锁定螺钉辅助髋臼杯不同固定方式的有限元分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2985

中国组织工程研究 ›› 2021, Vol. 25 ›› Issue (3): 356-361.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2985

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锁定螺钉辅助髋臼杯不同固定方式的有限元分析

陈路，张建光，邓长弓，严才平，张伟，张袁

川北医学院附属医院骨科，四川省南充市 637000

收稿日期:2020-02-27 修回日期:2020-03-05 接受日期:2020-04-18 出版日期:2021-01-28 发布日期:2020-11-16
通讯作者: 陈路，硕士，副教授，硕士生导师，川北医学院附属医院骨科，四川省南充市 637000
作者简介:陈路，男，1976年生，四川省南充市人，汉族，2009年重庆医科大学毕业，硕士，副教授，硕士生导师，主要从事关节外科方面的研究。

Finite element analysis of locking screw assisted acetabular cup fixation

Chen Lu, Zhang Jianguang, Deng Changgong, Yan Caiping, Zhang Wei, Zhang Yuan

Department of Orthopedics, Affiliated Hospital of North Sichuan Medical College, Nanchong 637000, Sichuan Province, China

Received:2020-02-27 Revised:2020-03-05 Accepted:2020-04-18 Online:2021-01-28 Published:2020-11-16
Contact: Chen Lu, Master, Associate professor, Master’s supervisor, Department of orthopedics, Affiliated Hospital of North Sichuan Medical College, Nanchong 637000, Sichuan Province, China
About author:Chen Lu, Master, Associate professor, Master’s supervisor, Department of orthopedics, Affiliated Hospital of North Sichuan Medical College, Nanchong 637000, Sichuan Province, China

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
人工髋关节置换：是治疗髋关节疾病带来的疼痛和恢复功能的最终方案，术后失败的常见原因有假体无菌性松动、假体周围骨折及感染等，其中主要原因是假体无菌性松动。
髋关节置换传统固定方式(非骨水泥髋臼杯)：主要包括人工髋臼杯压配和辅助普通松质骨臼杯螺钉固定，无论哪种方式都是以维持臼杯的初始稳定性为目的，最终靠骨组织长入获得满意的远期治疗效果。虽然臼杯螺钉的应用较为普遍,却存在争议。
髋关节置换改进新方式：设计普通松质骨臼杯螺钉为锁定松质骨臼杯螺钉，髋臼杯螺孔改为具有牙纹的螺孔。其原理是通过锁定螺钉产生角稳定性从而维持与加强臼杯的初期稳定性，增加臼杯早期骨长入概率，利于患者的早期恢复和功能锻炼，特别适用于骨质疏松、翻修及骨缺损患者。

背景：人工髋关节置换后失败的一个重要原因是假体无菌性松动。传统髋臼杯固定方式在维持臼杯初始稳定性上仍然存在争议，进一步改进臼杯的固定方式来增加其稳定性是一种可以考虑的方法。
目的：分析锁定螺钉辅助髋臼杯固定方式的可行性和优越性。
方法：通过软件Solidworks重建髋臼杯和螺钉并加以组配，对比3种方式下(髋臼杯、髋臼杯和普通松质骨螺钉、髋臼杯和锁定松质骨螺钉)髋臼杯、螺钉受到的应力以及髋臼杯受到的剪切力。
结果与结论：①建立的髋臼杯与螺钉的有限元模型几何相似性好，能用于有限元分析；②组配有锁定螺钉的髋臼杯受到的应力和剪切力较单独的髋臼杯和组配普通螺钉的髋臼杯小；③锁定螺钉承受应力较普通螺钉增高，能有效地分散髋臼杯受到的剪切力；④提示组配锁定螺钉来固定髋臼杯可有效防止髋臼杯不稳、假体松动的可能；较传统方式能更好地为髋臼杯提供稳定性，为后期骨组织长入维持力学环境；较组配普通螺钉方式引起的承载应力能力有限、抗髋臼杯剪切力偏低等情况优越。
https://orcid.org/0000-0002-5467-8269 (陈路)

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: 关节, 关节成形术, 髋臼, 锁定螺钉, 螺钉, 髋臼杯, 有限元分析, 生物力学

