不同材料人工髋关节假体对骨界面应力分布及生物力学的影响

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.09.008

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

假体-骨界面应力：可分解为两个部分，一部分为切向应力，称为剪应力；一部分为反向应力，称为正应力。应力遮挡的大小与股骨柄假体的硬度、弹性以及形状等密切相关。

应力遮挡：适应性骨重建指的是反映骨的机械环境变化而出现骨量的减少，出现这一情况的原因是由于假体周围皮质骨机械载荷力的减少，假体承受大部分载荷的传递，而股骨出现骨萎缩，这一现象即应力遮挡。如果出现应力遮挡现象，必定会引起骨吸收和骨萎缩，影响假体置换后效果，不利于患者的术后恢复。

背景：髋关节置换过程中可以使用不同材料的假体，不同的假体组合会产生不同的生物力学效果和骨界面应力分布。

目的：探讨不同材料人工髋关节假体对骨界面的应力分布及生物力学的影响。

方法：对志愿者进行髋部CT扫描，所得图像资料以DICOM 格式进行保存，并利用MIMICS软件进行处理，导入ANSYS获得股骨三维有限元模型。对股骨材料属性进行赋材质，获得股骨赋材质三维有限元模型。选择3种不同的置换假体材料(钴铬钼合金、钛合金以及复合材料)，结合实际关节置换的具体要求，在 CAE 软件中对不同类型假体予以设计，得出相应的假体模型。按照STL 格式将构建的假体模型导入MIMICS 中，对股骨与假体进行装配。对不同假体关节置换后的应力情况进行分析，分别对3种假体在置换后对应完整股骨中下部应力集中区内外侧、小转子右下方30 mm、股骨近端小转子右侧的应力遮挡率进行计算。

结果与结论：通过三维有限元分析，建立了直观、精确的股骨模型以及假体三维模型。按照实际情况对股骨三维有限元模型进行赋材质，获得相应的模型，从而更加直观的展现出股骨内部不同材质的属性，并对钴铬钼合金、钛合金、复合材料3种假体置换后的股骨应力进行了模拟。结果发现，应力遮挡率在股骨中下端股骨会出现下降的情况，置换后股骨远端部位应力高于完整股骨应力水平。提示使用钴铬钼合金、钛合金、复合材料3种置换假体进行髋关节置换后均会出现一定的应力遮挡情况。其中复合材料假体与人体的实际生理环境更为接近，可以有效减少应力遮挡作用，有利于应力从假体传导至股骨上。

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: 0000-0001-5446-4095 (周强)

关键词: 骨科植入物, 人工假体, 髋关节, 关节置换, 人工髋关节置换, 假体, 应力, 生物力学

Abstract:

BACKGROUND: During joint replacement, different materials of prosthesis can be used. Different prosthesis can produce different effects and the stress distribution of bone interface.
OBJECTIVE: To explore the effects of different materials on the stress distribution and biomechanics of the bone interface of artificial hip joint.
METHODS: The CT scan of the hip was carried out. The image data were saved in DICOM format and processed by MIMICS software. The 3D finite element model of the femur was obtained by ANSYS. A three dimensional finite element model of the femur was made with the material properties of the femur. Three kinds of different replacement prosthesis materials (Co Cr Mo alloy, titanium alloy and composite materials) were selected, and the specific requirements of the actual joint replacement were selected, and different types of prosthesis were designed in CAE software. In the STL format, the prosthesis model was imported into MIMICS, and the femur and prosthesis were assembled. The stress status of different prosthesis was analyzed, and the stress shielding rates of exterior and interior sides of middle and lower parts of the femur, right to and 30 mm below lesser trochanter and right to lesser trochanter of the proximal femur were calculated.
RESULTS AND CONCLUSION: Through three-dimensional finite element analysis, a direct and accurate model of the femur and the three-dimensional model of the prosthesis were established. According to the actual situation, material assignment of the femoral three-dimensional finite element model was conducted to obtain the corresponding model. Thus, the properties of different materials of the femur were shown visually. The femoral stress of cobalt chromium molybdenum alloy, titanium alloy, and composite material was simulated after replacement. Results found that the stress shielding rate can decrease in the middle and lower parts of the femur. After replacement, the femoral stress is higher than that of the intact femur. The experimental results show that the stress shielding of the joint was performed after joint replacement with Co Cr Mo alloy, titanium alloy and composite materials. Among them, the composite material is more close to the actual physiological environment of the human body, and it can better reduce the stress shielding effect, and is beneficial to the stress from the prosthesis to the femur.

