全髋关节表面置换术后股骨侧应力分布的有限元分析

【摘要】目的: 探讨金属对金属髋关节表面置换术后股骨侧应力分布情况, 为临床改良金属对金属髋

关节表面置换术手术方案提供生物力学依据。方法: 采用 64 排螺旋 CT 扫描金属对金属髋关节表面置换

术后患者数据, 重建金属对金属髋关节表面置换术后有限元分析模型, 对该模型进行虚拟加载和仿真计

算, 比较分析金属对金属髋关节表面置换术后股骨侧的应力分布。结果: 髋关节表面置换术后股骨侧应力

集中于股骨颈内侧部及假体与股骨颈交界部, 以股骨颈内侧部尤为明显。股骨假体覆盖区存在明显应力

遮挡。结论: 金属对金属髋关节表面置换术后,应力主要集中于股骨颈内侧及假体与头颈交界部, 并在股骨

假体下骨质部存在应力遮挡, 髋关节表面置换术后的应力集中及应力遮挡与股骨颈骨折发生存在一定联

系。

【关键词】髋关节; 表面置换术; 有限元; 应力

【中图分类号】R322.71 【文献标识码】A 【文章编号】1001-165X(2008)04-0426-03

     金属对金属全髋关节表面置换术的发展被认为是解决终未期髋关节骨性关节炎, 特别对年青患者来说是一革命性的发展 [1,2]。优良的近期效果使该技术得以良好的推广, 国内对该技术引进时间晚, 手术例数少,并发症发生率低。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[3], 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[4~6], 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。本研究拟通过有限元分析方法探讨金属对金属髋关节表面置换术后股骨颈部应力分布特点, 探讨应力分布与髋关节表面置换术后股骨颈骨折并发症之间的可能联系, 为临床上降低术后假体失效性提供生物力学依据。

材料和方法

 1.1 金属对金属髋关节表面置换三维计算机模型的重建选 取 金 属 对 金 属 髋 关 节 表 面 置 换 术 后 患 者 3 名 , 利 用philip64 排螺旋 CT 进行扫描, 层距: 0.625mm , 像素矩阵: 1024×1024, 相关数据保留成 Dicom 格式, 图像处理完成后输入三维重建软件 mimics 10.0 计算, 根据灰度值及假体厚度不同, 区分假体, 皮质骨, 松质骨及骨水泥, 重建金属对金属髋关节表面置换术后的三维立体模型( 图 1, 2) 。

1.2 建立金属对金属髋关节表面置换术后有限元分析模型将金属对金属髋关节表面置换术后三维有限元模型导入大型有限元软件 ABAQUS6.5 软件的前处理模块, 分为髋臼侧假体, 股骨侧假体, 骨水泥, 松质骨及皮质骨五部分, 采用六面体单元对模型进行网格划分, 建立金属对金属髋关节表面置换的有限元网格模型, 其中: 髋臼侧假体: 5 465 个单元, 11 062 节点; 股骨侧假体: 6 883 个单元, 9 880 个节点; 骨水泥假体: 9 829 个单元,12 295 个节点; 皮质骨部: 80 222 个单元, 104 306 个节点; 松质骨部: 62 346 个单元, 73 689 个节点( 图 3) 。

1.3 模拟加载及求解

    以重力线为标志, 于髋臼侧假体部加载与重力线平行的 500N 载荷, 模拟人体双腿站立时髋关节部负荷, 股骨远端进行约束。设置好其他求解条件后对模型进行计算。

1.4 股骨侧应力分区比较

    按 Taylor[7]方法将髋关节表面置换术后的股骨侧应力分为8个部分(图 4), 于 8 个分区内随机取 16 点的 Vion-mise 应力值, 相关数据利用 SPSS10.0 软件进行统计学分析。

2 结果

2.1 股骨侧应力分布

   在模拟静态人体自身重量负荷状况下, 金属对金属全髋关节表面置换术后模型的股骨侧应力分布主要集中于股骨颈内下侧及股骨颈部与假体交界部, 以前者更为明显( 图 5) 。

2.2 股骨侧分区应力比较

在股骨侧不同区域部应力值存在着较大差异。于各分区内随机取 16 点应力值, 相关数据导入 SPSS 软件以单因素方差分析( ONE WAY-ANOVA) 进行统计学分析, 存在显著性差异( P<0.05,F=163.583) ; 各组间进行 LSD 多重比较, 其中 5, 6 区与 8 区部压力值与其他区比较均存在显著性差异( P<0.01) 。

3 讨论

3.1 髋关节表面置换术后股骨颈骨折的临床研究

    金属对金属髋关节表面置换术后股骨颈骨折的并发症被认为是导致髋关节表面置换术后早期失败的主要原因, 其术后发生率报道为 0～12% [3,8,9], 最高报道发生率高达 22%[10]。当前的临床研究主要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发生原因。Beaulè 通过研究发现股骨假体的柄干角与表面置换的成功率有明显的关系, 放置假体柄干角小于 130°时, 其失败率明显增加[11]。Amstutz 等认为股骨头磨锉过的部位未被假体覆盖是发生股骨颈骨折的主要原因 [2]。当前的相关研究主要为一临床回顾性研究, 较少探讨髋关节表面置换术后应力分布改变与股骨颈骨折并发症之间的关联, 缺少生物力学研究证据。

3.2 髋关节表面置换术后有限元模型构建与分析

    本研究三维模型的构建按照捷迈公司的手术操作指南进行, 股骨侧假体模拟摆放于股骨颈部中心, 髋臼部假体位置模拟为外展 40°, 前倾 10°, 而在装配过程中股骨颈部刻痕被人为的保证忽视, 实现按照标准手术方案下的三维实体模拟, 排除外科技术对于术后模型的影响。在模拟生理负荷下发现, 髋关节表面置换术后股骨假体边缘和皮质骨交界处及股骨颈部内侧的 5, 6区及 8 区应力值较其他区明显增高, 并存在统计学显著性差异, 表明髋关节表面置换术后应力主要集中于此区域, 这与 Watanabe 等研究结果相似[12]。应力集中部位与资料报道中常见的髋关节表面置换术后股骨颈骨折发生部位一致[8, 9], 表明髋关节表面置换术后股骨颈骨折的发生可能与髋关节表面置换术后应力集中有着一定程度的关联。同时本研究还发现, 在股骨假体覆盖下的 1, 2, 3, 4 区部应力较其他部位为小, 这表明在髋关节表面置换术后股骨侧假体下骨质存在应力遮挡。髋关节表面置换术后的应力遮挡将导致术后局部的骨质吸收, 从而导致髋关节表面置换术后近期的股骨颈骨折及远期的假体松动的发生。

   本研究显示: 金属对金属髋关节表面置换术后, 股骨侧产生明显的应力遮挡及应力集中, 这可能与髋关节表面置换术后股骨颈骨折发生有着一定程度的关系。如何实现优化假体设计, 降低应力遮挡, 改变应力传导方式, 是减少髋关节表面置换术后假体失效必不可少的一步。但本研究未考虑髋周软组织情况, 特别是外展肌对于髋关节生物力学的影响情况, 与之同时, 本实验研究以髋关节静态站立时股骨侧应力分布为主要研究内容, 未考虑髋关节活动时股骨侧动态应力变化情况, 有待进一步研究补充。

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