻，在短柄上的應(yīng)力值較Echelon組大，隨著柄長的增加下降明顯，190mm附近為一個臨界值域。更為可貴的是在股骨遠端Wagner組的股骨應(yīng)力值有下

圖8 不同柄長下股骨最大應(yīng)力變化圖

圖9 ⅡC型骨缺損下不同柄長的股骨應(yīng)力變化圖

4.3 同骨內(nèi)外側(cè)應(yīng)力差

“應(yīng)力遮擋”效應(yīng)是髖關(guān)節(jié)置換中最為棘手的問題之一，卻又不可避免[20]。應(yīng)力遮擋會影響原生骨組織的重建，出現(xiàn)骨質(zhì)酥松、骨質(zhì)纖維化、無菌松動等一系列問題。簡單觀察可以看出股骨內(nèi)外側(cè)存在肉眼可見的應(yīng)力差，這一指標(biāo)可以較為直觀的表現(xiàn)應(yīng)力遮擋的程度。圖10展示的是ⅡA型骨缺損同水平面上內(nèi)－外應(yīng)力差值（內(nèi)側(cè)值減去外側(cè)值）的變化情況。

Echelon組的應(yīng)力差在整體上較大且變化劇烈，在距離骨缺損面50 mm左右的時候有一個小峰值，在股骨峽部（峽部：股骨髓腔開始收縮狹窄的部分，大致在股骨干中段附近）開始位置附近。尤為突出的是，在股骨近端Echelon組應(yīng)力差值較大。Wagner組的股骨應(yīng)力差值在骨缺損附近就表現(xiàn)較低，隨著距離骨缺損面距離的增加應(yīng)力差值緩慢均勻增加，統(tǒng)一表現(xiàn)為在股骨遠端有所收斂。

5 結(jié)論與展望

5.1 臨床選取假體的指導(dǎo)意義

（1）假體柄長的選擇。

從未缺損和ⅡA型骨缺損兩組有限元結(jié)果來看，短柄假體（小于190 mm）在最大應(yīng)力和應(yīng)力差值分析中都和長柄假體相差無幾。究其原因，可以發(fā)現(xiàn)這兩組其骨質(zhì)狀況和初次髖關(guān)節(jié)置換相當(dāng)，股骨近端原生骨能夠提供較好的支撐。這一結(jié)果也間接驗證了在THR中使用假體應(yīng)以短柄為主的原因所在，在保證良好穩(wěn)定性的情況下一方面可以降低手術(shù)創(chuàng)傷，另一方面可以保留更多的原生骨為以后的翻修提供基礎(chǔ)。在骨缺損較為嚴重的ⅡC組，長柄假體（大于190 mm）在應(yīng)力大小和應(yīng)力差值上都表現(xiàn)更好。更為突出的是Wagner長柄假體在應(yīng)力控制方面遠優(yōu)于Echelon假體組，更小的應(yīng)力集中可以降低術(shù)后患者的疼痛感[13]。因此，隨著骨缺損程度的增加，應(yīng)酌情增加股骨柄的長度。

（2）柄種的選擇。

從圖7的橫截面云圖分布可以看出，對于中長型股骨柄Echelon柱形柄組股骨在遠端與Wagner組相近，但在近端表現(xiàn)出更嚴重的應(yīng)力集中，這是催生應(yīng)力遮擋的最直接的原因。所以在骨缺損較為嚴重的病患中應(yīng)選用與Wagner脊錐型柄類似的假體，以獲得更好的初期穩(wěn)定性。兩種短柄假體在未缺損和ⅡA型骨缺損中能在股骨近端激發(fā)更大的應(yīng)力，根據(jù)Wolff定律（Wolff定律指出當(dāng)骨承受的實際應(yīng)力大于最佳應(yīng)力時以骨形成為主，實際應(yīng)力小于最佳應(yīng)力時以骨吸收為主且骨量丟失。）更大的應(yīng)力有助于促使骨組織的重建，所以此種病況下，二者的使用差異性不大。

5.2 人工假體的設(shè)計展望

（1）材料的改進方向。

股骨應(yīng)力集中產(chǎn)生的最直接的原因是假體的材料，由于合金金屬如鈦合金、鈷鉻合金良好的生物相容性、優(yōu)秀的化學(xué)穩(wěn)定性、極高的可塑性，被廣泛應(yīng)用到人工假體上來。但金屬較高的彈性模量，使得假體的剛度較人骨大出一個量級以上，不可避免地帶來了應(yīng)力集中和應(yīng)力遮蔽現(xiàn)象。如何降低合金假體材料的彈性模量或者找到更合適的高分子材料是材料改進的重點。例如鈦鈮系列二元合金在固溶狀態(tài)下均具有較低的彈性模可低至58 GPa左右，高分子材料中PEEK在脊柱種植設(shè)計領(lǐng)域已有很大的應(yīng)用，被廣泛接受為脊柱社區(qū)金屬生物材料的替代物，對于成熟的領(lǐng)域，如關(guān)節(jié)置換和骨折內(nèi)固定物都有待發(fā)展[22]。

（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化。

就目前的情況來看，在接下來的相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，人工假體的材料仍將以合金為主[1]。為降低應(yīng)力集中的產(chǎn)生，一方面可以增大原生骨與假體的接觸面積，如設(shè)計更為貼合亞洲人骨髓腔的生物性股骨柄；另一方面可以著手減少假體的剛度，如從降低假體有效果橫截面積出發(fā)設(shè)計多孔股骨柄。尤其是后者，不但能夠降低人工假體的剛度，含有微孔結(jié)構(gòu)的假體還能為骨組織細胞的長入提供支架環(huán)境，從而徹底改善股骨柄假體的中遠期穩(wěn)定性問題。

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Biomechanical Effect of Different Stem Length on Femur in Revision of Total Hip Arthroplasty

YANG Yangyang1，YANG Lei2，WANG Yue2，LI Kai1

(1.School of Manufacturing Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China; 2.Department of Orthopedics, Sichuan Provincial People's Hospital, Chengdu 610072, China )

The paper aims to redesign the length of femoral stems in revision of total hip arthroplasty. Joint prosthesis in different length and different types are tested to get the mechanical performance. After reconstructing the hip joint model with a CT image data, we assembly the stems and femur in a real simulated operation way under the guidance of the professional physician. The results of the models’ mechanical performance is obtained with finite element analysis method. This paper analyzes and evaluates the calculation results and offers guidance: on the one hand, it helps the doctor to choose the prosthesis; on the other hand, it gives engineers suggestions on the design of joint prosthesis from the perspective of biomechanics.

revision of total hip arthroplasty；the length of the femoral stems；biomechanics

TB124

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.06.003

1006－0316 (2018) 06－0020－08

2018－01－30

國家重點研發(fā)計劃（2016YFC1100600）；國家自然科學(xué)基金（61540006）

*通訊作者：楊洋洋（1991－），男，河南駐馬店人，碩士研究生，主要研究方向為人工假體的力學(xué)分析和設(shè)計。楊磊（1992－），男，四川遂寧人，碩士研究生，主要研究方向為人工關(guān)節(jié)置換術(shù)；王躍（1958－）男，重慶人，主任醫(yī)師、教授，主要研究方向為膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)各種疾病的診治和關(guān)節(jié)置換手術(shù)；李凱（1992－），男，河南鄭州人，碩士研究生，主要研究方向為手術(shù)導(dǎo)板人工智能化設(shè)計。