个性股骨假体的三维仿真及模拟力学试验

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.0171

中国组织工程研究 ›› 2018, Vol. 22 ›› Issue (11): 1731-1736.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.0171

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个性股骨假体的三维仿真及模拟力学试验

李亢¹，姜燕²，田大为³，刘向阳²

¹十堰市太和医院，湖北医药学院附属医院骨科，湖北省十堰市 442000；²湖北医药学院计算机教研室，湖北省十堰市 442000；³湖北医药学院附属东风医院骨科，湖北省十堰市 442000

出版日期:2018-04-18 发布日期:2018-04-18
通讯作者: 姜燕，硕士，副教授，湖北医药学院计算机教研室，湖北省十堰市 442000
作者简介:李亢，男，1975年生，四川省成都市人，汉族，2005年俄罗斯圣彼得堡巴甫洛夫国立医科大学毕业，硕士，副主任医师，副教授，主要从事骨创伤与整形、显微骨科、计算机辅助骨科临床应用方面的研究。
基金资助:
湖北省科技计划项目(2015CFC808)，课题名称：个性股骨假体的三维仿真及移植的研究

Three-dimensional simulation and simulated mechanical test of individual femoral prosthesis

Li Kang¹, Jiang Yan², Tian Da-wei³, Liu Xiang-yang²

¹Department of Orthopedics, Taihe Hospital of Shiyan, Hubei University of Medicine, Shiyan 442000, Hubei Province, China; ²Computer Teaching and Research Office, Hubei University of Medicine, Shiyan 442000, Hubei Province, China; ³Department of Orthopedics, Dongfeng Hospital, Hubei University of Medicine, Shiyan 442000, Hubei Province, China

Online:2018-04-18 Published:2018-04-18
Contact: Jiang Yan, Master, Associate professor, Computer Teaching and Research Office, Hubei University of Medicine, Shiyan 442000, Hubei Province, China
About author:Li Kang, Master, Associate chief physician, Associate professor, Department of Orthopedics, Taihe Hospital of Shiyan, Hubei University of Medicine, Shiyan 442000, Hubei Province, China
Supported by:
a grant from the Science and Technology Program of Hubei Province, No. 2015CFC808

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

骨水泥型假体：骨水泥型假体于20世纪60年代Charnley提出应用，近年来，人工关节置换的临床效果大为提高，临床效果确切，有大量成功的病例，目前仍在广泛使用，操作技术已经非常成熟。应用骨水泥假体的患者康复时间相对短，在美国已成为全膝关节置换假体固定的金标准。然而，也有临床案例表明骨水泥型假体容易出现假体松动和磨损，从而影响其长期耐用性。

髋关节病变：在髋臼的边缘有关节盂缘附着，加深了关节窝的深度。在髋臼切迹上横架有髋臼横韧带，并与切迹围成一孔，有神经、血管等通过。髋关节病变常为隐匿起病，早期症状不典型，可为单侧或双侧髋关节间断疼痛，不引起人们的关注，但腱端炎和滑膜炎正在不断的发展。当出现明显的髋关节疼痛甚至活动受限时，髋关节软骨已有破坏、关节间隙已狭窄。

摘要

背景：有研究将医用CT技术与数字化三维影响交互式控制系统Mimics软件以及计算机仿真技术等工具软件相结合重建活体股骨三维模型，并进行仿真再造，专门定制的个性化股骨假体与人体结构具有较高的匹配度，在临床研究上具有较高的应用价值。

目的：探究个性股骨假体的三维仿真及移植在人工股骨假体置换中的应用价值。

方法：选择2014年7月至2016年6月在十堰市太和医院拟行人工股骨假体置换的患者82例，按随机数表法分为3组，各组分别设计不同类型的股骨假体，个性化组28例，普通生物型组27例，骨水泥型组27例，分别进行股骨假体三维仿真及模拟力学试验。采用医用CT技术结合计算机辅助设计重建活体股骨三维模型，在计算机上虚拟假体模型的置入过程并记录相关信息，对股骨假体在双足及单足载荷下进行力学试验的模拟操作，为股骨假体置换提供最适宜的方案，并对可能出现的风险进行预测评估做好术前准备工作。

