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人工关节置换术的不同固定方式下的髋臼侧应力分析

戴雪松  
【摘要】: 虽然人工全髋置换术已经成为治疗晚期骨关节炎以及其他髋关节疾病或骨折的重要方法并且临床疗效良好,但是髋臼侧的问题始终存在。最常见的就是髋臼的松动,而这种松动又与髋臼假体的初始固定的稳定性有关;同时,无论骨水泥型和生物型髋臼假体的植入后,都将带来体内力学环境的改变,宿主骨受力改变的结果是出现应力集中或者应力遮挡等情况,也影响了日后假体的稳定性。在手术过程中髋臼的软骨下骨的保留与否,理论上将影响髋臼骨的应力传导和分布;而另一方面,在生物型髋臼杯的固定上,必须要达到“压配”的效果,有时为了达到进一步加强初始稳定性的效果,会使用髋臼螺钉打入,而螺钉打入的位置和螺钉的数量也将对髋臼杯和髋臼骨一侧的应力分布产生影响。 以往的体内研究方法,很难除外干扰因素的影响,获得的有效信息相当有限。目前采用的方法一般是尸体骨骼体外加载的生物力学研究方法和计算机有限元的方法。近年来随着有限元技术的发展和深入,有限元分析的方法已经广泛应用到骨科领域,成为骨科生物医学研究领域的重要而有效的手段。有限元技术可以模拟各种不同体内受力状况,加载方便并容易除外试验的干扰因素,并对特定部位可以进行单独的受力研究。本研究就是构建髋关节和髋假体的三维有限元模型,利用三维有限元的分析方法,研究骨水泥固定或生物型全髋关节置换中的软骨下骨保留与否对置换后骨界面应力分布的影响,以及生物型髋臼假体“压配”固定时的多钉固定的部位和数量对髋臼骨应力分布的影响,结合临床探讨髋臼软骨下骨对假体初始固定和宿主骨的受力环境的影响,以期能减少假体磨损和松动的发生,延长假体的使用寿命。 第一部分髋关节的有限元模型构建和应用骨水泥型臼杯固定的髋臼侧应力分析 目的:构建髋关节和髋臼假体的有限元模型,并分析在去除和保留软骨下骨的情况下采用骨水泥固定臼杯时髋臼侧骨应力的改变和对假体稳定性的影响。方法:选取一正常男性骨盆作为建模素材,采用CT机对其进行连接扫描,图像导入医学图像可视化研究平台进行数据重构,生成模型表面结点坐标及三角面片信息,将其导入大型三维有限元分析软件Ansys9.0,生成髋骨的三维实体模型。同时,在髋臼内部建立半球形实体模型以模拟假体,包括一个42mm半球形超高分子聚乙烯骨水泥臼杯,4mm层厚的骨水泥层,和28mm直径的金属头。有限元分析在保留软骨下骨和不保留软骨下骨的情况下加载后髋臼侧骨的应力变化。结果:比较在两种条件下聚乙烯内衬、骨水泥和髋臼骨的应力变化值,结果显示保留软骨下骨的内衬、骨水泥和髋臼骨的峰值应力均小于去除软骨下骨的状况。结论:该简化模型表明在骨水泥臼杯固定的情况下,保留软骨下骨可以显著降低骨-水泥界面的应力集中,并减小假体内衬和骨水泥层的峰值应力。保留软骨下骨可以促进应力的传导和均匀分布,避免应力集中,从而减少骨水泥断裂,假体松动和和内衬磨损的发生。 第二部分髋臼软骨下骨对压配固定的全髋置换后的髋臼侧骨-假体界面应力的影响 目的:分析软骨下骨的去除和保留对于生物型髋臼假体压配植入后的髋臼侧应力的影响。方法:模拟直径50mm的金属髋杯以外展45°、前倾15°打入已磨造完成的髋臼窝达成“压配”固定。在建模时对假体沿垂直于打入方向的平面进行局部适当升温以模拟假体对髋臼的侧向挤压,然后再对假体进行加载。分别用ANSYS软件计算去除与保留软骨下骨两种情况下髋臼侧的骨、内衬的等效应力并加以对比。结果:保留软骨下骨的情况下骨-假体界面的峰值应力小于去除软骨下骨,其峰值应力出现在外上方稍偏后,即髋关节受力方向,内衬的峰值应力也轻微下降,其方向与前者基本一致。