骨质疏松股骨转子间不稳定型骨折人工股骨头置换的三维有限元应力分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.09.007

摘要/Abstract

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文题释义：

人工股骨头置换的应力变化：人工股骨头置换后，受到假体置入等因素的影响，股骨原本的受力模式会受到一定的影响，发生一定的应力变化。在股骨近端会发生应力遮挡现象，受力界面也容易出现一定的问题，出现应力集中等，导致假体出现松动。

人工股骨头置换的三维有限元分析：三维有限元分析可以对各种连续体力学和物理问题进行分析，利用各种计算机模拟技术对人工股骨头置换的整个过程以及相关情况进行精确的模拟，并利用有限元法对各种复杂形状以及载荷情况等进行计算和分析，以期更好地了解人工置换的应力分布情况。

背景：人工股骨头置换的出现为股骨转子间不稳定型骨折的临床修复提供了新思路。但人工假体置换可能会对原有的股骨生物力学稳定性产生影响，导致各种不良后果的出现。

目的：采用三维有限元方法分析人工股骨头置换修复骨质疏松股骨转子间不稳定型骨折的应力变化。

方法：在接受健康体检的人群中随机选择1名老年男性志愿者，对左侧股骨进行螺旋CT扫描，建立人体股骨、假体三维有限元模型。模拟人体攀爬楼梯的实际工况，利用三维有限元模型，分析各项力学指标，包括股骨体表、假体以及假体柄周围骨性通道的应力分布情况。

结果与结论：在正常状态下，人体股骨内外侧受力基本处于一致的状态。应力按照从近端向远端逐渐增大的情况变化。假体应力存在集中情况，并集中于中段。对假体柄前内侧的应力分布情况进行分析，获得假体及相应股骨内松质骨界面的应力分布情况，经分析可以发现，处于一致的应力变化趋势。结果提示，人工股骨头置换并不会对人体股骨的总体应力分布模式产生明显的影响，总体的应力分布并没有发生变化，依然按照从近端向远端逐渐增大的情况变化，且最大应力区域位于全长股骨中段位置。进行重建之后，股骨距部未观察到明显的应力集中情况。

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: 0000-0001-7285-9453 (郭新庆)

关键词: 骨科植入物, 人工假体, 股骨, 转子间骨折, 不稳定型骨折, 骨质疏松, 人工股骨头置换, 计算机模拟, 数字化骨科技术, 三维有限元分析, 应力分布

Abstract:

BACKGROUND: Artificial femoral head replacement provides a new idea for the repair of unstable intertrochanteric fracture. Artificial prosthesis replacement may affect original femoral biomechanical stability and lead to a variety of adverse consequences.
OBJECTIVE: To analyze the stress distribution of femoral head replacement in the treatment of unstable femoral intertrochanteric fractures with three-dimensional finite element analysis.
METHODS: One male old volunteer was randomly selected from population who underwent health examination. The left femur was scanned with spiral CT, and the three-dimensional finite element models of the human femur and prosthesis were established. The three-dimensional finite element model was used to simulate the actual working conditions of human climbing stairs, and the stress distribution of the bone channels around the surface of the femur and the prosthesis was analyzed with three-dimensional finite element analysis.
RESULTS AND CONCLUSION: Under normal condition, the stress of the human femur was in a consistent state. Stress changed gradually from the proximal end to the distal end. The stress of the prosthesis was concentrated in the middle section. The prosthesis of inner stress distribution was analyzed to obtain stress distribution of prosthesis and femur cancellous bone interface. The analysis found that stress change trend was consistent. The results suggest that artificial femoral head replacement does not have a significant effect on the overall stress distribution of the human femur, and the overall stress distribution does not change, and the maximum stress region is located in the middle of the whole femur. After the reconstruction, the stress concentration of the femur is not observed.

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郭新庆，赵为民，周海洋，陈猛，王乐乐，季洪亮. 骨质疏松股骨转子间不稳定型骨折人工股骨头置换的三维有限元应力分析[J]. 中国组织工程研究, 2016, 20(9): 1261-1267.

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图/表（结果） 3

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引言

材料方法

1.1 设计三维有限元分析试验。

1.2 时间及地点于2015年7至8月在河南科技大学第三附属医院实验室完成。

1.3 材料螺旋CT机，德国西门子公司；图像处理软件Miics 软件，比利时Materialise公司；计算机辅助设计、制造和工程分析集成建模软件Unigra(UG)，美国UGS(Unigraphics Solutions)公司；Freeform软件，美国SensAble软件公司；大型通用有限元分析软件Ansys 10.0，美国ANSYS公司。

