新研制的老年不穩(wěn)定型股骨粗隆間骨折半髖假體有限元分析

儲(chǔ)小兵 楊 予 郝改平 童培建*

1(浙江中醫(yī)藥大學(xué)附屬第一醫(yī)院骨科，杭州 310006)

2(浙江理工大學(xué)土木工程系，杭州 310018)

3(北京力達(dá)康科技有限公司，北京 100080)

引言

股骨粗隆間骨折，又稱(chēng)股骨轉(zhuǎn)子間骨折，是指股骨頸基部至股骨小粗隆水平之間的骨折，為老年人最常見(jiàn)的骨折之一，尤見(jiàn)于70歲以上的高齡老人和嚴(yán)重的骨質(zhì)疏松患者。據(jù)調(diào)查上世紀(jì)90年代美國(guó)每年大約發(fā)生20萬(wàn)例以上的股骨粗隆間骨折，死亡率為15% ～20%，每年的醫(yī)療費(fèi)用為80億美元。隨著經(jīng)濟(jì)的急速發(fā)展及人口的老齡化，股骨粗隆間骨折的發(fā)生率逐年增高，占用了巨大的醫(yī)療資源和費(fèi)用，已成為關(guān)系老年人的主要健康問(wèn)題[1]。循證醫(yī)學(xué)表明手術(shù)治療比非手術(shù)治療具有明顯優(yōu)勢(shì)，然而，對(duì)于較多見(jiàn)的老年骨質(zhì)疏松不穩(wěn)定型骨折，現(xiàn)有的內(nèi)固定方法不令人滿(mǎn)意，并發(fā)癥較多[2-3]。利用人工股骨頭(半髖假體)置換治療高齡老人的股骨粗隆間骨折的報(bào)道逐漸增多[4]，在實(shí)踐中，手術(shù)醫(yī)生迫切需要一種針對(duì)此類(lèi)骨折的特殊半髖假體，以更好地解決粗隆部骨折塊固定和假體柄生物型固定的問(wèn)題。

本研究結(jié)合股骨近段的解剖參數(shù)和生物力學(xué)特點(diǎn)，在CT掃描三維成像的基礎(chǔ)上，經(jīng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)研制出一套新型的半髖假體，并進(jìn)行了手術(shù)操作的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，尤其適用于大、小粗隆均有骨折的嚴(yán)重不穩(wěn)定型股骨粗隆間骨折的治療。通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬人體直立緩慢行走狀態(tài)下的受力模式，對(duì)假體植入后的股骨三維有限元模型進(jìn)行相關(guān)應(yīng)力分布的力學(xué)分析，研究其設(shè)計(jì)的合理性[5-6]。

1 材料和方法

1.1 材料

表1所列為實(shí)驗(yàn)設(shè)備和所使用的軟件。

表1 設(shè)備與軟件Tab.1 Equipment and software

1.2 方法

1.2.1 股骨近端模型的建立

選擇1名正常男性志愿者，年齡60歲，身高172 cm，體重70 kg。對(duì)其股骨中上段行 CT掃描(德國(guó)西門(mén)子“SOMATOM SENSATION”64層螺旋CT機(jī))，掃描技術(shù)參數(shù)為：間距為0.4 mm，層厚為0.4 mm，窗寬500，窗位 40，一共得到 878張 CT圖像，以DICOM格式輸出。利用圖像處理軟件Mimics對(duì)導(dǎo)入的DICOM圖像進(jìn)行灰度臨界值設(shè)定，并進(jìn)行像素修補(bǔ)、區(qū)域增長(zhǎng)和消除孤立點(diǎn)處理，利用三維模型生成功能生成實(shí)體模型，再利用Mimics內(nèi)置的快速成形輔助軟件Magics進(jìn)行平滑化處理，得到一個(gè)較為平滑且符合其解剖學(xué)特征的股骨三維實(shí)體模型。根據(jù)后續(xù)分析和假體系統(tǒng)裝配模擬的需要，還可以方便地利用Mimics的文件轉(zhuǎn)換輸出功能，將該實(shí)體模型轉(zhuǎn)換輸出為 IGES、STL或 ANSYS等數(shù)據(jù)文件常見(jiàn)格式。

1.2.2 股骨粗隆間骨折模型的建立

以股骨粗隆間骨折AO分型中較常見(jiàn)的A2.2型骨折制作不穩(wěn)定的股骨粗隆間骨折模型[7]。根據(jù)臨床實(shí)際的骨折形態(tài)繪制A2.2型骨折示意圖，然后進(jìn)行規(guī)則化處理，標(biāo)定曲面特征點(diǎn)，利用Mimics的曲面切割工具和標(biāo)定的曲面特征點(diǎn)進(jìn)行曲面切割，模擬A2.2型骨折，修飾后生成三維骨折實(shí)體模型，如圖1所示。

