基于杠桿重建平衡理論對髖關節(jié)表面置換術的回顧與展望

丁鎮(zhèn)濤，王艷華，郁凱，張曉萌，張立佳，陳小鋒，熊晨，姬云，張殿英

1 髖關節(jié)表面置換術的現(xiàn)狀

髖關節(jié)表面置換術（hip resurfacing arthroplasty,HRA）最早于20世紀70年代作為傳統(tǒng)全髖關節(jié)置換術的替代手術方案被提出，試圖解決假體周圍骨缺損和無菌性松動等全髖關節(jié)置換的遠期并發(fā)癥。但由于早期材料技術的限制，髖臼側及股骨側常出現(xiàn)嚴重的骨溶解。20 世紀90 年代，在選用高碳鈷鉻合金制成具有高硬度和低磨損率的金屬對金屬界面后，髖關節(jié)表面置換再次大量應用于臨床。

髖關節(jié)表面置換保留了股骨頸，不破壞骨髓腔，基本維持股骨近端正常的解剖結構和力學環(huán)境[1]。在假體設計上采用大直徑的球頭，降低脫位風險，術后頭頸比例和生理接近。應力通過股骨頭假體傳遞到股骨頸，最大限度保留髖關節(jié)自然的生物力學特性，減少應力遮擋，在人工關節(jié)仿生學上具有潛在的優(yōu)勢。髖關節(jié)表面置換作為一種保留骨量的髖關節(jié)置換術，僅去除病變關節(jié)面，對于年輕且活動量較大患者具有突出的優(yōu)勢，也有利于在預期壽命中可能會進行翻修的患者[2]。髖關節(jié)表面置換可延緩全髖關節(jié)置換的時間，還能通過維持骨量降低翻修手術的難度，翻修時可選用標準全髖關節(jié)置換假體，為手術失敗后的補救措施提供了回旋余地。

大量髖關節(jié)表面置換的隨訪研究獲得了優(yōu)良的中期結果，5年假體生存率在96%～98%，10年假體生存率在86%～97%[3]。Su等[4]報道了280例Birmingham髖關節(jié)表面置換假體（施樂輝，圖1A）的10年假體生存率為92.9%，這與英國及澳大利亞國家關節(jié)登記系統(tǒng)的數(shù)據(jù)相近。其中值得關注的是，65歲以下男性患者的10年假體生存率高達96.0%，由此認為髖關節(jié)表面置換對于年輕男性患者安全有效。Amstutz等[5]報道了400 例Conserve Plus 髖關節(jié)表面置換假體（Wright醫(yī)療,圖1B）的10年假體生存率為91.2%，20年假體生存率為83.5%，優(yōu)于同期行全髖關節(jié)置換的年輕患者。此外，髖關節(jié)表面置換患者術后關節(jié)功能水平優(yōu)于全髖置換置換，較少出現(xiàn)疼痛、雙下肢不等長、跛行等并發(fā)癥[6]。Ford等[7]對324例Birmingham髖關節(jié)表面置換假體患者進行5至10年的隨訪發(fā)現(xiàn)，日常活動水平較高的患者更傾向于接受髖關節(jié)表面置換，術后也能保持更高的活動水平。Bedigrew等[8]的前瞻性研究發(fā)現(xiàn)，髖關節(jié)表面置換術后骨密度最早于6個月即可恢復正常水平，并能維持至術后5年，因此建議患者術后6個月可以開始慢跑并恢復體育活動。

