全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后力學(xué)因素對(duì)于髖關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的影響

吳 琪，左昌蘭，席文明，王昌超，邱 月，張 穹

(1.東部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院淮安醫(yī)療區(qū)，江蘇 淮安 223001；2.廈門大學(xué)機(jī)電系，福建 廈門 361005)

人工關(guān)節(jié)置換是目前針對(duì)關(guān)節(jié)疾病的有效治療方法，對(duì)于重建關(guān)節(jié)，解除關(guān)節(jié)疼痛，提高生活質(zhì)量有明顯療效。一個(gè)世紀(jì)以來，研究人員以及臨床醫(yī)生在材料、設(shè)計(jì)、加工、制造及臨床應(yīng)用等方面對(duì)人工關(guān)節(jié)不斷完善，其中THA 是目前治療髖關(guān)節(jié)疾病，重建髖關(guān)節(jié)以及恢復(fù)髖關(guān)節(jié)功能的最安全有效的方法。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全年約有150萬人因各種因素導(dǎo)致關(guān)節(jié)喪失功能，需進(jìn)行人工關(guān)節(jié)置換。而其中約50萬例為全髖關(guān)節(jié)置換，隨著髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)的逐年開展，髖關(guān)節(jié)翻修的手術(shù)量隨其不斷增多，約占全年髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)的10%[1]。

THA的成功及長(zhǎng)期穩(wěn)定取決于全髖置換術(shù)后假體與髓腔形成的骨界面有一個(gè)良好的應(yīng)力環(huán)境。骨作為人體結(jié)構(gòu)，不能單純把其作為一個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)，而應(yīng)充分考慮其組織活性。假體在植入后對(duì)骨組織的應(yīng)力應(yīng)在骨組織的適應(yīng)性范圍之內(nèi)。低于或者超出這一范圍，都會(huì)對(duì)骨組織的形成造成影響，進(jìn)而影響關(guān)節(jié)置換術(shù)后的假體穩(wěn)定性。因而，有效控制力的傳導(dǎo)以及分布區(qū)域，可以有效調(diào)控骨整合范圍以及骨組織的長(zhǎng)入，進(jìn)而獲得理想的術(shù)后穩(wěn)定性。

針對(duì)于此，我們使用三維重建股骨髓腔以及CAD/CAM計(jì)算機(jī)輔助定制髖關(guān)節(jié)假體，使得假體與髓腔取得優(yōu)良的匹配度后，再結(jié)合有限元分析股骨假體遠(yuǎn)端長(zhǎng)度以及力的大小對(duì)于穩(wěn)定性的影響。

1 資料與方法

1.1一般資料：人股骨標(biāo)本取自南京醫(yī)科大學(xué)，在中國(guó)人民解放軍第82醫(yī)院完成CT掃描以及三維重建。將其結(jié)果數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics軟件中，獲得實(shí)體模型，在廈門大學(xué)使用CAD/CAM/Robot集成技術(shù)的輔助下，磨削銅棒，獲得定制性解剖假體，完成假體植入以及相關(guān)影像學(xué)檢查。

1.2有限元分析：股骨假體的三維模型導(dǎo)入到PRO-E軟件組裝在一起，然后組裝模型及股骨假體導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件(ANSYS公司，美國(guó))賦予紋理和劃分網(wǎng)格，股骨的彈性模量為2×1010pa和定制假體的彈性模量為11×1010pa。在有限元模型的假體上施加載荷，力位于假體尖端，載荷作用在假體上。

2 結(jié)果

2.1定制假體與人股骨標(biāo)本匹配的影像學(xué)結(jié)果：結(jié)果見圖1。從影像學(xué)結(jié)果上可以看出匹配度良好，在正位以及側(cè)位上假體與髓腔間未見明顯間隙。