Abstract: BACKGROUND: The main reason for the failure after total hip arthroplasty is aseptic loosening of the prosthesis. The traditional acetabular cup fixation method is still controversial in maintaining the initial stability of the acetabular cup. It is a new method that can be considered to further improve the fixation method of the acetabular cup to increase its stability.
OBJECTIVE: To analyze the feasibility and superiority of locking screw assisted acetabular cup fixation.
METHODS: The digital model of acetabular cup and screws were reconstructed and assembled by software Solidworks. The Von-Mises and shear stress of the acetabular cup and screw by three methods, including acetabular cup, acetabular cup with ordinary cancellous bone screw, and acetabular cup with locked cancellous bone screw, were compared.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) The finite element model of the established acetabular cup and screw had excellent geometric similarity and could be used for finite element analysis. (2) The acetabular cups with locking screws received less Von-Mises and shear stress than other methods. (3) The locking screws could bear higher stress than ordinary screws and effectively dispersed the shear stress of acetabular cups. (4) It is concluded that the combination of locking screws to fix the acetabular cup can effectively prevent the instability of the acetabular cup and the loosening of the prosthesis; it can better provide stability for the acetabular cup and the mechanical environment that the bone tissue grow in the later stage. The acetabular cups with locking screws have obvious advantages than other ordinary screw, which has the limited bearing capacity and low anti-acetabular cup shear force.

Key words: joint, arthroplasty, acetabulum, locking screw, screw, acetabular cup, finite element analysis, biomechanics

中图分类号:

陈路, 张建光, 邓长弓, 严才平, 张伟, 张袁. 锁定螺钉辅助髋臼杯不同固定方式的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(3): 356-361.

Chen Lu, Zhang Jianguang, Deng Changgong, Yan Caiping, Zhang Wei, Zhang Yuan. Finite element analysis of locking screw assisted acetabular cup fixation[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2021, 25(3): 356-361.

图/表（结果） 10

2.1 网格质量检测根据Ansys workbench 19.2单元质量检测表Skewness定义[10]：0.25-0.5区间质量为“good”，提示模型较精细可用于后续应力分析，见表3。

2.2 人工髋臼杯在60°，70°，80°时承受的应力分布从不同组配方式的人工髋臼杯受力云图和数据表可知不同组配方式下人工髋臼杯在60°，70°，80°时承受的峰值应力和节点平均化应力大小变化不明显，见图5及表4。A组所承载的峰值应力及节点平均化应力高于B组(60°为4.4%，27.8%；70°为4.25%，27.6%；80°为4.17%，27.6%)和C组(60°为7.6%，33.8%；70°为8.28%，33.4%；80°为8.05%，33.4%)，同时在位于螺钉孔之间狭窄区域出现应力集中区域。在组配不同螺钉的髋臼杯所承载的峰值应力及节点平均化相比较，B组高于C组髋臼杯的应力(60°为3.09%，4.71%；70°为3.86%，4.6%；80°为3.73%，4.53%)，见图6。

2.3 组配普通螺钉组和锁定螺钉组螺钉在60°，70°，80°时承受的应力分布从B组和C组受力云图和数据表可知在60°，70°，80°时螺钉承受的峰值应力和节点平均化应力大小变化不明显，见图7及表5。但锁定螺钉受力面较普通螺钉受力面增大，且未见有明显的应力集中现象。所承载的峰值应力B组在80°时低于C组；节点平均化应力比较，C组高于B组(60°为24.9%，70°为25.4%，80°为26.2%)，见图8。
2.4 人工髋臼杯在60°，70°，80°时受到的剪切力分布髋臼杯受到的剪切力云图和数据表中可知各个组内在60°，70°，80°角度承受的最大剪切力和节点平均化剪切力均变化不明显，见图9及表6。A组受到最大剪切力和节点平均化剪切力高于B组(60°为4.5%，26.6%；70°为4.35%，26.4%；80°为4.27%，26.5%)和C组(60°为7.4%，32.1%；70°为8.1%，31.7%；80°为7.91%，31.7%)，见图10。

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引言

材料方法

1.1 设计三维有限元仿真建模分析实验。
1.2 时间及地点于2019 年5月在川北医学院附属医院骨外科完成。
1.3 材料选用北京爱康宜诚医疗器材有限公司提供的48#人工髋臼杯、20 mm长普通松质骨螺钉及订制的锁定松质骨螺钉，见表1。计算机：intel i73.6 GHz酷睿处理器，内存 16 GB；软件：Solidworks 2020版本重建模型，Ansys 19.2版本进行生物力学分析。

