两种股骨柄在骨缺损翻修中应用的有限元分析研究

杨 磊，王 跃 ，杨洋洋(1.西南医科大学临床医学院，四川 泸州 646000；2.四川省医学科学院·四川省人民医院骨科，四川 成都 610072；.四川大学制造科学与工程学院，四川 成都 610064)

在人工髋关节股骨侧翻修术中，钴铬合金广泛涂层柱形柄与钛合金带脊锥形柄是常见的远端骨干固定的两种非骨水泥柄，文献报道两种假体都有良好生存率，分别为14.2年95.9%[1]、14.4年93.7%[2]。但植入钴铬合金广泛涂层柱形柄术后应力遮挡所致骨吸收发生率29%～59.6%[3]，术中常需对骨缺损部位植骨以提供足够支撑及恢复骨量[4]；使用钛合金带脊锥形柄出现自发性骨重建伴随早期骨量恢复已被中长期随访研究所报道[5]，术中是否植骨对股骨近端骨重建无明显影响[2]。此外，钴铬合金广泛涂层柱形柄翻修术后大腿痛发生率11.5%～16%[3，6]。这些差异是否是由于两种柄翻修术后股骨生物力学特点不同，而目前未见对此的生物力学研究报道。所以本实验采用有限元分析方法[7～9]，研究股骨骨缺损条件下钴铬合金广泛涂层柱形柄和钛合金带脊锥形柄植入后股骨应力分布状态，并比较两者差异。

1 对象与方法

1.1研究对象及图像采集2017年1～8月四川省人民医院骨科健康男性，25岁，体重70 kg，身高175 cm，X射线检查排除股骨畸形、外伤等疾病，于放射科行股骨全长CT扫描，扫描条件：120 kV，125 mA，层厚0.625 mm，将收集到的影像数据以DICOM格式保存，作为股骨三维模型基础数据。

1.2股骨三维有限元模型建立将股骨CT影像数据以DICOM格式导入Mimics15.0软件中，利用不同组织密度的差异，分离、重建出股骨皮质骨和松质骨的三维模型，然后以STL格式保存并导入Geomagic Studio 2013逆向工程软件中对股骨皮质骨、松质骨三维模型进行光滑处理，使模型成为NURBS曲面模型，以IGS格式保存并导入Solidworks 2015软件中，得到股骨实体模型。

1.3翻修股骨柄模型建立本研究选取Echelon翻修股骨柄(Simith&Nephew公司，美国)和Wagner SL翻修股骨柄(Zimmer公司，美国)为股骨翻修柄模型，其中Wagner SL为钛合金带脊锥形股骨柄，Echelon为钴铬合金广泛涂层柱形柄，根据各公司提供的股骨柄数据，利用Solidworks 2015软件建立股骨柄实体模型。由于股骨头对实验结果影响不大，因而为简化模型，设计为头柄一体式假体，见图1。A、B为钴铬合金广泛涂层柱形股骨柄，为满足相应骨缺损模型固定要求(假体与正常骨干皮质有40～60 mm摩擦匹配，假体过盈擦配股骨皮质管内0.5 mm)，A为规格15号微孔型直柄(假体直径15 mm)，微孔涂层长度 140 mm，远端为抛光、开叉、沟槽设计，用于翻修II型骨缺损；B为规格15号微孔型直柄Plus(假体直径15 mm)，微孔涂层长度175 mm，用于翻修IIIA型骨缺损。C、D为钛合金带脊锥形股骨柄，为满足固定要求(假体与缺损区远端骨干有至少70 mm咬合固定，假体脊凸入股骨皮质管内1 mm)C为14号规格长190 mm，用于翻修II型骨缺损、D 为15号规格长225 mm，用于翻修IIIA型骨缺损(骨缺损分类见后文)。

1.4股骨与翻修假体的装配利用Solidworks 2015软件，于小粗隆上沿15 mm截除股骨头颈，参照Parprosky骨缺损分型[10，11]，如图2建立4类不同程度股骨骨缺损模型，根据骨缺损严重程度选择前述型号的两种翻修股骨柄，见图1，并植入相应股骨骨缺损实体模型。植入过程保证假体维持假体颈前倾15度，假体位于髓腔中心线，假体头中心与股骨头中心重合。根据骨缺损程度和翻修股骨柄种类的不同组合共建立8个手术实体模型，分为钛合金锥形柄组和钴铬合金柱形柄组，如图3。为方便后续叙述，各模型简称为股骨柄材料·骨缺损程度，如：钴铬合金柱形股骨柄翻修Paprosky IIA型骨缺损简称CoCr·IIA，钛合金带脊锥形股骨柄翻修Paprosky IIA型骨缺损简称Ti·IIA。

