骨盆矢状位旋转对人工髋关节摩擦界面的影响

伍海昭 金乾坤 洪正华

人工髋关节被认为是上世纪90年代最成功的手术方式之一，已经被广泛应用于终末期髋骨关节病的治疗。然而人工髋关节摩擦界面的磨损一直困扰着临床医生和科研工作者[1]。虽然材料科学突飞猛进，大大降低了人工髋关节摩擦界面的磨损，提高了假体使用时间[2-3]，但是患者的体重、人工关节假体的角度、人工关节的活动程度、髋关节周围力学分布等均会影响假体的使用时间[4]。骨盆异常旋转是影响髋关节周围力学分布的重要因素。有学者对骨盆矢状位畸形的患者行人工髋关节置换术后从坐位到站立位时逆向动力学进行了研究，发现髋关节周围应力分布和肌群做功情况明显异常[5-6]。对于老龄患者来说，髋关节疾病经常和脊柱疾病合并存在，从而导致骨盆不同程度的异常旋转[7-8]。因此,对这类患者在行人工髋关节置换术时需要关注骨盆的旋转状态对假体摩擦界面的影响。本研究应用有限元分析的方法[9-10]，模拟不同角度骨盆矢状位旋转状态下，人工髋关节假体摩擦界面静态生物力学的变化。同时模拟参照人体冠状位安装髋臼假体，来观察摩擦界面力学分布和髋臼假体对股骨头前方的覆盖情况，现报道如下。

1 对象和方法

1.1 对象 选择1位健康成年女性志愿者，年龄52岁，体重70 kg，骨密度（双能DXA）-1.2 SD。该志愿者否认脊柱、骨盆、髋部疾病及手术史。本研究经浙江省台州医院医学伦理委员会审查通过，告知志愿者相关研究内容并获得其知情同意。

1.2 方法

1.2.1 建立5种模型 本研究髋臼假体安装时前倾参照身体冠状面（functional pelvic plane，FPP）或骨盆冠状面（anterior pelvic plane，APP），并将矢状位旋转角度设为后旋 0°、10°、20°，共建立以下 5 种模型。模型 a：骨盆中立，矢状位没有前后旋（本研究中称后旋0°，此时APP等同于FPP），参照APP或FPP前倾20°安装髋臼假体；b：骨盆围绕双侧股骨头后旋10°，参照FPP前倾20°安装髋臼假体；模型c：骨盆围绕双侧股骨头后旋10°，参照APP前倾20°安装髋臼假体；模型d：骨盆围绕双侧股骨头后旋20°，参照FPP前倾20°安装髋臼假体；模型e：骨盆围绕双侧股骨头后旋20°，参照APP前倾20°安装髋臼假体，见图1（插页）。将5种模型在Geomagic和Solidworks软件中处理后，在ANSYS软件中赋值运算，并进行应力分析。

图1 a、b、c、d、e 5 种模型示意图

1.2.2 建模步骤 嘱志愿者仰卧于扫描床上（型号：LightSpeed VCT 64排，美国GE公司），双下肢保持外展中立位，沿横断面对其骨盆及股骨上1/3进行扫描。将输出后的数据以DICOM格式保存并刻录 DVD光盘。将原数据导入Mimics软件（比利时Materialise公司），进行图像分割、手工编辑、区域填充。初步建立骨盆和双侧髋关节的骨骼3D模型（图2a，见插页），然后对3D模型进行优化光滑处理，对变形或者不合理的轮廓进行编辑。将Geomagic软件（美国Raindrop公司）生成的骨骼假体实体模型导入Solidworks软件（法国Dassault Systemes公司）中，使用工程图功能将骨盆+双侧髋关节模型与假体模型进行装配，调整至站立状态，形成装配体模型（图2b，见插页），并保存文件。将Solidworks中生成的三维实体模型（图2c，见插页）导入到 ANSYS软件（美国 ANSYS公司）中，建立 Static Structural分析类型，对模型进行网格划分，建立有限元模型（图2d，见插页）。根据材料库中的盆骨、股骨、假体等材料属性参数，直接赋值，材料弹性模量和泊松比见表1。设置接触类型均为Bonded。最后整体固定，设置边界条件和载荷（垂直加载700 N）（图2e，见插页），并进行模型的有效性验证。

