股骨颈保留型人工全髋关节置换后的应力分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.52.002

摘要/Abstract

摘要：

背景：股骨颈保留型(Collum Femoris Preserving，C.F.P)假体为意大利骨科医生Pipino与德国LINK公司联合设计开发。该假体手术操作手册中推荐截骨平面是否适合国人股骨结构特点以及所采用截骨方式是否会引起假体以及股骨应力发生变化，目前尚未见研究报告。
目的：通过临床病例回顾和三维有限元模型分析股骨颈保留型人工全髋关节置换的临床疗效以及应力分布变化。
方法：①回顾分析36例股骨颈保留型全髋关节置换及36例普通生物型全髋关节置换患者临床资料，通过Harris评分、目测类比评分、置换前后偏心距变化、IDES-Engh放射学及并发症等指标评价疗效。②建立两种不同截骨平面股骨颈保留型全髋关节置换有限元分析模型，分析股骨转子间窝上1.5 cm及头颈交界处为截骨平面带来的偏心距差异、股骨以及假体应力分布变化。
结果与结论：①头颈交界处为截骨平面的股骨颈保留型全髋关节置换，短期随访临床疗效优良，与普通生物型无明显差别。②有限元分析显示：头颈交界为截骨平面与转子间窝上1.5 cm为截骨平面比较，偏心距增大，假体及股骨所受应力增大，但应力分布相同。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

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关键词: 骨关节植入物, 人工假体, 股骨颈保留, 三维有限元, 生物力学

Abstract:

BACKGROUND: Collum Femoris Preserving prosthesis is developed by Pipino, an Italian surgeon, and LINK (Germany). Whether the femoral osteotomy plane recommended in the surgical manual is suitable for Chinese people and whether the osteotomy method can cause stress changes of the prosthesis and femur has not been yet reported.
OBJECTIVE: Based on clinical reviews and three-dimensional finite element model, to analyze the clinical efficacy of total hip arthroplasty with Collum Femoris Preserving prosthesis and relevant stress distribution.
METHODS: We retrospectively analyzed 36 patients undergoing total hip arthroplasty with neck-retaining femoral prosthesis and 36 patients receiving total hip arthroplasty with biotype prosthesis in terms of Harris scores, visual analog scale scores, preoperative and postoperative measurements of eccentricity changes, IDES-Engh radiological evaluation and the incidence of complications. Two different osteotomy plane finite element analysis models were created to analyze the eccentricity difference and changes in the stress distribution of prosthesis and femur when the osteotomy plane was set 1.5 cm above the intertrochanteric fossa or at the junction of femoral head and neck.
RESULTS AND CONCLUSION: Neck-retaining total hip arthroplasty with the osteotomy plane set at the junction between the head and neck achieved good short-term outcomes, showing no difference from total hip arthroplasty with normal biological prosthesis. The finite element analysis showed that the eccentricity increased and the stress on the prosthesis and femur also increased when the osteotomy plane was set at the junction of femoral head and neck compared with that set 1.5 cm above the intertrochanteric fossa. But there was no difference in stress distribution between two osteotomy planes.

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Key words: prostheses and implants, arthroplasty, replacement, hip, finite element analysis, biomechanics

中图分类号:

R318

孙玉玺，付志厚. 股骨颈保留型人工全髋关节置换后的应力分析[J]. 中国组织工程研究, 2013, 17(52): 8949-8954.

Sun Yu-xi, Fu Zhi-hou. Stress distribution after total hip arthroplasty with a neck-retaining femoral prosthesis[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2013, 17(52): 8949-8954.

图/表（结果） 4

3.1 临床研究结果

3.1.1 Harris评分 36例股骨颈保留型组患者置换后均获随访(随访周期为每3个月1次)。置换前Harris评分为34-65分，平均(50.88±0.90)分，末次随访时Harris评分为73-98分，平均(91.31±0.77)分。股骨颈保留型组优良率97%(优18例，良17例，中1例，差0例)，普通生物型组优良率同样为97%(优19例，良15例，中1例，差0例)，两组比较差异无显著性意义(P=0.733 > 0.05)。

3.1.2 目测类比评分股骨颈保留组：治疗前目测类比评分为(7.65±2.88)分，末次随访时目测类比评分为(3.12±1.49)分；普通生物型组：治疗前目测类比评分为(7.60±2.38)分，末次随访时测类比评分为(3.20±1.09)分。两组末次随访时目测类比评分结果差异无显著性意义(P=0.845 > 0.05)。