2.2假體的有限元分析：當(dāng)假體植入股骨腔，遠(yuǎn)端干的匹配長(zhǎng)度為50 mm，圖2(a)是股骨的力分布，當(dāng)載荷在假體上的力為480 N時(shí)，假體上的力已經(jīng)轉(zhuǎn)移到股骨近端，見圖2(a)的局部圖形。如果力假體再次增加，股骨近端假體將形成大的微動(dòng)和整個(gè)假體會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的股骨腔，假體壓配狀態(tài)將被破壞。因此，在圖2(a)，對(duì)假體的初始穩(wěn)定性條件是在假體的力不超過480 N，圖2(b)，遠(yuǎn)端干的匹配長(zhǎng)度為25 mm，當(dāng)假體的力為350 N，對(duì)假體的力傳遞到股骨近端，如圖2(b)，對(duì)假體的初始穩(wěn)定性條件是在假體的力不超過350 N，從圖2可以發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)端柄的長(zhǎng)度減少，假體上的力容易轉(zhuǎn)移到股骨近端。

圖1 為定制性假體植入人股骨標(biāo)本后以及正側(cè)位的影像學(xué)結(jié)果

圖2 力的大小不同，股骨的有限元分析結(jié)果

3 討論

全髖關(guān)節(jié)置換(total hip athroplasty，THA)術(shù)后遠(yuǎn)期失敗的主要原因?yàn)闊o菌性松動(dòng)[2-5]。而導(dǎo)致無菌性松動(dòng)的機(jī)制甚多，目前主要分為兩大類。一類為力學(xué)因素[6-7]，一類為生物學(xué)因素[8-10]。其中力學(xué)因素中又包括假體的設(shè)計(jì)，假體的植入位置以及假體在置換術(shù)后力的傳導(dǎo)；生物學(xué)因素則主要為假體磨損形成的顆粒而引發(fā)的一系列炎性反應(yīng)。兩類因素相互協(xié)同，其中力學(xué)的因素可視為起始因素[11]，正因?yàn)榱Φ膫鲗?dǎo)導(dǎo)致假體的松動(dòng)摩擦，進(jìn)而導(dǎo)致顆粒的大量產(chǎn)生，再反作用于骨組織的整合，形成不穩(wěn)定的骨長(zhǎng)入，造成假體松動(dòng)嚴(yán)重，導(dǎo)致長(zhǎng)期穩(wěn)定性的失敗。

三維重建以及CAD/CAM/Robot集成技術(shù)的輔助下，可以實(shí)現(xiàn)假體與髓腔的高精度匹配，在此前提下，為力的傳導(dǎo)以及骨組織的長(zhǎng)入創(chuàng)造良好的結(jié)構(gòu)準(zhǔn)備。

通過有限元分析可以得知假體遠(yuǎn)端的長(zhǎng)度以及體重對(duì)假體置換術(shù)后初期穩(wěn)定性的影響。遠(yuǎn)端長(zhǎng)度為50 mm時(shí)，需要480N即可使得假體力的傳導(dǎo)到達(dá)骨整合區(qū)，而逐漸增大后即會(huì)造成假體的下移和旋轉(zhuǎn)。當(dāng)遠(yuǎn)端長(zhǎng)度縮短到25 mm時(shí)，僅僅需要320 N就能產(chǎn)生同樣的效果。因此為了維持假體置換初期的穩(wěn)定性[12]，需要有效控制施加在假體的力的大小，同時(shí)為了促進(jìn)骨長(zhǎng)入，又需要足夠的力使得力的傳導(dǎo)到達(dá)骨的整合區(qū)[11]，在匹配度以及合適的力的共同作用下，假體與松質(zhì)骨的整合形成彈性鉸鏈，進(jìn)而可以承受更大的力，保證假體置換后期的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

在髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后，初期的穩(wěn)定是前提，而所謂的穩(wěn)定不僅僅表面上的壓配度，更多的在于對(duì)于假體的選擇和假體受力的有效控制。在有效壓配的基礎(chǔ)上，通過力的控制使得力的傳導(dǎo)到達(dá)合適的骨長(zhǎng)入?yún)^(qū)，進(jìn)而促進(jìn)骨的有效長(zhǎng)入，形成彈性良好的鉸鏈結(jié)構(gòu)。在此前提下，股骨遠(yuǎn)端的壓配確保假體的微動(dòng)在鉸鏈結(jié)構(gòu)的彈性范圍內(nèi)，進(jìn)而確保假體的長(zhǎng)期穩(wěn)定。