圖1 A2.2型骨折實(shí)體建模示意圖。(a)前面觀(guān);(b)后面觀(guān);(c)內(nèi)側(cè)面觀(guān);(d)外側(cè)面觀(guān)Fig.1 Solid model of the type A2.2 transtrochanteric fractures of the femur in AO classification system.(a)Anterior view;(b)Posterior view;(c)Medial view;(d)Lateral view

1.2.3 新研制半髖假體系統(tǒng)的組成

半髖假體系統(tǒng)由假體球頭、假體柄、大粗隆板、2根鈦纜及鎖定鈕組成，其中假體球頭的材料為鈷鉻鉬合金，假體柄、大粗隆板、2根鈦纜及鎖定鈕的制造材料均為鈦合金，設(shè)計(jì)構(gòu)成見(jiàn)圖2。

1.2.4 新型半髖假體系統(tǒng)的可視化裝配

將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)生成的新型半髖假體系統(tǒng)的Pro/E文件，通過(guò) STL格式轉(zhuǎn)換導(dǎo)入到 Mimics中，按照手術(shù)中植入和固定的要求進(jìn)行理想裝配，裝配效果如圖3所示。

1.2.5 有限元模型的建立與求解

圖2 新研制的半髖假體系統(tǒng)。(a)假體柄;(b)半髖假體系統(tǒng)構(gòu)成Fig.2 New developed semi-arthroplasty prosthesis system.(a)Femoral stem;(b)Composition of the new developed semi-arthroplasty prosthesis system

為了有限元分析的準(zhǔn)確性，在建立有限元模型之前尚需對(duì)三維骨折實(shí)體模型進(jìn)行規(guī)則化處理和平滑化處理，通過(guò)Mimics自帶的Magics程序?qū)钦蹓K和半髖假體系統(tǒng)進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，并對(duì)假體和股骨接觸部位的某些特征邊界進(jìn)行單元細(xì)分和形狀優(yōu)化，將生成的網(wǎng)格以 LIS格式導(dǎo)入 Ansys中獲得有限元模型。有限元模型包括股骨近段約318.85 mm股骨(871045節(jié)點(diǎn)，546093單元)以及新型半髖假體系統(tǒng)共計(jì)股骨柄60076節(jié)點(diǎn)，37329單元;大粗隆板 26797節(jié)點(diǎn)，15944單元。在Mimics中將CT圖像的灰度分為10個(gè)等級(jí)，利用軟件的預(yù)設(shè)公式(見(jiàn)式(1))，進(jìn)行單元材料特性的賦值，結(jié)果如表1所示。這種處理方式可避免人為劃分骨松質(zhì)和骨皮質(zhì)之間的界限所帶來(lái)的誤差，也能較好地反映出股骨中彈性模量的變化趨勢(shì)。圖4為在A(yíng)nsys軟件中的股骨近端三維有限元網(wǎng)格劃分圖。為研究骨質(zhì)疏松的老年股骨的應(yīng)力分布情況，在分析中將骨質(zhì)疏松模型股骨的彈性模量取為正常骨的66%[8-9]，見(jiàn)表2。假體頭部為鈷鉻鉬合金其彈性模量為210.0 GPa，泊松比為0.3，假體柄、大粗隆板為鈦合金，彈性模量為110.0 GPa，泊松比為0.3。

圖3 半髖假體裝配效果圖。(a)后面觀(guān);(b)內(nèi)側(cè)面觀(guān);(c)外側(cè)面觀(guān);(d)前面觀(guān)Fig.3 Assembly of the new developed semi-arthroplasty prosthesis system in the case suffered unstable transtrochanteric fractures of the femur.(a)Posterior view;(b) Medial view;(c) Lateral view;(d)Anterior view

圖4 股骨近端與假體柄組合體有限元網(wǎng)格劃分。(a)后面觀(guān);(b)內(nèi)側(cè)面觀(guān)Fig.4 The finite element models of the proximal femur inserted with the new developed femoral stem.(a)Posterior view;(b)Medial view

1.2.6 邊界條件與計(jì)算簡(jiǎn)化

本研究中，半髖假體和股骨均假設(shè)為連續(xù)、均質(zhì)、各向同性的線(xiàn)彈性材料。另外在有限元分析中股骨遠(yuǎn)端底面作為固定端，施加三向平移和三向旋轉(zhuǎn)約束。

