髋臼外缘缺损对髋臼假体初始稳定性影响的有限元研究

顾彬,王跃

(1.三六三医院骨科,四川 成都 610000;2.西南医科大学临床医学院,四川 泸州646000;3 四川省医学科学院·四川省人民医院骨科,四川 成都 610072)

发育性髋关节发育不良(developmental dysplasia of the hip,DDH)是由于髋关节发育异常引起的,这种发育异常出现在婴儿期或儿童早期,早期可出现跛行、骨关节炎[1],初始为发育不良,后期将出现严重的股骨脱位并形成假臼。全髋关节置换术(total hip arthroplasty,THA)可以解决多种髋关节疾患,消除髋关节疼痛,恢复正常功能。THA术中髋臼处的重建至关重要,足够的骨覆盖才能使置入后的臼杯达到初始稳定。既往有研究认为[2-6],当臼杯覆盖率在60%～75%时,无需额外处理即可使其稳定。然而,目前并没有文献报道保持置入臼杯初始稳定性的临界覆盖率。本研究采用三维有限元技术,探究保证臼杯初始稳定的临界条件。

1 对象与方法

1.1 研究对象 1例健康成年男子,年龄40岁,身高175 cm,体重70 kg,排除髋关节疾患。

1.2 骨盆模型的建立 将该志愿者的骨盆薄层CT(120 kV,125 mA,层厚0.625 mm)的Dicom数据导入Mimics软件(Materialise公司,比利时)中,重建骨盆的三维模型,以STL文件格式保存。并在Geomagic stdio软件(Geomagic公司,美国)中做光滑处理,得到骨盆实体模型。

1.3 构建髋臼假体模型 本研究采用Trilogy Acetabular System生物性髋臼组件。根据志愿者骨盆CT数据及假体设计参数,利用Solidworks建模,并以prt格式保存,用具有0.9 mm的恒定厚度的壳单元来模拟皮质骨[7]。为了施加载荷便利,在有限元分析时将假体股骨头部分简化为半球状(见图1)。

1.4 材料属性赋值 将装配模型导入Ansys Workbench(ANSYS公司,美国)中,进行有限元分析,并首先对模型中的材料赋值[7-8](见表1)。

表1 不同属性材料的赋值

1.5 有限元单元格类型和网格划分 在Ansys Workbench中对模型进行网格划分,对髋臼骨与髋臼杯假体的接触面进行了网格细化,而在远离该区域则选择较为粗糙的网格。细化区域网格精细程度调试后选择0.8 mm。

1.6 模型接触对的边界条件及载荷设置 骶髂关节处为固定约束区域(A),宿主骨与臼杯之间的接触设为摩擦接触,摩擦系数设为0.5[7],臼杯与其他组件接触则设为绑定接触。本实验将人正常步态下髋关节最大接触力施加到球头旋转中心(O)上,对不同实验模型进行力学测试(见图2)。根据志愿者体重计算出Von Mises应力即合力F≈1 631.9 N[9]。

图2 有限元分析中载荷设置及约束设置示意图

1.7 缺损模型的设计 髂前上棘与髋臼中心连线A,与过髋臼中心垂直于A线的B线将髋臼平均分为4份[10],后上象限即为负重区[11](见图3)。本研究将在两个平面上对髋臼构造不同的缺损。首先定义一个平面E,该平面为经过髋臼负重区中心垂直于髋臼平面的一个面,a线位于E内,并垂直于水平面。直线b为E上缺损边缘点与髋臼中心的连线。a线、b线与髋臼交点分别为a’和b’,两者之间的夹角设为α。α=0 °表示a线、b线重合,a’与b’重合;α>0 °表示在负重区上缺损越靠外,缺损程度相对较轻;α<0 °表示在负重区上缺损越靠内,缺损程度相对较重,这是髋臼内侧缺损的构造。再次定义一个平面F,该平面为过b’垂直于E的平面。F将与髋臼的前后缘形成两个交点e’和f’,b’、e’、f’三点确定一条弧线,b’为半圆弧顶点,沿此弧线用圆球对髋臼骨进行切割(图4～7)。由此便能构造出以髋臼负重区为中心的不同髋臼外缘缺损模型。

