許 瀚，許 鴻，呂 波，趙永正，周 鑫

(1.成都體育學(xué)院，四川 成都 610041；2.四川省廣漢市骨科醫(yī)院骨科，四川 廣漢 618400；3.四川省醫(yī)學(xué)科學(xué)院·四川省人民醫(yī)院骨科，四川 成都 610072；4.四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610064)

發(fā)育性髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良(development dysplasia of the hip，DDH)是一種較常見的髖關(guān)節(jié)疾病，成人DDH多因兒童時(shí)期漏診、延誤治療或治療不當(dāng)所致。成人DDH的手術(shù)治療通常采取人工全髖關(guān)節(jié)置換(total hip arthroplasty，THA)，但鑒于成人DDH的髖關(guān)節(jié)疼痛及行走受限等癥狀加重年齡具有年輕化趨勢(shì)，使得術(shù)者對(duì)人工髖關(guān)節(jié)置換假體的壽命有更高的要求。而成人DDH因脫位的股骨頭撞擊常導(dǎo)致髖臼邊緣大量骨缺損，常伴有髖臼解剖學(xué)結(jié)構(gòu)形態(tài)改變，通常需行結(jié)構(gòu)性植骨，臨床中常用的3種結(jié)構(gòu)性植骨固定方式為：雙螺釘固定、單重建鋼板固定和螺釘+重建鋼板固定。三種手術(shù)設(shè)計(jì)存在較大爭(zhēng)議，手術(shù)難度大，效果欠滿意，術(shù)后并發(fā)癥較多，失敗率較高，是成人DDH的治療的技術(shù)難題。本研究利用有限元分析方法，重建骨盆有限元模型，模擬DDH患者髖臼邊緣負(fù)重區(qū)骨缺損模型和假體及墊塊的安裝，賦予骨和假體彈性模量和泊松比等材料屬性參數(shù)，根據(jù)生物力線給予一定的力學(xué)加載，從理論上分析不同缺損和固定狀態(tài)下的骨與假體等部位的應(yīng)力狀態(tài)。

1 材料與方法

1.1 一般資料采用三維有限元方法，2018年5月至2019年2月于四川大學(xué)制造工程學(xué)院先進(jìn)制造技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。選取四川省人民醫(yī)院骨科健康男性，體重60 kg，身高165 cm，CT掃描排除外傷、髖部畸形、骨壞死等影響建模因素。將志愿者髖關(guān)節(jié)和股骨CT數(shù)據(jù)作為建?；A(chǔ)，導(dǎo)入Dicom數(shù)據(jù)于醫(yī)學(xué)三維重建軟件Mimics(Materialise公司，比利時(shí))中。

1.2 骨盆模型建立分別建立股骨與骨盆的MASK完善STL三維模型所示，將所生成的STL三維模型經(jīng)Geomagic stdio (Geomagic公司，美國(guó))光滑處理及Unigraphics NX (Siemens公司，德國(guó))裝配后，生成最終骨盆模型。

1.3 髖關(guān)節(jié)有限元模型建立首先確定髖關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)中心，本研究采用Ranawat三角法確定髖關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)中心[1，2]，如圖1所示。原Ranawat三角法中的b點(diǎn)為Y軸高度的2/5處，本研究中發(fā)現(xiàn)使用該定點(diǎn)確定的旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)向內(nèi)、上偏移的誤差較大，故我們對(duì)b點(diǎn)設(shè)定進(jìn)行了改良，使確定的旋轉(zhuǎn)中心接近兩側(cè)大轉(zhuǎn)子頂點(diǎn)連線，也更接近MOSE圓法測(cè)出的股骨頭球形的中心點(diǎn)，以利于髖臼假體模型的建立。按確定的旋轉(zhuǎn)中心進(jìn)行模擬臼杯裝配，在髖臼側(cè)置入50 mm的臼杯，臼杯按照前傾角5°、外展角5°位置安裝，由于本研究模擬人體處于站立位時(shí)的受力狀態(tài)，骨盆有一定前傾角度，故將骨盆前傾角設(shè)定為10°[3～5]，裝配模型如圖2所示。

