髋关节翻修中不同假体柄长对股骨的力学影响

杨洋洋，杨磊，王跃，李凯



髋关节翻修中不同假体柄长对股骨的力学影响

杨洋洋1*，杨磊2，王跃2，李凯1

（1.四川大学 制造科学与工程学院，四川 成都 610065；2.四川省人民医院 骨科，四川 成都 610072）

针对髋关节翻修中使用的股骨柄长度进行再设计，从横向和纵向两个角度探讨不同柄种、不同柄长的人工假体在术后的力学表现。利用CT影像数据重建髋关节模型，在专业医师指导下完成模拟手术装配。随后，借助有限元的分析方法，在计算机中仿真模拟手术结果。最后对计算结果进行评价分析，一方面为髋关节翻修的假体选择提供帮助；另一方面从工程力学的角度对人工假体的设计方向提出相应的建议和指导。

髋关节翻修；股骨柄长度；生物力学

全髋关节置换术（Total Hip Replacement，THR）仍是目前骨性关节病及骨质疏松的主要治疗手段[1]。作为人体最大、最稳定的关节之一，髋关节的受力分析一直备受医学界关注[2]。随着近些年来医—工结合新兴学科的迅猛发展，借助计算机建模、仿真对正常髋关节、初次THR的力学分析[3]都如雨后春笋，但是针对于髋关节翻修术（Revision of Total Hip Arthroplasty，RTHA）中股骨骨缺损力学模型分析鲜为少见。针对于临床上少数但却十分常见的病患模型，本文围绕骨缺损的类型利用有限元分析的思想对其进行力学分析。因为丙烯酸骨水泥固定股骨假体容易产生骨水泥老化、碎裂及形成磨损颗粒等问题，从而造成了无菌松动导致关节重建失败[4]，所以本研究中首选非骨水泥的生物固定型假体[5]，最具有代表性的即为涂层柱形柄和带脊锥形柄[6-7]。

现代骨科医学逐渐意识到保留截骨量可以规避诸多问题[8]。股骨柄的长短决定了股骨髓腔的掏空程度，在THR手术中，骨科医生已经尽量使用短柄股骨假体[9]。与之对应的是，在RTHA手术中股骨柄的选择常为190～220 mm的中远端固定柄，其作为一个经验化的柄长被长期运用在全髋关节翻修术中，但是目前尚无有力的力学分析结果证明其尺寸的必要性。本文针对选取的志愿者股骨的解剖数据，模拟髋关节翻修中股骨缺损的情况，设计一系列梯度变化的股骨柄长度，采用有限元分析的思想进行力学分析，为RTHA中股骨缺损的临床应用、假体设计提供力学分析支持。

1 骨缺损类型设计和股骨柄长的选择

数据显示2000年美国就曾进行了183000例THA，其中将近17%是RTHA达31000例左右，2005年美国髋关节翻修术数量为40800台，预计到2030年将增至惊人的96700台[10-11]。由于初次髋关节置换术影响，在髋关节翻修术中不管是髋臼还是股骨都伴随着不同程度的骨缺损，如何对其进行归纳分类是进行系统性治疗的前提。国际上比较认可的是美国骨科医师学会（AAOS）的股骨缺损分型、Mallory分型、Paprosky分型[12]等，这里采取的是Parprosky骨缺损分型，它是临床最常用且对手术操作有重要指导意义的分型方法之一[13]。

分析文献[14-17]，并根据Paprosky分型确定了RTHA中常见的ⅡA、ⅡB、ⅡC、ⅢA四种股骨缺损类型如图1所示，ⅡA型位于小粗隆尖水平，ⅡB、ⅡC位于小粗隆尖下20 mm，ⅢA位于小粗隆尖下50 mm。在预实验的过程中，发现ⅡA、ⅡB两组模型的有限元云图大致相同，不具有明显的区别分析价值，故此处只取ⅡA型骨缺损分析；此外ⅢA型骨缺损不能满足柄与原生骨交接超过5 cm以上的条件，故排除。最后选定了ⅡA、ⅡC两组骨缺损模型进行有限元数据分析。