结论:在生物型假体不打钉压配固定的情况下,保留软骨下骨可以使髋臼骨和内衬的峰值应力减低,作为壳单元的软骨下骨可以吸收并分散髋关节应力,因此减少了局部应力集中,并可能减少蠕变和磨损的产生,有利于压配固定的稳定性。 第三部分生物型臼杯多钉固定的髋臼侧应力分析 目的:探索在生物型压配固定髋臼假体的情况下多钉固定的数量、部位等对骨-假体界面应力的影响。方法:采用假体打入髋臼并通过打钉进行固定的形式,有限元建模时先将简化的螺钉预埋在假体与髋臼中,对假体沿垂直于打入方向的平面进行局部升温以模拟假体对髋臼的侧向挤压,然后再对假体进行加载。实验中模拟了保留软骨下骨打1枚钉(前上、中部和后下三个位置),2枚钉(前后各1枚和相邻2枚)和3枚钉等6种情况,分别进行有限元受力分析。结果:应用1枚螺钉时在任一螺孔的打入均未见骨-假体界面的应力有明显差别;应用2枚和3枚螺钉时骨界面的应力依次下降,但内衬应力没有明显改变;应用2枚螺钉时隔1孔打入所产生的内衬峰值应力小于相连2孔打入的应力,但骨界面的应力却大于后者。螺钉所受到的应力最高点均出现在钉干和螺帽的连接处,但多钉打入并没有降低每个螺钉的峰值应力。结论:压配固定生物臼杯时如果需要采用髋臼螺钉加强初期固定效果,应采取多钉打入以降低骨界面的峰值应力,避免应力集中,减少假体松动和磨损增加。 第四部分髋假体磨损的大小与方向的测量以及与临床的相关性研究 目的:测量髋假体的超高分子聚乙烯内衬的线性磨损以及磨损方向,并探讨磨损方向和髋假体放置角度的关系和磨损程度与假体长期生存率的临床相关性。方法:利用计算机软件测量股骨头中心相对于髋臼中心的矢量位移,来决定关节面磨损的大小和方向。对38髋进行磨损测量、临床和放射学检查,并应用多因素回归分析研究磨损和患者年龄、体重、髋杯大小和外展角、活动量水平以及Harris髋关节评分的相关关系。同时对32髋进行平均4.2年随访,测量每一例髋杯的外展角,并通过测量在随访期间内股骨头中心相对于髋臼中心的矢量位移,来决定关节面磨损的大小和方向。统计学分析所得结果。结果:平均线性磨损值为1.22mm,磨损率为0.11mm/年。聚乙烯磨损与髋臼侧骨溶解及假体松动相关(P<0.05)。多因素回归分析未发现磨损和患者年龄、体重、髋杯大小和外展角、活动量水平以及Harris髋关节评分的相关关系。在术后头2年的磨损量占磨损总量的40%;而在术后3.4月内出现的股骨头相对于髋臼中心的位移相当于头2年磨损量的56%。磨损率逐年下降,在术后第4年趋于稳定。在对32髋的磨损方向的随访中发现聚乙烯平均线性磨损值为0.81mm,磨损率为0.18mm/年,髋臼外展角平均54.5°。磨损方向平均为-6.93°,指向上方稍偏外侧。线性回归分析显示磨损方向与髋假体外展角度存在负相关关系。随着外展角度的增加,磨损方向由内上方转为外上方,外展角55°以上的假体磨损方向基本指向外上方。未发现线性磨损率与外展角及磨损方向之间的相关关系。结论:磨损和蠕变共同组成了术后股骨头相对于髋臼中心的位移。磨损与骨溶解显著相关,并与假体松动互为因果。因此,在进行临床随访、放射学观察的同时,磨损情况也是全面评价全髋置换术临床结果的一个重要指标。磨损还具有方向性,其方向并与髋假体的外展角相关。过大的外展角使股骨头中心向外上方迁移,可能会造成应力分布不均和磨损增加,因此临床应该避免植入髋假体的外展角超过55°,以维持髋关节的活动度和稳定性。


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