有限元分析在人工髖關(guān)節(jié)中應(yīng)用的研究進(jìn)展

張福江 肖 瑜

有限單元法（finite element method）是將研究對象的連續(xù)求解區(qū)域離散為一組有限個、且按一定方式相互聯(lián)結(jié)在一起的單元組合體，模擬成不同幾何形狀的求解區(qū)域，然后對單元進(jìn)行力學(xué)分析，最后再整體分析的方法。有限單元法最初應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的靜力和動力特性分析[1]。目前，有限元計(jì)算作為一種分析方法廣泛應(yīng)用于工程學(xué)的各個領(lǐng)域[2]。從七十年代開始，有限元開始應(yīng)用于骨科生物力學(xué)研究，由于該方法在分析不規(guī)則物體的力學(xué)特點(diǎn)方面具有優(yōu)越性，在骨科生物力學(xué)研究特別是人工髖關(guān)節(jié)置換中得到了廣泛應(yīng)用。

1 有限元方法的演進(jìn)

在髖關(guān)節(jié)的有限元研究中，由于人體骨骼解剖結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和不規(guī)則性，建模的準(zhǔn)確程度對骨科生物力學(xué)研究提出了極大挑戰(zhàn)。鐘世鎮(zhèn)[3]采用磨片、切片法建立虛擬人數(shù)據(jù)，在切削精度上，將可視人計(jì)劃（VHP）和可視韓國人（VKH）斷層間距的0.33 mm和0.2 mm提高到0.1 mm；但由于切割破壞了模型，在斷面很薄的情況下，很難獲得一致的斷面厚度。這種方法只是對真實(shí)解剖的極度簡化，缺乏計(jì)算的精確性，并且需要充分的時間準(zhǔn)備模型及將斷面幾何形狀數(shù)字化，且誤差大，己經(jīng)被淘汰。Song等[4]應(yīng)用Photoshop重建經(jīng)CT原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得到的位圖文件，根據(jù)每個斷層的圖像信息和三維空間坐標(biāo)，運(yùn)用數(shù)據(jù)三維可視化的方法建立起股骨模型。這種方法需要人工將CT圖片上的每一張圖轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能識別的位圖格式，并且需要在圖像處理軟件中人工準(zhǔn)確對位，對位不準(zhǔn)確將直接影響所建立模型精確性，同時這種方法需要花費(fèi)大量的人力、物力。嚴(yán)世貴等[5]采用醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信標(biāo)準(zhǔn)（DlCOM）數(shù)據(jù)直接建立髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后假體模型分析股骨應(yīng)力變化。DICOM是醫(yī)學(xué)圖像信息系統(tǒng)領(lǐng)域中的核心，主要涉及信息系統(tǒng)中最主要也是最困難的醫(yī)學(xué)圖像的存儲和通信，可直接應(yīng)用在放射學(xué)信息系統(tǒng)（RIS）和圖像存檔與通信系統(tǒng)（PACS）中。利用DICOM格式數(shù)據(jù)文件直接建模不需將數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可以直接讀取數(shù)據(jù)并處理，避免反復(fù)操作造成的數(shù)據(jù)失真或丟失，大大提高了模型的精確度。隨著集成強(qiáng)大圖像處理功能的醫(yī)學(xué)有限元軟件的出現(xiàn)，以及有限元方法與其他虛擬數(shù)字技術(shù)的結(jié)合，將來功能更加強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)和軟件能夠自動從CT/MRI或者虛擬人數(shù)據(jù)中提取特征參數(shù)或重要幾何細(xì)節(jié)，直接產(chǎn)生有限元模型。在有限元模型的幫助下可以無創(chuàng)檢查體內(nèi)組織，輔助外科診療方案的制定和定量手術(shù)的模擬。有限元建模技術(shù)的發(fā)展方向今后將走向智能化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化，面向臨床一線應(yīng)用。

