老年人股骨頸骨折股骨頭置換術(shù)中短柄假體的有限元分析

呂大偉，蘇 琴，姚詠明，趙曉東

股骨頸骨折在老年骨質(zhì)疏松患者中發(fā)病率高，并發(fā)癥多。外科治療常采用內(nèi)固定術(shù)和關(guān)節(jié)置換術(shù)［1］。關(guān)節(jié)置換手術(shù)包括:股骨頭置換術(shù)和全髖置換術(shù)。隨著技術(shù)的成熟，對老年人股骨頸骨折患者使用人工關(guān)節(jié)置換術(shù)已經(jīng)普遍被醫(yī)生及患者所接受。同時(shí)，老年患者體質(zhì)虛弱，縮短手術(shù)時(shí)間、減小手術(shù)打擊仍是此類人群實(shí)施關(guān)節(jié)置換術(shù)中需要考慮的重要問題［2］。

根據(jù)Wittenberg等［3］相關(guān)研究顯示，對于老年人(平均年齡＞60歲)身體條件差、活動量小、預(yù)期壽命短、不能耐受較大手術(shù)者，可考慮行人工股骨頭置換。理由是:創(chuàng)傷小、出血少、對身體儲備功能要求低;與全髖關(guān)節(jié)置換相比，存在關(guān)節(jié)功能較差、二期翻修率較高的缺點(diǎn)。同樣，短柄假體可減少手術(shù)創(chuàng)傷，在滿足力學(xué)穩(wěn)定性和關(guān)節(jié)功能的情況下應(yīng)作為首選，以下利用有限元的方法對短柄股骨假體進(jìn)行生物力學(xué)分析。

材料與方法

1 主要儀器與設(shè)備

1.1 實(shí)驗(yàn)材料 該模型使用層間距為0．5mm的CT圖片，共895張。

1.2 主要設(shè)備 計(jì)算機(jī)基本配置:CPU Pentium IV/2．4G;內(nèi)存2G;硬盤80G;顯存64MB。

1.3 相關(guān)軟件 Ansys 5．7、Geomagic8．0。

1.4 中空多孔髖關(guān)節(jié)假體參數(shù) 幾何參數(shù)及材料力學(xué)參數(shù)由北京百慕航材高科技股份有限公司提供。

1.5 股骨材料參數(shù) 股骨上部為由松質(zhì)骨和皮質(zhì)骨組成的線彈性材料，松質(zhì)骨彈性模量為300MPa，泊松比為0．29;皮質(zhì)骨彈性模量為17．6GPa，泊松比為0．29［4］。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 股骨三維有限元模型的建立 對股骨CT圖像的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，應(yīng)用Geomagic8．0優(yōu)化幾何模型，股骨NURBS曲面重建構(gòu)建人股骨全長的計(jì)算機(jī)三維圖形。通過ANSYS與CAD系統(tǒng)的接口將其輸入ANSYS 5．7，獲得股骨的三維有限元模型，利用solid45單元［5］進(jìn)行分網(wǎng)建模(圖1)。

圖1 利用solid45單元進(jìn)行分網(wǎng)建模

2.2 股骨短柄假體有限元模型的建立(圖2)

圖2 股骨假體柄160mm，短柄假體柄80mm

2.3 假體植入后的有限元模型 強(qiáng)度分析采用屈服強(qiáng)度理論，股骨短柄假體植入后的耦合分析采用節(jié)點(diǎn)位移耦合法。假體受力環(huán)境模擬體重60kg的成人單足站立時(shí)的負(fù)荷(3倍體重、1800N)，自股骨頭負(fù)重區(qū)所在節(jié)點(diǎn)位置沿法線方向施加載荷，指向股骨頭的中心，與股骨干的長軸成25°夾角［4］。

2.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理 采集股骨假體以及短柄假體對應(yīng)節(jié)點(diǎn)mises應(yīng)力，使用Microsoft Excel 2000軟件包進(jìn)行分析對比。

結(jié) 果

1 受力分布圖(圖3、4)