图4 平面E、F设计示意图

图6 F平面的缺损设计示意图

1.8 装配及力学加载过程 将不同髋臼缺损实体模型导入ANSYS 19.0中进行装配,臼杯装配前确定髋关节的旋转中心[12]。测得髋臼直径为54 mm,选取臼杯外径为55 mm的钛杯进行压配置入,赋予密质骨及松质骨不同的屈服强度[13-14]。置入臼杯的外展角设为45 °、前倾角设为15 °后,对臼杯组件进行压配置入,置入成功后对股骨头中心持续加力至模型稳定。模型保持收敛,计算结果证明准确。

1.9 结果评定 通过压配方式置入后的生物型臼杯表面的微孔终将骨长入,进一步稳定臼杯,延长假体使用寿命。置入臼杯与髋臼骨之间存在一定的微动位移,当微动位移超过一定范围将影响骨长入臼杯表面的微孔,影响置入臼杯的初始稳定即远期效果,缩短假体使用年限。通过查阅文献得出宿主骨与假体表面的最大微移<40 μm时可诱导骨长入假体表面的微孔[15],故将最大微动位移临界标准设为40 μm。当置入臼杯与宿主骨之间的最大微动位移不超过40 μm时认为置入臼杯可达到初始稳定。

2 结 果

本研究分别设计了α为0 °、-15 °、-25 °、-27 °以及α为-25 °时b’与F平面过髋臼负重中线上1/4半径与髋臼边缘交点e’、f’为圆弧线的6种不同的髋臼外缘缺损模型。髋臼杯骨覆盖率、臼杯边缘骨缺损率(臼杯边缘未覆盖长度与臼杯边缘周长比)及臼杯与宿主骨的微动位移见表2。当α=-25 °时,臼杯与宿主骨的最大微动位移为39 μm,此时达到臼杯稳定临界条件。当继续减小α角度或继续使臼杯边缘骨缺损增加,臼杯与宿主骨的微动位移均>40 μm临界值,影响臼杯置入后的初始稳定性。

表2 不同缺损情况下臼杯骨覆盖率、臼杯边缘骨缺损率及相对臼杯相对宿主骨的微动位移比较

3 讨 论

临床上多采用骨盆正位X线片来估算置入臼杯骨覆盖率,但通过X线片来评估臼杯骨覆盖率的二维测量方式有诸多缺陷,比如髋臼处骨缺损位置的不同、缺损骨的形状、臼杯假体的放置位置以及拍摄X线片时患者是否为标准体位等,均可导致测量误差,偏离实际数据,故临床上常用的二维测量并不能反映出臼杯实际骨覆盖率。目前已有研究通过基于CT数据的三维重建方式来获取置入臼杯的真实骨覆盖率[16-17]。Xu等[16]术后基于CT数据,利用计算机软件重建骨盆三维模型,测得无额外固定下臼杯骨覆盖率超过75%时可获得初始稳定。Wen等[18]对Crowe Ⅱ型和Ⅲ型行DDH患者研究时发现,当使用44 mm臼杯在真臼处重建髋臼时,臼杯在负重区大约有40%未被宿主骨覆盖,臼杯出现早期松动,这些髋关节将需要额外的手术来确保THA中的初始稳定。Ueno等[17]通过CT骨盆三维重建得出经螺钉固定的髋臼杯在宿主骨覆盖率>61.5%,可使臼杯获得初始稳定。他们都是基于术后复查随访得出的结论,并不能确定达到初始稳定臼杯的骨覆盖临界值。