图2 Wagner SL 14号（左）和Echelon 15号（右）

选取健康男性志愿者，25岁，体重60 kg，身高173 cm，X线检查排除股骨畸形、外伤等疾病。将股骨CT影像数据以DICOM格式导入Mimics 17.0软件中，利用不同组织密度的灰度值差异，分离、重建出股骨皮质骨和松质骨的三维模型，并以工程文件的格式（STEP203）导入到工程软件Solidworks 2015中，在Solidworks中测量其股骨长、骨髓腔大小等。在骨科医生指导下选取正常翻修中适配的股骨柄假体，即Wagner SL钛合金带脊锥形股骨柄14号和Echelon钴铬合金广泛涂层柱形柄15号如图2所示，柄的标准长度均为190 mm。根据志愿者的生理解剖结构，其在初次髋关节置换中可以选用短柄假体长度约为150 mm，且加长柄的长度一般为230 mm，在此之间的柄长在临床上比较空白。据此，设计额外的柄长分别为190±20 mm、190±40 mm四个长度。

2 边界条件

2.1 载荷大小和方向

在进行力的分解之前，拟合股骨头为一规则的圆球如图2（a）所示，以突出显示股骨头位置、方便力的分解和计算。文献[18]给出人在慢步行走时髋关节的受力和静力状态相当，每个髋关节交替承受体重2.5倍左右的力。但是在慢跑（3.5 m/s）状态下，髋关节承受的力除了来自自身体重以外还有惯性力，大概是体重的5.0～6.0倍，针对于观察的人群为髋关节翻修患者，这里取关节受力为体重的倍数＝5.0。

图2 建立坐标系和股骨头受力方向

本文患者的＝60.0 kg，计算得：

分解力满足：

式中：F1为沿轴方向的力，N；F1为沿轴方向的力，N；F1为沿轴方向的力，N。

联合式（2）～式（4），求得：

外展肌分解力为：

2.2 约束条件

两种股骨柄均为非骨水泥固定型柄，Wagner SL采用楔形原理进行压配，Echelon则利用表面140 mm长的微孔涂层进行摩擦固定，如图2所示。二者在临床中都能获得很好的固定性，这里统一以绑定接触（bonded contact）模拟宿主骨长入翻修股骨假体表面的状态[19]。由于主要观察区在股骨段上，所以对股骨远端即膝关节近端部位进行固定约束（fixed support），约束节点没有位移和转动，在各个方向上的自由度为零[20]。

3 有限元分析

3.1 模型处理

这里设计了三种骨质状态（未缺损、ⅡA型缺损、ⅡC型缺损）、两种柄种、五种柄长的30组模型，如表1所示。

表1 有限元模型组

○：柱形柄 △：脊锥柄

骨科手术受力分析的要点在于如何尽可能的还原实况。CT源文件包容细节更丰富，本实验创新式地利用不同密度骨组织灰度值不同的特性分离出松质骨和皮质骨。虽然松质骨在材料属性上远低于皮质骨，并不能分担承受很大的力，但在实际中它起到了衬垫的作用将假体柄上的力进行均匀分配，其却在大多数类似实验中被忽略。由于不能完全模拟真实的骨缺损情况，在这里对分型中应该缺损区域进行松质骨的属性赋值处理，材料属性见表2。

表2 模型材料属性

3.2 股骨柄装配

在髋关节重建过程中有一个重要的指标[21]就是要恢复下肢的长度，所以在装配的时候要注意假体股骨头要保持和原生股骨头的高度一致，如图3所示。此外，装配中需要控制股骨柄准确地插入到髓腔内，为此，借助“近似拟合”的思想对提取得的松质骨进行外圆周拟合，如图3中髓腔中部所示，得到一系列空间圆，最后用空间B样条曲线将圆心递次串联，得到了用于固定股骨柄远端的空间曲线如图3中拟合曲线所示。