圖3 股骨假體及周圍骨質(zhì)mises應(yīng)力正面觀

圖4 短柄假體及周圍骨質(zhì)mises應(yīng)力正面觀

2 短柄假體應(yīng)力分布的改變

股骨假體張力側(cè)最大mises應(yīng)力為382．525 MPa，壓力側(cè)最大mises應(yīng)力為361．089 MPa;短柄假體張力側(cè)受力減小，最大mises應(yīng)力為62．501MPa;壓力側(cè)最大mises應(yīng)力為43．933MPa;傳導(dǎo)模式未見明顯變化。鈦合金的屈服強(qiáng)度為896MPa，3倍體重單次受力不會造成鈦金屬材料的屈服。

討 論

髖關(guān)節(jié)置換術(shù)應(yīng)用范圍廣泛，在創(chuàng)傷、骨性關(guān)節(jié)炎、病理性骨破壞的治療中為了重建關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)、最大限度恢復(fù)關(guān)節(jié)功能，都會考慮實(shí)施關(guān)節(jié)置換手術(shù)。回顧該手術(shù)模式的發(fā)展史，從最早應(yīng)用在解決高齡患者站立行走的基本需求，逐漸應(yīng)用于滿足年輕患者的高體力活動要求。隨著生活質(zhì)量的提高和預(yù)期壽命的延長，老年患者逐漸增加，對關(guān)節(jié)置換術(shù)提出了更高的要求［6-7］。

有限元方法應(yīng)用于醫(yī)療器械的力學(xué)性能評價(jià)及優(yōu)化設(shè)計(jì)已有40年歷史，模擬實(shí)驗(yàn)具有時(shí)間短、費(fèi)用少、可模擬復(fù)雜條件、力學(xué)性能測試全面以及可重復(fù)實(shí)驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn)。國內(nèi)外相關(guān)研究包括Viceconti等［8］關(guān)于解剖性假體初期穩(wěn)定的影響因素評估，對于假體柄設(shè)計(jì)、患者骨質(zhì)質(zhì)量、骨質(zhì)與假體間空隙、體重以及假體型號等因素進(jìn)行綜合考慮，結(jié)合體外實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，分析假體不穩(wěn)中各種不利因素的作用;Sakai等［9］也對生物固定型股骨假體柄力學(xué)性能研究，引入“微動區(qū)”來考量假體植入后的初期穩(wěn)定性，提出了各種類型股骨柄在植入后的固定區(qū)域及需要修正的問題。

結(jié)合本實(shí)驗(yàn)結(jié)果，縮短股骨假體柄可降低最大mises應(yīng)力，在保證穩(wěn)定性的前提下，也可減少手術(shù)創(chuàng)傷、縮短手術(shù)時(shí)間，已得到進(jìn)一步研究的支持和臨床實(shí)踐的佐證。

［1］陳述祥，陳彥東，劉紅光，等．老年人髖部骨折內(nèi)固定與人工關(guān)節(jié)置換術(shù)危險(xiǎn)性的比較［J］．中國矯形外科雜志，2010，18(20):1737-1739．

［2］張衛(wèi)．人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)與骨折內(nèi)固定術(shù)治療老年股骨頸骨折的對比分析［J］．醫(yī)藥論壇雜志，2009，30(11):15-18．

［3］Wittenberg RH，Steffen R，Windhagen H，et al．Five-year results of a cementless short-hip-stem prosthesis［J］．Orthop Rev，2013，5(1):16-22．

［4］David V．Hutton，武建華．Fundamentals of finite element analysis［M］．重慶:重慶大學(xué)出版社，2007:53-56．

［5］Parker MJ，Rajan D．Arthroplasties(with and without bone cement)for proximal femoral fractures in adults［J］．Cochrane Database Syst Rev，2001，(3):CD001706．

［6］Paul T，Burgers P．Total hip arthroplasty versus hemiarthroplasty for displaced femoral neck fractures in the healthy elderly:a meta-analysis and systematic review of randomized trials［J］．Clin Orthop Relat Res，2012，470(8):2235-2243．

［7］陶祖萊．生物力學(xué)導(dǎo)論［M］．天津:天津科技翻譯出版公司，2000:87-88．

［8］Viceconti M，Brusi G，Pancanti A，et al．Primary stability of an anatomical cementless hip stem:a statistical analysis［J］．J Biomech，2006，39(7):1169-1179．

［9］Sakai R，Itoman M，Mabuchi K．Assessments of different kinds of stems by experiments and FEM analysis:appropriate stress distribution on a hip prosthesis［J］．Clin Biomech，2006，21(8):826-833．