本研究的创新之处在于设计出了以髋臼负重区为中心的髋臼外缘不同缺损,这是一种新方法,既往文献中未出现,笔者认为这种设计方法是可行的。采用CT三维重建骨盆结构,通过三维计算髋臼杯骨缺损率较2D的骨盆X线片,测量方法更为精确,更符合实际。其次,本研究得出了臼杯达到初始稳定的髋臼外缘缺损临界值。髋臼窝经过髋臼锉打磨后,髋臼缺损形状呈类圆弧状,DDH患者髋臼负重区缺损可以想象为股骨头从负重区外缘滑出,故负重区外缘的缺损形状也类似于圆弧状,所以理论上髋臼外缘最大的缺损不超过以e’、f’两点连线为直径的半圆弧(见图5)。若在半圆弧缺损内,测量出臼杯相对于宿主骨的微动位移<40 μm,那么在半圆弧缺损内任何缺损情况下,臼杯与宿主骨的微动位移都不会超过临界值。

Ueno等[17]报告臼杯骨覆盖率在61.5%也可使臼杯达到初始稳定,但至少需要1枚螺钉进行固定。既往也有研究发现,采用螺钉对髋臼杯进行多枚螺钉,可使臼杯初始稳定性增加,减少臼杯与宿主骨之间的峰值微动[7]。Kaku等[19]研究发现,相同缺损模型,当未采用额外固定时,臼杯相对于宿主骨的微移明显>40 μm,当采用额外固定(髋臼螺钉、结构植骨螺钉固定)时,微动位移<40 μm,置入臼杯达到初始稳定。Thaler等[20]研究中,对于髋臼杯与宿主骨的覆盖率<70%时,采用自体股骨头移植、螺钉固定,为臼杯提供支撑,也可实现臼杯初始稳定,随着自体骨骨头与髋臼骨生长融合后将获得长久的臼杯稳定,可见髋臼外缘缺损采用股骨头移植并螺钉固定可对臼杯初始稳定提供一定的支撑。

本研究得出保持置入髋臼杯初始稳定的最低臼杯骨覆盖率为67.1%,当骨覆盖率继续减少到约65.4%时,臼杯相对于宿主骨的微移将超过临界值。实际上,当置入髋臼杯的骨覆盖率在65.4%时,在正常步态下髋关节最大受力的作用下,置入臼杯将出现完全松动,整体脱离宿主骨,滑出髋臼窝。本研究主要探讨使臼杯初始稳定的临界条件,并未增加额外固定,完全由臼杯压配及与宿主骨之间的摩擦而达到初始稳定性。与其他研究差异在于,其他学者的研究中至少额外采用一种固定方法,可见适当降低臼杯的覆盖临界值,在一定范围内可通过额外固定方式使臼杯达到初始稳定。

本研究有一定的局限性:(1)只模拟了正常步态髋臼受力峰值,不同的运动,髋臼的受力将不同;(2)只设计了一种臼杯的安装角度,即外展45 °,前倾15 °,而临床上有多种安装角度。Lewinnek等[21]建议臼杯安装的安全范围为外展角(40±10)°,前倾角(15±10)°。有研究表明,臼杯安装角度的不同,其受力大小也不相同[22-23];(3)只采用了一种髋臼组件,有研究表明髋臼杯表面的不同纹理及涂层可影响臼杯表面的摩擦系数[24];(4)本研究采用的是健康成年人进行研究,骨质条件好,无骨质疏松。而临床中大多数关节置换患者为合并骨质疏松的老年患者,骨密度降低,骨量下降,臼杯与宿主骨的单位接触面积减少,摩擦力降低。上述不同的情形均可使结论产生偏倚,故临床上应多方面考虑。

综上所述,髋臼外缘缺损患者在THA术中采用生物型假体时,在无额外固定条件下,臼杯髋臼骨的覆盖率不低于67.1%时,可保证正常步态下置入臼杯的初始稳定性。