结果与结论：①3组在模拟力学试验中，双足与单足载荷下，假体置换后假体和股骨上应力情况比较，个性化组明显优于生物型组与骨水泥型组，差异有显著性意义(P < 0.05)；②假体置换后的正应力与剪切应力，个性化组明显优于生物型组与骨水泥型组，差异有显著性意义(P < 0.05)；③假体置换后假体的初始微动情况，水平微动与垂直微动个性化组明显优于生物型组与骨水泥型组，差异有显著性意义(P < 0.05)；④综上，联合计算机CT三维技术与计算机辅助设计等软件可以有效为患者定制个性化股骨假体，与生物型与骨水泥型假体相比，个性化股骨假体在各种性能上尤其是在生物力学层面其应力分布、界面应力、初始微动等都具有明显优势。

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
ORCID: 0000-0002-9278-8813(李亢)

关键词: 股骨假体, 三维模型, 计算机辅助技术, 仿真, 移植, 人工假体, 骨科植入物

Abstract:

BACKGROUND: A study combined medical CT technology and digital three-dimensional (3D) interactive control system Mimics software and computer simulation software tools for 3D reconstruction and simulation reconstruction of the femur. Customized individualized femoral prosthesis has high matching degree with human body structure, and has high application value in clinical research.

OBJECTIVE: To investigate the application value of 3D simulation of femoral prosthesis in artificial femoral prosthesis replacement.

METHODS: Totally 82 cases, who received femoral prosthesis replacement from July 2014 to June 2016 in Taihe Hospital of Shiyan, were enrolled and randomly assigned to three groups: personalized group (n=28), cementless group (n=27) and cemented group (n=27). Different types of femoral prosthesis were designed in each group. 3D model reconstruction in femur was designed using medical CT technology combined with computer. Prosthesis implantation was simulated in computer, and the relevant information was recorded. Simulated operation was conducted on the mechanical experiment of femoral prosthesis in the biped and single foot loads so as to provide the most suitable operation plan. The possible risk was forecasted and assessed for preoperative preparation.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) In the simulation of mechanical experiment, under double foot and single foot loads, after prosthetic replacement, stress in the femur was significantly better in the personalized group than in the cementless group and cemented group (P < 0.05). (2) After replacement, normal stress and shear stress were significantly better in the personalized group than in the cementless group and cemented group (P < 0.05). (3) The initial, horizontal and vertical micromovement was significantly better in the personalized group than in the cementless group and cemented group (P < 0.05). (4) In summary, the use of computer technology and 3D CT software can make individualized femoral prosthesis for patients. Compared with the cementless and cemented prostheses, personalized prosthesis has obvious advantages in stress distribution, interface stress and initial micromovement.

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

Key words: Computer-Aided Design, Finite Element Analysis, Prosthesis Implantation, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

李亢，姜燕，田大为，刘向阳. 个性股骨假体的三维仿真及模拟力学试验[J]. 中国组织工程研究, 2018, 22(11): 1731-1736.

Li Kang, Jiang Yan, Tian Da-wei, Liu Xiang-yang. Three-dimensional simulation and simulated mechanical test of individual femoral prosthesis[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2018, 22(11): 1731-1736.

图/表（结果） 3

2.1 参与者数量分析 按意向性处理，纳入拟行人工股骨假体置换的患者82例，按照随机数表法分为3组，全部进入结果分析，无脱落。分组流程图见图2。

2.2 基线资料比较 3组基线资料比较差异无显著性意义(P > 0.05)，具有可比性，见表1。

2.3 不同材料的特性 利用有限元分析软件ANSYS对完整股骨及股骨假体间接触配合进行分析时，共提及以下4种材料，4种不同材料的弹性模量、泊松比与剪切模量进行分析比较，差异有显著性意义(P < 0.05)，见表2。

