伍海昭 金乾坤 洪正華

人工髖關(guān)節(jié)被認(rèn)為是上世紀(jì)90年代最成功的手術(shù)方式之一，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于終末期髖骨關(guān)節(jié)病的治療。然而人工髖關(guān)節(jié)摩擦界面的磨損一直困擾著臨床醫(yī)生和科研工作者[1]。雖然材料科學(xué)突飛猛進(jìn)，大大降低了人工髖關(guān)節(jié)摩擦界面的磨損，提高了假體使用時(shí)間[2-3]，但是患者的體重、人工關(guān)節(jié)假體的角度、人工關(guān)節(jié)的活動(dòng)程度、髖關(guān)節(jié)周圍力學(xué)分布等均會(huì)影響假體的使用時(shí)間[4]。骨盆異常旋轉(zhuǎn)是影響髖關(guān)節(jié)周圍力學(xué)分布的重要因素。有學(xué)者對(duì)骨盆矢狀位畸形的患者行人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后從坐位到站立位時(shí)逆向動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)髖關(guān)節(jié)周圍應(yīng)力分布和肌群做功情況明顯異常[5-6]。對(duì)于老齡患者來(lái)說(shuō)，髖關(guān)節(jié)疾病經(jīng)常和脊柱疾病合并存在，從而導(dǎo)致骨盆不同程度的異常旋轉(zhuǎn)[7-8]。因此,對(duì)這類患者在行人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)時(shí)需要關(guān)注骨盆的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)對(duì)假體摩擦界面的影響。本研究應(yīng)用有限元分析的方法[9-10]，模擬不同角度骨盆矢狀位旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，人工髖關(guān)節(jié)假體摩擦界面靜態(tài)生物力學(xué)的變化。同時(shí)模擬參照人體冠狀位安裝髖臼假體，來(lái)觀察摩擦界面力學(xué)分布和髖臼假體對(duì)股骨頭前方的覆蓋情況，現(xiàn)報(bào)道如下。

1 對(duì)象和方法

1.1 對(duì)象 選擇1位健康成年女性志愿者，年齡52歲，體重70 kg，骨密度（雙能DXA）-1.2 SD。該志愿者否認(rèn)脊柱、骨盆、髖部疾病及手術(shù)史。本研究經(jīng)浙江省臺(tái)州醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)審查通過(guò)，告知志愿者相關(guān)研究?jī)?nèi)容并獲得其知情同意。

1.2 方法

1.2.1 建立5種模型 本研究髖臼假體安裝時(shí)前傾參照身體冠狀面（functional pelvic plane，F(xiàn)PP）或骨盆冠狀面（anterior pelvic plane，APP），并將矢狀位旋轉(zhuǎn)角度設(shè)為后旋 0°、10°、20°，共建立以下 5 種模型。模型 a：骨盆中立，矢狀位沒(méi)有前后旋（本研究中稱后旋0°，此時(shí)APP等同于FPP），參照APP或FPP前傾20°安裝髖臼假體；b：骨盆圍繞雙側(cè)股骨頭后旋10°，參照FPP前傾20°安裝髖臼假體；模型c：骨盆圍繞雙側(cè)股骨頭后旋10°，參照APP前傾20°安裝髖臼假體；模型d：骨盆圍繞雙側(cè)股骨頭后旋20°，參照FPP前傾20°安裝髖臼假體；模型e：骨盆圍繞雙側(cè)股骨頭后旋20°，參照APP前傾20°安裝髖臼假體，見(jiàn)圖1（插頁(yè)）。將5種模型在Geomagic和Solidworks軟件中處理后，在ANSYS軟件中賦值運(yùn)算，并進(jìn)行應(yīng)力分析。

