Crowe IV 型發(fā)育性髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良在全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中橫行截骨最佳位置的有限元分析1)

范哲奇王 君 南少奎孔祥朋 ,2) 柴 偉 ,3)

*(解放軍總醫(yī)院第四醫(yī)學(xué)中心骨科醫(yī)學(xué)部，北京 100048)

?(中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所，非線性力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190)

**(中國(guó)科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院，北京 100049)

發(fā)育性髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良（developmental dysplasia of the hip，DDH）是我國(guó)最常見(jiàn)的下肢發(fā)育畸形，Crowe IV 型是其最嚴(yán)重的類型[1]。從解剖上來(lái)看，Crowe IV 型的股骨存在股骨頭形態(tài)紊亂并完全脫位、股骨頸變短、股骨前傾角及頸干角增大、股骨近端萎縮、髓腔硬化變窄等問(wèn)題，這將導(dǎo)致在DDH 的病情進(jìn)展中，患者可發(fā)生運(yùn)動(dòng)功能障礙及髖關(guān)節(jié)疼痛等臨床癥狀。目前全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)（total hip arthroplasty，THA）是治療有臨床癥狀的Crowe IV 型DDH 的有效術(shù)式[2-3]。但由于DDH Crowe IV 型患者髖關(guān)節(jié)發(fā)育異常，股骨頭高脫位，關(guān)節(jié)囊松弛，神經(jīng)血管短縮，軟組織結(jié)構(gòu)改變，真臼發(fā)育不良等問(wèn)題，直接進(jìn)行真臼復(fù)位易引起血管和神經(jīng)牽拉，進(jìn)而造成嚴(yán)重并發(fā)癥[4]，轉(zhuǎn)子下縮短截骨術(shù)可有效降低這一風(fēng)險(xiǎn)[5-7]。目前轉(zhuǎn)子下截骨存在多種手術(shù)方式，包括：橫行截骨[8]、斜行截骨[9]、臺(tái)階截骨[10]、V 型截骨等[11]，不同學(xué)者選擇不同類型轉(zhuǎn)子下截骨方法實(shí)施 THA 均有相關(guān)報(bào)道。但在臨床實(shí)踐中，由于實(shí)用性的優(yōu)勢(shì)，橫行截骨的應(yīng)用最為廣泛，是目前臨床最常用的手術(shù)方式。

在目前關(guān)于DDH 轉(zhuǎn)子下截骨的研究中，大多數(shù)研究選擇采用不同的截骨方式進(jìn)行比較，高宗炎等[12]和李梁濤[13]基于有限元研究了斜行截骨的最佳角度，Reikeras 等[14]基于臨床研究評(píng)價(jià)了4 種截骨方式的穩(wěn)定性和術(shù)后并發(fā)癥，但遺憾的是這些研究并沒(méi)有討論截骨高度所帶來(lái)的影響，不同截骨高度的手術(shù)效果仍缺乏系統(tǒng)性的生物力學(xué)分析，如何確定截骨的高度仍然依賴醫(yī)生的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，缺乏相關(guān)的研究證據(jù)。因此，本文基于應(yīng)用最廣泛的橫行截骨方式，針對(duì)Crowe IV 型DDH 患者的股骨模型，結(jié)合有限元分析評(píng)估不同截骨高度對(duì)于術(shù)后股骨穩(wěn)定性及應(yīng)力分布的影響，以優(yōu)化臨床手術(shù)選擇。

1 材料與方法

1.1 Crowe IV 型DDH 股骨和假體模型的建立

本研究經(jīng)兩位臨床醫(yī)生判斷，選取了1 例典型的Crowe IV 型DDH 病人，該病人患側(cè)股骨具備典型Crowe IV 型的解剖特點(diǎn)，包括股骨頸縮短，股骨干細(xì)長(zhǎng)，股骨近端萎縮等普遍問(wèn)題，程度適中，同時(shí)不存在罕見(jiàn)畸形，可以代表此類患者，故將其作為建模數(shù)據(jù)來(lái)源。獲取該患者下肢由髖到膝的薄層CT 掃描（120 kV，層厚0.6 mm），以DICOM 格式保存。在Mimics 21.0（Materialise 公司，比利時(shí)）依據(jù)CT 灰度值進(jìn)行股骨皮質(zhì)骨模型的三維重建，在Geomagic wrap 2017（Raindrop 公司，美國(guó)）中修復(fù)網(wǎng)格面，優(yōu)化股骨模型，同時(shí)將皮質(zhì)骨內(nèi)部空腔作為松質(zhì)骨區(qū)域，完成骨骼模型的實(shí)體化（圖1(a) 股骨模型）。同時(shí)，根據(jù)該患者的病歷資料選取與術(shù)中型號(hào)一致的S-ROM 假體進(jìn)行掃描建模，以獲得假體模型（圖1(b)）。