圖1 Birmingham髖關節(jié)表面置換假體（A）和Conserve Plus髖關節(jié)表面置換假體（B）

然而，髖關節(jié)表面置換術也存在一些問題。首先，髖關節(jié)表面置換術的手術適應證較全髖關節(jié)置換術更為局限，其最佳適應證為60 歲以下活動量較大的男性患者，主要診斷為骨關節(jié)炎，股骨頭直徑≥48 mm[9]。年齡、性別、髖關節(jié)發(fā)育不良、股骨頭直徑、骨密度等是髖關節(jié)表面置換術的預后風險因素，其假體生存率高度依賴于患者的人群特征、假體設計和手術技術。而且髖關節(jié)表面置換術的手術難度高、學習曲線長。對于經(jīng)驗豐富的髖關節(jié)外科醫(yī)師，至多25 例就能顯著降低早期并發(fā)癥的發(fā)生率，而想要實現(xiàn)理想的假體定位則需要75～100 例的學習曲線[10]。專家共識建議，髖關節(jié)表面置換術應僅限于有豐富經(jīng)驗或受過專業(yè)化訓練的高手術量關節(jié)外科醫(yī)師[11]。此外，髖關節(jié)表面置換采用大直徑金屬對金屬承重面，在假體的磨損過程中會釋放金屬顆粒，從而誘發(fā)假瘤、慢性疼痛，遠期則會導致假體的無菌性松動，甚至是潛在的腎損害和致癌風險[12]。

對髖關節(jié)表面置換術感興趣的骨科醫(yī)師還在探討其優(yōu)勢與劣勢，以及該術式能否在臨床實踐中獲得推廣，而多數(shù)骨科醫(yī)師早已放棄了該術式。美國關節(jié)置換登記系統(tǒng)2020 年的報告中，髖關節(jié)表面置換術僅占所有初次髖關節(jié)置換術的0.8%[13]。髖關節(jié)表面置換術的手術量隨著時間的推移逐步減少，2012 年占比2.5%，2018 年占比0.4%，2019 年僅占0.3%。2012年至2019年，僅有35名美國骨科醫(yī)師報告其完成了髖關節(jié)表面置換術。

2 髖關節(jié)表面置換術后的應力改變

盡管大多數(shù)髖關節(jié)表面置換患者獲得了良好的中長期臨床結果，但假體失敗導致的翻修手術始終是關節(jié)置換領域的關注熱點。Matti等[14]報道芬蘭國家關節(jié)登記系統(tǒng)髖關節(jié)表面置換的10年假體生存率僅為86%，其中女性的假體翻修率約是男性的2 倍。超半數(shù)的髖關節(jié)表面置換翻修是由股骨頸骨折或無菌性松動導致的，其重要原因是假體植入后股骨近端負荷傳導機制和生物力學環(huán)境的改變[15]。

Ong等[16]通過有限元分析發(fā)現(xiàn)，正常股骨近端的應力是從股骨頭的上方區(qū)域通過股骨頭中心傳遞至內(nèi)側骨小梁和內(nèi)側皮質(zhì)。當髖關節(jié)表面置換假體植入后，應力直接通過假體柄傳遞至內(nèi)側皮質(zhì)，導致股骨近端呈現(xiàn)非生理性的應力應變分布，股骨頭外上區(qū)域和內(nèi)下區(qū)域均出現(xiàn)明顯的應力遮擋效應。此外，當股骨側假體呈內(nèi)翻位放置時，球頭假體周圍骨皮質(zhì)出現(xiàn)應變能量升高的區(qū)域，提示股骨頸區(qū)域因應力集中而難以充分緩沖外界的能量刺激，因此易發(fā)生股骨頸骨折。當股骨側假體呈外翻位放置時，雖然股骨頸骨折的發(fā)生率有所降低，但骨的生理負荷減少會導致應力遮擋效應，從而誘發(fā)骨吸收[17,18]。

傳統(tǒng)髖關節(jié)表面置換術對于手術技術和假體位置的要求高，因為骨重塑過程在應力集中和應力遮擋的雙重作用下，會使假體位置不良的結局進一步放大，具體表現(xiàn)為手術適應證窄、技術難度高、學習曲線長、操作容錯率低等，其實質(zhì)是傳統(tǒng)髖關節(jié)表面置換術后應力分散不均勻的假體設計問題。目前，髖關節(jié)表面置換領域的熱點集中于患者選擇和手術技術，均試圖通過臨床手段的提升彌補非生理性假體設計的缺陷。