2.4 假体置换后假体和股骨上的应力情况 如表3所示，个性化组与生物型组与骨水泥型组进行分析比较，假体应力情况与股骨应力情况通过F 检验，P < 0.05。个性化假体应力最小，生物型和骨水泥型假体应力较大。

双足站立载荷下，个性化假体应力比生物型和骨水泥型假体应力平均减少72%和73%；个性化假体的股骨上应力分别比生物型和骨水泥型假体应力平均减少77%和79%。

单足站立载荷下，个性化假体应力生物型和骨水泥型假体应力平均减少33%和57%；个性化假体的股骨上应力分别比生物型和骨水泥型假体应力平均减少77%和80%。3组相比差异有显著性意义(P < 0.05)。示意图见图3。

2.5 假体置换后的正应力与剪切应力情况 如表4所示，在对个性化组与2个对照组进行力学模拟试验过程中，个性化组与2个对照组在正应力与剪切应力方面通过F 检验， P 。个体化假体界面应力最小，生物型和骨水泥型假体界面应力较大。< 0.05

双足站立载荷下，正应力个性化假体分别比生物型和骨水泥型假体应力平均减少48%和55%；剪切应力个性化假体分别比生物型和骨水泥型假体应力平均减少83%和 80%。

单足站立载荷下，正应力个性化假体分别比生物型和骨水泥型假体应力平均减少15%和45%；剪切应力个性化假体分别比生物型和骨水泥型假体应力平均减少54%和 72%。3组相比差异有显著性意义(P < 0.05)。

2.6 假体置换后假体的初始微动情况 如表5所示，在力学试验操作中，3组在水平微动与垂直微动方面进行比较分析，通过F 检验分析，个体化假体微动最小，生物型和骨水泥型假体微动较大。

双足站立载荷下，水平微动个性化假体分别比生物型和骨水泥型假体应力平均减少96%和82%；垂直微动个性化假体分别比生物型和骨水泥型假体应力平均减少82%和79%。

单足站立载荷下，水平微动个性化假体分别比生物型和骨水泥型假体应力平均减少99%和98%；垂直微动个性化假体分别比生物型和骨水泥型假体应力平均减少79%和66%，3组相比差异有显著性意义(P < 0.05)。

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引言

近年来，髋关节功能丧失的出现率逐步增高，该种症状的出现可由自身身体病变发展而来，也可由交通意外及各种危险事故所导致，在药物治疗这类疾病不起作用的条件下，人工股骨假体置换手术，即用人工关节代替天然关节，是治疗髋关节损伤重要并且有效的途径^[1-2]。股骨假体柄要求放置于股骨颈的中心轴内并呈轻度外翻位，以避免假体位置不当而对股骨质产生切割进而形成股骨颈切迹和股骨颈骨折，所以股骨侧假体方位一直被认为是手术成败的关键，它与术后股骨颈骨折、股骨假体无菌性松动、髋内外翻等密切相关^[3]。术后早期的股骨颈骨折与术中股骨侧假体的置入角度不当所致的股骨近端生物力学的变化相关，股骨头假体只有安放在合适的位置，才能避免术后股骨颈切迹、骨折以及髋关节生物力学环境的变化^[4]。传统全髋关节表面置换中处理假体时，通常是由手工测量和经验把握，采用统一的假体置入方式，利用股骨颈中心定位器等辅助定位极易受到术中体位变化的影响，传统使用的导引工具针对的是形态正常的骨豁，不可避免的出现置入位置的偏移，因此找到一种能够解决这些问题的行之有效的方法是摆在当今骨科工作者面前的重要难题之一^[5-7]。有学者运用逆向工程技术原理，采用医用CT技术结合数字化三维医学影像交互式控制系统Mimics软件重建活体股骨三维模型，然后根据Billing等定义及立体解析几何的原理，使用计算机辅助技术测量股骨假体的重要解剖参数，再应用计算机仿真技术、计算机逼近曲面拟合算法及有限元力学分析ANSYS等工具软件，虚拟理想化人工股骨假体模型，研究其形态^[8]。文章借鉴上述研究开展试验，旨在探究个性股骨假体的三维仿真及移植在人工股骨假体置换中的应用价值。