圖1 a、b、c、d、e 5 種模型示意圖

1.2.2 建模步驟 囑志愿者仰臥于掃描床上（型號(hào)：LightSpeed VCT 64排，美國(guó)GE公司），雙下肢保持外展中立位，沿橫斷面對(duì)其骨盆及股骨上1/3進(jìn)行掃描。將輸出后的數(shù)據(jù)以DICOM格式保存并刻錄 DVD光盤。將原數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics軟件（比利時(shí)Materialise公司），進(jìn)行圖像分割、手工編輯、區(qū)域填充。初步建立骨盆和雙側(cè)髖關(guān)節(jié)的骨骼3D模型（圖2a，見(jiàn)插頁(yè)），然后對(duì)3D模型進(jìn)行優(yōu)化光滑處理，對(duì)變形或者不合理的輪廓進(jìn)行編輯。將Geomagic軟件（美國(guó)Raindrop公司）生成的骨骼假體實(shí)體模型導(dǎo)入Solidworks軟件（法國(guó)Dassault Systemes公司）中，使用工程圖功能將骨盆+雙側(cè)髖關(guān)節(jié)模型與假體模型進(jìn)行裝配，調(diào)整至站立狀態(tài)，形成裝配體模型（圖2b，見(jiàn)插頁(yè)），并保存文件。將Solidworks中生成的三維實(shí)體模型（圖2c，見(jiàn)插頁(yè)）導(dǎo)入到 ANSYS軟件（美國(guó) ANSYS公司）中，建立 Static Structural分析類型，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立有限元模型（圖2d，見(jiàn)插頁(yè)）。根據(jù)材料庫(kù)中的盆骨、股骨、假體等材料屬性參數(shù)，直接賦值，材料彈性模量和泊松比見(jiàn)表1。設(shè)置接觸類型均為Bonded。最后整體固定，設(shè)置邊界條件和載荷（垂直加載700 N）（圖2e，見(jiàn)插頁(yè)），并進(jìn)行模型的有效性驗(yàn)證。

圖2 建模步驟（a：限定閾值后的CT圖像及3D渲染模型；b：左側(cè)人工全髖關(guān)節(jié)與骨盆的裝配體模型；c：Solidworks軟件中形成的三維模型；d：左側(cè)人工全髖關(guān)節(jié)與骨盆的有限元模型；e：整體固定，設(shè)置邊界條件和載荷圖）

表1 材料彈性模量和泊松比

1.3 觀察指標(biāo) （1）髖臼假體內(nèi)襯內(nèi)表面應(yīng)力：不同模型，在相同載荷下測(cè)量人工髖關(guān)節(jié)髖臼假體內(nèi)表面的應(yīng)力分布情況；（2）股骨頭外表面的應(yīng)力：不同模型，在相同載荷下測(cè)量人工髖關(guān)節(jié)股骨頭假體外表面的應(yīng)力分布情況；（3）髖臼假體對(duì)股骨頭前方的覆蓋：本文通過(guò)測(cè)量不同模型股骨頭前方的裸露面積來(lái)反映髖臼假體對(duì)股骨頭前方的覆蓋，即裸露面積越大，覆蓋面積越小。

2 結(jié)果

2.1 參照APP和FPP安裝髖臼假體前傾角時(shí)內(nèi)襯內(nèi)表面和股骨頭外表面的應(yīng)力 參照APP安裝髖臼假體前傾角，骨盆矢狀位后旋 0°、10°、20°，髖臼內(nèi)襯內(nèi)表面的應(yīng)力最大值分別為3.40、6.18和12.23 MPa（圖3，見(jiàn)插頁(yè)），股骨頭外表面的應(yīng)力最大值分別為65.20、117.52、124.94 MPa（圖4，見(jiàn)插頁(yè)）。參照 FPP安裝髖臼前傾角，骨盆矢狀位后旋 0°、10°、20°，髖臼內(nèi)襯內(nèi)表面的應(yīng)力最大值分別為3.40、3.70和6.00 MPa（圖5，見(jiàn)插頁(yè)），股骨頭外表面的應(yīng)力最大值分別為65.20、100.76和 104.37 MPa（圖6，見(jiàn)插頁(yè)）。

圖3 參照骨盆冠狀面安裝髖臼前傾角，骨盆矢狀位后旋0°、10°、20°，內(nèi)襯內(nèi)表面應(yīng)力分布云圖（a：骨盆矢狀位后旋0°；b：骨盆矢狀位后旋 10°；c：骨盆矢狀位后旋 20°）