3 髖關節(jié)表面置換術后的血供改變

假體植入的成功取決于骨與假體間穩(wěn)定的界面。如果在植入過程中發(fā)生過度的細胞損傷和組織壞死，其修復過程可能會影響假體的初始穩(wěn)定性，從而導致假體移位。后方入路是髖關節(jié)表面置換術應用最廣泛的手術入路，在假體定位時能充分顯露術野，便于手術操作[19]。但后方入路易于損傷旋股內(nèi)側動脈的升支，可能誘發(fā)缺血性骨壞死或股骨頸骨折，遠期可能導致假體的無菌性松動[20]。

Steffen 等[21]通過測定氧張力了解髖關節(jié)表面置換時股骨頭的灌注情況，發(fā)現(xiàn)通過后方入路分離外旋肌群和切開后方關節(jié)囊時，氧張力下降了60%，而植入股骨側假體時，氧張力進一步下降20%。Beaule等[22]通過激光多普勒流量計檢測發(fā)現(xiàn)，標準的股骨側準備過程會減少70%的股骨頭血供，尤其是用桶狀銼銼磨外上方股骨頭時，應盡量保持在股骨頭頸交界處上方，否則會損傷到支持帶血管。

后方入路中軟組織的分離，以及股骨側準備過程中對血供的破壞，均可能導致股骨頭缺血性壞死。雖然尚不明確骨壞死引發(fā)假體松動的閾值，以及術后側枝循環(huán)建立的時間，但股骨頭和股骨頸區(qū)域中骨與假體界面的初始穩(wěn)定性無疑會受到不同程度的影響。因此，將股骨頸區(qū)域的假體柄加以延長，并依據(jù)股骨近端的生物力學結構修改假體構型，可能有助于提高髖關節(jié)表面置換假體的穩(wěn)定性，為以往通過改進球頭假體內(nèi)部骨長入界面以獲得穩(wěn)定性的假體設計思路指明了新的方向。

4 金屬離子的不良反應

Pandit等[23]首次報道髖關節(jié)表面置換術后出現(xiàn)局部組織不良反應（adverse local tissue reaction,ALTR），其定義為異常液體聚積、囊性或肉芽腫性假瘤及金屬碎屑導致的肌肉骨骼損傷。自此，研究者們關于金屬對金屬界面潛在并發(fā)癥的認識有所提升，高金屬離子水平和ALTR 等磨損相關的假體失敗模式逐漸成為髖關節(jié)表面置換的主要關注點。

在翻修患者的金屬假體周圍可以觀察到以淋巴細胞為主的免疫反應，以及巨噬細胞的聚積和嗜酸性粒細胞的浸潤，周圍組織中還可發(fā)現(xiàn)金屬顆粒。這種金屬的磨損顆粒直徑通常小于500納米，在體內(nèi)的清除是通過胞飲作用而非吞噬作用，通常不產(chǎn)生劇烈的炎癥反應。但這些顆粒體積小、數(shù)量大、容易產(chǎn)生電化學腐蝕，從而誘發(fā)金屬相關并發(fā)癥[24,25]。

在正常磨損情況下，金屬對金屬假體釋放的納米顆?？赏ㄟ^局部滑膜清除。Van Der Straeten 等[26]在Birmingham 髖關節(jié)表面置換假體的10 年隨訪中發(fā)現(xiàn)，功能良好的患者血液金屬離子水平會在術后10年顯著下降，可能與金屬對金屬界面正常的磨合現(xiàn)象相關。在磨合期時，金屬離子水平將上升至峰值，隨著兩側界面的接觸面積逐漸增加到最佳值，以及接觸應力的降低和潤滑條件的改善，最終進入低磨損率的穩(wěn)定期，金屬離子水平趨于穩(wěn)定或逐漸下降。然而在高磨損情況下金屬界面會大量產(chǎn)生體積更大的磨損顆粒，鈷的比例更高，也更具生物持續(xù)性，ALTR的發(fā)生率也更高[27]。Hart等[28]的前瞻性隊列研究發(fā)現(xiàn)，髖關節(jié)表面置換失敗患者的血液鈷鉻離子水平顯著高于手術成功患者。假體位置不良和邊緣負荷現(xiàn)象等磨損增加的情況，均可導致血液金屬離子水平升高，并與假瘤、疼痛和骨溶解等并發(fā)癥密切相關。