圖1 Ranawat三角髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心

圖2 裝配模型 a：裝配大體模型；b：劃分模型網(wǎng)格；c：模型的載荷與約束

1.4 內(nèi)固定模型建立內(nèi)固定方式采用三種方式，即雙螺釘固定、單重建鋼板固定和螺釘加重建鋼板固定，三種固定方式如圖3所示。THA假體由zimmer(捷邁)公司提供，CT機(jī)由廣漢市骨科醫(yī)院提供，Mimics購(gòu)買自Materialise公司、Geomagic stdio購(gòu)買自Geomagic公司、Unigraphics NX 購(gòu)買自Siemens公司、ansys 購(gòu)買自ANSYS公司。螺釘固定采用兩顆螺釘均勻分布，采用雙螺釘是為了避免單螺釘所造成的門軸效應(yīng)，從而對(duì)植骨塊及髖臼杯的穩(wěn)定產(chǎn)生影響；單鋼板固定采用截骨鋼板整個(gè)髖臼后上部及后側(cè)，鋼板兩端各使用兩個(gè)螺釘與骨盆固定；螺釘加鋼板固定鋼板的放置與單鋼板固定的方式相同，同時(shí)在植骨位置植入兩個(gè)固定螺釘，螺釘穿過鋼板與植骨，將植骨和鋼板與骨盆固定在一起。

圖3 三種固定方式及螺釘及鋼板的放置位置 a：雙螺釘固定；b：?jiǎn)武摪骞潭ǎ籧：螺釘加重建鋼板固定

1.5 材料賦值與網(wǎng)格劃分將裝配模型導(dǎo)入Ansys orkbench (ANSYS公司，美國(guó))中，進(jìn)行有限元分析。首先對(duì)模型中的材料賦值，其中，臼杯、鋼釘為不銹鋼材料，內(nèi)襯為高交聯(lián)聚乙烯材料，股骨柄鈦合金材料[6]，在壓應(yīng)力分布中，其主要作用的兩個(gè)參數(shù)為彈性模量和泊松比，主要材料賦值見表1。

表1 材料屬性[7]

在Ansys Workbench中對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分單元體類型為Quadratic Tetrahedron，采用自由網(wǎng)格劃分方法，網(wǎng)格如圖2b所示。

1.6 邊界條件模型的接觸關(guān)系包括髖臼與髖臼杯、髖臼杯與襯墊、襯墊與股骨柄頭、股骨柄與股骨松質(zhì)骨、股骨柄與股骨皮質(zhì)骨、股骨皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨、植入骨塊與髖臼杯、植入骨塊與骨盆、螺釘與植入骨塊、螺釘與鋼板、鋼板與骨盆、鋼板與螺釘以及鋼板與植入骨塊之間的接觸，其中植入骨塊與骨盆、鋼板與植入骨塊、植入骨塊與骨盆及植入骨塊與髖臼杯之間接觸設(shè)為無摩擦接觸，其余的接觸設(shè)為綁定接觸。

下肢在進(jìn)行屈伸、外展及外旋等動(dòng)作時(shí)，也與單足站立狀態(tài)下的髖關(guān)節(jié)最大接觸應(yīng)力成線性關(guān)系[8]。因此，我們采用與生理活動(dòng)狀態(tài)最相近的單足站立狀態(tài)進(jìn)行分析[9，10]，并將肌肉載荷的加載方式進(jìn)行簡(jiǎn)化[11]。模擬60 kg人單足站立，采用在股骨干下端施加600 N方向向上的載荷，在大轉(zhuǎn)子外側(cè)施加斜向上45°的載荷來模擬外展肌力，并且在骨盆上施加固定約束[12]，如圖2c所示為模型的受載荷情況。

1.7 收斂性研究為了提高結(jié)果的準(zhǔn)確性，在行實(shí)驗(yàn)前對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行敏感性分析。整個(gè)網(wǎng)格大約有190000個(gè)單元和320000個(gè)節(jié)點(diǎn)。通過單元節(jié)點(diǎn)劃分模型評(píng)估結(jié)構(gòu)的收斂性，結(jié)果表示骨與植入體與標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)最大變形之差小于4%。

1.8 觀察指標(biāo)在Ansys Workbench中模擬模型受力情況，檢測(cè)髖臼側(cè)植骨變形程度。

1.9 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法采用SPSS 19.0軟件分析數(shù)據(jù)。對(duì)每一個(gè)模型髖臼負(fù)重區(qū)植入骨塊隨機(jī)選取15個(gè)應(yīng)力點(diǎn)，記錄變形程度，計(jì)算平均變形程度及標(biāo)準(zhǔn)差，對(duì)三種固定方式結(jié)果兩兩之間進(jìn)行方差分析。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

髖臼植骨塊變形情況及應(yīng)力分布如圖4所示，具體結(jié)果見表2。在負(fù)荷情況下顯示螺釘固定組最大微變形程度為0.277 mm，單重建鋼板固定組為0.0333 mm，而螺釘加重建鋼板固定組最大變形度為0.0077 mm。本研究中，雙螺釘固定方式引起的平均變形量明顯高于單鋼板固定和螺釘-鋼板組合固定方式(P<0.01)，螺釘-鋼板組合固定方式在對(duì)平均變形量?jī)?yōu)于單鋼板固定方式(P< 0.05)。