图3 装配效果图

3.3 有限元云图展示

由于模型太过繁多，在此选择具有代表性的展示，分别如图4～图7所示，图7中三个截面位置分别代表了柄近端面、柄未接触端面和柄远端面。

图4 ⅡA型缺损股骨云图

图5 未缺损股骨云图

图6 ⅡC型缺损股骨云图

4 结果分析

4.1 最大应力

从显示结果来看，无论是长柄假体还是短柄假体都表现出了渐变的应力云图分布，并未出现严重的应力突变现象，对其最大应力的统计可以简略表达随着柄长的增加两种柄的应力变化趋势。如图8所示，数字①②③折线代表的是Echelon假体组股骨未缺损、ⅡA型缺损、ⅡC型缺损随着柄长的递次变化最大应力的变化，相应地，字母abc折线代表了Wagner组。

图7 ⅡA型缺损股骨等距离横截面云图

从折线图上可以看出两组假体的宿主骨最大应力值都随着柄长的增加而呈现递减的趋势，并且与股骨缺损与否无关。Echelon组股骨应力值在短柄假体上表现相对较小，应力值下降的过程中在170～190 mm、210～230 mm阶段出现了“滞留”状况，并且随着柄长的增加应力值反超对应的Wagner组。Wagner组股骨最大应力值在短柄阶段略微较大，随后连续递减，表现稳定。

4.2 应力变化曲线

从图5～图7的云图展示可以看出，Wagner组云图表现更为均匀，Echelon组在股骨近端变化较为剧烈。为此，对两组ⅡC型骨缺损从缺损面等距离向股骨远端应力值做了统计，如图9所示。从图中可以看出，Echelon组在距离缺损面50～100 mm左右的时候有一个明显的突变过程，可以推断其位置在涂层止点附近。随着柄长的增加，Echelon组应力分布整体上有对应的轻微减少，但不太明显。Wagner组的应力变化更为均匀，在短柄上的应力值较Echelon组大，随着柄长的增加下降明显，190mm附近为一个临界值域。更为可贵的是在股骨远端Wagner组的股骨应力值有下

图8 不同柄长下股骨最大应力变化图

图9 ⅡC型骨缺损下不同柄长的股骨应力变化图

4.3 同骨内外侧应力差

“应力遮挡”效应是髋关节置换中最为棘手的问题之一，却又不可避免[20]。应力遮挡会影响原生骨组织的重建，出现骨质酥松、骨质纤维化、无菌松动等一系列问题。简单观察可以看出股骨内外侧存在肉眼可见的应力差，这一指标可以较为直观的表现应力遮挡的程度。图10展示的是ⅡA型骨缺损同水平面上内－外应力差值（内侧值减去外侧值）的变化情况。

Echelon组的应力差在整体上较大且变化剧烈，在距离骨缺损面50 mm左右的时候有一个小峰值，在股骨峡部（峡部：股骨髓腔开始收缩狭窄的部分，大致在股骨干中段附近）开始位置附近。尤为突出的是，在股骨近端Echelon组应力差值较大。Wagner组的股骨应力差值在骨缺损附近就表现较低，随着距离骨缺损面距离的增加应力差值缓慢均匀增加，统一表现为在股骨远端有所收敛。

5 结论与展望

5.1 临床选取假体的指导意义

（1）假体柄长的选择。

从未缺损和ⅡA型骨缺损两组有限元结果来看，短柄假体（小于190 mm）在最大应力和应力差值分析中都和长柄假体相差无几。究其原因，可以发现这两组其骨质状况和初次髋关节置换相当，股骨近端原生骨能够提供较好的支撑。这一结果也间接验证了在THR中使用假体应以短柄为主的原因所在，在保证良好稳定性的情况下一方面可以降低手术创伤，另一方面可以保留更多的原生骨为以后的翻修提供基础。在骨缺损较为严重的ⅡC组，长柄假体（大于190 mm）在应力大小和应力差值上都表现更好。更为突出的是Wagner长柄假体在应力控制方面远优于Echelon假体组，更小的应力集中可以降低术后患者的疼痛感[13]。因此，随着骨缺损程度的增加，应酌情增加股骨柄的长度。

