股骨头置换重建股骨矩的三维有限元分析

侯 威，张 卫，赵红阳

（南华大学附属南华医院骨科医院，湖南衡阳421002）

股骨头置换重建股骨矩的三维有限元分析

侯 威，张 卫，赵红阳

（南华大学附属南华医院骨科医院，湖南衡阳421002）

目的 利用三维有限元技术对高龄患者股骨矩缺损型粗隆间骨折进行建模，分析在髋关节置换中利用骨水泥重建及骨折碎片复位重建股骨矩后的生物力学特性，并分析2种重建方法的稳定性。方法 建立股骨矩缺损型粗隆间骨折模型（Evans-jeasonⅣ型理想模型），在骨水泥型髋关节置换中分别利用骨水泥重建及股骨矩骨折碎片重建股骨矩，利用三维有限元方法模拟及分析患者双足站立位时，在正常载荷下2种股骨矩重建方法的生物力学稳定性。结果力学加载后，骨水泥重建股骨矩模型最大应力值及最大位移值均较股骨矩骨折复位型小，二者应力值分别为0.635、0.641MPa，位移值分别为0.028 74、0.028 91 m。分别在2种模型上选取5个相同位点的应力值和位移值作t检验分析，2种模型关节假体的应力值及位移值比较，差异均有统计学意义（P＜0.05）。结论 2种股骨矩重建方式在假体应力大小、应力分布及假体位移方面有差异，在应力分布均匀性、应力大小及初始微动方面，骨水泥重建型均优于股骨矩骨折复位型。对于股骨矩缺损型粗隆间骨折行骨水泥型髋关节置换时，采用骨水泥直接重建股骨矩生物力学稳定性更好。

股骨； 关节成形术，置换； 成像，三维； 股骨矩重建； 骨水泥； 股骨粗隆间骨折； 老年人

随着我国人口老龄化的日趋加剧，股骨粗隆间骨折的发病率也在不断上升。高龄患者多伴有严重骨质疏松及多种内科疾病[1]。一旦骨折，往往会发生严重的骨碎裂，造成不稳定型骨折及股骨矩的破坏。高龄不稳定型股骨粗隆间骨折行内固定治疗并发症较多，主要与骨折的不稳定性相关[2]。近年来有学者采用人工股骨头置换骨水泥重建股骨矩的方法治疗高龄患者股骨矩碎裂型股骨粗隆间骨折，取得了良好疗效，但对采用骨水泥重建还是碎裂股骨矩复位重建目前仍有较多争议。本研究通过计算机辅助技术即三维有限元技术模拟上述2种方法重建股骨矩后应力及位移的变化，通过对比分析得出生物力学依据，为该类手术提供有力的力学理论依据，指导临床治疗。

1 资料与方法

1.1 模型的建立

1.1.1 模型选取 筛选一名80岁以上健康男性志愿者（患者自愿参加并签订知情同意书）。双侧髋关节排除骨折及病理状态。使用美国GE公司64排螺旋CT作股骨近端CT薄层扫描（要求层厚1 mm，共得出374张DICOM格式CT图像，刻入光盘备用）。

1.1.2 股骨近端实体模型、骨折模型及假体模型建立（1）将CT扫描得出的DICOM格式图像输入三维有限元软件MIMICS中进行灰度值调整、区域分割、重建股骨三维图像并经过Freeform软件抛光处理（图1）；（2）利用Workbench软件的图像处理功能，将股骨三维模型进行理想的骨折划分（Evans-jeasonⅣ型骨折线由大粗隆顶点斜向小转子下缘骨折累及股骨矩，小转子保持完整，骨折线与股骨纵轴约成45°）；（3）根据选取患者髓腔大小选取天津正天公司生产的2#骨水泥型假体柄（颈干角130°，柄长135mm）。利用三维CAD软件Solidworks进行关节假体设计构造。

图1 重建股骨模型

1.1.3 模型的装配及网格划分 将股骨模型及假体模型以STL的格式导入Freeform软件中，按手术标准步骤进行模拟，分别截骨、扩髓、建立骨水泥层、复位股骨矩、骨水泥重建股骨矩、置入假体等。见图2。