图2 建模步骤（a：限定阈值后的CT图像及3D渲染模型；b：左侧人工全髋关节与骨盆的装配体模型；c：Solidworks软件中形成的三维模型；d：左侧人工全髋关节与骨盆的有限元模型；e：整体固定，设置边界条件和载荷图）

表1 材料弹性模量和泊松比

1.3 观察指标 （1）髋臼假体内衬内表面应力：不同模型，在相同载荷下测量人工髋关节髋臼假体内表面的应力分布情况；（2）股骨头外表面的应力：不同模型，在相同载荷下测量人工髋关节股骨头假体外表面的应力分布情况；（3）髋臼假体对股骨头前方的覆盖：本文通过测量不同模型股骨头前方的裸露面积来反映髋臼假体对股骨头前方的覆盖，即裸露面积越大，覆盖面积越小。

2 结果

2.1 参照APP和FPP安装髋臼假体前倾角时内衬内表面和股骨头外表面的应力 参照APP安装髋臼假体前倾角，骨盆矢状位后旋 0°、10°、20°，髋臼内衬内表面的应力最大值分别为3.40、6.18和12.23 MPa（图3，见插页），股骨头外表面的应力最大值分别为65.20、117.52、124.94 MPa（图4，见插页）。参照 FPP安装髋臼前倾角，骨盆矢状位后旋 0°、10°、20°，髋臼内衬内表面的应力最大值分别为3.40、3.70和6.00 MPa（图5，见插页），股骨头外表面的应力最大值分别为65.20、100.76和 104.37 MPa（图6，见插页）。

图3 参照骨盆冠状面安装髋臼前倾角，骨盆矢状位后旋0°、10°、20°，内衬内表面应力分布云图（a：骨盆矢状位后旋0°；b：骨盆矢状位后旋 10°；c：骨盆矢状位后旋 20°）

图4 参照骨盆冠状面安装髋臼前倾角，骨盆矢状位后旋0°、10°、20°，股骨头外表面应力分布云图（a：骨盆矢状位后旋0°；b：骨盆矢状位后旋 10°；c：骨盆矢状位后旋 20°）

图5 参照身体冠状面安装髋臼前倾角，骨盆矢状位后旋0°、10°、20°，内衬内表面应力分布云图（a：骨盆矢状位后旋0°；b：骨盆矢状位后旋 10°；c：骨盆矢状位后旋 20°）

图6 参照身体冠状面安装髋臼前倾角，骨盆矢状位后旋0°、10°、20°，股骨头外表面应力分布云图（a：骨盆矢状位后旋0°；b：骨盆矢状位后旋 10°；c：骨盆矢状位后旋 20°）

2.2 参照APP和FPP安装髋臼假体前倾角时髋臼假体对股骨头前方的覆盖 参照APP安装髋臼假体前倾角，骨盆矢状位后旋 0°、10°、20°，股骨头前方的裸露面积也发生变化，裸露面积分别为570.75、589.00和603.79 mm2（图7，见插页）；参照FPP安装髋臼假体前倾角，骨盆后旋 0°、10°、20°，股骨头前方的裸露面积均为570.75 mm2（图8，见插页）。

图7 参照骨盆冠状面安装髋臼假体前倾角，骨盆矢状位后旋0°、10°、20°，髋臼假体对股骨头前方的覆盖面积发生变化（a：骨盆矢状位后旋 0°；b：骨盆矢状位后旋 10°；c：骨盆矢状位后旋 20°）

图8 参照身体冠状面安装髋臼假体前倾角，骨盆矢状位后旋0°、10°、20°，股骨头裸露面积没有发生变化（a：骨盆矢状位后旋0°；b：骨盆矢状位后旋 10°；c：骨盆矢状位后旋 20°）

3 讨论

3.1 骨盆旋转对人工关节摩擦界面的影响 正常人随着体位的变化骨盆会发生旋转，而脊柱和髋关节疾病也会引起骨盆的异常旋转或旋转障碍。近年来的研究表明人工髋关节的晚期脱位与骨盆的异常旋转有关[11]，同时研究者也开始关注骨盆异常旋转对人工髋关节摩擦界面的影响[12]。