（2）柄种的选择。

从图7的横截面云图分布可以看出，对于中长型股骨柄Echelon柱形柄组股骨在远端与Wagner组相近，但在近端表现出更严重的应力集中，这是催生应力遮挡的最直接的原因。所以在骨缺损较为严重的病患中应选用与Wagner脊锥型柄类似的假体，以获得更好的初期稳定性。两种短柄假体在未缺损和ⅡA型骨缺损中能在股骨近端激发更大的应力，根据Wolff定律（Wolff定律指出当骨承受的实际应力大于最佳应力时以骨形成为主，实际应力小于最佳应力时以骨吸收为主且骨量丢失。）更大的应力有助于促使骨组织的重建，所以此种病况下，二者的使用差异性不大。

5.2 人工假体的设计展望

（1）材料的改进方向。

股骨应力集中产生的最直接的原因是假体的材料，由于合金金属如钛合金、钴铬合金良好的生物相容性、优秀的化学稳定性、极高的可塑性，被广泛应用到人工假体上来。但金属较高的弹性模量，使得假体的刚度较人骨大出一个量级以上，不可避免地带来了应力集中和应力遮蔽现象。如何降低合金假体材料的弹性模量或者找到更合适的高分子材料是材料改进的重点。例如钛铌系列二元合金在固溶状态下均具有较低的弹性模可低至58 GPa左右，高分子材料中PEEK在脊柱种植设计领域已有很大的应用，被广泛接受为脊柱社区金属生物材料的替代物，对于成熟的领域，如关节置换和骨折内固定物都有待发展[22]。

（2）结构设计的优化。

就目前的情况来看，在接下来的相当长的一段时间内，人工假体的材料仍将以合金为主[1]。为降低应力集中的产生，一方面可以增大原生骨与假体的接触面积，如设计更为贴合亚洲人骨髓腔的生物性股骨柄；另一方面可以着手减少假体的刚度，如从降低假体有效果横截面积出发设计多孔股骨柄。尤其是后者，不但能够降低人工假体的刚度，含有微孔结构的假体还能为骨组织细胞的长入提供支架环境，从而彻底改善股骨柄假体的中远期稳定性问题。

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Biomechanical Effect of Different Stem Length on Femur in Revision of Total Hip Arthroplasty

YANG Yangyang1，YANG Lei2，WANG Yue2，LI Kai1

(1.School of Manufacturing Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China; 2.Department of Orthopedics, Sichuan Provincial People's Hospital, Chengdu 610072, China )

The paper aims to redesign the length of femoral stems in revision of total hip arthroplasty. Joint prosthesis in different length and different types are tested to get the mechanical performance. After reconstructing the hip joint model with a CT image data, we assembly the stems and femur in a real simulated operation way under the guidance of the professional physician. The results of the models’ mechanical performance is obtained with finite element analysis method. This paper analyzes and evaluates the calculation results and offers guidance: on the one hand, it helps the doctor to choose the prosthesis; on the other hand, it gives engineers suggestions on the design of joint prosthesis from the perspective of biomechanics.

revision of total hip arthroplasty；the length of the femoral stems；biomechanics

TB124

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.06.003

1006－0316 (2018) 06－0020－08

2018－01－30

国家重点研发计划（2016YFC1100600）；国家自然科学基金（61540006）

*通讯作者：杨洋洋（1991－），男，河南驻马店人，硕士研究生，主要研究方向为人工假体的力学分析和设计。杨磊（1992－），男，四川遂宁人，硕士研究生，主要研究方向为人工关节置换术；王跃（1958－）男，重庆人，主任医师、教授，主要研究方向为膝关节、髋关节各种疾病的诊治和关节置换手术；李凯（1992－），男，河南郑州人，硕士研究生，主要研究方向为手术导板人工智能化设计。