图2 2种骨折模型的装配及网格划分

1.2 边界条件及材料属性 （1）小转子上1.5 cm处股骨颈截骨；（2）假体柄末端约2 cm聚乙烯髓腔塞填充，直径比髓腔略大；（3）假体柄与股骨之间有3 mm的骨水泥层填充[3]；（4）由于骨及关节假体的非均匀复杂特性，本研究将所有材料看成均质体，材料属性值经查阅文献[4]得出，具体见表1；（5）假体、骨水泥及股骨之间相对紧密接触；（6）股骨矩复位模型中骨折之间为部分紧密接触。

表1 相关材料属性

1.3 加载条件 模拟体质量65 kg患者静止站立时双侧髋关节承受的重量。单侧髋承受31%人体重量，承重力线经假体股骨头中心垂直向下[5]（加载点选取假体柄头部中心，方向垂直向下）。

1.4 模型有效性验证 （1）建立的股骨三维有限元模型与CT三维重建模型作几何外形测量对比[6]，经对比测量几何外形重叠率达99%，说明建模成功；（2）将所建完整股骨三维有限元模型进行材料赋值及力学加载，得出压应力位于股骨内侧，张应力位于股骨外侧，压应力主要分布在小粗隆及股骨矩区域，与传统实体力学一致，说明本实验中力学加载合理可靠。

1.5 模型评价指标 （1）力学加载后假体的应力分布情况，应力分布越均匀，说明关节假体越稳定，发生假体周围骨折概率越低；（2）力学加载后，假体的初始位移越大，说明关节假体稳定性越差，发生假体松动的概率就越大。

2 结 果

2.1 力学加载后，2种模型关节假体的应力分布情况力学加载后，2种模型关节假肢的应力分布见图3。2种模型中关节假体应力均主要集中在假体柄内侧中下1/3处，骨水泥重建股骨矩型模型中假体柄最大应力值较股骨矩骨折复位型小，分别为0.635、0.641 MPa。分别在2种模型假体柄内侧中下1/3应力集中处测量5个相同位点的应力值（表2），2种模型中假体柄应力值比较，差异有统计学意义（t=5.826 9，P＜0.05），说明骨水泥重建型假体应力较小，分布更加均匀。

图3 2种模型中假体柄应力分布图

表2 2种模型假体柄应力值（MPa）

2.2 力学加载后，假体的初始位移情况 力学加载后，假体的初始位移情况见图4。2种模型中最大位移点均在股骨柄头端，骨水泥重建股骨矩型最大位移小于骨折复位型，分别为0.028 74、0.028 91 m。分别在2种模型股骨柄上均匀选取5个相同位点进行位移测量（表3），2种模型位移值比较，差异有统计学意义（t=9.592 1，P＜0.05），说明骨水泥重建股骨矩型模型假体位移较小，假体更加稳定。

图4 2种模型中假体柄位移云图

表3 2种模型假体位移值（m）

3 讨 论

在计算机模拟技术尚未兴起之前，骨生物力学通常采取实体力学的研究方法进行理论研究，但随着科学技术的进步，骨科的发展越来越离不开计算机的应用，并且呈现出多学科、多领域交叉及综合应用的态势。三维有限元自20世纪出现以来，很多学者就开始利用计算机模拟技术对骨折进行三维有限元力学分析，并对实验数据进行对比研究。由于股骨近端外形不规则及关节置换后材料属性的复杂性，实体力学研究尚不能精确模拟粗隆间骨折行髋关节置换后力学传导机制及应力分布特征。本实验采用10节点4单元体进行网格划分，在精度方面要高于4节点4面体网格单元[6]。实验对股骨、假体均作了优化处理，优化后股骨近端单元格数为56340个，置换后股骨单元格数为35 612个，假体的单元格数为12 500个，能更加精确模拟及分析2种方法重建股骨矩后的生物力学特性，最大程度接近真实的生物力学特征。

在关节假体微动研究方面，尚鹏等[7]采用接触非线性有限元模型分析了在生理载荷下一个正常步态周期中，人工髋关节假体微动的规律。实验结果表明，正常步态下髋关节假体在0～25 μm微动，微动方向分别沿矢状轴及冠状轴旋转传动，并得出造成髋关节假体松动的主要原因就是长期效应的微动所致。在应力应变研究方面，徐灵军等[8]利用三维有限元技术模拟分析了股骨颈骨折行人工髋关节置换后假体柄及股骨的应力分布特征，得出的结论是股骨干上1/3、假体柄外侧及假体的远端与股骨接触处是应力分布的主要部位，是髋关节置换后应力传递及分布的真实反映。唐松林等[9]采用股骨矩骨折碎片复位重建加人工股骨头置换方法对15例股骨粗隆粉碎性骨折高龄患者进行治疗，经半年至3年随访，无假体松动及假体周围骨折等并发症，取得了良好疗效，但长期效果还有待进一步验证及研究。