圖4 參照骨盆冠狀面安裝髖臼前傾角，骨盆矢狀位后旋0°、10°、20°，股骨頭外表面應(yīng)力分布云圖（a：骨盆矢狀位后旋0°；b：骨盆矢狀位后旋 10°；c：骨盆矢狀位后旋 20°）

圖5 參照身體冠狀面安裝髖臼前傾角，骨盆矢狀位后旋0°、10°、20°，內(nèi)襯內(nèi)表面應(yīng)力分布云圖（a：骨盆矢狀位后旋0°；b：骨盆矢狀位后旋 10°；c：骨盆矢狀位后旋 20°）

圖6 參照身體冠狀面安裝髖臼前傾角，骨盆矢狀位后旋0°、10°、20°，股骨頭外表面應(yīng)力分布云圖（a：骨盆矢狀位后旋0°；b：骨盆矢狀位后旋 10°；c：骨盆矢狀位后旋 20°）

2.2 參照APP和FPP安裝髖臼假體前傾角時(shí)髖臼假體對(duì)股骨頭前方的覆蓋 參照APP安裝髖臼假體前傾角，骨盆矢狀位后旋 0°、10°、20°，股骨頭前方的裸露面積也發(fā)生變化，裸露面積分別為570.75、589.00和603.79 mm2（圖7，見(jiàn)插頁(yè)）；參照FPP安裝髖臼假體前傾角，骨盆后旋 0°、10°、20°，股骨頭前方的裸露面積均為570.75 mm2（圖8，見(jiàn)插頁(yè)）。

圖7 參照骨盆冠狀面安裝髖臼假體前傾角，骨盆矢狀位后旋0°、10°、20°，髖臼假體對(duì)股骨頭前方的覆蓋面積發(fā)生變化（a：骨盆矢狀位后旋 0°；b：骨盆矢狀位后旋 10°；c：骨盆矢狀位后旋 20°）

圖8 參照身體冠狀面安裝髖臼假體前傾角，骨盆矢狀位后旋0°、10°、20°，股骨頭裸露面積沒(méi)有發(fā)生變化（a：骨盆矢狀位后旋0°；b：骨盆矢狀位后旋 10°；c：骨盆矢狀位后旋 20°）

3 討論

3.1 骨盆旋轉(zhuǎn)對(duì)人工關(guān)節(jié)摩擦界面的影響 正常人隨著體位的變化骨盆會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，而脊柱和髖關(guān)節(jié)疾病也會(huì)引起骨盆的異常旋轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)障礙。近年來(lái)的研究表明人工髖關(guān)節(jié)的晚期脫位與骨盆的異常旋轉(zhuǎn)有關(guān)[11]，同時(shí)研究者也開(kāi)始關(guān)注骨盆異常旋轉(zhuǎn)對(duì)人工髖關(guān)節(jié)摩擦界面的影響[12]。

骨盆的異常旋轉(zhuǎn)主要有矢狀位前旋（前傾）、后旋（后傾）和旋轉(zhuǎn)障礙，冠狀位的傾斜和軸向的異常旋轉(zhuǎn)。在臨床中發(fā)現(xiàn)，由髖關(guān)節(jié)疾病本身引起的疼痛、關(guān)節(jié)屈曲攣縮，往往會(huì)引起骨盆的前旋。這類患者行人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后，由于恢復(fù)了髖關(guān)節(jié)的活動(dòng)度、緩解了疼痛，骨盆的前旋明顯改善，甚至基本消失。而另外一些患者，常常伴有腰椎退變性疾病，腰椎的前凸減小，甚至出現(xiàn)后凸，而且腰椎的活動(dòng)度也減小。由此引發(fā)骨盆的矢狀位后旋和旋轉(zhuǎn)受限較多見(jiàn)，如果術(shù)中安裝假體時(shí)不予考量，術(shù)后會(huì)出現(xiàn)摩擦界面應(yīng)力分布異常，甚至?xí)霈F(xiàn)關(guān)節(jié)不穩(wěn)[13-15]。

