【摘要】目的:?探討金屬對金屬髖關(guān)節(jié)表面置換術(shù)后股骨側(cè)應(yīng)力分布情況,?為臨床改良金屬對金屬髖

關(guān)節(jié)表面置換術(shù)手術(shù)方案提供生物力學(xué)依據(jù)。方法:?采用?64?排螺旋?CT?掃描金屬對金屬髖關(guān)節(jié)表面置換

術(shù)后患者數(shù)據(jù),?重建金屬對金屬髖關(guān)節(jié)表面置換術(shù)后有限元分析模型,?對該模型進(jìn)行虛擬加載和仿真計(jì)

算,?比較分析金屬對金屬髖關(guān)節(jié)表面置換術(shù)后股骨側(cè)的應(yīng)力分布。結(jié)果:?髖關(guān)節(jié)表面置換術(shù)后股骨側(cè)應(yīng)力

集中于股骨頸內(nèi)側(cè)部及假體與股骨頸交界部,?以股骨頸內(nèi)側(cè)部尤為明顯。股骨假體覆蓋區(qū)存在明顯應(yīng)力

遮擋。結(jié)論:?金屬對金屬髖關(guān)節(jié)表面置換術(shù)后,應(yīng)力主要集中于股骨頸內(nèi)側(cè)及假體與頭頸交界部,?并在股骨

假體下骨質(zhì)部存在應(yīng)力遮擋,?髖關(guān)節(jié)表面置換術(shù)后的應(yīng)力集中及應(yīng)力遮擋與股骨頸骨折發(fā)生存在一定聯(lián)

系。

【關(guān)鍵詞】髖關(guān)節(jié);?表面置換術(shù);?有限元;?應(yīng)力

【中圖分類號】R322.71?【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A?【文章編號】1001-165X(2008)04-0426-03

? ? ?金屬對金屬全髖關(guān)節(jié)表面置換術(shù)的發(fā)展被認(rèn)為是解決終未期髖關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎,?特別對年青患者來說是一革命性的發(fā)展?[1,2]。優(yōu)良的近期效果使該技術(shù)得以良好的推廣,?國內(nèi)對該技術(shù)引進(jìn)時(shí)間晚,?手術(shù)例數(shù)少,并發(fā)癥發(fā)生率低。國外相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道股骨頸骨折為金屬對金屬全髖關(guān)節(jié)表面置換術(shù)后最重要的并發(fā)癥[3],?當(dāng)前臨床研究認(rèn)為患者本身因素及外科技術(shù)是導(dǎo)致術(shù)后股骨頸骨折的主要原因[4~6],?而對于骨折與髖關(guān)節(jié)表面置換術(shù)后局部應(yīng)力分布之間的相關(guān)性研究較少。本研究擬通過有限元分析方法探討金屬對金屬髖關(guān)節(jié)表面置換術(shù)后股骨頸部應(yīng)力分布特點(diǎn),?探討應(yīng)力分布與髖關(guān)節(jié)表面置換術(shù)后股骨頸骨折并發(fā)癥之間的可能聯(lián)系,?為臨床上降低術(shù)后假體失效性提供生物力學(xué)依據(jù)。

材料和方法

?1.1?金屬對金屬髖關(guān)節(jié)表面置換三維計(jì)算機(jī)模型的重建選 取 金 屬 對 金 屬 髖 關(guān) 節(jié) 表 面 置 換 術(shù) 后 患 者?3?名?,?利 用philip64?排螺旋?CT?進(jìn)行掃描,?層距: 0.625mm ,?像素矩陣: 1024×1024,?相關(guān)數(shù)據(jù)保留成?Dicom?格式,?圖像處理完成后輸入三維重建軟件?mimics 10.0?計(jì)算,?根據(jù)灰度值及假體厚度不同,?區(qū)分假體,?皮質(zhì)骨,?松質(zhì)骨及骨水泥,?重建金屬對金屬髖關(guān)節(jié)表面置換術(shù)后的三維立體模型(?圖?1, 2)?。