表2 各模型植入骨塊變形程度比較 (mm)

圖4 有限元分析圖 從左向右依次為鋼板固定組、螺釘加鋼板固定組及單純螺釘固定組

3 討論

DDH繼發(fā)骨關(guān)節(jié)炎的患者在初次THA中占29%[13]。高位脫位的DDH患者，常常伴有不同程度的髖臼缺損，在過往的髖臼生物力學(xué)研究中我們發(fā)現(xiàn)，髖臼負(fù)重區(qū)是髖關(guān)節(jié)的承重部位，其負(fù)重能力受局部骨接觸面積、骨密度和強(qiáng)度、機(jī)械性穩(wěn)定性等多種因素影響，發(fā)育、創(chuàng)傷、感染、良性腫瘤和骨關(guān)節(jié)炎并發(fā)髖臼囊性變，以及醫(yī)源性因素均能導(dǎo)致髖關(guān)節(jié)尤其是負(fù)重區(qū)的缺損，而修復(fù)這些缺損常需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)植骨，以提高髖關(guān)節(jié)穩(wěn)定性、無痛尤為重要。因此，對(duì)髖臼負(fù)重區(qū)缺損的補(bǔ)救手段顯得尤為重要。

髖臼杯與髖臼、植骨塊前期的充分接觸、彼此結(jié)合是維持后期穩(wěn)定的前提。在固定初期，植骨塊尚未與缺損區(qū)域緊密結(jié)合時(shí)，最易產(chǎn)生形變及位移等對(duì)髖臼杯初始穩(wěn)定性影響的危險(xiǎn)因素。初始微形變度越大，假體與骨的整合以及骨的愈合越差，后期越容易發(fā)生髖臼杯無菌性松動(dòng)，導(dǎo)致二次翻修。

本研究通過對(duì)植入骨塊的應(yīng)力分布、變形情況進(jìn)行有限元分析，得出三種缺損情況下螺釘固定方式明顯劣于鋼板固定和螺釘加鋼板固定方式，螺釘固定方式產(chǎn)生較大的應(yīng)力和較為明顯的應(yīng)力集中，產(chǎn)生形變度遠(yuǎn)大于另外兩種固定方式，極易誘導(dǎo)髖臼內(nèi)側(cè)骨折的發(fā)生。在固定初期，患者在THA術(shù)后往往需要早期下地行功能鍛煉，此時(shí)活動(dòng)方式近似于單足站立，從平臥位到站立位，股骨側(cè)假體施加的切向力增加，植骨塊極易發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。而隨著時(shí)間推移，活動(dòng)量增大，不同活動(dòng)形式必然帶來不同方向髖臼側(cè)應(yīng)力的增加，成倍增長(zhǎng)的應(yīng)力對(duì)植入骨塊也會(huì)帶來成倍的影響，為了延緩翻修時(shí)間，單純的螺釘固定較其余兩種固定方式來說并不能更好的滿足術(shù)后穩(wěn)定的要求。

在本研究中，分析發(fā)現(xiàn)螺釘加鋼板組合固定方式相較于純鋼板固定方式，降低了植入骨塊的變形，主要原因即研究模擬人單足站立的情況髖臼力有限，當(dāng)采用螺釘加鋼板固定式，力的傳遞方式為從股骨頭傳遞至襯墊、髖臼杯、髖臼內(nèi)側(cè)、植骨骨塊然后傳遞至鋼板和螺釘，其中大部分均承載在鋼板上，螺釘受到較小的力，使螺釘加鋼板固定方式與純鋼板固定方式之間未產(chǎn)生顯著差異的原因。但就目前結(jié)果顯示，螺釘-鋼板固定方式仍為初始變形度最小的一組固定方式。

本研究的不足之處在于對(duì)髖關(guān)節(jié)周圍復(fù)雜肌肉筋膜系統(tǒng)的模擬具有一定局限性，對(duì)生物力學(xué)結(jié)果存在一定差異。此外，本研究模擬仿對(duì)骨的非均質(zhì)結(jié)構(gòu)無法精確模擬，也沒有考慮到個(gè)體差異性，需要在今后的研究中不斷完善。

通過本研究有限元的力學(xué)分析證明，髖臼邊緣負(fù)重區(qū)全缺損下，螺釘加重建鋼板固定植骨塊對(duì)THA后初始微變形程度影響最小，能夠達(dá)到有效的固定和滿足早期負(fù)重步態(tài)的要求，為后期骨長(zhǎng)入提供較好的力學(xué)環(huán)境。