有限元法分析髋关节表面置换后髋关节的力学特点

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2017.27.001

摘要/Abstract

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文题释义：

髋关节表面置换：顾名思义就是将髋关节表面的部分用假体进行代替从而达到减轻患者痛苦、恢复关节功能的目的。由于置换仅限于关节表面，因此创伤较小，出血少，手术以后髋关节原先解剖结构得到最大程度的保留，功能恢复也较好。在欧美这一手术已成为髋关节初次置换的首选手术。

金属对金属髋关节表面置换的优点：①金属对金属髋关节表面置换术能够最大限度保留原髋关节的力学结构，降低股骨近端的应力遮挡效应；②可降低翻修手术难度；③可降低磨损率。

摘要

背景：有限元分析在全髋关节置换中的研究比较多，对髋关节表面置换后生物力学分布特点的研究较少。

目的：三维有限元法分析髋关节表面置换后髋关节的生物力学特点。

方法：建立金属对金属髋关节表面置换后的三维有限元模型，在髋臼侧加载与重力线平行的350 N载荷，观察假体应力分布、股骨应力分布和股骨头不同区域应力值。

结果与结论：①髋臼杯沿和髋臼主体的应力值分别为(0.63±0.34) MPa和(1.89±0.67) MPa，髋臼杯沿的应力值高于髋臼主体(P < 0.05)；②应力集中在股骨颈，股骨头和股骨颈交界处出现应力遮挡，股骨假体柄周围骨质的应力值为(158.24±28.79) MPa，股骨假体柄应力值为(186.46±22.37) MPa，股骨假体柄周围骨质和股骨假体柄的应力值比较差异无显著性意义(P > 0.05)；③股骨头分区8个区域之间应力值差异有显著性意义(P < 0.05)，区域6和区域8的应力值高于其他区域(P < 0.05)；④表明金属对金属髋关节表面置换后股骨颈应力集中，股骨假体侧应力遮挡，股骨颈内侧、股骨颈假体和骨质交界处的应力较大。

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: 0000-0002-8088-9983(时亮)

关键词: 骨科植入物, 数字化骨科, 髋关节, 假体, 应力, 表面置换术, 三维有限元, 生物力学, 应力遮挡, 国家自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: There are many researches on the finite element analysis of total hip arthroplasty, but the biomechanical distribution after hip surface replacement is little reported.

OBJECTIVE: To analyze the biomechanical characteristics after hip surface replacement based on three- dimensional finite element analysis.

METHODS: The three-dimensional finite element model after metal-to-metal hip surface replacement was established. The load of 350 N paralleling to the gravity line was loaded on the acetabulum. The stress distribution of the prosthesis and femur and the stress of the different regions of the femoral head were observed.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) The stress value of the acetabular cup was significantly higher than that of the acetabular body ((0.63± 0.34) vs. (1.89±0.67) MPa, P < 0.05). (2) The stress was concentrated on the femoral neck. The femoral head and femoral neck junction appeared with stress occlusion. The stress around the femoral prosthesis stem was (158.24±28.79) MPa, and the stress value of the femoral prosthesis stem was (186.46±22.37) MPa, showing no significant difference (P > 0.05). (3) The stress value showed significant difference among femoral head regions (P < 0.05), and the stress of the regions 6 and 8 was significantly higher than that of the other regions (P < 0.05). (4) These results show that after metal-to-metal hip surface replacement, femoral neck stress is concentrated, the stress of the femoral prosthesis is occluded, and the stress at the medial femoral neck as well as the junction of femoral neck prosthesis and bone is larger.

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: Hip Joint, Arthroplasty, Replacement, Hip, Prosthesis Implantation, Stress, Mechanical, Finite Element Analysis, Biomechanics, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

时亮，惠文斌，刘宗智，杨佩. 有限元法分析髋关节表面置换后髋关节的力学特点[J]. 中国组织工程研究, 2017, 21(27): 4265-4270.

Shi Liang, Hui Wen-bin, Liu Zong-zhi, Yang Pei. Finite element analysis of the mechanical properties of the hip joint after hip surface replacement [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2017, 21(27): 4265-4270.