1.4 方法
1.4.1 模型组成髋臼杯(A组)、髋臼杯组配普通松质骨螺钉(B组)、髋臼杯组配锁定螺钉(C组)3种方式。
根据《坎贝尔骨科手术学》关节外科部分髋臼螺钉置入安全区为后上象限[7]，因此规定垂直于水平线为90°，向后逆时针旋转，将髋臼杯中间螺钉孔分别位于60°，70°，80°时所在位置，见图1。

1.4.2 人工髋臼杯与2种螺钉三维模型重建根据公司提供的48#人工髋臼杯与20 mm长普通松质骨螺钉和订制的锁定松质骨螺钉实物，通过游标卡尺测量人工髋臼杯和螺钉的实际数据后见表2及图2，3，在Solidworks 2020软件中重新建立人工髋臼杯和螺钉模型。同时在该软件中组配模型B：人工髋臼杯和普通松质骨螺钉；模型C：人工髋臼杯和锁定松质骨螺钉。最后通过软件以.step格式输出模型数据以备下一步分析。

1.4.3 在Ansys workbench 19.2中行静力学分析将上述A、B、C组3种模型分别导入软件Ansys workbench 19.2中，选择静力学分析模块(static structural)，重新定义模型材质，选用钛合金材质参数[弹性模量E=110 GPa，泊松比(μ)=0.3]。建立局部坐标以方便后期调整髋臼杯位置保持在外展45°、前倾15°的位置并施加载荷，见图4。对模型行全局网格划分后应用网格质量检测验证，通过局部网格划分法调整最终达预想最佳网格结果。根据Ansys workbench单元质量检测表skewness定义：0.25-0.5区间质量为“good”。接触关系及施加载荷：接触关系包括髋臼杯和普通松质骨螺钉、髋臼杯和锁定松质骨螺钉，均设定为绑定关系。施加载荷模拟单足静止站立时，髋关节承受约81.0%体质量的重力，按体质量为60 kg计算关节通过股骨头中心所受合力，考虑合力为1 764 N，且方向在冠状位约与垂直方向成26°角、与地面垂线约成 16°角[8-9]。将力量分量在三维坐标X、Y和Z轴上表示，向后418 N、向内773 N、向上1 585 N模拟髋臼杯受到的合力。
1.5 主要观察指标各组髋臼杯中间螺钉孔分别位于60°，70°，80°时，髋臼杯和螺钉承受峰值应力和节点平均化应力分布情况，髋臼杯受到的剪切力与节点平均化分布剪切力情况。