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材料方法

1.1 设计 随机对照三维仿真试验。

1.2 时间及地点 于2014年7月至2016年6月在十堰市太和医院骨科完成。

1.3 对象 选择2014年7月至2016年6月在十堰市太和医院拟行人工股骨置换的患者82例，男42例，女40例；年龄28-55岁，平均(38.98±11.32)岁；病程2-20个月，平均 (14.21±5.14)个月。按照随机数表法分为3组，个性化股骨假体三维仿真及移植患者28例作为个性化组，普通生物型、普通骨水泥型股骨假体三维仿真及移植患者各27例作为对照组。3组患者的一般资料差异无显著性意义(P > 0.05)。

1.3.1 纳入标准所有患者经临床检测与医学影像学分析确诊无误；患者及其家属自愿接受该方法的治疗并签署知情同意书；本研究已获得医学伦理委员会的批准。

1.3.2 排除标准 ①患有严重糖尿病者；②髋关节为化脓性关节炎或者骨髓炎的患者；③年老体弱，患有严重心肺疾病，不能够耐受手术的患者；④髋臼明显退变或者破坏严重的患者。

1.4 方法 82例患者分组进行股骨假体的三维重建，利用CT数据结合Mimics软件进行股骨三维可视化和形态学研究，并为股骨假体移植、微创手术、立体定位、导航系统及仿真人工假体设计提供三维可视化模型，随后进行力学模拟试验收集并分析生物力学的指标数据。虚拟仿真测试的技术路线见图1。

1.4.1 个体化股骨假体的三维重建对28例个性化组的患者进行CT扫描，在医护人员的统一操作下所有患者的CT参数保持一致，随之将得到的每例患者的CT二维图像存储至工作站。利用 GESpeedLight16工作站进行图像的初步处理工作，为了更方便的获取CT图像，便采取制作虚拟光驱格式文件的形式，转刻至700 M之CD-R，这样在计算机上运行后就可导入计算机辅助设计软件当中^[4]，方便接下来的试验步骤。统一采用Canny边缘检测算子进行边缘检测，第1步便要求出形心；随后，以形心为原点建立直角坐标系，水平轴与垂直轴作为X轴、Y轴，将各点与原点连线，并计算与X轴正半轴的夹角，夹角大小进行排序；接着，确定2个初始点，分别是外轮廓和内轮廓；最后确定2个按角度连续的轮廓线。在计算机上对个性化股骨假体柄进行优化计算，在假体柄已经存在于髓腔时，对假体柄拉拔一个很小的距离，该动作完成后再进行旋转，每次完成这两个动作便会根据假体柄形状与髓腔进行切削计算重新生成假体柄，一直反复该试验直到假体柄能够顺利拔出并顺利插回到髓腔^[5]。完成以上步骤之后，为了更好的进行操作演示，利用轮廓线数据重建三维表面，让图像更加直观真实。

1.4.2 骨水泥型和生物型股骨假体的三维重建 2名工作人员专门对27例生物型与27例骨水泥型三维仿真及移植研究患者进行数据的收集工作，并将整理好的坐标数据导入计算机，利用三维软件计算机辅助设计进行自动化建模处理。

1.4.3 股骨三维可视化和形态学研究采用股骨螺旋CT数据，结合数字化三维医学影像交互式控制系统Mimics软件，半自动分割髋臼窝、股骨头、股骨颈及股骨干，利用体素重建的方法对股骨假体及股骨同时进行三维重建，从不同的角度观察股骨三维立体及其周围重要组织的毗邻关系，并在模型上进行三维解剖学测量，探讨其临床应用。