1.2.7 對(duì)模型進(jìn)行生物力學(xué)加載

由于股骨受力情況比較復(fù)雜，精確模擬幾乎不可能，Taylor等設(shè)計(jì)的成人在緩慢行走時(shí)，單足著地狀態(tài)下股骨的受力模型比較精確，被許多研究所采用[9-10]，本研究也采用這一簡(jiǎn)化的力學(xué)加載方式。即取相當(dāng)于體重為70 kg的成人在緩慢行走、單足著地狀態(tài)下股骨的受力模式。股骨頭傳遞的關(guān)節(jié)力J=1588 N，臀肌肌群肌力 N=1039 N，骼脛束肌力R=169 N。作用點(diǎn)和受力方向如圖5所示，其中 θ=29.5°，φ =24.4°，R 力方向垂直向下。

表2 考慮骨質(zhì)疏松情況的股骨彈性模量Tab.2 Elastic modulus of the femur with osteoporosis

圖5 施加股骨近端生物力學(xué)荷載Fig.5 The pattern of biomechanical loading on the proximal femur

2 結(jié)果

骨質(zhì)疏松股骨植入假體后的各節(jié)點(diǎn)平均應(yīng)力云圖如圖6所示，由圖可觀(guān)察到如下現(xiàn)象：

(1)新研制的半髖假體在植入人體后，股骨-假體復(fù)合結(jié)構(gòu)體系的最大Von Mises應(yīng)力發(fā)生在假體柄上，而股骨的應(yīng)力主要由股骨粗隆部以下的骨干部所承擔(dān)，粗隆部骨折處無(wú)顯著應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖6 骨質(zhì)疏松股骨結(jié)果云圖假體植入股骨后Von Mises應(yīng)力分布情況。(a)假體植入股骨后Von Mises應(yīng)力分布情況;(b)股骨外側(cè)皮質(zhì)Von Mises應(yīng)力分布;(c)股骨內(nèi)側(cè)棱槽接觸面應(yīng)力分布(從觀(guān)察點(diǎn)a)Fig.6 Von Mises stress nephogram of the femur with osteoporosis and inserted with the new developed stem.(a) Von Mises stress distribution after implantation of the stem;(b) Von Mises stress distribution at the lateral cortex of the femur;(c)Von Mises stress distribution at the slots inside the femur(from the point a)

(2)由圖6(c)可見(jiàn)，新研制的半髖假體系統(tǒng)的棱槽設(shè)計(jì)在骨質(zhì)疏松股骨中所起的固定作用顯然非常重要，由于彈性模量變小，假體棱邊與股骨內(nèi)側(cè)骨質(zhì)的接觸凹槽部位成為主要傳力途徑，但由于假體棱邊有擴(kuò)大接觸面積的作用，在兩者接觸位置并未出現(xiàn)應(yīng)力過(guò)大現(xiàn)象。

(3)根據(jù)本研究需要，為進(jìn)一步分析臨床所關(guān)心各個(gè)關(guān)鍵部位的最大應(yīng)力分布情況，在借鑒以往文獻(xiàn)[11]的區(qū)域劃分方式的基礎(chǔ)上，將股骨近端劃分為Ⅰ～Ⅵ等6個(gè)區(qū)域，并將每個(gè)分區(qū)沿軸長(zhǎng)方向等分為若干子區(qū)間，取子區(qū)間最大Von Mises應(yīng)力值連線(xiàn)作最大應(yīng)力包絡(luò)曲線(xiàn)，如圖7所示。在圖7中，位于假想中軸左側(cè)的Ⅰ區(qū)用于代表小粗隆區(qū)塊，Ⅱ區(qū)代表股骨干內(nèi)側(cè)與假體柄接觸部位，Ⅲ區(qū)代表股骨干內(nèi)側(cè)假體柄以遠(yuǎn)部位，位于假想中軸右側(cè)的Ⅳ區(qū)用于代表大粗隆區(qū)塊，Ⅴ區(qū)代表股骨干外側(cè)與假體柄接觸部位，Ⅵ區(qū)代表股骨干外側(cè)假體柄以遠(yuǎn)部位，表明植入假體的股骨近端在加載負(fù)荷后的接觸應(yīng)力分布趨勢(shì)，是由各分區(qū)細(xì)分后計(jì)算所得的Von Mises應(yīng)力峰值連線(xiàn)。為對(duì)比這些區(qū)塊中的平均最大應(yīng)力水平，對(duì)通過(guò)最大應(yīng)力包絡(luò)曲線(xiàn)取平均值可得表3，可見(jiàn)施加負(fù)荷后假體柄主要依靠粗隆部以下獲得穩(wěn)定，大、小粗隆部骨折處所承受的應(yīng)力相對(duì)較低。