讨论

人工髋关节置换被认为是关节终末期疾病的主要治疗手段，其临床疗效得到广泛认可[11]，但诸如假体无菌性松动、假体断裂等术后并发症一直影响着假体使用寿命。如何增加髋关节假体的使用寿命、减小翻修手术的概率是关节外科领域的研究热点。随着人类科学技术的不断更新与发展，计算机辅助工程技术的不断完善，将有限元方法计算载荷、材料的优势用于人工髋关节假体的研究，可最大限度模拟人体内不同位置的受力情况，建立人体髋关节的三维模型，精确测量全髋关节置换术后髋关节假体应力分布参数[12]，从而为不断地改进假体的材质和设计等多方面问题导致的假体使用寿命不长提供理论依据。因此该实验通过有限元分析法验证改良髋臼杯不同固定方式的可行性和优越性。
3.1 人工髋臼杯在60°，70°，80°时承受应力分析屈瑾等[13]和徐佳明等[14]报道髋臼杯在外翻45°、前倾15°位置时能避免骨盆位移并保证髋臼获得稳定的力学环境，符合髋臼的生理条件，可极大降低髋臼周缘的应力。因此该实验选择髋臼杯摆放位置经软件的局部坐标系调整至与实际情况基本一致；发现不同组配方式下人工髋臼杯在60°-80°时承受的峰值应力和节点平均化应力大小变化不明显，这说明在组配方式相同的情况下，调整中间螺钉孔的位置时螺钉置入安全区内所受到的应力分布是相对稳定的，不会因螺钉方向的调整导致其应力分布发生较大变化。临床研究也表明，避免髋臼杯不合理的摆放角度可降低因应力集中发生“假体疲劳”，最终引起假体发生松动，增加患者并发症的发生率[15-19]。对比未组配螺钉髋臼杯所承载的峰应力及节点平均化应力均明显高于组配普通螺钉组和锁定螺钉组，从数据上可看出应用锁定螺钉时在60°-80°臼杯峰值应力较普通螺钉和无螺钉低，证明该方式能够有效地降低髋臼杯所承载的应力分布。此次实验在未组配有螺钉的髋臼杯上后上区域发现螺钉孔之间的狭窄部位出现应力集中现象，与一些学者报道在髋臼杯各个区域均产生应力，且后上、后下区域的应力值较大并出现应力集中是一致的[20]。胡如印[21]报道，髋臼杯螺钉孔部分结构特殊，划分网格时会有特别小的单元出现，从而出现应力集中现象。但此次实验在组配有螺钉髋臼杯的相同区域上却未发现明显的应力集中现象，说明未组配螺钉导致应力集中并不是由于网格过小的原因导致，由此可见理论上应用锁定螺钉能有效避免髋臼杯受到应力集中，防止髋臼杯初期不稳定性。
3.2 人工髋臼杯在60°，70°，80°时承受的剪切应力分析有报道假体间的摩擦力作用使最大切应力位置趋于接触表面，而这种剪切应力易致假体间的磨损，其碎屑引起局部炎性反应最终导致溶骨作用和假体松动[22]；同时剪切应力也是导致髋臼杯发生位移的主要力量。此次实验表明，锁定螺钉组髋臼杯所受到的最大剪切应力和节点平均化剪切力低于组配普通螺钉组和未组配螺钉组，结果说明组配锁定螺钉的方式能有效降低髋臼杯受到的剪切应力，减少髋臼杯早期发生位移的可能。研究报道界面间的剪切应力超过局部的摩擦力时，可以引起局部的微动使得骨-假体界面间不稳定，同时微动会导致局部骨小梁出现疲劳性损伤，难以维持界面的稳定性[23]。此次实验从数理上证明锁定螺钉能降低髋臼杯受到的剪切力来维持臼杯的初始稳定性。
3.3 组配普通螺钉和锁定螺钉在60°，70°，80°时承受应力分析临床研究表明，对于压配固定的非骨水泥髋臼杯，辅助螺钉固定对髋臼杯的初始稳定性和长期效果影响并不显著[24]，因此螺钉固定的必要性大多局限在重度骨质疏松、髋臼骨缺损、发育性髋关节发育不良、行翻修手术患者及髋臼杯压配后仍不稳定等情况。此次研究表明，锁定螺钉受力面较普通螺钉受力面增大，所承载的峰值应力和节点平均化应力锁定螺钉高于普通螺钉。验证了锁定螺钉通过螺纹与髋臼杯的接触改变了自身承载应力的分布同时降低所受到的峰值应力；而普通螺钉组分散应力的能力相对较低，这是导致普通螺钉在疗效上不显著的因素之一，这与文献报道的辅助固定效果并不优于压配方式一致[25]。其他学者研究表明，辅助采用髋臼杯全周方向的髋臼螺钉固定，并不能减少髋臼杯负荷下的相对位移，且对于髋臼杯的初始稳定性而言，普通髋臼螺钉的固定效果有限[26]。通过此次实验表明，普通螺钉分散应力能力是相对有限的，对比数据作者发现在80°时锁定螺钉的峰值应力反而增高，分析主要原因是普通螺钉在安放时中间螺钉越靠近垂直位置，越易发生髋臼杯应力集中，从而导致髋臼杯承载应力过多而普通螺钉受力过低的情况发生，诱发辅助普通螺钉出现失效。
综上所述，此次研究从理论上表明组配锁定螺钉固定髋臼杯可有效防止其不稳、出现假体松动的可能，较传统方式能更好地为髋臼杯提供初始稳定性，为后期骨组织的长入维持良好的力学环境；尤其较组配普通螺钉方式带来的承载应力能力有限、抗髋臼杯剪切力偏低等情况明显优越。考虑到严重骨质疏松、髋臼骨缺损、发育性髋关节发育不良和翻修手术患者行人工关节置换术后对初始稳定性的高要求，该方式可能对维持该类患者人工髋臼杯的稳定性有重要意义。
虽然有限元法在髋关节生物力学领域得到广泛的应用[27-30]，这种数学模拟方法可在各种假设和限制下，根据模型推导得出结论，但仍存在一定局限性。此次实验只是针对单一假体组配进行了力学模拟，不能完全代表机体的所有力学状况，虽然从数理上可以分析而得到一定结论，但还需要进一步优化模型、增加力学研究内容，如考虑髋骨、内衬、股骨柄、股骨以及外周肌肉组织等，以提高其代表性和准确性。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

锁定螺钉辅助髋臼杯不同固定方式的有限元分析

Finite element analysis of locking screw assisted acetabular cup fixation

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