1.4.4 计算机模拟力学试验在完整股骨及置入假体的股骨有限元计算的边界条件及加载中，患者在双足站立条件下，每侧髋关节承受182.28 N垂直于地面的向下作用力，单足站立单侧髋关节承受合力R为1 764 N，R的力线相对于地面垂线的倾角约为16°。统一采用股骨远端固定约束来进行有限元分析，共涉及4种材料，其中假体为钛合金，个性化和生物型假体模拟生物固定，骨水泥型假体模拟骨水泥固定。在模拟手术操作中，分别模拟置换3种不同类型的股骨假体，随后在力学操作中取单足和双足站立状态，分别收集其应力分布、界面应力、初始微动3个生物力学指标的相关数据^[6]。

1.5 主要观察指标 ①假体置换后假体和股骨上的应力分布；②假体置换后的正应力与剪切应力；③假体置换后假体的初始微动情况。

1.6 统计学分析 采用SPSS 19.0软件对研究中得到数据进行统计学分析。各组计量结果比较采用单因素方差分析，P < 0.05为差异有显著性意义。

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

讨论

近年来，随着国内医学科研技术的不断进步与生物医用材料的不断开发，人们对自身的治疗要求与康复方法等都提出了更高的要求，尤其是在自身器官修复与骨骼缺损的方面更加追求高质量高水平的治疗方式^[9-10]。人工关节的出现在一定程度上缓解了患者的病情，但随着临床的应用人工关节出现的问题也不断引发人们的关注，它的使用灵活度、稳定性以及生物力学等特征都是评价的方面，人工关节的形状及与股骨髓腔吻合的程度是影响因素^[11]。人工关节在使用过程中往往出现无菌性松动与骨吸收等症状，这些都会影响患者实用的满意度，也会缩短人工关节的使用寿命。以往使用的标准假体情况并不理想，这主要是由于人体之间的个性化与差异性引发的，标准假体难免与患者骨骼之间存在冲突，不完美的匹配也是造成人工关节使用状况堪忧的原因。同时，另一部分具有特殊病情的患者比如骨骼先天畸形者，这种情况下患者就更需要特殊的医护治疗，标准假体就更不适合用在该类人身上^[12-14]。一般来说，患髋关节的解剖形态和病理特点在不同个体间都会表现出明显的差异性，关节置换后所提供的对置换前髋关节生理活动的替代作用需要与不同个体的这种差异性相适应，才能达到关节置换的理想目的^[15]。在实施手术时对假体的选择、置入方式等若以统一的方式进行，会带来系列不良事件的发生。所以只有基于不同个体建立个体化的手术规划和个体化的假体置入方式才能实现精确有效的治疗，增加关节假体体内驻存率，满足患病关节潜在的生理活动，减少术后的并发症^[16]。本研究通过计算机辅助、结合逆向工程软件，根据不同个体的解剖和生理特点设计并制作出个性化的股骨头导航模板，为股骨头假体准确置入提供了一种新的有效方法和辅助手段，为个体化的精确治疗提供一种可靠的载体^[17]。在人们的需求作用下，往往需要设计个性化的假体来满足不同患者之间的病情，计算机CT技术的发展现在已经成为显示和研究人体内部结构的有效手段，并与计算机辅助设计技术等相关技术应用相结合，对患者的骨骼进行三维重建。个性化的股骨假体置换方案可以明显提高匹配度，因人而异的制作假体的形状尺寸等，同时通过模拟力学试验使得股骨假体符合人体的生物力学要求，患者能有效缓解病情并提高生活质量^[18-19]。

