髋臼边缘负重区全缺损结构性植骨的不同固定方式对人工全髋关节置换术后植骨块初始微变形程度影响的有限元分析

许 瀚，许 鸿，吕 波，赵永正，周 鑫

(1.成都体育学院，四川 成都 610041；2.四川省广汉市骨科医院骨科，四川 广汉 618400；3.四川省医学科学院·四川省人民医院骨科，四川 成都 610072；4.四川大学制造科学与工程学院，四川 成都 610064)

发育性髋关节发育不良(development dysplasia of the hip，DDH)是一种较常见的髋关节疾病，成人DDH多因儿童时期漏诊、延误治疗或治疗不当所致。成人DDH的手术治疗通常采取人工全髋关节置换(total hip arthroplasty，THA)，但鉴于成人DDH的髋关节疼痛及行走受限等症状加重年龄具有年轻化趋势，使得术者对人工髋关节置换假体的寿命有更高的要求。而成人DDH因脱位的股骨头撞击常导致髋臼边缘大量骨缺损，常伴有髋臼解剖学结构形态改变，通常需行结构性植骨，临床中常用的3种结构性植骨固定方式为：双螺钉固定、单重建钢板固定和螺钉+重建钢板固定。三种手术设计存在较大争议，手术难度大，效果欠满意，术后并发症较多，失败率较高，是成人DDH的治疗的技术难题。本研究利用有限元分析方法，重建骨盆有限元模型，模拟DDH患者髋臼边缘负重区骨缺损模型和假体及垫块的安装，赋予骨和假体弹性模量和泊松比等材料属性参数，根据生物力线给予一定的力学加载，从理论上分析不同缺损和固定状态下的骨与假体等部位的应力状态。

1 材料与方法

1.1 一般资料采用三维有限元方法，2018年5月至2019年2月于四川大学制造工程学院先进制造技术四川省重点实验室完成。选取四川省人民医院骨科健康男性，体重60 kg，身高165 cm，CT扫描排除外伤、髋部畸形、骨坏死等影响建模因素。将志愿者髋关节和股骨CT数据作为建模基础，导入Dicom数据于医学三维重建软件Mimics(Materialise公司，比利时)中。

1.2 骨盆模型建立分别建立股骨与骨盆的MASK完善STL三维模型所示，将所生成的STL三维模型经Geomagic stdio (Geomagic公司，美国)光滑处理及Unigraphics NX (Siemens公司，德国)装配后，生成最终骨盆模型。

1.3 髋关节有限元模型建立首先确定髋关节的旋转中心，本研究采用Ranawat三角法确定髋关节的旋转中心[1，2]，如图1所示。原Ranawat三角法中的b点为Y轴高度的2/5处，本研究中发现使用该定点确定的旋转中心点向内、上偏移的误差较大，故我们对b点设定进行了改良，使确定的旋转中心接近两侧大转子顶点连线，也更接近MOSE圆法测出的股骨头球形的中心点，以利于髋臼假体模型的建立。按确定的旋转中心进行模拟臼杯装配，在髋臼侧置入50 mm的臼杯，臼杯按照前倾角5°、外展角5°位置安装，由于本研究模拟人体处于站立位时的受力状态，骨盆有一定前倾角度，故将骨盆前倾角设定为10°[3～5]，装配模型如图2所示。

图1 Ranawat三角髋关节旋转中心

图2 装配模型 a：装配大体模型；b：划分模型网格；c：模型的载荷与约束

1.4 内固定模型建立内固定方式采用三种方式，即双螺钉固定、单重建钢板固定和螺钉加重建钢板固定，三种固定方式如图3所示。THA假体由zimmer(捷迈)公司提供，CT机由广汉市骨科医院提供，Mimics购买自Materialise公司、Geomagic stdio购买自Geomagic公司、Unigraphics NX 购买自Siemens公司、ansys 购买自ANSYS公司。螺钉固定采用两颗螺钉均匀分布，采用双螺钉是为了避免单螺钉所造成的门轴效应，从而对植骨块及髋臼杯的稳定产生影响；单钢板固定采用截骨钢板整个髋臼后上部及后侧，钢板两端各使用两个螺钉与骨盆固定；螺钉加钢板固定钢板的放置与单钢板固定的方式相同，同时在植骨位置植入两个固定螺钉，螺钉穿过钢板与植骨，将植骨和钢板与骨盆固定在一起。

图3 三种固定方式及螺钉及钢板的放置位置 a：双螺钉固定；b：单钢板固定；c：螺钉加重建钢板固定

1.5 材料赋值与网格划分将装配模型导入Ansys orkbench (ANSYS公司，美国)中，进行有限元分析。首先对模型中的材料赋值，其中，臼杯、钢钉为不锈钢材料，内衬为高交联聚乙烯材料，股骨柄钛合金材料[6]，在压应力分布中，其主要作用的两个参数为弹性模量和泊松比，主要材料赋值见表1。

表1 材料属性[7]