图/表（结果） 3

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引言

髋关节疾病中，髋关节骨性关节炎和股骨头缺血性坏死是常见的疾病，髋关节骨性关节炎和股骨头缺血性坏死晚期可引起严重的髋关节疼痛和功能障碍，人工全髋关节置换术是上述髋关节晚期疾病比较好的治疗方法^[1-3]。在老年患者中，人工全髋关节置换治疗效果比较满意，可以一次置换后不用进行翻修，满意度比较高；对于年轻患者，因患者的活动量比较大，预期寿命长，可能面临多次翻修，全髋关节置换术在中青年患者中的效果并不十分满意^[4-7]。年轻患者全髋关节置换术后失败率较高，其早期假体失败和患者的活动程度关系密切，全髋关节置换失败面临翻修手术问题，翻修手术的成功率明显低于初次手术的成功率，且翻修手术时软组织瘢痕粘连及骨量不足等问题，增加全髋关节翻修手术的难度^[8-9]。髋关节表面置换术是对以后翻修的一种比较好的选择，成为活动量大的中青年股骨头坏死及髋关节骨关节炎终末期患者比较有吸引力的一种治疗方法^[10-11]。

髋关节表面置换术理论和技术的不断完善需要生物力学的支持，有限元分析是重要的计算机力学的分析方法，是和计算机科学、现代力学、应用数学综合利用、互相渗透的一门学科，随着计算机技术的快速发展，有限元分析进入工程技术领域，在医学领域也被广泛应用，有限元可以对固定器械加载下的应力分布特点进行分析，可以提供一种理想状态的实验方法，能够进行重复实验，能够对一般生物力学实验中不能测量的内部力学和局部力学反应进行测量，是临床研究的得力助手。由于有限元能够对不规则物体的力学特点进行分析，因此在骨骼生物力学的研究中应用越来越广泛^[12-13]。

在人体髋关节的生物力学研究方法，有限元分析也具有极大的优越性，传统力学研究无法直接对人体髋关节的力学结构进行精确的力学测量，有限元分析可以模拟力学试验对髋关节的生物力学进行研究^[14-16]，在髋关节的研究中，有限元分析在全髋关节置换中的研究最为广泛^[17-18]，其主要集中在全髋关节置换术后应力分布特点的研究，对髋关节表面置换术后生物力学分布特点的研究不多，文章旨在分析金属对金属髋关节表面置换后髋关节的应力分布特点。

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材料方法

1.1 设计 三维有限元分析。

1.2 时间及地点 于2015年5月至2016年10月在陕西省人民医院实验室完成。

1.3 材料 髋关节表面置换假体由Depuy(强生)公司提供，包括髋臼杯、股骨头植入物、套袖适配器。主要材料采用钴-铬-钼合金，部分髋臼杯带有羟基磷灰石涂层。灭菌包装。

CT扫描机和计算机有西安交通大学第二医院提供；Mimics购自比利时Materialise 公司；Abaqus购自Abaqus公司；Simpleware购自Simpleware公司。

1.4 对象 选择1名65岁男性金属对金属髋关节表面置换患者，体质量65 kg，身高173 cm，无其他系统疾病。

1.5 方法

1.5.1 影像资料获得采用螺旋CT对髋关节表面置换术后志愿者进行扫描，扫描层厚为0.625 mm，扫描的影像学资料以Dicom格式输出，并保存到计算机中。试验流程图见图1。

1.5.2 重建金属对金属髋关节表面置换三维计算机模型将上述获得的Dicom格式影像学资料进行图像处理，并导入到Mimics三维重建软件，根据灰度值区分骨水泥、松质骨、皮质骨、假体，采用物理方法将伪影去除，采用看就侧假体厚度均匀的方法将股骨头侧假体和髋臼侧假体进行物理分割，对金属对金属髋关节表面置换术后三维立体模型进行重建，见图2。

1.5.3 髋关节表面置换术后三维有限元模型的建立将上述髋关节表面置换术后三维立体模型导入Simpleware软件中建立有限元模型，采用六面体单元对皮质骨、松质骨、骨水泥、股骨侧假体、髋臼侧假体进行网格划分，建立金属对金属髋关节表面置换术后的三维有限元模型，其中包括松质骨部74 214个节点、61 978个单元；皮质骨部103 140个节点、79 856个单元；骨水泥假体11 946个节点、9 253个单元；股骨侧假体9 687个节点、6 783个单元；髋臼侧假体10 947个节点、5 346个单元。

1.5.4 材料属性根据假体材料的材料特性和骨盆的解剖结构特点，分为假体、骨水泥、松质骨、皮质骨4部分材料，金属假体的弹性模量为23 200 MPa，泊松比设置为0.29；骨水泥的弹性模量为2 480 MPa，泊松比设置为0.29；皮质骨的弹性模量为16 900 MPa，泊松比设置为0.30；松质骨的弹性模量为780 MPa，泊松比设置为0.21。