1.4 对象从在本院接受健康体检的人群中随机选择1名老年男性志愿者进行试验，年龄71岁，体质量73 kg，身高173 cm。

纳入标准：①经临床骨密度检测，符合股骨骨质疏松标准。②一般情况良好，可耐受试验者。③对试验相关情况知情且签署同意书，自愿受试。

排除标准：①同时参加其他临床研究者。②身体一般情况差，有重大内科疾病或脏器功能衰竭并长期卧床者。③合并髋关节疾患者。

1.4 方法

人体股骨、假体三维有限元模型建立：对志愿者左侧股骨进行螺旋CT扫描，扫描纵轴从志愿者股骨头上方开始扫描，层厚1.0 mm，层间距0.8 mm，窗宽 2 000，窗位400，按照从股骨干近端向远端方式进行扫描。扫描结束后，获得248张断层扫描影像，影像长度为448 mm。以DCM格式对图像数据进行保存，并利用图像处理软件Miics软件进行图像预处理。处理结束之后将志愿者股骨相关数据以IGES格式进行输出。并将数据导入计算机辅助设计、制造和工程分析集成建模软件Unigra(UG)中，建立三维实体仿真模型。按照Dicom格式将股骨、假体扫描数据导入Miics 软件中，调整灰度阈值，并分割区域，获得股骨、假体三维模型(见图1，2)。

骨折模型制备与固定器械装配：使用入维有限元分析方式进行模拟力学数字模型加载，将股骨与假体模型按照STL格式导入Freeform软件中进行处理，结合临床实际置换操作，处理股骨模型。对股骨头以及股骨颈并部分转子间结构予以切除，获得典型骨折线。处理结束之后，将假体模型装配在处理后的股骨模型上。装配结束之后，对不同模型进行铺面处理。

股骨头置换有限元模型建立：铺面处理结束后可获得股骨假体固定模型，按照IGED文件方式将各组导入有限元分析软件Ansys 10.0中，进行有限元几何模型构建。观察股骨体内腔和假体之间的关系，并将其视为面-面接触关系(见图3)。

有限元网格划分：对各模型利用Freeform软件进行铺面处理，处理完毕导入有限元分析软件Ansys 10.0中，导入格式为IGES。进行有限元网格划分，划分方式为十结点solid单元，划分之后的模型单元网格情况以及内部截面情况见图4。不同结构部分的材料情况以及不同单元的具体分割信息见表1。

人工股骨头置换假体柄初始稳定性有限元分析：对置换股骨侧处理方法进行模拟，假体柄与股骨行布尔运算，得到模型第1组(A1、A2)、第2组(B1、B2)、第 3 组(C1、C2)，导入有限元分析软件，进行四面体网格划分，并分析运用骨水泥型人工股骨头置换假体柄的初始稳定性，制备模型第4组(D1、D2)，模拟体质量为70 kg的成人缓慢行走以及单足着地时的股骨受力情况。其中A1，B1，C1，D1作为正常股骨组，A2，B2，C2，D2为转子间骨折组。

1.5 主要观察指标模拟人体攀爬楼梯的实际工况，边界条件设为人体步态45%步态相，利用三维有限元模型，分析各项力学指标，包括股骨体表、假体以及假体柄周围骨性通道的应力分布情况。

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讨论

老年性髋部骨折包括股骨颈骨折以及股骨转子间骨折，其中股骨转子间骨折也被称为转子间骨折^[9-10]。这一类型的老年性髋部骨折最常见于65岁以上的老年人。由于多合并骨质疏松，术后易发生髋内翻等畸形，影响生活质量。转子间骨折可因间接暴力或直接暴力作用引起^[11]。90%的转子骨折患者为低能两损伤，跌倒与骨质疏松是主要致伤机制。骨质疏松使骨骼的强度低，脆性增加，特别是髋部，发生骨质疏松后骨皮质变薄，骨小梁稀疏，不能承受较大压力和形变，容易发生骨折^[12]。

临床对股骨转子间不稳定型骨折患者进行治疗的过程中，若采用保守治疗。很可能会由于长期卧床而出现严重的并发症，如下肢静脉血栓、压疮、坠积性肺炎、泌尿系感染等，甚至更为严重的并发症，患者生活质量差^[13-15]。为此，对于骨折患者，应该在条件允许的情况下，尽早手术，以免由于卧床尤其是长期卧床带来多种并发症。随着骨科技术的提高，手术时间缩短，出血量减少，高龄老人骨科手术已不再是禁忌。但传统的内固定手术，难以达到稳定的固定效果，术后早期下床则有内固定松动甚至髋内翻等危险，术后若长期卧床则难以避免肺炎、压疮等并发症的发生^[16-18]。人工关节置换的出现，则为股骨转子间不稳定型骨折的临床修复提供了新思路。这一治疗方式利用人工假体对出现病变的关节进行人工置换，以达到快速恢复关节功能的目的^[19-22]。患者术后恢复快，并发症发生率低，预后效果良好^[23-24]。