目前对股骨矩缺损型粗隆间骨折行髋关节置换重建股骨矩时，多数学者采用骨折片复位捆绑方法进行重建，还有一些学者采用股骨矩替代型加长股骨柄及植骨重建进行治疗[10-11]。目前对于以上几种股骨矩的处理方式仍有较多争议，且力学理论依据不足，对于采用普通骨水泥型股骨柄直接骨水泥重建股骨矩的方法目前报道较少，对这方面的力学理论研究少之又少。本研究拟采用三维有限元的处理方式，对正常股骨近端及与之匹配的股骨柄进行重建，并对股骨粗隆间骨折进行理想的划分（Evans-jeasonⅣ型）。建立股骨矩骨折复位型及骨水泥重建股骨矩型2种模型，模拟静态站立位时股骨柄假体的应力分布特征及初始微动情况，并对2种模型进行对比分析，得出在应力分布的均匀性及初始微动方面，骨水泥重建型均优于股骨矩骨折复位型。在临床中应用骨水泥对股骨矩进行快速重建，可减少手术时间及出血量，利于高龄患者术后康复，减少术后并发症[12]。应用骨水泥重建股骨矩恰恰能缩短手术时间及减少术中出血量。本研究结果证明，骨水泥重建股骨矩可以获得更良好的假体稳定性，为临床治疗提供力学理论依据。

本研究同时涉及医学影像学、数学、有限元分析等多个领域，并受实验条件及知识面等限制，尚存在问题。在未来的研究工作中，作者将对股骨近端模型不断进行优化，增加肌肉及软组织的建模，模拟在动态行走下髋关节及假体的生物力学特性，使实验更加接近真实力学情况。

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Analysis on three-dimensional finite element of rebuilding femoral calcar in femoral head replacement

Hou Wei，Zhang Wei，ZhaoHongyang
（OrthopedicHospitalofAffiliatedNanhuaHospital，UniversityofSouthChina，Hengyang，Hunan421002，China）

Objective To conduct the modelling of femoral calcar defected intertrochanteric facture by using the threedimensional finite element technology，to analyze the biomechanical characteristics of rebuilding femoral calcar by using the bone cement reconstruction and restoration of fracture fragments in hip replacement，and to analyze the stability of two kinds of recon struction method.Methods The fracture model of femoral calcar defected intertrochanteric facture（Evans-Jeason typeⅣideal model）was established.The femoral calcar was reconstructed by using the bone cement reconstruction and restoration reconstruction of fracture fragments in hip replacement.The three-dimensional finite element method was used to simulate and analyze the biomechanical stability of the two kinds of femoral calcar reconstruction at the feet standing position and under normal load.Results After mechanical loading，compared with the femoral calcar fracture restoration，the maximum stress value and maximum displacement value in the femoral calcar reconstruction model by bone cement were smaller than those in the femoral calcar reconstruction model by femoral calcar fracture reduction，the stress values were 0.635，0.641 MPa，the displacement values were 0.028 74，0.028 91 m，respectively.The stress values and displacement values at 5 same points were selected from each model for conducting t test analysis.The stress values and displacement values had statistical differences between these two models of athroplasty（P＜0.05）.Conclusion Twokindsoffemoralcalcarreconstructionmodehavedifferencesinthe aspectsof stressintensity，stress distribution and athroplasty displacement，the bone cement reconstruction mode is superior to the femoral calcar fracture reduction mode in the aspects of uniformity of stress distribution，stress intensity and initial micromotion.Adopting bone cement for directly reconstructing humeral calcar in the bone cement hip replacement of femoral calcar defected intertrochanteric facture has better biomechanical stability.

Femur； Arthroplasty，replacement； Imaging，three-dimensional； Femur calcar reconstruction； Bone cement； Femoral intertrochanteric fracture； Aged

10.3969/j.issn.1009-5519.2015.22.007

A

1009-5519（2015）22-3385-03

2015-08-04）

侯威（1984-），男，湖南衡阳人，硕士研究生，主治医师，主要从事骨关节与运动医学临床工作；E-mail：280640580@qq.com。

张卫（E-mail：zhangwei6601@163.com）。