3.1.3 偏心距变化股骨颈保留组：患者偏心距均获得良好恢复，治疗前偏心距大小平均为(41.58±5.23) mm，末次随访时为(43.47±6.35) mm；普通生物型组：治疗前偏心距为(40.58±5.33) mm，末次随访时为(41.25± 4.03) mm，两组末次随访时偏心距结果差异无显著性意义(P > 0.05)。

3.1.4 IDES-Engh放射学评价股骨颈保留型组及普通生物型组患者股骨柄未见柄周围的骨内膜空洞、大的骨缺损及假体柄断裂；Gruen^[14]分区内未见骨溶解及骨缺损；股骨柄周围柄-骨界间透亮带均小于2 mm，呈骨性长入固定，见图2-5。

3.1.5 并发症至末次随访，均无翻修及假体周围骨折病例出现。两组患者异位骨化程度按照Grade标准，均在Ⅰ度以内。两组均未发生早期或晚期感染、坐骨神经损伤、血管损伤和髋臼骨折等并发症。但股骨颈保留型组有2例患者出现术后双下肢不等长，并且存在跛行步态，通过测量双下肢绝对长度，术侧下肢较未手术侧下肢分别长1.5 cm及1.0 cm。

3.2 生物力学研究结果

3.2.1 两种方案中假体von-Mises应力、股骨von-Mises应力、股骨主拉应力、股骨主压应力变化方案一应力分布情况，见图6，方案二应力分布情况比较，见图7。与方案一比较，方案二股骨主拉应力增大19.567 MPa；主压应力增大29.12 MPa；股骨整体应力增大 0.16 MPa；假体柄颈交界处增大约51.359 MPa。

3.2.2 两种模拟截骨方式偏心距变化模拟截骨前偏心距大小为34.2 mm。方案一截骨方式偏心距为35 mm，较模拟手术前增大约0.8 mm；方案二截骨方式偏心距为39 mm，较模拟手术前增大约4.8 mm。

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引言

材料方法

1 临床研究 Clinical study

设计：回顾性病例分析。

时间及地点：于2006年1月至2010年12月在解放军济南军区总医院骨病科完成。

对象：收集解放军济南军区总医院骨病科2006年1月至2010年12月实施的36例股骨颈保留型全髋关节置换及36例普通生物型全髋关节置换患者资料。

股骨颈保留型组：男25例，女11例；年龄35-55岁，平均44.5岁；左侧18例，右侧10例，双侧8例，病史3-15年(平均6.8年)，术后至末次随访平均38.9个月。原发疾病：股骨头无菌性坏死20例，先天性髋臼发育不良6例，强直性脊柱炎并髋关节强直5例，创伤性关节炎5例。所有患者应用股骨颈保留型假体实行人工全髋关节置换。

普通生物型组：男24例，女12例；年龄40-65岁，平均50.8岁；左侧10例，右侧10例，双侧16例，病史5-10年(平均6.7年)，术后至末次随访平均37.5个月。原发疾病：股骨头坏死32髋，创伤性关节炎4髋。所有患者应用美国Zimmer公司制造CLS假体实行人工全髋关节置换。

两组患者性别、年龄、病史、原发疾病等基线资料比较，差异无显著性意义(P > 0.05)，具有可比性。

材料：①股骨颈保留型假体(C.F.P)：德国LINK公司制造，柄为钛合金。颈干角为126°，前倾角均为14°。分别有5种左右侧及2种不同曲度的柄可供选择。②普通生物型髋关节假体：美国Zimmer公司制造。

技术路线：

手术方法：①股骨颈保留型全髋关节置换截骨方式：头颈交界处截骨。臼杯植入角度：55°外翻角和15°前倾角。②普通生物型全髋关节置换截骨方式：小转子上 1.5 cm处截骨。臼杯植入角度：45°外翻角和15°前倾角。两种假体均采用生物型固定方式。

偏心距的测量：偏心距变化评价标准：术后偏心距与健侧相比较，差别< 4 mm的视为偏心距得到了重建。对于行双侧全髋关节置换患者，差别大于4 mm时，股骨偏心距较大侧视为重建，另一侧视为未重建。

临床评价指标：

关节Harris评分^[9]：包括疼痛、功能、畸形、运动范围4个方面。根据评分分为优(90分以上)、良(80-89分)、中(70-79分)、差(70分以下)。

大腿疼痛目测类比评分^[10]：在记录纸上画一条10 cm长的线段，在其左端写“无痛”，右端写“剧痛”，患者在上面画出一点表示当时的疼痛程度。0分为完全缓解，<3分为显著缓解，3-5分为轻度缓解，>5分为无效。