图1 股骨柄实体模型A、B为钴铬合金广泛涂层柱形股骨柄；C、D为钛合金带脊锥形股骨柄

图2 骨缺损分类示意图 IA型位于小粗隆尖水平，IIA、IIC位于小粗隆尖下20 mm，IIIA位于小粗隆尖下50 mm

1.5单元设置及材料属性将8个手术实体模型分别导入ANSYS Workbench 17.0软件，将骨骼定义为各向同性线性弹性物质，参考既往学者使用的人体骨骼力学数据及假体材料属性数据[7，12]，对假体及股骨进行材料属性赋值，见表1。骨缺损区材料属性，参考Heller[13]的方法，将骨缺损区看做松质骨缺失，皮质骨弹性模量为5 gP，泊松比0.4以模拟骨质缺损。

表1 模型材料属性

1.6边界和约束条件本实验采用Taylor[14]的方法，模拟体重700 N成人于步态周期中关节承载处于峰值时刻进行加载，载荷方向及大小见表2。本实验忽略假体表面不同处理影响，统一以绑定接触模拟宿主骨长入/上翻修股骨假体表面[15]，对股骨远端所有节点进行固定约束，约束节点没有位移和转动，在各个方向上的自由度为零[8]。

表2 模型的载荷方向及大小 (N)

1.7模型划分网格使用网格划分工具进行网格划分，采用10节点四面体单元网格划分，元素尺寸设置为2.0 mm，对所有模型划分网格，得到网格化模型见图3。所得节点单元数：CoCr·IIA模型374933节点、224135单元，CoCr·IIB模型376335节点、224135单元，CoCr·IIC模型384324节点、231275单元，CoCr·IIIA模型382265节点、227559单元；Ti·IIA模型436542节点、265962单元，Ti·IIB模型438728节点、267874单元，Ti·IIC模型438678节点、268356单元，Ti·IIIA模型471186节点、287951单元。

图3 手术实体模型(A，B)及网格化模型(C，D)A，D：CoCr·IIA模型，B，C：Ti·IIA模型

1.8求解、后处理及观察指标采用Workbench 17.0软件求解，得到各模型Von Mises应力分布云图，并检测股骨Von Mises应力值。

1.9统计学方法于缺损区内、外侧随机取25点的Von Mises应力值。应用SPSS 17.0软件对数据进行统计分析。缺损区Von Mises应力值为计量资料，以均数±标准差表示，组间比较采用t检验。P< 0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1股骨总体vonMises应力分布查看股骨Von Mises应力分布云图及Von Mises应力值，如图4，可看出在载荷的作用下，股骨内外侧的应力要明显高于前后侧。股骨内外侧应力从近端向远端逐渐增加，至股骨的远端达到应力的高峰，最高值出现在钛合金锥形股骨柄模型，为91.3 MPa，较钴铬合金广泛涂层柱形股骨柄高约5.2 MPa。

图4 股骨内外侧Von Mises应力分布云图A：CoCr·IIB；B：Ti·IIB；C：CoCr·IIIA；D：Ti·IIIA 黑线以上为缺损区，箭头指向应力集中区；钛合金锥形柄组股骨内外侧色条呈狭长状，色条近端区域呈舌样与其他色条融合渐变，钴铬合金柱形柄组股骨内外侧色条粗短，色条近端呈圆角矩形与其他色条融合渐变不明显，尤其以深绿色、浅黄色、深黄色条带显示明显

2.2不同假体对股骨应力分布的的影响分析各模型骨缺损区内外侧Von Mises应力，相同骨缺损条件下，在骨缺损区钛合金锥形柄组较钴铬合金柱形柄组存在更高应力分布，差值分别为IIA 3.88 MPa、IIB 4.80 MPa、IIC内侧5.36 MPa、IIC外侧7.44 MPa、IIIA内侧5.48 MPa、IIIA外侧9.16 MPa，差异均有统计学意义(P< 0.05)，见表3。

表3 相同骨缺损下不同假体翻修后缺损区内、外侧Von Mises应力 (MPa)

图5 相同骨缺损下不同假体翻修后股骨侧应力变化图三角形为钛合金锥形柄涂层止点区，星形为钴铬合金柱形柄涂层止点区

观察应力分布云图(图4)，可见钛合金锥形柄组股骨内外侧色条呈狭长状，色条近端区域呈舌样并与其他色条融合渐变，提示应力分布均匀，钴铬合金柱形柄组股骨内外侧色条粗短，色条近端呈宽大圆角矩形并与其他色条融合渐变不明显，提示应力分布不均，尤其以绿色、浅黄色、深黄色条带显示明显。检测股骨冠状面内、外侧Von Mises应力值，绘制应力-距离折线图，如图5，相同条件下，在II型骨缺损距截骨面0-10.5 cm区域、IIIA型骨缺损距截骨面0-15.5 cm区域钛合金锥形柄组应力变化平缓，钴铬合金柱形柄组此相应区域应力变化不平缓。