1.5.5 载荷的加载模拟人双腿站立时髋关节的载荷对金属对金属髋关节表面置换术后三维有限元模型进行静态加载，志愿者体质量65 kg，模拟体质量65 kg，在髋臼侧加载相当于重力大小一半的力约350 N的与重力线平行的载荷。

1.5.6 股骨侧应力分区按照Taylor法对金属对金属髋关节表面置换术后的股骨侧应力进行分区，共分为8个区域(图3)，每个区域随机选择20个点的应力值，比较不同分区的应力值大小。

1.6 统计学分析 采用SPSS 20.0软件进行数据分析，2组之间均数比较采用t 检验，多组之间均数比较采用方差分析，组内两两均数比较采用LSD检验，取P < 0.05为差异有显著性意义。

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讨论

有限元分析是应力分析的重要方法之一，可以将无数个质点及无限个自由度的连续体看成近似为有限个单元组成的集合体，有限个单元在节点上相铰链，构成具有有限个自由度的集合体。有限元分析先被用于结构力学的分析，后被引入骨科生物力学的研究^[19-21]，随着计算机和数字技术的快速发展，有限元称为生物力学研究的一种多用途的工具，可以对固定器械加载下的内固定情况下的应力特点进行研究。

髋关节解剖结构复杂，是髋关节的生物力学研究比较困难，传统的生物力学研究的方法包括光弹法、电测法、机械发等测量尸体或动物的生物力学数据，这些方法虽然能够获得髋关节的生物力学数据，但程序比较繁琐、费用昂贵、数据变异率大等特点对结果的准确性造成影响，且可重复性差，有限元分析在髋关节生物力学研究中的应用可以克服上述研究方法的不足^[22-25]。

有限元分析在髋关节中被用于多方面研究^[26-30]：①有限元法研究髋臼假体：髋臼杯的初始稳定性可以保证临床长期疗效和良好的骨整合，股骨头-内衬界面承受的应力、髋臼杯-骨界面承受的应力、髋臼杯的位置都影响髋臼杯的初始稳定性，有限元可以对髋臼假体的生物力学进行研究为临床提高生物力学依据；②有限元研究股骨侧假体：假体和髋臼内衬的初始稳定性受股骨头直径的影响，股骨头直径大可对股骨和股骨假体的应变和应力产生影响，有限元分析可以对股骨侧假体的应变和应力进行研究；③有限元研究髋关节置换的并发症：髋关节置换术后早期假体失败的重要原因为髋关节假体周围骨质出现应力遮挡效应，髋关节假体周围骨质的应力遮挡效应是由于髋关节假体和周围骨的力学属性不匹配所致，有限元分析可以对髋关节假体周围骨质的应力遮挡进行研究，为减少髋关节置换术后并发症的发生提供力学依据；④有限元研究髋关节假体设计：随着有限元技术的进步，有限元可用于具有更好生物力学性能的新假体的研究和现有假体的改进设计。进行有限元分析前需要建立有限元模型，对于不规则形态生成有限元网格有一定难度，有限元模型的建立不仅取决于测试物体的特性和受力位置，还取决于测试物体的形状，本文采用64排螺旋CR对金属对金属髋关节表面置换术后患者的数据进行采集，采用Mimics软件的灰度值对模型进行分割，重建皮质骨、松质骨、骨水泥、假体等部件进行重建，从而最大限度地实现重建金属对金属髋关节表面置换术后模型与真实金属对金属髋关节表面置换术后模型的相似性；采用Simpleware系统对金属对金属髋关节表面置换术后模型进行网格划分，并导入Abaqus有限元软件模拟水泥、技术等材料性质，进行动态和静态分析。有限元分析的特点包括：可以改变测试物体的材料、结构形状的其中一个或者几个参数，观察改变参数后对整个系统的影响，有限元分析法可以重复操作，节约成本；可以在不同的实验条件和实验状态下模拟试验活动，排除因实验条件不同对实验结果造成的误差；可以逼真的建立三维模型，并赋予三维模型生物力学材料属性。