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图/表（结果） 5

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引言

髋关节置换是常用的治疗各种髋关节疾病的方法之一，通过关节置换，重建关节，恢复关节活动度，改善关节的关节功能。在治疗的过程中需要使用假体材料。目前，临床可供选择的假体类型有很多，例如金属假体等^[1-3]。髋关节置换后，股骨与假体共同承受关节力。在人工髋关节置换后由于应力分布异常，表现为应力遮挡和应力集中，容易引起关节柄松动、下沉等。不同的假体在置入人体之后会产生一定的应力分布情况，导致应力遮挡等情况的出现，极易对假体的稳定性等产生影响，导致假体松动等情况的出现，影响预后效果。刘安庆等^[4]对人体股骨的三维有限元仿真模型进行各种分析，认为载荷的传导主要通过压力骨小梁和股骨距由股骨颈区传至股骨干，应力主要集中在股骨上段。Shirnadmai等^[5]实验发现假体置入后应力集中主要在假体柄与股骨中1/3处，并证实低模量的钦合金应力集中比钻合金低20%。为此，临床需要积极的对不同置换假体的生物力学情况进行分析，掌握相应的置换术后应力分布情况，以提高临床治疗的效果，改善预后^[6-7]。在研究过程中，可以使用有限元分析技术。这一技术可以用来对多种领域的问题进行模拟分析。应用于医学领域，可以对连续的弹性体进行分割，将其划分为多个不同的单元。然后，利用一定的计算机技术和软件，对相应的物体予以合成，并对每一个单元的性质进行逐个研究，最终掌握与实际物体相类似的多方面信息和参数等，包括机械性能和结构以及物理参数等。将有限元法应用于人体生物力学研究，显示了极大的优越性。由于通常的力学实验手法基本上无法直接应用于人体，对人体的力学行为进行有限元数值模拟就成为深化对人体认识的一种有效手段。以往Andriacchi等^[8]利用三维有限元对全髋关节置换后早期股骨干疲劳骨折的影响因素进行了分析，并指出，近端股骨干在股骨距平面的支持力丧失导致股骨干应力增加是引起骨折的主要原因。

王以进等^[9]利用有限元原理对人工关节置换中股骨柄进行了应力分析，认为骨水泥固结长度的增加有利于防止股骨柄松动，并且骨水泥-骨之间的界面应力比假体-骨水泥界面的应力高出很多。假体对骨界面的力可分解为两个部分，一部分为切向应力，称为剪应力；一部分为反向应力，称为正应力。应力遮挡的大小与股骨柄假体的硬度、弹性以及形状等密切相关。但是，以往关于不同材料人工髋关节假体组合对骨界面应力分布以及相关的生物力学影响的研究和报道相对较少。为此，在本次实验中通过三维有限元分析，建立股骨模型以及假体三维模型。按照实际情况对股骨三维有限元模型进行赋材质，获得相应的模型图，并对钴铬钼合金、钛合金、复合材料3种不同的假体置换后的股骨应力进行了模拟，探讨不同材料人工髋关节假体组合对骨界面应力分布及生物力学的影响。

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材料方法

1.1 设计三维有限元生物力学分析。

1.2 时间及地点于2015年7至8月在成都三六三医院实验室完成。

1.3 材料 CT机，上海济阳科技发展有限公司；医学专用MIMICS软件，比利时Materialise公司；大型通用有限元分析软件ANSYS，美国ANSYS软件开发公司。

1.4 对象从本院体检中心接受体检的人群中纳入1例男性志愿者，健康状况良好。年龄60岁，身高170 cm，体质量65 kg。

纳入标准：①经检查一般状况良好。②对研究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身体一般情况差者。③有重大内科疾病或脏器功能衰竭并长期卧床者。