偏心距：指股骨头旋转中心与股骨干纵轴的垂直距离。

IDES-Engh放射学评价^[11]：①骨长入固定：假体没有下沉或移位，假体周围没有X射线透亮带或硬化带存在，假体-骨界面表现稳定，多孔区新骨形成。②稳定性的纤维长入：假体无进行性的移位(早期微小移位可能已经发生)；广泛的呈平行状态的假体周围硬化带存在，硬化带与股骨柄间透亮带的宽度不超过1 mm。股骨皮质没有明显肥厚，提示包绕假体柄周围的骨壳起到了承载应力的作用。③松动：假体在髓腔内存在明显的进行性的下沉或移位，并且假体部分被分散存在的硬化带(从假体柄骨端可见硬化带与假体间分离明显)环绕。

并发症：至末次随访时，观察有无感染、坐骨神经损伤、血管损伤和髋臼骨折、双下肢不等长等并发症的发生。

统计学分析：采用SPSS 11.5统计软件进行统计学分析，资料的比较采用秩和检验及卡方检验，以P < 0.05为差异有显著性意义。

2 生物力学研究 Biomechanical study

设计：三维有限元分析。

时间及地点：于2011年2至3月在解放军济南军区总医院完成。

对象：随机选取1名成年男性者，自愿参加此项研究，研究方案得到医院伦理委员会批准。

方法：

股骨颈保留型髋关节假体及股骨三维计算机模型的建立：①股骨三维模型建立：采用64排螺旋CT扫描志愿者双下肢，包括股骨全长，得到CT间距为0.8 mm的原始断层图像数据。扫描条件：扫描电压120 kV，扫描电流300 mA，选择骨组织窗扫描，层厚0.8 mm，CT图像的处理和数字化在专用的ADW 4.3图形工作站(计算机配置：Intel Pentium43.OGs 2 G内存，256 M显卡)上进行图像处理，CT图像直接以DICOM 3.0医学数字图像通讯标准存储。利用Mimics导入64排螺旋CT扫描原始断层图像数据，建立股骨三维模型。Mimics建立的股骨原始模型于ANSYS 13.0中进一步平滑处理并进行网格划分。②假体模型建立：根据手册得到C.F.P假体相关数据，应用跟踪草绘方法根据假体数据建立初始三维模型，对三维模型进行平滑及镜像处理。三维模型中，截骨方案定义：转子间窝上1.5 cm处截骨定义为方案一，见图1A；股骨头颈交界处截骨定义为方案二，见图1B。③三维有限元模型材质赋值：材料参数的选择参考Stolk^[12]的数据，见表1。

边界条件及加载：采用Bergmann等^[13]提出的载荷数据，模拟体质量70 kg患者正常步行过程中在峰值关节载荷作用下股骨的应力分布，同时施加外展肌、骼胫束和骼腰肌3个主要肌群的肌力。

生物力学评价指标：①两种方案中假体von-Mises应力、股骨von-Mises应力、股骨主拉应力、股骨主压应力变化。②两种方案偏心距比较。

统计学分析：采用SPSS 11.5统计软件进行统计学分析，资料的比较采用秩和检验及卡方检验，以P < 0.05为差异有显著性意义。

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讨论

4.1 股骨颈保留型人工全髋关节置换的优点 与普通生物型全髋关节置换比较，C.F.P的截骨方式能够完整的保留股骨矩，保留股骨颈部重要的承重结构，股骨所受应力明显降低，应力遮挡效应相应减少。本研究表明，C.F.P型假体的全髋关节置换具有以下优点：①与普通生物型全髋关节置换比较，Harris评分、目测类比评分等功能评价指标无明显差异。临床效果均优良。②C.F.P的截骨方式能够保留股骨颈部最为坚强部分，使得假体能够获得良好的支撑。③保留了更多的骨质，为日后可能发生的假体返修提供了便利条件。

4.2 不同截骨平面偏心距及生物力学变化的意义 偏心距的变化将影响全髋关节置换后髋关节旋转中心位置。术后旋转中心位置理想恢复对假体生存率以及步态都有非常重要的作用。Davey等^[15]通过尸体研究，证实随着偏心距的增大外展肌受力减小，传递到髋臼的应力也减小。Dearmin等^[16]实验研究，证实偏心距适当增加并不影响置换后股骨假体的骨整合。这些生物力学观点支持偏心距稍大的生物型假体。本研究中有限元分析提示：模拟手术前偏心距为34.2 mm，按方案一截骨方式偏心距为35 mm，方案二截骨方式偏心距为39 mm。采用方案二截骨方式较方案一偏心距增大4 mm。结果表明方案二截骨较方案一截骨所受应力增大。Kleemann等^[17]研究发现，假体柄颈交界处应力过大，置换后发生假体断裂的风险增大。根据以上研究结果：采用转子间窝上1.5 cm截骨，可使偏心距得到良好恢复，可能降低假体及股骨所受应力。