在4类骨缺损模型中，钴铬合金柱形柄组涂层末端区域均表现出应力值变化剧烈、过渡不平缓，II型骨缺损距截骨面9-10.5 cm区域应力增加值分别为：IIA：25.0 MPa、IIB：23.0 MPa、IIC：20.0 MPa，IIIA型骨缺损距截骨面14-15.5 cm区域应力增加值23.0 MPa，见图5。观察应力分布云图可见在II型骨缺损距截骨面9-10.5 cm区域及IIIA型骨缺损距截骨面14-15.5 cm区域存在应力集中现象，表现为浅蓝色与浅黄色之间细窄的绿色条带，应力在1.5 cm长区域剧烈增加，如图4箭头所示。钛合金锥形柄组涂层末端区域应力应力过渡平缓，II型骨缺损距截骨面13.5-15 cm区域应力增加值分别为IIA：4.0 MPa、IIB：2.0 MPa、IIC：2.0 MPa，IIIA型骨缺损距截骨面17-18.5 cm区域应力增加值1.5 MPa，应力分布云图未见明显应力集中现象。

图5 相同骨缺损下不同假体翻修后股骨侧应力变化图
星形代表钴铬合金柱形柄组涂层止点区域，三角形代表钛合金锥形柄组涂层止点区域。

3 讨论

3.1应力分布差异与临床现象的关系Kang等[3]报道使用钴铬合金广泛涂层柱形柄对45髋行翻修术，股骨近端骨吸收发生率3年59.6%、5年65.4%、10年67.3%，Engh等[16]发现骨吸收更多的发生在使用较大直径股骨柄的患者。另一方面，Sandiford等[17]对104例应用Wagner SL股骨柄翻修患者随访2年自发性骨重建率为47%，最早术后3月即可观察到骨重建现象。根据Wolff定律，骨骼的生长受到力学刺激影响而改变其结构，应力遮挡可导致骨质的吸收重塑。本研究显示，相同骨缺损程度下，钛合金锥形柄组较钴铬合金柱形柄组在骨缺损区有更高应力分布，以Parprosky IIIA骨缺损为例，钛合金锥形柄在骨缺损区域内侧应力(13.24±7.36)MPa，而钴铬合金柱形柄(7.76±3.81)MPa，应力差值5.48 MPa。因此，钛合金锥形股骨柄组在股骨缺损区表现出更高应力分布，这可能利于骨缺损部位骨量的自发性恢复，钴铬合金柱形股骨柄组应力遮挡程度较重，骨缺损区所受应力较低，可能导致骨缺损区应力遮挡所致骨吸收，加重骨量丢失。

对广泛涂层钴铬合金圆柱状股骨柄的另一争议是大腿痛。Kang等[3]报道对45例髋翻修术平均随访12年，大腿痛发生率最初15.6%，翻修术后3年疼痛消失。这种疼痛表现为假体末端区域的疼痛，并呈活动后疼痛而非起步痛。本研究也注意到广泛涂层钴铬合金柱形股骨柄涂层末端区域股骨存在应力集中现象，应力在此1.5 cm区域增加值分别为IIA：25 MPa、IIB：23 MPa、IIC：20 Mpa、IIIA：23 MPa，应力变化剧烈。因此，钴铬合金广泛涂层柱形股骨柄假体涂层末端区域存在应力集中，这可能是翻修术后大腿痛的来源之一。

3.2应力分布差异的原因应力分布与物体材料性质和该物体的几何形状有关，在材料力学中，材料弹性模量与相应截面几何性质的乘积表示为刚度。股骨假体的刚度是影响应力遮挡程度的重要因素。钴铬合金假体(直径≥15 mm)刚度是股骨干的3～5倍，其弹性模量E=220 gPa是钛合金弹性模量E=110 gPa的2倍，钴铬合金假体较钛合金假体表现出更加严重的应力遮挡[18～20]。锥形设计股骨柄可楔入股骨实现稳定，这种设计的假体较以骨干擦配固定的圆柱状股骨柄可有效降低假体刚度[20]。Brodner等[21]使用双能X射线分析100例植入锥形Alloclassic Zweymüller柄(Zimmer，美国)的初次置换患者的股骨近端骨密度，发现术后5年在Gruen 2，4，5区骨密度明显增加，分别增加11%，3%，11%，在1，6，7区骨密度明显减少，分别减少3%，6%，14%，平均骨密度在此期间并无明显变化。Kwon等[22]对51髋初次置换使用柱形AML柄(DePuy，美国)平均随访9.6年，术侧所有Gruen分区骨密度低于对侧未手术股骨相应区域骨密度。本研究也注意到相同骨缺损程度下，钛合金锥形柄组较钴铬合金柱形柄组在骨缺损区有更高应力分布，差值分别为：IIA 3.88 MPa、IIB 4.80 MPa、IIC内侧5.36 MPa、IIC外侧7.44 MPa、IIIA内侧5.48 MPa、IIIA外侧9.16 MPa。因此钴铬合金柱形股骨柄较钛合金锥形股骨柄增加了假体刚度，应力遮挡程度加重，使股骨近端应力分布较低。

通过本研究可以看到，钛合金锥形股骨柄刚度低于钴铬合金柱形股骨柄，在股骨骨缺损区表现出更高的应力分布，这可能利于骨缺损翻修术后骨量的自发性恢复，钴铬合金柱形股骨柄应力遮挡程度较重，并且在涂层末端区域存在应力集中，可能是解释临床观察到的股骨近端骨吸收和大腿痛的原因。

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