3 討論

臨床上，老年不穩(wěn)定型股骨粗隆間骨折很常見(jiàn)，骨質(zhì)疏松明顯，骨折呈粉碎狀，處理棘手，現(xiàn)有的內(nèi)固定手術(shù)后并發(fā)癥多，近年來(lái)針對(duì)高齡老人股骨粗隆間骨折進(jìn)行人工股骨頭置換的報(bào)道逐漸增多，越來(lái)越多的學(xué)者認(rèn)識(shí)到人工股骨頭置換治療老年骨質(zhì)疏松患者的不穩(wěn)定型股骨粗隆間骨折，能迅速恢復(fù)患肢功能，減少患者的臥床時(shí)間，避免髖內(nèi)翻畸形、內(nèi)固定松動(dòng)、折斷、切割股骨頭等并發(fā)癥的發(fā)生。手術(shù)主要采用骨水泥固定型人工關(guān)節(jié)，多數(shù)患者的粗隆部骨質(zhì)無(wú)法保留，以類(lèi)似腫瘤假體置換的形式犧牲局部的骨質(zhì)。如果采用非骨水泥固定型人工關(guān)節(jié)，因?yàn)槿狈︶槍?duì)性的骨折假體，術(shù)者難以固定骨折的碎塊，無(wú)法獲得滿(mǎn)意的復(fù)位與假體附著，對(duì)術(shù)后的功能鍛煉及髖外展肌功能修復(fù)產(chǎn)生不利影響，同時(shí)也可能影響人工關(guān)節(jié)的使用壽命。因此迫切需要設(shè)計(jì)一款適用于上述骨折的人工關(guān)節(jié)假體，以方便術(shù)者操作，使之形成規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的手術(shù)操作流程。這無(wú)論在醫(yī)學(xué)實(shí)踐上以及社會(huì)效益上均有巨大意義。

本研究采用64層螺旋CT對(duì)活體股骨進(jìn)行薄層掃描，層厚為0.4 mm，間距為0.4 mm，數(shù)據(jù)采集更加精確，減少數(shù)據(jù)丟失。利用Mimics軟件直接讀取DICOM格式數(shù)據(jù)，并且可以通過(guò)CT值進(jìn)行圖像處理，避免了DICOM格式文件轉(zhuǎn)化為其他格式過(guò)程中的精度損失，用CT值為依據(jù)進(jìn)行圖像處理較利用圖像灰度進(jìn)行處理更為科學(xué)，將人體內(nèi)層松質(zhì)骨到外層皮質(zhì)骨，按10級(jí)灰度賦值建立有限元模型，使其力學(xué)特性更接近人體的真實(shí)情況，模擬更準(zhǔn)確。El'Sheikh等認(rèn)為將皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨看作分布均勻且各向同性體材料進(jìn)行分析，對(duì)結(jié)果影響不大，而且明顯簡(jiǎn)化了運(yùn)算[12]。將對(duì)肌肉、韌帶對(duì)股骨的影響也進(jìn)行近似處理。為了模擬骨質(zhì)疏松骨的特性，將彈性模量做了調(diào)整，得出假體在老年骨質(zhì)疏松骨中真實(shí)的受力情況。

圖7 股骨近端分區(qū)等效應(yīng)力分布圖Fig.7 Graph of Von Mises stress distribution in proximal femoral regions

表3 股骨近端各區(qū)最大平均應(yīng)力值Tab.3 Max.average stress in proximal femoral regions

本研究的假體柄以北京力達(dá)康有限公司的福瑟柄為基礎(chǔ)加以設(shè)計(jì)改進(jìn)，利用老年人粗隆下骨質(zhì)相對(duì)健康部位(尤其是股骨峽部)為假體柄提供有效的生物固定，假體柄中遠(yuǎn)段呈圓柱形，有對(duì)稱(chēng)的縱行8棱槽設(shè)計(jì)，可以嵌入骨質(zhì)，獲得即刻的機(jī)械穩(wěn)定性，并且有較好的抗旋轉(zhuǎn)能力，大粗隆板為解剖包容設(shè)計(jì)，與假體柄肩部的擋板設(shè)計(jì)共同形成對(duì)大粗隆部位骨折的夾持固定，同時(shí)捆綁鈦纜穿過(guò)外展肌深面而產(chǎn)生張力帶效應(yīng)也能有效防止大粗隆骨折塊的移位。大粗隆板、鈦纜及鎖定鈕以板纜系統(tǒng)的形式對(duì)粗隆部骨折進(jìn)行捆綁固定，保存局部骨量，重建股骨粗隆部的穩(wěn)定性。

