陶瓷髋关节股骨头直径尺寸与动态微分离条件下边缘负载的关系

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.1480

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

初始分离距离：在进行髋关节置换手术时，在假体安装过程中，由于医师的操作误差，股骨头与髋臼杯没能同心安装，使得股骨头心与臼杯旋转中心在冠状面内产生了沿内、外侧方向的分离距离，这个分离距离被称为初始分离距离，通常情况下，将<1 mm的初始分离距离称之为微分离。

体积磨损度量指数：两物体之间的磨损程度与接触力和滑动距离有关，而滑动距离则与发生接触的时间有关，可以进行一个概念的置换，利用Adams输出的接触力与时间曲线图，计算发生边缘接触的这段时间内，每一个时间点与其所对应接触力的乘积之和，其结果可以称为髋关节假体体积磨损度量指数，用以侧面印证实际磨损情况。

摘要

背景：建立人工髋关节动力学仿真模型能有效模拟人体髋关节股骨头与臼杯动态分离过程，并探究股骨头与臼杯分离条件下的边缘接触现象。

目的：研究人工髋关节股骨头假体直径尺寸对髋关节动态微分离下边缘负载的影响，为陶瓷髋关节因边缘负载产生的早期高磨损问题提供生物力学分析基础，也为髋关节假体设计和临床应用提供理论依据。

方法：利用前期已经验证过的仿真模拟方法，即基于Adams动力学仿真软件的人工髋关节边缘接触的动力学模型，模拟髋关节在步态周期内发生动态微分离和边缘接触的现象。

结果与结论：①髋关节臼杯与股骨头动态微分离产生边缘负载的最大接触力值随股骨头尺寸增大而小幅减小；②髋关节假体体积磨损度量指数，即边缘接触力与其作用时间的乘积，随股骨头尺寸增大而增大，直径36 mm股骨头髋关节假体的磨损度量指数比直径28 mm股骨头髋关节假体大0.6%，直径55 mm股骨头髋关节假体磨损度量指数比直径28 mm，36 mm股骨头髋关节假体大2.7%；③提示陶瓷髋关节股骨头尺寸变化对边缘负载接触力影响较小。

ORCID: 0000-0001-7988-2672(廉超)

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

关键词: 人工髋关节, 边缘负载接触, 初始分离距离, 多体动力学模型, 体积磨损度量指数, 股骨头尺寸, 国家自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: The dynamic computational model of artificial hip joints can effectively simulate the dynamic separation of femoral head and acetabular cup and explore edge contact between the head and cup.

OBJECTIVE: To study the effect of the femoral head diameter on the edge load under dynamic micro-separation of hip joints, to provide a basis for biomechanical analysis of ceramic hip joints corresponding to early high wear problems caused by edge loading, and provide theoretical analyses for hip prosthesis design and clinical application.

METHODS: Using the previously validated method, the dynamic model of artificial hip joint for edge contact based on Adams dynamic simulation software was used to predict dynamic micro-separation and edge contact force in the gait cycle of the hip joint.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) The maximum contact force of the edge loading under micro-separation of the cup and femoral head slightly reduced as the femoral head size increased. (2) The severity of edge contact was computed as the product of the edge contact force and its acting time. The severity parameter of φ36 mm head was 0.6% larger than that of φ28 mm one. The parameter of diameter 55 mm hip was 2.7% larger than that of φ28 mm and φ36 mm heads. (3) The change of the ceramic hip femoral head size has negligible effect on the edge loading.

Key words: artificial hip joint, edge load contact, dynamic separation distance, multi-body dynamics model, severity of edge contact, femoral head size, the National Natural Science Foundation of China

中图分类号:

R445|R687|R318

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图/表（结果） 2

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引言

人工髋关节置换是一种有效恢复关节正常功能的手术介入治疗手段，但由于股骨头与臼杯动态分离产生的边缘接触和集中负载现象会使置换髋关节产生超常高磨损问题，导致其早期失效^[1-2]。正常情况下，股骨头与臼杯摩擦界面之间属于球面共型接触，有着较大的接触面积，在关节液润滑条件下产生的体积磨损量较小。但是置换假体可能会存在一些不良条件，例如臼杯外展角过大，导致臼杯接触区域扩展至臼杯边缘^[3-4]，更严重的情况下臼杯旋转中心会与股骨头中心发生分离，使股骨头与臼杯边缘直接接触^[5-7]。Komistek等^[8-10]利用透视技术证明，股骨头与臼杯之间的动态分离现象会出现于患者中。Nevelos等^[11-12]利用髋关节模拟机研究指出，陶瓷髋在微分离条件下的动态分离过程中出现了条纹磨损，该磨损正是股骨头与臼杯发生边缘接触的结果。Al-Hajjar等^[13-14]在髋关节模拟机试验中发现，引入微分离条件对陶瓷材料髋关节的磨损率产生显著影响。髋关节模拟机和有限元分析方法是国内外研究髋关节边缘负载产生磨损问题的主要手段^[15-25]，但实验手段尚无法测量发生边缘接触的具体时间以及边缘接触产生的瞬时最大接触力值，通过确定边缘接触力可以更好地研究高磨损产生机制。边缘接触是一个股骨头从臼杯边缘滑入臼窝内部的快速过程，Sariali等^[26]利用Adams动力学仿真软件建立了髋关节假体动力学仿真模型，研究了0.5 mm微分离条件下，陶瓷髋关节的边缘负载现象。Leng等^[27]采用相同的模型探讨了臼杯外展角对边缘负载的影响，但是没有对模型的主要参数进行验证。冯莉等^[4]和Liu等^[28]完善了仿真模型，验证了模拟中所需要的接触刚度系数(K值)的准确性以及模型的可靠性，探究得出陶瓷髋臼杯较大初始分离距离和较高外展角会使边缘负载接触力显著增大，是影响边缘负载的2个重要因素。

