全髋关节置换术后力学因素对于髋关节稳定性的影响

吴 琪，左昌兰，席文明，王昌超，邱 月，张 穹

(1.东部战区总医院淮安医疗区，江苏 淮安 223001；2.厦门大学机电系，福建 厦门 361005)

人工关节置换是目前针对关节疾病的有效治疗方法，对于重建关节，解除关节疼痛，提高生活质量有明显疗效。一个世纪以来，研究人员以及临床医生在材料、设计、加工、制造及临床应用等方面对人工关节不断完善，其中THA 是目前治疗髋关节疾病，重建髋关节以及恢复髋关节功能的最安全有效的方法。据统计，全年约有150万人因各种因素导致关节丧失功能，需进行人工关节置换。而其中约50万例为全髋关节置换，随着髋关节置换手术的逐年开展，髋关节翻修的手术量随其不断增多，约占全年髋关节置换手术的10%[1]。

THA的成功及长期稳定取决于全髋置换术后假体与髓腔形成的骨界面有一个良好的应力环境。骨作为人体结构，不能单纯把其作为一个机械结构，而应充分考虑其组织活性。假体在植入后对骨组织的应力应在骨组织的适应性范围之内。低于或者超出这一范围，都会对骨组织的形成造成影响，进而影响关节置换术后的假体稳定性。因而，有效控制力的传导以及分布区域，可以有效调控骨整合范围以及骨组织的长入，进而获得理想的术后稳定性。

针对于此，我们使用三维重建股骨髓腔以及CAD/CAM计算机辅助定制髋关节假体，使得假体与髓腔取得优良的匹配度后，再结合有限元分析股骨假体远端长度以及力的大小对于稳定性的影响。

1 资料与方法

1.1一般资料：人股骨标本取自南京医科大学，在中国人民解放军第82医院完成CT扫描以及三维重建。将其结果数据导入Mimics软件中，获得实体模型，在厦门大学使用CAD/CAM/Robot集成技术的辅助下，磨削铜棒，获得定制性解剖假体，完成假体植入以及相关影像学检查。

1.2有限元分析：股骨假体的三维模型导入到PRO-E软件组装在一起，然后组装模型及股骨假体导入ANSYS Workbench软件(ANSYS公司，美国)赋予纹理和划分网格，股骨的弹性模量为2×1010pa和定制假体的弹性模量为11×1010pa。在有限元模型的假体上施加载荷，力位于假体尖端，载荷作用在假体上。

2 结果

2.1定制假体与人股骨标本匹配的影像学结果：结果见图1。从影像学结果上可以看出匹配度良好，在正位以及侧位上假体与髓腔间未见明显间隙。

2.2假体的有限元分析：当假体植入股骨腔，远端干的匹配长度为50 mm，图2(a)是股骨的力分布，当载荷在假体上的力为480 N时，假体上的力已经转移到股骨近端，见图2(a)的局部图形。如果力假体再次增加，股骨近端假体将形成大的微动和整个假体会产生相对运动的股骨腔，假体压配状态将被破坏。因此，在图2(a)，对假体的初始稳定性条件是在假体的力不超过480 N，图2(b)，远端干的匹配长度为25 mm，当假体的力为350 N，对假体的力传递到股骨近端，如图2(b)，对假体的初始稳定性条件是在假体的力不超过350 N，从图2可以发现，远端柄的长度减少，假体上的力容易转移到股骨近端。

图1 为定制性假体植入人股骨标本后以及正侧位的影像学结果

图2 力的大小不同，股骨的有限元分析结果

3 讨论

全髋关节置换(total hip athroplasty，THA)术后远期失败的主要原因为无菌性松动[2-5]。而导致无菌性松动的机制甚多，目前主要分为两大类。一类为力学因素[6-7]，一类为生物学因素[8-10]。其中力学因素中又包括假体的设计，假体的植入位置以及假体在置换术后力的传导；生物学因素则主要为假体磨损形成的颗粒而引发的一系列炎性反应。两类因素相互协同，其中力学的因素可视为起始因素[11]，正因为力的传导导致假体的松动摩擦，进而导致颗粒的大量产生，再反作用于骨组织的整合，形成不稳定的骨长入，造成假体松动严重，导致长期稳定性的失败。

三维重建以及CAD/CAM/Robot集成技术的辅助下，可以实现假体与髓腔的高精度匹配，在此前提下，为力的传导以及骨组织的长入创造良好的结构准备。

通过有限元分析可以得知假体远端的长度以及体重对假体置换术后初期稳定性的影响。远端长度为50 mm时，需要480N即可使得假体力的传导到达骨整合区，而逐渐增大后即会造成假体的下移和旋转。当远端长度缩短到25 mm时，仅仅需要320 N就能产生同样的效果。因此为了维持假体置换初期的稳定性[12]，需要有效控制施加在假体的力的大小，同时为了促进骨长入，又需要足够的力使得力的传导到达骨的整合区[11]，在匹配度以及合适的力的共同作用下，假体与松质骨的整合形成弹性铰链，进而可以承受更大的力，保证假体置换后期的长期稳定。

在髋关节置换术后，初期的稳定是前提，而所谓的稳定不仅仅表面上的压配度，更多的在于对于假体的选择和假体受力的有效控制。在有效压配的基础上，通过力的控制使得力的传导到达合适的骨长入区，进而促进骨的有效长入，形成弹性良好的铰链结构。在此前提下，股骨远端的压配确保假体的微动在铰链结构的弹性范围内，进而确保假体的长期稳定。