1.2?建立金屬對金屬髖關(guān)節(jié)表面置換術(shù)后有限元分析模型將金屬對金屬髖關(guān)節(jié)表面置換術(shù)后三維有限元模型導(dǎo)入大型有限元軟件?ABAQUS6.5?軟件的前處理模塊,?分為髖臼側(cè)假體,?股骨側(cè)假體,?骨水泥,?松質(zhì)骨及皮質(zhì)骨五部分,?采用六面體單元對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,?建立金屬對金屬髖關(guān)節(jié)表面置換的有限元網(wǎng)格模型,?其中:?髖臼側(cè)假體: 5 465?個(gè)單元, 11 062?節(jié)點(diǎn);?股骨側(cè)假體: 6 883?個(gè)單元, 9 880?個(gè)節(jié)點(diǎn);?骨水泥假體: 9 829?個(gè)單元,12 295?個(gè)節(jié)點(diǎn);?皮質(zhì)骨部: 80 222?個(gè)單元, 104 306?個(gè)節(jié)點(diǎn);?松質(zhì)骨部: 62 346?個(gè)單元, 73 689?個(gè)節(jié)點(diǎn)(?圖?3)?。

1.3?模擬加載及求解

? ? 以重力線為標(biāo)志,?于髖臼側(cè)假體部加載與重力線平行的?500N?載荷,?模擬人體雙腿站立時(shí)髖關(guān)節(jié)部負(fù)荷,?股骨遠(yuǎn)端進(jìn)行約束。設(shè)置好其他求解條件后對模型進(jìn)行計(jì)算。

1.4?股骨側(cè)應(yīng)力分區(qū)比較

? ??按?Taylor[7]方法將髖關(guān)節(jié)表面置換術(shù)后的股骨側(cè)應(yīng)力分為8個(gè)部分(圖?4),?于?8?個(gè)分區(qū)內(nèi)隨機(jī)取?16?點(diǎn)的?Vion-mise?應(yīng)力值,?相關(guān)數(shù)據(jù)利用?SPSS10.0?軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

2?結(jié)果

2.1?股骨側(cè)應(yīng)力分布

? ?在模擬靜態(tài)人體自身重量負(fù)荷狀況下,?金屬對金屬全髖關(guān)節(jié)表面置換術(shù)后模型的股骨側(cè)應(yīng)力分布主要集中于股骨頸內(nèi)下側(cè)及股骨頸部與假體交界部,?以前者更為明顯(?圖?5)?。

2.2?股骨側(cè)分區(qū)應(yīng)力比較

在股骨側(cè)不同區(qū)域部應(yīng)力值存在著較大差異。于各分區(qū)內(nèi)隨機(jī)取?16?點(diǎn)應(yīng)力值,?相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入?SPSS?軟件以單因素方差分析( ONE WAY-ANOVA)?進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,?存在顯著性差異( P<0.05,F=163.583) ;?各組間進(jìn)行?LSD?多重比較,?其中?5, 6?區(qū)與?8?區(qū)部壓力值與其他區(qū)比較均存在顯著性差異( P<0.01)?。

3?討論

3.1?髖關(guān)節(jié)表面置換術(shù)后股骨頸骨折的臨床研究

? ? 金屬對金屬髖關(guān)節(jié)表面置換術(shù)后股骨頸骨折的并發(fā)癥被認(rèn)為是導(dǎo)致髖關(guān)節(jié)表面置換術(shù)后早期失敗的主要原因,?其術(shù)后發(fā)生率報(bào)道為?0～12% [3,8,9],?最高報(bào)道發(fā)生率高達(dá)?22%[10]。當(dāng)前的臨床研究主要認(rèn)為患者本身因素及外科技術(shù)是導(dǎo)致術(shù)后股骨頸骨折的主要發(fā)生原因。Beaulè?通過研究發(fā)現(xiàn)股骨假體的柄干角與表面置換的成功率有明顯的關(guān)系,?放置假體柄干角小于?130°時(shí),?其失敗率明顯增加[11]。Amstutz?等認(rèn)為股骨頭磨銼過的部位未被假體覆蓋是發(fā)生股骨頸骨折的主要原因?[2]。當(dāng)前的相關(guān)研究主要為一臨床回顧性研究,?較少探討髖關(guān)節(jié)表面置換術(shù)后應(yīng)力分布改變與股骨頸骨折并發(fā)癥之間的關(guān)聯(lián),?缺少生物力學(xué)研究證據(jù)。