本次实验的相关方案和计划均上报医院伦理部门，经审核通过。

1.4 方法

髋部CT扫描：对志愿者进行髋部CT扫描，扫描范围包括整个股骨及部分髋骨、膝关节，扫描层厚1 mm。扫描结束后将所得图像资料以DICOM格式进行保存，并利用MIMICS软件进行处理。对阀值上下界予以设定，其中最高阀2 093，底阀226，生成股骨三维模型面网格划分，并导入ANSYS，获得股骨三维有限元模型。

股骨的材料属性：对股骨材料属性进行赋材质，见表1，建立接口文件，连接ANSY与MIMICS。通过二者之间的转换，获得股骨赋材质三维有限元模型。

假体模型建立：此次实验过程中，选择3种不同的置换假体材料进行研究，分别为钴铬钼合金、钛合金以及复合材料。在设计假体的前期，按照志愿者股骨的具体形状和结构、尺寸以及骨髓腔解剖状态，并结合实际关节置换的具体要求，保证假体球头与髋臼良好匹配，假体柄与股骨髓腔良好匹配。调节灰度值，对股骨内轮廓线予以提取，利用对不同假体进行模拟设计，最终在CAE软件中对不同类型假体予以设计，得出相应的假体模型图。

股骨和假体的装配：按照STL格式将构建的假体模型导入MIMICS中，按照实际关节置换的操作要求，对关节置换要模拟的部位进行切除，并与假体进行装配。装配结束进行网格划分，划分结束导入ANSYS进行体网格转化。

不同置换假体应力情况分析：对不同假体关节置换后的应力情况进行分析，计算应力遮挡率，以η表示应力遮挡率，σ表示置换后股骨应力，σ₀表示完整股骨应力，则应力遮挡率的计算方法为：

η=( 1-σ/σ₀)×100%

分别对3种不同假体在置换后对应完整股骨中下部应力集中区内外侧、小转子右下方30 mm、股骨近端小转子右侧的应力遮挡率进行计算。

1.5 主要观察指标 ①股骨与假体三维模型建立情况。②股骨和假体的装配情况。③不同假体置换后不同部位的应力遮挡率。

1.6 统计学分析收集实验相关数据，使用SPSS 19.0进行处理分析。P < 0.05表示差异有显著性意义。

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讨论

髋关节疾病是一种常见的疾病类型，在老年群体中具有很高的发病率^[10]。临床治疗各种髋关节疾病的时候，可采用常规保守治疗。但保守治疗过程中患者需要长期卧床不能活动，导致身体机能进一步下降^[11-13]。呼吸减弱，排痰不畅，而发生肺炎；血液回流缓慢，静脉血栓高发，心脏血管病突发。饮食减少，抵抗力下降。另外，受到疼痛的影响，身体不能活动，容易压迫导致压疮等的出现^[14-19]。因此，髋部股骨颈骨折等创伤一般不会直接危及老年人的生命，而更多的是伤后卧床不能站立引发的肺炎、静脉血栓、心脑血管病等等并发症，危及生命^[20]。为此，临床需要积极的通过手术治疗以尽早恢复患者坐起、站立、行走能力，并减少各种并发症的出现^[21]。

人工髋关节置换是修复老年股骨颈骨折有效的方法，治疗过程中，利用一定的髋人工关节假体替代自身股骨头，假体与自己的骨骼之间，不需要等待长时间的愈合过程^[22-24]。置换后就允许肢体活动，明显减少了卧床引起的并发症，提高了患者伤后的治愈率及生活能力。在置换过程中可以使用不同的假体材料，不同材料会导致不同置换后应力的出现，产生一定的生物力学效应。当人工关节假体置入髓腔内，假体必须承受力并且跨过假体与骨接触界面的力传递到骨组织上。于是在置换后，在靠近假体植入物周围，相应的骨结构便受到不同程度生物力学因素的影响，并最终出现两种类型，一种为病理性，一种为适应性变化。其中病理性变化指的是在假体的周围存在严重的骨吸收、骨溶解现象，并最终导致非感染性假体松动。适应性骨重建指的是反映骨的机械环境变化而出现骨量的减少，出现这一情况的原因是由于假体周围皮质骨机械载荷力的减少，假体承受大部分载荷的传递，而股骨出现骨萎缩，这一现象即应力遮挡。如果出现应力遮挡现象，必定会引起骨吸收和骨萎缩，影响术后效果，不利于患者的术后恢复^[24-27]。