在临床上，大尺寸股骨头具有更好的稳定性，可以更好的防止脱臼，但不同股骨头尺寸对髋关节假体边缘接触的影响在国内外尚未有完整的研究，Al-Hajjar等^[13]初步对比了φ28 mm和φ36 mm 2种股骨头尺寸陶瓷髋，其实验显示在分离条件下2种尺寸股骨头的髋关节假体在磨损上没有显著差别。文章在冯莉等^[4]和Liu等^[28]的研究基础上，针对髋关节假体股骨头尺寸因素在股骨头与臼杯分离条件下对边缘负载的影响，对φ28 mm，φ36 mm，φ55 mm 3种股骨头尺寸的髋关节假体进行了较完整的对比研究，从理论上解释了股骨头尺寸对髋关节假体边缘负载及磨损产生的影响，为临床人工髋关节置换和假体设计提供依据。

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

材料方法

1.1 设计 动力学仿真分析实验。

1.2 时间及地点 于2018年7至12月在中北大学完成。

1.3 材料 此文采用3种股骨头尺寸(φ28 mm，φ36 mm，φ55 mm)BLOLOX delta 陶瓷对陶瓷髋关节假体作为研究对象，髋臼由陶瓷臼杯，陶瓷股骨头，钛合金壳以及骨水泥构成，见图1，具体尺寸见表1，整个髋臼固定在金属臼杯座内。

1.4 方法 利用SolidWorks建模软件完成假体模型的三维构建^[29]，随后将模型另存为Parasolid X_T格式并导入Adams动力学软件中，对各个部件之间添加运动条件，见图2，并赋予材料属性，见表2。实际人工髋关节的运动是非常复杂的，有外展/内收，屈/伸，内/外旋，在Adams中为了实现这些运动，需要借助其他运动构件带动髋臼杯与股骨头产生相对运动，为此在图2模型中添加了构件1、构件2等辅助部件，他们的作用就是为了产生相对运动，其尺寸与材料属性对整个模拟结果没有影响。

整个模型采用模拟步态条件(ISO14242-1)^[30]，作为运动的输入条件，见图3。各构件之间具体的相对运动在冯莉等^[4]的研究中已详细叙述，此文不再赘述。股骨头与臼杯的分离是通过构件1上添加的弹簧(刚度系数为100 N/mm^[26]，该弹簧刚度的设置能够很好的模拟临床上髋关节周围组织肌肉力)来实现，股骨头与臼杯在X轴向上初始分离变化范围是1-4 mm，对应的弹簧力为100-400 N。

边缘接触是指分离条件下股骨头直接与臼杯边缘倒角区域相接触。动态分离示意图见图4。图4A表示当脚后跟触地时，股骨头受到地面给予的反作用力，滑进臼窝内部，此时弹簧处于最大压缩量。图4B表示在摆腿期间，股骨头受到股骨柄的牵引作用滑出臼窝内部。对应在模型中，弹簧舒张，臼杯受到弹簧力的作用，与股骨头产生水平方向的分离，使股骨头在臼杯边缘倒角处接触，d_s代表股骨头心与臼杯旋转中心在臼杯冠状面内沿X轴方向的分离距离。

不同尺寸(φ28 mm，Φ36 mm，φ55 mm)股骨头，在45°臼杯外展角，10°前倾角下，对应1-4 mm的初始分离距离，每种情况分别计算。最大接触力值在股骨头与臼杯发生边缘接触的临界位置处选取^[37]，经计算得φ28 mm股骨头在45°外展角下发生边缘接触的临界值为0.038 mm，φ36 mm股骨头发生边缘接触临界初始分离距离为0.026 mm， φ55 mm股骨头发生边缘接触临界初始分离距离为 0.033 mm。利用人工髋关节模拟机可以研究髋关节发生边缘接触时的边缘磨损问题，两物体之间的磨损程度与接触力和滑动距离有关，而滑动距离则与发生接触的时间有关，因此可以进行一个概念的置换，利用Adams输出的接触力与时间曲线图，计算发生边缘接触的这段时间内，每一个时间点与其所对应接触力的乘积之和，其结果可以称为髋关节假体体积磨损度量指数，见图5，用以侧面印证边缘磨损情况。并将其计算结果与文献中相同条件下髋关节的磨损情况进行对比。