2 髖關(guān)節(jié)置換相關(guān)并發(fā)癥的有限元研究

2.1 應(yīng)力遮擋及骨吸收 全髖關(guān)節(jié)置換后關(guān)節(jié)應(yīng)力通過假體再傳到股骨，不同于生理關(guān)節(jié)的應(yīng)力直接通過骨小梁從股骨頭傳到股骨，造成的應(yīng)力遮擋可使骨組織吸收，進(jìn)而萎縮，降低其承載能力。林鳳飛等[6]采用三維有限元法對全髖置換前后進(jìn)行單髖站立生物力學(xué)測試，分析假體植入前后股骨和髖臼總體的應(yīng)力模式和植入后各種組合的假體對骨界面的應(yīng)力分布規(guī)律，認(rèn)為不管是金屬-金屬、陶瓷-陶瓷、陶瓷-聚乙烯，還是金屬-聚乙烯組合，其股骨和髖臼相應(yīng)界面應(yīng)力值無明顯差別。李偉等[7]對鈦合金、碳纖維復(fù)合材料、CoCrMo合金和不銹鋼假體的性能進(jìn)行對比，研究復(fù)合材料與金屬材料髖關(guān)節(jié)假體應(yīng)力分布情況，認(rèn)為鈦合金和碳纖維復(fù)合材料假體要比CoCrMo合金和不銹鋼假體具有更好的應(yīng)力分布，其臨床應(yīng)用效果將會更加理想。應(yīng)力遮擋的產(chǎn)生是因?yàn)榻饘偌袤w與骨的力學(xué)性能不相容，而利用復(fù)合材料的生物相容性優(yōu)勢設(shè)計(jì)出的假體則可替代金屬假體。Arabmotlagh等[8]經(jīng)三維有限元研究認(rèn)為髖關(guān)節(jié)置換后使用阿倫磷酸鹽治療可以增加假體周圍骨質(zhì)密度，降低假體松動的概率。

2.2 假體磨損 通過有限元分析，可以方便地對假體植入人體后的磨損情況進(jìn)行模擬評估，并能靈活調(diào)整參數(shù)。Bevill等[9]采用有限元模型模擬一百萬次步態(tài)載荷下的假體磨損情況，并分析聚乙烯涂層厚度、股骨頭假體尺寸等因素對磨損的影響，以改進(jìn)假體設(shè)計(jì)，結(jié)果顯示，聚乙烯蠕變行為對髖臼內(nèi)襯磨損占總量的10%～50%，并以早期為主。

2.3 假體脫位 有限元分析方法還能對全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后假體脫位情況進(jìn)行研究。李永獎等[10]的假體脫位三維有限元模型顯示，撞擊和脫位是2個不同的生物力學(xué)過程，由半脫位階段所隔開，因此為減少全髓關(guān)節(jié)置換術(shù)后假體的脫位發(fā)生率，術(shù)中將最大化撞擊前的活動范圍作為降低脫位的指標(biāo)應(yīng)該慎重。Dudda等[11]的有限元模型分析顯示，髖關(guān)節(jié)運(yùn)動是假體壓力變化、關(guān)節(jié)受力、脫位發(fā)生部位及導(dǎo)致脫位的主要引導(dǎo)力，發(fā)現(xiàn)從較低的坐姿改變?yōu)檎咀藭r發(fā)生脫位的風(fēng)險(xiǎn)為最高，比從彎腰到站立的脫位風(fēng)險(xiǎn)高6倍多。

2.4 股骨骨折 何榮新等[12]研究認(rèn)為全髖置換術(shù)前股骨近端的股骨距和粗隆下區(qū)域應(yīng)力較高，當(dāng)大粗隆處突然受到較高的暴力時，容易造成粗隆間的骨折。全髖置換術(shù)后，股骨距和粗隆下區(qū)域應(yīng)力顯著減少，股骨近端的高應(yīng)力區(qū)域位于假體終末端水平，故全髖置換術(shù)后患者大粗隆受到高暴力時，股骨干的骨折容易發(fā)生在假體末端水平。全髖置換術(shù)后假體由于末端應(yīng)力集中，暴力從沿假體傳導(dǎo)至假體末端，導(dǎo)致該部位的骨折，這就是同側(cè)股骨的骨折絕大多數(shù)發(fā)生在假體末端的原因。Bessho等[13]的研究認(rèn)為，有限元分析可以準(zhǔn)確預(yù)測骨骼強(qiáng)度，有助于更好地分析了解骨折時的力學(xué)變化，并對老年人股骨頸骨折作出準(zhǔn)確預(yù)測，從而有針對性地加強(qiáng)預(yù)防，減少此類骨折的發(fā)生。

3 假體設(shè)計(jì)