3.2 不同參照平面安裝髖臼假體時(shí)假體內(nèi)襯和股骨頭的應(yīng)力分布 本研究模仿人日常的站立位的狀態(tài)。建立了骨盆矢狀位后旋0°、10°、20°3種狀態(tài)下的模型，垂直加載700 N的應(yīng)力，分析人工髖關(guān)節(jié)假體摩擦界面應(yīng)力分布情況。在有限元模型中，不同模型各個(gè)部件應(yīng)力分布均有不同，本研究只對(duì)不同模型的股骨頭外表面和內(nèi)襯內(nèi)表面的應(yīng)力分布予以分析，以此來(lái)說(shuō)明骨盆旋轉(zhuǎn)對(duì)人工全髖關(guān)節(jié)摩擦界面應(yīng)力的影響。

本研究的一種模型是以APP（固有骨盆前平面：兩側(cè)髂前上棘連線和恥骨聯(lián)合連成的面）為參照安裝髖臼假體的前傾角，這種模型也可以認(rèn)為是模仿術(shù)前無(wú)骨盆旋轉(zhuǎn)的患者行人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后出現(xiàn)的骨盆后傾。結(jié)果顯示髖臼假體內(nèi)襯內(nèi)表面、股骨頭外表面最大應(yīng)力依次增加。表明骨盆越后旋，假體的摩擦界面受到的應(yīng)力越不利，可能會(huì)影響假體的生存時(shí)間[14]。本研究中髖臼假體內(nèi)襯為高分子聚乙烯，彈性模量小，而股骨頭為陶瓷假體，彈性模量較大，因此在同樣的載荷下，在同一個(gè)接觸面應(yīng)力分布明顯不同。

本研究另外一種模型，即在骨盆 0°、10°、20°矢狀位后旋狀態(tài)下參照FPP（即身體的功能性平面）安裝髖臼假體前傾角。同樣加載700 N的垂直應(yīng)力，分析假體的應(yīng)力分布。顯示髖臼假體內(nèi)襯內(nèi)表面、股骨頭外表面應(yīng)力分布均較均勻，最大應(yīng)力變化相對(duì)小。因此筆者認(rèn)為參照站立位FPP安裝髖臼假體的前傾角更有優(yōu)越性。

3.3 不同參照平面安裝髖臼假體時(shí)假體對(duì)股骨頭前方的覆蓋面積 本研究對(duì)不同角度的骨盆矢狀位旋轉(zhuǎn)時(shí)，髖臼假體對(duì)股骨頭前方的覆蓋進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)骨盆矢狀位后旋 0°、10°、20°，髖臼假體隨著骨盆的旋轉(zhuǎn)，前傾和外展發(fā)生變化，導(dǎo)致股骨頭前方的裸露面積不斷增大，髖臼假體對(duì)股骨頭前方的覆蓋不斷減少，從而增加人工髖關(guān)節(jié)不穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。而參照FPP安裝髖臼假體前傾角時(shí)，由于考慮了站立位時(shí)骨盆的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，髖臼假體始終與站立位時(shí)的骨盆位置保持相對(duì)固定的角度，所以股骨頭前方的裸露面積并沒(méi)有增大。因此，筆者認(rèn)為參照站立位FPP安裝髖臼假體的前傾角，不穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)更小。

綜上所述，骨盆矢狀位旋轉(zhuǎn)會(huì)影響人工髖關(guān)節(jié)假體摩擦界面的應(yīng)力分布，也會(huì)影響髖臼假體對(duì)股骨頭前后方的覆蓋，參照FPP安裝髖臼假體的前傾角對(duì)假體摩擦界面的影響較小。術(shù)中如何更好的參照FPP有待進(jìn)一步探討。本研究局限性：（1）本研究建立的模型是健康人，對(duì)于不同的患者來(lái)說(shuō)，由于病理改變不同，可能會(huì)有不同的結(jié)果：（2）有限元分析可能會(huì)和在體的結(jié)論不一致；（3）本研究只分析站立位狀態(tài)下應(yīng)力分析，而人體的功能狀態(tài)多樣，因此有一定的局限性；（4）本研究只分析髖臼假體的前傾，未分析股骨假體的前傾，而股骨假體的前傾也會(huì)對(duì)人工髖關(guān)節(jié)摩擦界面產(chǎn)生影響，因此有一定的局限性。