3.2?髖關(guān)節(jié)表面置換術(shù)后有限元模型構(gòu)建與分析

? ? 本研究三維模型的構(gòu)建按照捷邁公司的手術(shù)操作指南進(jìn)行,?股骨側(cè)假體模擬擺放于股骨頸部中心,?髖臼部假體位置模擬為外展?40°,?前傾?10°,?而在裝配過程中股骨頸部刻痕被人為的保證忽視,?實(shí)現(xiàn)按照標(biāo)準(zhǔn)手術(shù)方案下的三維實(shí)體模擬,?排除外科技術(shù)對于術(shù)后模型的影響。在模擬生理負(fù)荷下發(fā)現(xiàn),?髖關(guān)節(jié)表面置換術(shù)后股骨假體邊緣和皮質(zhì)骨交界處及股骨頸部內(nèi)側(cè)的?5, 6區(qū)及?8?區(qū)應(yīng)力值較其他區(qū)明顯增高,?并存在統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性差異,?表明髖關(guān)節(jié)表面置換術(shù)后應(yīng)力主要集中于此區(qū)域,?這與?Watanabe?等研究結(jié)果相似[12]。應(yīng)力集中部位與資料報(bào)道中常見的髖關(guān)節(jié)表面置換術(shù)后股骨頸骨折發(fā)生部位一致[8, 9],?表明髖關(guān)節(jié)表面置換術(shù)后股骨頸骨折的發(fā)生可能與髖關(guān)節(jié)表面置換術(shù)后應(yīng)力集中有著一定程度的關(guān)聯(lián)。同時(shí)本研究還發(fā)現(xiàn),?在股骨假體覆蓋下的?1, 2, 3, 4?區(qū)部應(yīng)力較其他部位為小,?這表明在髖關(guān)節(jié)表面置換術(shù)后股骨側(cè)假體下骨質(zhì)存在應(yīng)力遮擋。髖關(guān)節(jié)表面置換術(shù)后的應(yīng)力遮擋將導(dǎo)致術(shù)后局部的骨質(zhì)吸收,?從而導(dǎo)致髖關(guān)節(jié)表面置換術(shù)后近期的股骨頸骨折及遠(yuǎn)期的假體松動(dòng)的發(fā)生。

? ?本研究顯示:?金屬對金屬髖關(guān)節(jié)表面置換術(shù)后,?股骨側(cè)產(chǎn)生明顯的應(yīng)力遮擋及應(yīng)力集中,?這可能與髖關(guān)節(jié)表面置換術(shù)后股骨頸骨折發(fā)生有著一定程度的關(guān)系。如何實(shí)現(xiàn)優(yōu)化假體設(shè)計(jì),?降低應(yīng)力遮擋,?改變應(yīng)力傳導(dǎo)方式,?是減少髖關(guān)節(jié)表面置換術(shù)后假體失效必不可少的一步。但本研究未考慮髖周軟組織情況,?特別是外展肌對于髖關(guān)節(jié)生物力學(xué)的影響情況,?與之同時(shí),?本實(shí)驗(yàn)研究以髖關(guān)節(jié)靜態(tài)站立時(shí)股骨側(cè)應(yīng)力分布為主要研究內(nèi)容,?未考慮髖關(guān)節(jié)活動(dòng)時(shí)股骨側(cè)動(dòng)態(tài)應(yīng)力變化情況,?有待進(jìn)一步研究補(bǔ)充。

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