圖1 (a) Crowe IV 型股骨建模；(b)假體模型，左為袖套，右為假體柄和球頭Fig.1 (a) Crowe IV femur modeling;(b) Model of the prosthesis,with the cuff on the left and the stem and bulb on the right

1.2 模擬截骨和裝配

為模擬手術(shù)過(guò)程，在Soildworks 2017 (Dassault 公司，法國(guó)) 內(nèi)依據(jù)S-ROM 假體的典型手術(shù)方法[15]，切除部分股骨近端畸形部分，以便于假體的安裝。同時(shí)，創(chuàng)建股骨干的中心軸線，垂直于該軸線的面定義為截骨平面。根據(jù)患者實(shí)際術(shù)中資料，所有截骨長(zhǎng)度均為2 cm。截骨高度分別為小轉(zhuǎn)子下0 cm，1 cm，2 cm，3 cm，以完成股骨截骨后模型的建立（圖2(a)）。在假體和截骨模型的配合中，袖套部分和皮質(zhì)骨之間進(jìn)行充分接觸以模擬實(shí)際情況（圖2(b)），調(diào)整假體角度使之形成15°的前傾角。在Soildworks 中通過(guò)布爾運(yùn)算，模擬手術(shù)中為了安裝袖套和假體進(jìn)行的髓腔清理，使得模型各部分之間不存在干涉。

1.3 有限元分析

所有模型都使用HyperMesh 11.0 軟件（Altair Engineering，USA)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，所有單元均采用四面體10 節(jié)點(diǎn)單元（C3D10）。將劃分的網(wǎng)格模型導(dǎo)入Abaqus 2022 (Simulia，法國(guó))，生成有限元模型。根據(jù)既往研究報(bào)道[16]，本研究將皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨看作各向同性的線彈性均質(zhì)材料,假體為鈦合金材料。

截骨模型的不同部分間存在相互作用，考慮到現(xiàn)實(shí)情況及計(jì)算的簡(jiǎn)便性，假體柄和袖套以及袖套和骨之間均設(shè)為綁定，股骨截骨接觸界面的摩擦系數(shù)設(shè)為0.46，假體和骨之間的摩擦系數(shù)設(shè)為0.32[16]。股骨遠(yuǎn)端的邊界條件設(shè)置為固定約束。

本研究模擬行走時(shí)髖關(guān)節(jié)直立和屈髖階段股骨的受力情況，對(duì)模型施加相當(dāng)300%體重載荷[17]，并將力引入假體旋轉(zhuǎn)中心。在正常步態(tài)中，髖關(guān)節(jié)在矢狀面上以較小的幅度前后運(yùn)動(dòng)，前后約為30°，因此取極限情況進(jìn)行分析?？傮w來(lái)說(shuō)，按以下兩種工況施加載荷。（1）直立狀態(tài)：集中力F=2000 N，力矢量在冠狀面上和股骨軸成13°。（2）屈髖狀態(tài)：集中力F=2000 N，力矢量在冠狀面上和股骨軸呈13°，在矢狀面上成30°[18]。分析過(guò)程中，力的加載都分為兩個(gè)分析步，先將假體下壓0.001 mm 保證各部分之間的充分接觸，隨后再加載不同工況的載荷。本研究所使用的材料屬性如下，鈦合金（假體）的彈性模型為105 GPa，泊松比為0.35。皮質(zhì)骨的彈性模量為16.8 GPa，泊松比為0.3。松質(zhì)骨的彈性模量為0.84 GPa，泊松比為0.2。