1.5 主要观察指标 通过构建人工髋关节动力学仿真模型，模拟正常步态周期内髋关节的运动，探究在分离条件下股骨头直径尺寸对最大边缘接触力，最大动态分离距离以及体积磨损度量指数的影响。

讨论

人工髋关节股骨头与臼杯在分离条件下发生边缘接触，进而导致大量磨损的现象，是致使关节失效的主要因素，尽可能避免边缘接触的产生，是研究人工髋关节的一大要点。建立人工髋关节动力学仿真模型可以有效模拟股骨头与臼杯在步态周期内的整个运动过程，得到发生边缘接触的持续时间，计算边缘接触瞬时的最大接触力，见图6，这些是人工髋关节模拟机所无法做到的。冯莉等^[4]和Liu等^[28]在其研究中已经探讨过陶瓷材料髋关节不同初始分离距离、不同外展角等参数在边缘负载现象中起到的作用，此文在其基础上进一步深入探究股骨头尺寸参数对边缘负载的影响。

图7中同一初始分离距离下，最大动态分离距离随股骨头尺寸的增大而小幅度减小，发生边缘接触时的最大接触力，与最大动态分离距离有着相同的变化趋势，见图8。Liu等^[38]曾利用ABAQUS有限元软件对陶瓷材料髋关节边缘负载进行了接触力学分析，发现500 N的接触力在臼杯边缘处会产生500 MPa的最大拉应力，与陶瓷材料髋关节臼杯的抗弯曲强度一致，即超过500 N的接触力会因边缘接触造成的晶粒剥落现象对臼杯造成损害，故较低的接触力会减小髋臼假体的边缘磨损。由图8可知，在小于1.5 mm初始分离距离情况下，3种股骨头尺寸的关节假体最大接触力均小于500 N且其临界初始分离距离处所对应的最大接触力值在115-135 N之间，说明3种股骨头尺寸的关节假体在较小的初始分离距离下均能减小因边缘负载接触而造成的臼杯边缘磨损。

边缘接触产生的接触力值大小并不是判断边缘磨损现象的唯一依据，图9中同一尺寸关节假体随着初始分离距离的增加，体积磨损度量指数(接触力与时间乘积之和)也随之增加。O’Dwyer Lancaster-Jones等^[40]利用人工髋关节模拟机研究了φ36 mm股骨头在45°外展角，不同初始分离距离下发生边缘接触的磨损情况，结果显示随着初始分离距离的增加，磨损率也随之增加，此文所得结果与该实验中的结论一致。Al-Hajjar等^[13]利用人工髋关节模拟机研究不同尺寸股骨头(φ28 mm，φ36 mm)在分离条件下的边缘磨损情况，发现增大股骨头尺寸会增加发生边缘接触时的边缘磨损率，但增加幅度较小。在图9中，初始分离距离在1 mm时，不同尺寸股骨头之间体积磨损度量指数有小幅度增加，φ36 mm股骨头髋关节假体的磨损度量指数比φ28 mm股骨头髋关节假体大0.6%，φ55 mm股骨头髋关节假体磨损度量指数比φ28 mm，φ36 mm股骨头髋关节假体大2.7%，与Al-Hajjar等^[13]用模拟机得到的结果趋势相同。

从发生边缘接触产生的最大接触力以及边缘接触产生的磨损角度来看，股骨头尺寸对其影响可以忽略，换句话说，股骨头尺寸不是影响边缘接触力大小的因素。

此文所采用的3种尺寸陶瓷股骨头人工髋关节假体从工程设计角度来看，股骨头尺寸上限超过了临床实际应用的最大尺寸，临床实际应用的设计应该在小于φ48 mm范围内考虑^[40]。文章中采用的仿真模拟模型为实际髋关节模拟机的模型，在金属壳与臼杯座之间添加的一层骨水泥是为了进行尺寸匹配，与实验相符，并且从接触力学角度来看，骨水泥层对关节表面的力学响应产生的影响可以忽略。应该指出的是实际髋关节置换手术中采用的是无骨水泥固定方法。

通过建立动力学仿真模型，进行髋关节分离条件下股骨头与臼杯边缘接触动态模拟，可以发现假体设计尺寸对髋关节边缘负载接触力影响较小，为进一步研究髋关节假体磨损机制奠定了基础，为髋关节假体设计和临床应用提供了理论依据。人工髋关节运动是一个非常复杂的过程，影响股骨头与髋臼杯发生边缘接触现象的因素还有很多，包括臼杯前倾角、臼杯边缘倒角半径，这些都是未来需要探讨的研究方向。

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