假體與髓腔的匹配良好與否決定了假體的穩(wěn)定性和應(yīng)力傳導(dǎo)的質(zhì)量，減少骨質(zhì)吸收。鄭曉雯等[14]經(jīng)三維有限元分析認(rèn)為倒立圓錐形中空特征的人工股骨柄有助于降低人體股骨近端與假體接觸區(qū)的應(yīng)力遮擋效應(yīng)；采用股骨柄上涂層骨水泥的方法，可增強(qiáng)股骨柄與骨水泥界面的結(jié)合強(qiáng)度，有利于降低人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后的假體松動；非骨水泥固定型股骨柄微孔涂層范圍對人體股骨的應(yīng)力有明顯的影響，微孔涂層范圍過大不利于保持適中的人體股骨的應(yīng)力和股骨柄的固定，并研究靜態(tài)加載和動態(tài)加載條件下股骨柄長度和橫截面形狀對股骨柄上應(yīng)力及疲勞的影響，結(jié)果表明具有鼓形橫截面和90 mm長的股骨柄在30種股骨柄模型中具有最好的力學(xué)性能，較小的應(yīng)力和微小位移，較高的疲勞安全系數(shù)。Beulah等[16]通過有限元研究彈性模量低的六邊形橫截面設(shè)計(jì)的新型假體更有利于減少應(yīng)力遮擋并增強(qiáng)假體固定。近年來髖關(guān)節(jié)表面置換術(shù)正逐步興起。有研究報(bào)道重建金屬對金屬髖關(guān)節(jié)表面置換術(shù)后的有限元分析模型，對該模型進(jìn)行虛擬加載和仿真計(jì)算以比較分析金屬對金屬髖關(guān)節(jié)表面置換術(shù)后股骨側(cè)的應(yīng)力分布，結(jié)果顯示金屬對金屬髖關(guān)節(jié)表面置換術(shù)后，應(yīng)力主要集中于股骨頸內(nèi)側(cè)及假體與頭頸交界部，并在股骨假體下骨質(zhì)部存在應(yīng)力遮擋，髖關(guān)節(jié)表面置換術(shù)后的應(yīng)力集中及應(yīng)力遮擋與髖關(guān)節(jié)表面置換術(shù)后股骨頸骨折發(fā)生存在一定聯(lián)系[17-18]。但Sakagoshi等[19]應(yīng)用有限元分析法證明髖關(guān)節(jié)表面置換術(shù)后，在正常及骨質(zhì)疏松條件下，正常行走并不會在股骨近端產(chǎn)生可引起骨折的應(yīng)力，因此髖關(guān)節(jié)表面置換術(shù)后并發(fā)股骨頸骨折可能是多種因素綜合作用的結(jié)果。Fouad[20]通過有限元方法研究結(jié)果表明，人工股骨頭材質(zhì)屬性的微小變化就可以對髖關(guān)節(jié)應(yīng)力分布造成很大的影響。

4 骨水泥應(yīng)用有限元分析

Sangiorgio等[21]應(yīng)用有限元分析骨水泥界面的微動，認(rèn)為骨水泥孔隙率>30%時，界面微動顯著增大。骨水泥技術(shù)的改進(jìn)可提高全髖關(guān)節(jié)假體的遠(yuǎn)期生存率。保留一定厚度的高質(zhì)量松質(zhì)骨有助于骨水泥錨固。Radcliffe等[22]通過有限元方法證實(shí)，假體遠(yuǎn)端骨水泥層氣泡使得界面應(yīng)力大大增加，并隨著氣泡增大而增大，2 mm厚的骨水泥比5 mm厚的骨水泥界面應(yīng)力大50%以上，要求臨床采用第3代骨水泥技術(shù)，防止氣泡產(chǎn)生，保證假體柄遠(yuǎn)端有5 mm厚的骨水泥層。應(yīng)用有限元分析方法及實(shí)驗(yàn)方法模擬骨水泥-骨界面纖維組織對假體周圍應(yīng)力分布的影響效果，結(jié)果表明有限元分析與實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果基本一致，骨水泥-骨界面的纖維組織可以大大增加骨水泥的應(yīng)力，而對皮質(zhì)骨的應(yīng)力影響比較小[22]。Pérez等[23]研究不同假體類型的骨水泥固定狀態(tài)時使用有限元方法證實(shí)，Charnley系統(tǒng)較ABGⅡ系統(tǒng)的骨水泥嵌合更牢。

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