2 結(jié)果

本研究報(bào)告了假體和股骨在不同載荷情況下的位移和von Mises 應(yīng)力分布情況。在同一工況下，4 種截骨高度在應(yīng)力分布上略有差異。在兩種工況之間，可以觀察到股骨應(yīng)力分布的明顯差距。整體來(lái)看，所有模型股骨的最大應(yīng)力均出現(xiàn)在截骨界面，且應(yīng)力集中位置更靠近股骨內(nèi)側(cè)（圖3）。假體柄的應(yīng)力主要集中在假體與袖套的連接處和截骨位置（圖4），且更偏向外側(cè)。

圖3 不同截骨高度的股骨在不同載荷下的整體應(yīng)力分布Fig.3 Stress distribution of femurs with different osteotomy heights in different status

圖4 不同截骨高度的假體在不同載荷下的整體應(yīng)力分布Fig.4 Stress distribution of stem prosthesis with different osteotomy heights in different status

在位移云圖中，直立狀態(tài)下，各模型的形變位于轉(zhuǎn)子下區(qū)域，最大形變的位置如圖5 所示，可以看到，在0 cm/1 cm 的截骨模型中，最大位移于小轉(zhuǎn)子下2 cm 左右，在2 cm/3 cm 的模型中，則在截骨線處觀察到了最大位移。在屈髖狀態(tài)下，最大位移均位于假體球頭處（圖6(a)），使假體發(fā)生了一定的旋轉(zhuǎn)（圖6(b)），線框圖表示受力前位置，黃線表示變形前后的頭頸軸線，d代表球頭上的最大水平位移（變形系數(shù)：5）。由于假體的大小是一致的，我們采取假體球頭在水平面投影上最大位移d作為觀察指標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)表1，可以看到截骨高度為3 cm 時(shí)，模型取得了最小的位移結(jié)果。

表1 屈髖狀態(tài)下假體球頭的最大位移（單位：mm）Table 1 The maximum displacement of the prosthesis bulb in hip flexion status (unit: mm)

圖5 不同截骨高度下，直立狀態(tài)下股骨上部位移云圖Fig.5 Contour of the displacement of the upper femur under different osteotomy heights in the upright status

圖6 (a) 屈髖狀態(tài)下，股骨上部位移云圖；(b) 股骨位移云圖俯視Fig.6 (a) Contour of displacement of the upper femur in the hip flexion status;(b) Top view of the femoral displacement cloud diagram

3 分析討論

全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)合并股骨短縮是治療Crowe IV 型DDH 最常用的手術(shù)方法，由于患側(cè)復(fù)位困難以及軟組織牽拉等問(wèn)題，對(duì)患側(cè)的截骨是必要的[19]。不同的截骨高度會(huì)導(dǎo)致股骨整體的應(yīng)力分布發(fā)生改變，根據(jù)Wolff 定律[20]，這種變化會(huì)導(dǎo)致骨重建的改變，進(jìn)而影響患者的骨愈合以及預(yù)后情況。

在S-ROM 假體的臨床實(shí)踐中，截骨上段旋轉(zhuǎn)移位導(dǎo)致的骨不連，關(guān)節(jié)脫位等問(wèn)題是臨床亟待解決的。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，無(wú)論截骨類型如何，截骨部位發(fā)生骨不連的概率為0%～22%[2-8]。Reikeras 等[14]分析了接受小轉(zhuǎn)子下橫行截骨治療的25 例IV 型DDH 病人，發(fā)現(xiàn)4%的病例延遲愈合，4%的病例畸形愈合。Takahashi等[21]使用有限元的方法分析了基于Exeter 假體不同近端百分比位置的橫行截骨效果，發(fā)現(xiàn)40%近端位置的截骨表現(xiàn)出了最好性能，但該研究存在明顯不足。（1）目前，Crowe Ⅳ型DDH 關(guān)節(jié)置換術(shù)使用的主流假體是S-ROM 假體，而非Exeter 假體。（2）按照股骨長(zhǎng)度的比例進(jìn)行分析，并不適用于臨床，術(shù)中無(wú)法精準(zhǔn)實(shí)施。因此，我們基于SROM 假體進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)Crowe Ⅳ型 DDH 術(shù)中小轉(zhuǎn)子下截骨的有限元分析?？紤]到臨床實(shí)踐中，常使用股骨小轉(zhuǎn)子作為解剖參考位置進(jìn)行截骨，截骨起始位置大部分位于小轉(zhuǎn)子下0～3 cm。所以截骨模型設(shè)計(jì)為4 種：0 cm 截骨模型，1 cm截骨模型，2 cm 截骨模型與3 cm 截骨模型。本研究的目的是通過(guò)有限元分析確定行走周期中極限載荷下，全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中S-ROM 假體橫行截骨的最佳位置。