Huiskes等^[28]学者研究认为，如果关节置换过程中使用的假体具有较高的弹性模量，则相应的应力遮挡也越大，术后的骨吸收也较为明显。Bobyn等^[29]对高、低弹性模量的假体材料的置换后骨吸收情况进行了分析，并通过比较发现，前者可以更好的减少术后骨吸收现象的出现，且较之后者可以显著减少30%-50%的骨吸收量。在对不同假体材料的关节置换后应力分布情况进行分析的时候，可以采用三维有限元分析的方式^[30-33]。

有限元法对连续的弹性体进行一定的分割，将其划分为有限个单元，并利用其结合体来代替原弹性体。分析过程中，在不同单元内假定具有一定的理想化的位移和应力分布模式，各单元间通过节点相连接，并借以实现应力的传递。不同的单元之间在交接面方面要求位移协调，通过力的平衡条件，建立一套线性方程组，求解这些方程组，便可得到各单元和结点的位移、应力，从而获得整个弹性体的性质。另外，人工骸关节置换的生物力学研究很复杂。临床无法利用患者进行实验。而三维有限元法作为生物力学一种先进的实验方法，可以测量骨与假体的应力分布，并能对实验条件进行控制和模拟人体的生物力学条件，因此具有较高的应用价值。以往李永奖等^[34]采用功能强大的有限元构建分析软件建立人工髋关节假体三维有限元模型，并进行生物力学分析，并通过研究认为，通过三维有限元分析，可以较好的掌握置换生物力学行，以更好的对各种假体进行优化设计，获得更好的生物力学效果。李伟等^[35]采用三维有限元分析方式，对金属材料、复合材料假体在髋关节置换中的效果进行了分析。研究过程中，学者对髋关节假体利用 ANSYS软件进行三维有限元分析，并对不容假体表面的应力分布情况进行比较。通过分析比较发现，较之不锈钢假体和CoCrMo合金假体，钛合金和碳纤维增强聚砜复合材料假体应用于关节置换中可以获得更好的生物力学效果，产生更好的应力分布。

本次实验过程中，通过三维有限元分析，建立了直观、精确的股骨模型以及假体三维模型。对模型进行网格划分，对于关键部位，如假体与骨水泥、骨水泥与股骨接触面等进行网格细化，以提高分析结果准确性。按照实际情况对股骨三维有限元模型进行赋材质，获得相应的模型图，从而更加置换的展现出股骨内部不同材质的属性，并对钴铬钼合金、钛合金、复合材料3种不同的置换假体置换后的股骨应力进行了模拟^[36-39]。通过模拟分析发现，应力遮挡率在股骨中下段会出现下降的情况，股骨远端部位置换之后，股骨应力高于完整股骨应力水平。上述结果表明，使用钴铬钼合金、钛合金、复合材料3种不同的置换假体进行关节置换后均会出现一定的应力遮挡情况。其中复合材料假体与人体的实际生理环境更为接近，可以较好的减少应力遮挡作用，有利于应力从假体传导至股骨上。从而有效提高假体的抗疲劳能力，提高预后效果，与俞能宝等^[40]的研究结论一致。但是，有限元法也存在一定的不足之处。例如，有限元法中由单元格组成的网格并不能精确代表人体股骨的实际形态，单元格的弹性模量也不能精确代表其力学性能的分布情况，尚需要进一步的探讨。但是，三维有限元方法依然不失为一种简便实用的生物力学研究方法，可作为实验生物力学研究方法的验证和补充。另外，本次实验选择的研究样本属于随机选择，并不具有代表性。关于髋关节置换中不同材料假体组合所产生的生物力学相关问题，还有待在今后通过各种实验与大样本临床分析予以进一步的探讨。

综上所述，利用三维有限元分析法可以对髋关节置换后不同材料假体的骨界面应力分布情况予以分析，了解不同假体材料所产生的生物力学效应，为临床治疗提供一定的参考依据。

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