骨盆的异常旋转主要有矢状位前旋（前倾）、后旋（后倾）和旋转障碍，冠状位的倾斜和轴向的异常旋转。在临床中发现，由髋关节疾病本身引起的疼痛、关节屈曲挛缩，往往会引起骨盆的前旋。这类患者行人工髋关节置换术后，由于恢复了髋关节的活动度、缓解了疼痛，骨盆的前旋明显改善，甚至基本消失。而另外一些患者，常常伴有腰椎退变性疾病，腰椎的前凸减小，甚至出现后凸，而且腰椎的活动度也减小。由此引发骨盆的矢状位后旋和旋转受限较多见，如果术中安装假体时不予考量，术后会出现摩擦界面应力分布异常，甚至会出现关节不稳[13-15]。

3.2 不同参照平面安装髋臼假体时假体内衬和股骨头的应力分布 本研究模仿人日常的站立位的状态。建立了骨盆矢状位后旋0°、10°、20°3种状态下的模型，垂直加载700 N的应力，分析人工髋关节假体摩擦界面应力分布情况。在有限元模型中，不同模型各个部件应力分布均有不同，本研究只对不同模型的股骨头外表面和内衬内表面的应力分布予以分析，以此来说明骨盆旋转对人工全髋关节摩擦界面应力的影响。

本研究的一种模型是以APP（固有骨盆前平面：两侧髂前上棘连线和耻骨联合连成的面）为参照安装髋臼假体的前倾角，这种模型也可以认为是模仿术前无骨盆旋转的患者行人工髋关节置换术后出现的骨盆后倾。结果显示髋臼假体内衬内表面、股骨头外表面最大应力依次增加。表明骨盆越后旋，假体的摩擦界面受到的应力越不利，可能会影响假体的生存时间[14]。本研究中髋臼假体内衬为高分子聚乙烯，弹性模量小，而股骨头为陶瓷假体，弹性模量较大，因此在同样的载荷下，在同一个接触面应力分布明显不同。

本研究另外一种模型，即在骨盆 0°、10°、20°矢状位后旋状态下参照FPP（即身体的功能性平面）安装髋臼假体前倾角。同样加载700 N的垂直应力，分析假体的应力分布。显示髋臼假体内衬内表面、股骨头外表面应力分布均较均匀，最大应力变化相对小。因此笔者认为参照站立位FPP安装髋臼假体的前倾角更有优越性。

3.3 不同参照平面安装髋臼假体时假体对股骨头前方的覆盖面积 本研究对不同角度的骨盆矢状位旋转时，髋臼假体对股骨头前方的覆盖进行了研究，发现骨盆矢状位后旋 0°、10°、20°，髋臼假体随着骨盆的旋转，前倾和外展发生变化，导致股骨头前方的裸露面积不断增大，髋臼假体对股骨头前方的覆盖不断减少，从而增加人工髋关节不稳的风险。而参照FPP安装髋臼假体前倾角时，由于考虑了站立位时骨盆的旋转状态，髋臼假体始终与站立位时的骨盆位置保持相对固定的角度，所以股骨头前方的裸露面积并没有增大。因此，笔者认为参照站立位FPP安装髋臼假体的前倾角，不稳的风险更小。

综上所述，骨盆矢状位旋转会影响人工髋关节假体摩擦界面的应力分布，也会影响髋臼假体对股骨头前后方的覆盖，参照FPP安装髋臼假体的前倾角对假体摩擦界面的影响较小。术中如何更好的参照FPP有待进一步探讨。本研究局限性：（1）本研究建立的模型是健康人，对于不同的患者来说，由于病理改变不同，可能会有不同的结果：（2）有限元分析可能会和在体的结论不一致；（3）本研究只分析站立位状态下应力分析，而人体的功能状态多样，因此有一定的局限性；（4）本研究只分析髋臼假体的前倾，未分析股骨假体的前倾，而股骨假体的前倾也会对人工髋关节摩擦界面产生影响，因此有一定的局限性。