但在对患者进行人工股骨头置换后，受到假体置入等因素的影响，股骨原本的受力模式会受到一定的影响，发生一定的应力变化^[25]。在股骨近端，会发生应力遮挡现象，受力界面也容易出现一定的问题，出现应力集中等，导致假体出现松动^[26]。一旦术后出现假体松动的情况，患者便需要接受二次手术进行翻修治疗，给患者造成新的创伤和痛苦以及额外的经济负担等^[27]。尤其对存在骨质疏松的股骨转子间不稳定骨折患者而言，受到骨质疏松和自身免疫水平下降以及置换后关节稳态失衡等情况的影响，极易出现假体松动和假体周围感染等情况，导致一系列不良后果的出现^[28]。为此，需要对相应的人工置换应力分布情况进行分析，以更好的掌握治疗相关情况，提高修复效果^[29]。人体复杂的解剖结构使得在体内对其进行生物力学研究非常困难，而实验生物力学常采用机械法、电测法和光弹法等对动物、尸体或者人工骨进行强度、硬度及弹性模量等生物力学数据的测试，虽然能够直观的获得一些生物力学性能相关的信息，但其费用昂贵、程序繁琐且标本的变异率大等特点常影响到结果的准确性和可重复性。为此在进行应力分析的时候，可以使用各种计算机技术，并利用有限元法进行分析^[30-31]。有限元法是一种新型的数值求解方法，可以对各种连续体力学和物理问题进行分析^[32]。利用各种计算机模拟技术对人工股骨头置换整个过程以及相关情况进行精确的模拟，并利用有限元法对各种复杂形状以及载荷情况等进行计算和分析，可以更好地了解人工置换的应力分布情况^[33-36]。

在此次试验中，建立了三维有限元模型。相应的模型以志愿者相关信息为基础，较为直观的反映出骨质疏松股骨的临床特征，利用UG对股骨进行三维建模，以获得包含股骨皮质骨、松质骨、骨髓腔三维模型。三维模型不但为股骨头置换提供了模型，也为进一步的研究提供了可靠的方法和手段，将有助于指导人工股骨头置换的相关生物力学研究。在本次试验过程中，模拟使用的假体材料为钴铬合金，弹性模量高达114 000 MPa，而人体股骨皮质骨和股骨松质骨的弹性模量仅有 10 000 MPa和600 MPa。因此，置换假体与人体股骨的弹性模量进行比较，显著偏大。从整体角度进行分析，在应力分布方面，置换所使用的假体柄所产生的应力按照从上向下的方式进行传递^[37]。并在假体的下端与骨髓腔峡部结合部位以及股骨近端前内侧发生应力集中现象，在假体的末端，并没有与骨骼进行接触，因此所产的应力较小^[36-38]。

本次试验结果显示在正常状态下，人体股骨内外侧受力基本处于一致的状态。应力按照从近端向远端逐渐增大的情况变化。假体应力存在集中情况，并集中于中段。股骨转子间骨折患者的股骨峡部髓腔处于完整状态，假体的下端配合骨髓腔峡部，假体和股骨的受力趋势保持一致^[39]。通过假体与股骨髓腔峡部的良好结合，可以为骨折提供置换治疗之后初期所需的初始稳定性^[40]。本次试验结果还显示，对假体柄前内侧的应力分布情况进行分析，获得假体及相应股骨内松质骨界面的应力分布情况，经分析可以发现，处于一致的应力变化趋势。研究结果提示，人工股骨头置换治疗并不会对人体股骨的总体应力分布模式产生明显的影响，总体的应力分布并没有发生变化，依然按照从近端向远端逐渐增大的情况变化，且最大应力区域位于全长股骨中段位置。进行重建之后，股骨距部未观察到明显的应力集中情况。

本次试验结果还显示，对人工关节置换后假体受力情况进行模拟和分析，转子间骨折股骨头置换组与正常股骨组受力趋势基本一致，正常股骨组的假体最大等效应力小于转子间骨折股骨头置换组。上述结果表明，从整体角度进行分析，假体柄应力按照从上往下的方式进行传递，应力主要集中于假体下端与骨髓腔峡部相结合的地方。转子间骨折股骨头置换组采用经典的人工股骨头置换，置换后股骨原有的受力方式会发生变化。假体与股骨骨髓腔峡部的结合可以维持初始稳定性，假体置入后股骨近端骨折重建可以为假体提供良好的近端包容性，保证在假体置入之后所产生的应力趋势与正常股骨保持一致。即提示在股骨转子间不稳定骨折实施股骨头置换之后，可以获得良好的初始稳定性。

综上所述，临床利用人工股骨头置换方式对骨质疏松股骨转子间不稳定骨折患者进行治疗的过程中，可以利用计算机模拟技术进行三维有限元分析，以期了解不同应力的分布情况，更好的指导临床治疗，提高修复效果。

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