由此可見，金屬對金屬界面對于假體定位的精度要求較高。術后功能良好的髖關節(jié)表面置換假體磨損率穩(wěn)定在較低水平，可以避免絕大多數(shù)的ALTR。當嚴格以理想角度置入生理性假體時，年輕且活動量較大患者群體的獲益遠高于小概率ALTR的風險[29]。

5 杠桿重建平衡理論與髖關節(jié)表面置換術

骨具有適應力學環(huán)境的功能，可通過調(diào)整自身的結構，以最少的骨量實現(xiàn)高強度和高穩(wěn)定性。正常生理狀態(tài)下，股骨頭和股骨頸內(nèi)的骨小梁交織成網(wǎng)狀致密板層結構，沿主應力方向有序排列，交匯于股骨頭中心。其中主壓力和主張力骨小梁系統(tǒng)是影響股骨近端生物力學特性的重要因素，共同構建了符合生理需求的承重系統(tǒng)[30]。兩者能有效地將應力分布為股骨距的壓應力和股骨大轉子的張應力，從而實現(xiàn)股骨近端應力的均衡分布。

基于股骨近端的解剖結構和生物力學特點，杠桿重建平衡理論于2018年首次提出[31]。杠桿重建平衡理論的主要觀點包括[32,33]：①人體正常股骨近端結構類似杠桿系統(tǒng)，其支點位于股骨頭中心，支點靠近身體中軸線，內(nèi)側力臂較短，外側力臂較長，由壓力骨小梁和張力骨小梁構成，因此髖關節(jié)僅需較小的肌肉力量就能承受較大的體重負荷。②股骨近端的重建性手術，包括內(nèi)固定手術和髖關節(jié)置換術，既需要重建股骨近端的生物力學支點，并將支點恢復至正常的生理位置，同時也需要重建生物力學杠桿，恢復張力和壓力骨小梁的力學結構，否則容易出現(xiàn)內(nèi)固定失效或假體松動等并發(fā)癥。③股骨近端重建性手術完成后，在應力遮擋和應力集中效應的作用下，骨會不斷發(fā)生重塑，最終使股骨近端的生物力學杠桿達到平衡。

從杠桿重建平衡理論的角度可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的髖關節(jié)表面置換假體不僅沒有重建力學支點，也沒有按照股骨近端骨小梁的結構重建力學杠桿。其設計理念主要集中于髖關節(jié)病變表面的修復，而忽視了股骨近端的生物力學重建。傳統(tǒng)髖關節(jié)表面置換假體植入后，由于缺乏符合生理特性的杠桿支點系統(tǒng)，股骨近端的應力無法有效地均勻分散，球頭假體周圍的應力集中于假體周圍骨皮質(zhì)，導致股骨頸區(qū)域的骨皮質(zhì)易于發(fā)生應力疲勞。同時，由于應力直接通過假體柄進行傳遞，其周圍的應力遮擋效應會導致股骨頸區(qū)域的骨量在骨重塑過程中不斷丟失。所以髖關節(jié)表面置換對于手術截骨和假體定位的精度很敏感，少量的偏差就可能放大為股骨頸骨折或無菌性松動等并發(fā)癥。

在結構設計中，最佳的整體性能需要對結構進行布局優(yōu)化，而非單純對形狀和尺寸進行調(diào)整。杠桿重建平衡理論作為一種仿生學理論，其實質(zhì)在于使應力能像正常生理結構一樣均勻分布在股骨近端，即仿生拓撲優(yōu)化。避免應力集中在假體周圍，并且使相鄰區(qū)域出現(xiàn)應力遮擋。