4.3 不同截骨平面偏心距变化对假体生存率影响 文献报道，偏心距恢复不当，易引起假体-骨界面间微动增加，发生假体早期松动^[18-19]；偏心距恢复不当引起股骨侧应力遮挡增加，而应力遮挡与骨质丢失程度存在相关性，引起置换后假体无菌性松动。Rorabeck等^[20]提出：全髋关节置换后，股骨偏心距长度变化在4 mm之内，既可以维持较好的外展力臂和髋关节活动度，又不致导致过多并发症。本研究结果提示：采用头颈交界处为截骨平面的C.F.P型全髋关节置换，适当增大了股骨偏心距，假体短期生存率良好，但对假体长期生存率有待进一步研究。

结论：通过力学试验及临床工作实际经验得出以下结论：①采用头颈交界处为截骨平面的股骨颈保留型全髋关节置换后短期随访临床疗效优良，与普通生物型无明显差别。②通过三维有限元分析股骨颈保留型人工全髋关节置换，置换后股骨外侧所受主拉应力明显降低。采用两种截骨方案时，头颈交界为截骨平面与转子间窝上1.5 cm为截骨平面比较，偏心距增大，假体及股骨所受应力增大，但应力分布趋势相同。③根据既往文献报道^[21]，结合实际临床经验，作者采用股骨头颈交界处为截骨平面可以接受。根据Charles等^[22]理论，采用头颈交界为截骨平面适当增大了偏心距，置换后功能明显改善，并发症未见明显增加。同时根据三维有限元试验研究结果显示假体及股骨应力分布无明显变化。以上临床实际经验及三维有限元试验研究结果表明，采用股骨头颈交界处为截骨平面，同样能获得良好功能，同时符合生物力学要求。头颈交界为截骨平面，假体短期生存率良好，但对假体长期生存率的影响有待进一步研究。

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文章快阅

延伸阅读

在关节置换的早期，一些设计者就开始尝试设计出符合髋臼和股骨近端生理解剖结构的髋关节假体，这样可以尽可能多的保留骨质。股骨颈保留的截骨方法可以保留股骨颈周围的血供营养，假体置入时保留了干骺端大量的骨质，为远期的骨长入从而实现假体的生物性固定提供了保障，同时，较少的截骨量，保留更多的骨质，为可能再次翻修手术提供了结构上的基础。C.F.P假体(Collum Femoris Preserving)为意大利骨科医生Pipino与德国LINK公司联合设计开发，从目前临床观察以及文献报道，具有优良效果。C.F.P柄设计特点主要为：保留了人体解剖股骨颈，以及股骨颈部重要的承重结构股骨矩。同时该假体的设计能够保证最初的稳定方式为三维稳定，尤其是旋转稳定性。假体与颈外侧皮质间的紧密接触可以有效防止旋转发生，在垂直方向以及冠状面上，能够有效防止内翻和假体塌陷。假体最初由股骨颈的皮质骨固定，而中远端是靠干骺端的松质骨固定，尖端假体柄的直径还小于髓腔，应力的传导分布符合生理条件。采用保留股骨颈截骨方式，保留了股骨颈部骨小梁结构，使应力沿骨小梁分布，与应力生理分布相符。假体柄主要位于股骨上端干骺端松质骨内，干骺端内骨小梁的特殊结构使该部分骨/假体的弹性模量可变，并有利于术后假体骨整合。较少的截骨，保留了大量的松质骨，同时对骨内膜血运破坏较少，也有利于术后假体骨整合。与普通生物型相比，股骨颈保留型截骨平面较高。截骨平面的不同，导致术后颈长的变换。改变股骨颈的长度和角度后会影响到髋部肌肉的力臂和力线,在保留股骨颈时,关节力线与肌肉力线保持了髋关节的平衡。避免了假体的内翻倾向，进一步消除了不良应力的产生，保留自然状态下的偏心距，其结果可以使髋关节假体的磨损降低到最小。C.F.P.保留股骨颈也就是最大限度地保留了自然的偏心距。

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