在Ansys Workbench中对模型进行网格划分，划分单元体类型为Quadratic Tetrahedron，采用自由网格划分方法，网格如图2b所示。

1.6 边界条件模型的接触关系包括髋臼与髋臼杯、髋臼杯与衬垫、衬垫与股骨柄头、股骨柄与股骨松质骨、股骨柄与股骨皮质骨、股骨皮质骨与松质骨、植入骨块与髋臼杯、植入骨块与骨盆、螺钉与植入骨块、螺钉与钢板、钢板与骨盆、钢板与螺钉以及钢板与植入骨块之间的接触，其中植入骨块与骨盆、钢板与植入骨块、植入骨块与骨盆及植入骨块与髋臼杯之间接触设为无摩擦接触，其余的接触设为绑定接触。

下肢在进行屈伸、外展及外旋等动作时，也与单足站立状态下的髋关节最大接触应力成线性关系[8]。因此，我们采用与生理活动状态最相近的单足站立状态进行分析[9，10]，并将肌肉载荷的加载方式进行简化[11]。模拟60 kg人单足站立，采用在股骨干下端施加600 N方向向上的载荷，在大转子外侧施加斜向上45°的载荷来模拟外展肌力，并且在骨盆上施加固定约束[12]，如图2c所示为模型的受载荷情况。

1.7 收敛性研究为了提高结果的准确性，在行实验前对网格进行敏感性分析。整个网格大约有190000个单元和320000个节点。通过单元节点划分模型评估结构的收敛性，结果表示骨与植入体与标准模型预测最大变形之差小于4%。

1.8 观察指标在Ansys Workbench中模拟模型受力情况，检测髋臼侧植骨变形程度。

1.9 统计学方法采用SPSS 19.0软件分析数据。对每一个模型髋臼负重区植入骨块随机选取15个应力点，记录变形程度，计算平均变形程度及标准差，对三种固定方式结果两两之间进行方差分析。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

髋臼植骨块变形情况及应力分布如图4所示，具体结果见表2。在负荷情况下显示螺钉固定组最大微变形程度为0.277 mm，单重建钢板固定组为0.0333 mm，而螺钉加重建钢板固定组最大变形度为0.0077 mm。本研究中，双螺钉固定方式引起的平均变形量明显高于单钢板固定和螺钉-钢板组合固定方式(P<0.01)，螺钉-钢板组合固定方式在对平均变形量优于单钢板固定方式(P< 0.05)。

表2 各模型植入骨块变形程度比较 (mm)

图4 有限元分析图 从左向右依次为钢板固定组、螺钉加钢板固定组及单纯螺钉固定组

3 讨论

DDH继发骨关节炎的患者在初次THA中占29%[13]。高位脱位的DDH患者，常常伴有不同程度的髋臼缺损，在过往的髋臼生物力学研究中我们发现，髋臼负重区是髋关节的承重部位，其负重能力受局部骨接触面积、骨密度和强度、机械性稳定性等多种因素影响，发育、创伤、感染、良性肿瘤和骨关节炎并发髋臼囊性变，以及医源性因素均能导致髋关节尤其是负重区的缺损，而修复这些缺损常需要进行结构植骨，以提高髋关节稳定性、无痛尤为重要。因此，对髋臼负重区缺损的补救手段显得尤为重要。

髋臼杯与髋臼、植骨块前期的充分接触、彼此结合是维持后期稳定的前提。在固定初期，植骨块尚未与缺损区域紧密结合时，最易产生形变及位移等对髋臼杯初始稳定性影响的危险因素。初始微形变度越大，假体与骨的整合以及骨的愈合越差，后期越容易发生髋臼杯无菌性松动，导致二次翻修。

本研究通过对植入骨块的应力分布、变形情况进行有限元分析，得出三种缺损情况下螺钉固定方式明显劣于钢板固定和螺钉加钢板固定方式，螺钉固定方式产生较大的应力和较为明显的应力集中，产生形变度远大于另外两种固定方式，极易诱导髋臼内侧骨折的发生。在固定初期，患者在THA术后往往需要早期下地行功能锻炼，此时活动方式近似于单足站立，从平卧位到站立位，股骨侧假体施加的切向力增加，植骨块极易发生旋转运动。而随着时间推移，活动量增大，不同活动形式必然带来不同方向髋臼侧应力的增加，成倍增长的应力对植入骨块也会带来成倍的影响，为了延缓翻修时间，单纯的螺钉固定较其余两种固定方式来说并不能更好的满足术后稳定的要求。

在本研究中，分析发现螺钉加钢板组合固定方式相较于纯钢板固定方式，降低了植入骨块的变形，主要原因即研究模拟人单足站立的情况髋臼力有限，当采用螺钉加钢板固定式，力的传递方式为从股骨头传递至衬垫、髋臼杯、髋臼内侧、植骨骨块然后传递至钢板和螺钉，其中大部分均承载在钢板上，螺钉受到较小的力，使螺钉加钢板固定方式与纯钢板固定方式之间未产生显著差异的原因。但就目前结果显示，螺钉-钢板固定方式仍为初始变形度最小的一组固定方式。

本研究的不足之处在于对髋关节周围复杂肌肉筋膜系统的模拟具有一定局限性，对生物力学结果存在一定差异。此外，本研究模拟仿对骨的非均质结构无法精确模拟，也没有考虑到个体差异性，需要在今后的研究中不断完善。

通过本研究有限元的力学分析证明，髋臼边缘负重区全缺损下，螺钉加重建钢板固定植骨块对THA后初始微变形程度影响最小，能够达到有效的固定和满足早期负重步态的要求，为后期骨长入提供较好的力学环境。