杠桿重建平衡理論作為假體設計的理念，指出了髖關節(jié)表面置換術需同時重建力學杠桿和力學支點。因此，基于杠桿重建平衡理論設計了新型髖關節(jié)表面置換假體（圖2）。該新型假體還原了股骨近端的杠桿支點系統(tǒng)，可同時實現(xiàn)杠桿和支點的生物力學重建。支點重建后接近股骨頭中心，并通過主釘與輔釘分別重建張力骨小梁和壓力骨小梁，恢復力學杠桿的結構基礎。假體的主釘和輔釘植入長度超過股骨頸，穿過主要骨小梁區(qū)，接觸到次要骨小梁區(qū)，并固定于股骨近端外側皮質(zhì)，從而加強股骨近端對螺釘?shù)陌殉肿饔?，也更有效地將起自股骨頭的應力均勻分散至股骨近端。

圖2 基于杠桿重建平衡理論設計的四種新型髖關節(jié)表面置換假體，均同時實現(xiàn)了杠桿和支點的生物力學重建

新型髖關節(jié)表面置換假體更符合生理狀態(tài)的應力傳導，假體植入后能最大限度地減少因應力遮擋而導致骨質(zhì)丟失的可能性，從而發(fā)揮仿生固定的骨保留優(yōu)勢，避免股骨頸骨折或無菌性松動等并發(fā)癥。雖然新型髖關節(jié)表面置換假體的手術過程同樣會造成股骨頭血供的破壞，但能在術后盡量減少血供破壞帶來的負面影響。股骨近端均勻分散的應力能刺激骨生成，對抗股骨頭的缺血性壞死。穩(wěn)定的假體構型能保護骨與假體界面，為側枝循環(huán)的建立贏得時間。同時，新型髖關節(jié)表面置換假體擬采用鋯鈮合金，材料表面形成的4～6 μm 氧化鋯陶瓷擁有更好的潤滑度及耐腐蝕性[34]。新型髖關節(jié)表面置換假體不僅能通過更精準的假體定位降低磨損率，還能通過界面材料本身優(yōu)良的生物相容性有效避免金屬對金屬界面的相關并發(fā)癥。

新型髖關節(jié)表面置換假體也存在局限性：與傳統(tǒng)髖關節(jié)表面置換假體相比，新型髖關節(jié)表面置換假體的植入螺釘與假體之間的莫氏錐度連接形成新的界面。盡管既往綜述報道組配式假體與非組配式假體的翻修率無顯著性差異，但組配式假體中的錐度腐蝕和連接疲勞仍會引起手術醫(yī)師的擔憂[35]。而且，新型髖關節(jié)表面置換假體在未來的翻修手術中螺釘取出時可能會破壞股骨近端部分骨質(zhì)，螺釘周圍可能存在硬化帶影響翻修假體的植入?？傮w來說，新型髖關節(jié)表面置換假體的骨保留較傳統(tǒng)假體的骨吸收更有利于假體的翻修，有待于通過臨床研究證實其設計理念能否實際改善患者的臨床結果。

6 小結

髖關節(jié)表面置換術是一種適合年輕且活動量較大患者的骨保護手術方式，但同時也是一種對患者選擇、技術細節(jié)要求較高的手術方式，因此必須表現(xiàn)出更高的假體生存率、更少的并發(fā)癥及潛在的臨床優(yōu)勢，才能在髖關節(jié)置換手術領域贏得一席之地。本文從杠桿重建平衡理論出發(fā)，指出傳統(tǒng)髖關節(jié)表面置換假體并未實現(xiàn)股骨近端杠桿和支點的生物力學重建，因此會出現(xiàn)手術適應證窄、技術難度高、學習曲線長和金屬對金屬界面的潛在并發(fā)癥等問題。基于該理論設計的新型髖關節(jié)表面置換假體彌補了傳統(tǒng)假體的缺陷，有望解決當前髖關節(jié)表面置換的困境，使髖關節(jié)表面置換成為骨科醫(yī)師在臨床中常備的技術方案。

【利益沖突】所有作者均聲明不存在利益沖突。