全髋关节置换术在中青年中的效果不十分满意，金属对金属髋关节表面置换术为近年来兴起的一种髋关节置换方法，金属对金属髋关节表面置换术后患者活动度大、髋关节脱位率低，金属对金属髋关节表面置换术的短期疗效和中期疗效均较共年龄组的全髋关节置换术患者好，因金属对金属髋关节表面置换术后的效果比较好，成为大活动量及中青年患者主要的治疗方法之一^[31-34]；金属对金属髋关节置换术保留了股骨颈，可以减少失血量，缩短后期翻修时间，术后效果显著^[35-37]。

金属对金属髋关节表面置换术的优点有^[38-41]：①金属对金属髋关节表面置换术符合髋关节正常的解剖结构特点，有利于髋关节功能的恢复，金属对金属髋关节表面置换术能够最大限度保留原髋关节的力学结构，降低股骨近端的应力遮挡效应；②降低翻修手术难度：金属对金属髋关节表面置换术手术切口小，对软组织损伤小，保留了股骨颈，使骨性结构损失减少，保留了股骨的骨量，为翻修手术提供了基础条件，使翻修手术难度降低；③降低磨损率：金属对金属髋关节表面置换术的磨损量低于金属对聚乙烯的磨损量，且金属对金属髋关节表面置换术为微创手术，具有并发症少、术中失血少、感染率低、置入物体积小、下肢静脉血栓形成率低、手术失败后易于取出等优势。

但随着金属对金属髋关节表面置换术的推广应用，金属对金属髋关节表面置换术的并发症也引起大家重视，主要的并发症有：①股骨颈骨折：金属对金属髋关节表面置换术最主要的并发症为股骨颈骨折，股骨颈骨折的主要原因为骨水泥过度渗透到骨内、股骨头有大囊变区、股骨颈出现切迹、股骨头未完全被假体覆盖，股骨侧假体位置不佳等，股骨假体的正确植入和精湛的技术是防止股骨颈骨折的关键；②股骨颈缩窄：金属对金属髋关节表面置换术后特有的并发症之一为股骨颈缩窄，股骨颈缩窄可能和应力遮挡、骨水泥-骨界面骨坏死、金属离子的炎症反应、机械因素引起骨坏死有关；③其他：如股骨颈缺血性坏死、金属离子水平升高、假体无菌性松动等并发症。早期金属对金属髋关节表面置换术后失败的主要原因为股骨颈骨折，股骨颈骨折的主要原位为外科技术水平和患者本身原因两方面因素。

国外相关文献报道股骨颈骨折为金属对金属全髋关节表面置换术后最重要的并发症^[42]，当前临床研究认为患者本身因素及外科技术是导致术后股骨颈骨折的主要原因^[43-45]，而对于骨折与髋关节表面置换术后局部应力分布之间的相关性研究较少。

本研究建立金属对金属髋关节表面置换术后的三维有限元模型，在髋臼侧加载与重力线平行的350 N的载荷，观察假体应力分布、股骨应力分布和股骨头不同区域应力值，结果发现髋臼杯沿和髋臼主体的应力值分别为(0.63±0.34) MPa和(1.89±0.67) MPa，髋臼杯沿的应力值高于髋臼主体的应力值；应力集中部位为股骨颈，股骨头和股骨颈交界处出现应力遮挡，股骨颈外侧为张应力，股骨颈内侧为压应力，股骨颈外侧张应力高于内侧压应力，股骨的应力峰值集中在转子窝，通过股骨距传递到远端。股骨假体柄周围骨质的应力值为(158.24±28.79) MPa，股骨假体柄应力值为(186.46±22.37) MPa，两者比较差异无显著性意义；股骨头区域1-8的应力值比较差异有显著性意义，区域6和区域8的应力值高于其他区域的应力值。

本研究主要是对进行了金属髋关节表面置换术后髋关节的应力分布特点进行研究，结果发现股骨头和假体的接触界面存在应力遮挡，而假体柄周围的应力遮挡不明显，考虑置换假体为金属假体和股骨头的弹性模量不同；骨-假体界面、股骨假体和髋臼杯沿交界处、髋臼假体外上方为假体应力集中处，最大切应力的位置在假体间摩擦力的作用下趋于接触表面，疲劳磨损和接触表面的摩擦力之间关系密切，磨损的碎屑可引起金属离子吸收入血、局部反应等生物学效应，并可引起假体松动及溶骨作用等，因此在临床金属对金属髋关节表明置换术中应对骨-假体界面、股骨假体和髋臼杯沿交界处、髋臼假体外上方区域加以重视，避免损失改区域而使摩擦力增加。

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