假體為通用型，假體柄直徑以1 mm級(jí)差遞增，從9 mm增加至13 mm，相應(yīng)柄長(zhǎng)以5 mm級(jí)差遞增，從165 mm增加至185 mm，共5個(gè)不同規(guī)格型號(hào)的假體以適應(yīng)患者的股骨個(gè)體差異。手術(shù)中使用股骨髓腔銼由小到大打壓骨松質(zhì)擴(kuò)大股骨髓腔至接近骨皮質(zhì)，此時(shí)術(shù)者通過(guò)經(jīng)驗(yàn)感覺(jué)假體比較穩(wěn)定，最后使用的髓腔銼型號(hào)即為所需的假體型號(hào)，有限元模擬的就是最終植入的假體在股骨髓腔內(nèi)的受力狀態(tài)。

通過(guò)應(yīng)力云圖和各個(gè)區(qū)段的平均最大應(yīng)力水平不難發(fā)現(xiàn)，新研制的半髖假體植入股骨后，應(yīng)力傳導(dǎo)主要沿內(nèi)、外側(cè)皮質(zhì)傳導(dǎo)，從近端向遠(yuǎn)端逐漸升高約在中下1/3處應(yīng)力逐漸下降，應(yīng)力最高處在股骨內(nèi)側(cè)，股骨內(nèi)側(cè)應(yīng)力在股骨粗隆部以下較高，在骨質(zhì)疏松的股骨其應(yīng)力因相對(duì)位移變大導(dǎo)致股骨頭荷載附加偏心距增大，因而在股骨內(nèi)側(cè)引起應(yīng)力增加，最大應(yīng)力增加幅度為18.5%。假體柄的棱槽設(shè)計(jì)在嵌入骨質(zhì)處產(chǎn)生較高的應(yīng)力，假體主要依靠粗隆部以下獲得穩(wěn)定，粗隆部骨折處所承受的應(yīng)力相對(duì)較低，產(chǎn)生此種情況的原因是股骨粗隆間骨折好發(fā)于老年骨質(zhì)疏松患者，在粗隆部皮質(zhì)菲薄，骨質(zhì)稀疏，而峽部以下骨質(zhì)相對(duì)健康，在擴(kuò)髓和假體植入時(shí)粗隆部的疏松骨獲得打壓緊密。因此，新研制的半髖假體實(shí)際上屬于遠(yuǎn)段生物固定型假體，可以有效滿(mǎn)足人體負(fù)重狀態(tài)下的力學(xué)要求，不易造成粗隆部骨折的分離和假體失穩(wěn)。新鮮冷凍尸體骨標(biāo)本模擬A2.2型股骨粗隆間骨折，植入裝配本研究的半髖假體系統(tǒng)后進(jìn)行力學(xué)測(cè)試(委托上海交通大學(xué)測(cè)試)，如圖8所示，抗壓力度達(dá)到2000 N，試樣未失效，抗扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的最大扭矩為15.56 Nm，與國(guó)外報(bào)告接近，證實(shí)了有限元分析的結(jié)果。如果手術(shù)中將骨折良好復(fù)位，使用大粗隆板和鈦纜將其捆綁固定，借助近端粗隆部假體表面微孔涂層設(shè)計(jì)可以獲得有效的骨長(zhǎng)入、保存局部骨量的目的。

4 結(jié)論

圖8 半髖假體植入尸體骨標(biāo)本后進(jìn)行力學(xué)測(cè)試。(a)新鮮冷凍老年尸體股骨近段骨標(biāo)本;(b)模擬制作A2.2型股骨粗隆間骨折;(c)在美國(guó)ShoreWestern301.610 kN力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測(cè)試Fig.8 Biomechanical test after implantation of the new semi-arthroplasty prosthesis into the bone specimens.(a)Fresh frozen bone specimens of the proximal femur;(b)Simulating A2.2 Type of trans-trochanteric fractures of the femur in AO classification system;(c) Loading on the ShoreWestern301.610 kN mechanical testing machine made in USA

對(duì)于老年骨質(zhì)疏松患者，新研制的股骨粗隆間骨折半髖假體屬遠(yuǎn)段生物固定型假體，符合股骨粗隆間骨折治療的要求，不易導(dǎo)致骨折分離和假體失穩(wěn)，可以有效保存粗隆部骨量。

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