髋关节在运动与承载方面作用显著，它作为关节中的重要一员，一旦出现问题便不容忽视，医学上人工股骨假体取代天然关节的方式成为全髋关节置换术^[20]。早在20 世纪60年代，全髋关节置换术就使用了骨水泥技术，虽然在治疗的前段时间效果显著给患者带来了便利，但随着使用时间的增长，患者晚期的松动率很高^[21-22]。接下来到了20世纪80年代，非骨水泥型且具有生物学固定作用的假体在医学上开始使用，主要通过骨组织和骨纤维长入股骨柄假体表面来防止假体松动，但是该方式一旦使用不佳则会在前期就出现松动或下沉状况，这是由应力遮挡引起骨质疏松及骨皮质变薄引起的^[23]。在股骨假体与股骨髓腔结合后股骨近端的应力发生变化，这种情况称为应力遮挡，从Wolff定律可以看出，异常应力的出现会导致骨组织的调节和塑型^[24]。医学上应用的人工髋假体具有3-6种不同规格的假体柄，由于每位患者的骨髓腔形状和大小的差异性，假体柄往往不能够与骨髓腔完全相对应，在不匹配状况下应力遮挡随之而生，也会进一步导致假体松动^[25-27]。因此，为每位患者制定满足自身需要的个性化假体是非常有必要的，专门定制的个性化假体在计算机三维技术与计算机辅助设计等技术支持下，可以根据患者自身的数据进行匹配，使得假体与充填髓腔、紧贴内骨膜，做到让假体来适应人体内部的生物力学环境，消除了对股骨正常应力的破坏，促进骨细胞的生长从而获得长期的稳定^[28-29]。

在有限元分析中，将模型按照置入人体的状态进行定位，髓臼假体外展角40°，前倾角120°，在施加边界条件时，假设金属背壳和骨盆以及金属背壳和内衬之间固定完好，因此将背壳外表面节点施加位移全约束，将背壳内表面和内衬外表面对应节点自由度进行祸合^[30]。在内衬内表面和假体头表面采用八节点三维柔性单元(CONAT174和TARGE17)的建立非线性接触对。在正常行走的步态中，整个周期可以分为支撑相和摆动相。本研究根据Duogla等提出的行走步态下关节力的数据，换算成体质量75 kg者右侧髋一个行走步态周期的载荷，分为32个步态载荷，每个步态包括人体解剖学参考坐标系3个轴向分力。在施加载荷时，分成两种载荷工况，一种是从安全角度考虑，将上述步态峰值载荷施加于假体头中心，优化网格和分析不同假体设计和材料对内衬应力的影响。另一种是将该周期载荷施加于有限元模型假体头中心，计算内衬在步态下的应力情况^[31-32]。

本次试验通过对3组患者的CT三维数据进行分析，在计算机上进行手术移植模拟，重点进行了力学试验，通过数据的分析对比来体现3组患者之间的差异。在模拟假体置换的手术操作过程中，对假体和股骨上的应力分布进行观察，通过分析数据可以看出，在双足和单足静止站立载荷下，个性化组的假体与股骨所受的应力最小且分布最为均匀，应力传递快直接到达股骨远端，由假体传递到股骨上的应力相应减小，而且应力分布比较均匀。在分析界面应力的数据时发现，无论是正应力还是剪切应力都是个性化股骨假体最小，特别需要注意的是剪切应力显著减少^[33-35]。这在很大程度上可以降低假体的松动，在患者的假体置入髓腔内，骨与假体之间界面能够承受压缩载荷，而如果假体与骨之间界面产生切线运动时，骨组织即可被吸收，所以在界面应力较小的情况下可以避免假体与骨结合不牢与活动的状况^[36-37]。在患者进行人工髋假体置换后，假体与骨界面之间的微动以及磨损颗粒是引发患者假体松动的重要方面，过多的界面微动使得骨形成受到影响，骨与假体或骨水泥间的整合也难以形成^[38]，在这时纤维组织便会在骨植入物界面出现，它作为各种磨损颗粒的助手，是它们进入界面间隙引发生物学骨溶解^[39-41]。定制的个性化股骨假体在水平和垂直初始微动中均小于其他两种，显然个性化股骨假体与骨结合更加紧密，有利于生物学骨长入固定。

综上所述，利用计算机CT三维技术与计算机辅助设计等软件操作可以有效为患者定制个性化股骨假体，与生物型与骨水泥型假体相比，个性化股骨假体在各种性能上尤其是在生物力学层面其应力分布、界面应力、初始微动等都方面都具有明显优势，值得临床在股骨假体的三维仿真及移植研究中推广使用。

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

个性股骨假体的三维仿真及模拟力学试验

Three-dimensional simulation and simulated mechanical test of individual femoral prosthesis

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