模擬結(jié)果表明，作用于股骨頭中心的豎直載荷（直立狀態(tài)）使股骨在冠狀面上產(chǎn)生了明顯的彎曲，在截骨界面內(nèi)側(cè)出現(xiàn)了明顯壓應(yīng)力集中，斜向載荷（屈髖狀態(tài)）也出現(xiàn)了類似的情況。從股骨位移云圖可以看到，在直立狀態(tài)下，0 cm 截骨高度獲得了最小的位移值，同時(shí)截骨處的位移較小，代表在增加負(fù)載前后，其相對(duì)原先的位置變化是最小的，這有利于術(shù)后截骨面的愈合。而2 cm/3 cm 截骨高度最大位移出現(xiàn)在截骨線處，可能會(huì)產(chǎn)生造骨不連等問(wèn)題。在屈髖狀態(tài)下，可以明顯看到假體發(fā)生了旋轉(zhuǎn)，由于角度過(guò)小，本研究通過(guò)球頭處的最大水平位移來(lái)量化各組之間的旋轉(zhuǎn)差異?？梢钥吹轿灰坪徒毓歉叨炔⒉皇蔷€性關(guān)系，這提示我們假體的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性在截骨高度之外仍存在其他未知變量，如下肢力線偏移，截骨界面吻合度之類，這些變量共同影響了假體的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致非線性的結(jié)果。

在應(yīng)力分析中，由于不同的應(yīng)力刺激對(duì)骨代謝和骨愈合有不同的影響，在早期愈合中，骨愈合區(qū)組織剛度低，承受外力能力差，若應(yīng)力過(guò)大，會(huì)造成骨損傷。根據(jù)Frost[22]的實(shí)驗(yàn)研究，應(yīng)力低于1～2 MPa 時(shí)，骨組織發(fā)生吸收；應(yīng)力高于約20 MPa 時(shí)，骨組織發(fā)生生長(zhǎng)；應(yīng)力高于約60 MPa 時(shí)，骨組織發(fā)生損傷。在截骨界面過(guò)高的應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)致骨不愈合等并發(fā)癥。因此，本研究將60 MPa 設(shè)為閾值，計(jì)算在截骨界面高于此應(yīng)力值的單元體積，見(jiàn)表2?？梢钥吹?，3 cm 的截骨模型表現(xiàn)出了最優(yōu)結(jié)果，和其他組別差異較大，這可能會(huì)帶來(lái)更快的愈合速度，更小的骨折風(fēng)險(xiǎn)。

表2 不同模型中截骨界面附近應(yīng)力大于60 MPa 的股骨體積（單位：mm3）Table 2 Volume with stress greater than 60 MP at the osteotomy interface in different models (unit：mm3)

在假體（柄）的應(yīng)力分析中，從圖4 可以看出，無(wú)論在何種工況下，假體都能觀察到明顯的應(yīng)力集中趨勢(shì)，峰值應(yīng)力均位于截骨線處，大小見(jiàn)表3。在直立狀態(tài)下，3 cm 截骨高度的峰值應(yīng)力較其他3 種截骨高度最小，在屈髖狀態(tài)下，1 cm 截骨高度的峰值應(yīng)力較其他3 種截骨高度最小。同時(shí)均小于鈦合金的屈服強(qiáng)度（950 MPa）。由于各模型最大應(yīng)力位置不同，0 cm 截骨高度模型應(yīng)力集中于S-ROM 柄的上部，在兩種工況下應(yīng)力變化小，在長(zhǎng)期使用下，這將會(huì)帶來(lái)更優(yōu)異的性能表現(xiàn)。

表3 假體峰值應(yīng)力（單位：MPa）Table 3 Peak stress of prosthesis (unit: MPa)

為了評(píng)估截骨處的穩(wěn)定性，我們比較了各模型截骨面之間的最大微動(dòng)值，具體結(jié)果見(jiàn)表4。可以發(fā)現(xiàn)，屈髖狀態(tài)下微動(dòng)均大于直立狀態(tài)下微動(dòng)，從豎直分量和水平分量來(lái)看，在直立狀態(tài)下，不同的截骨高度帶來(lái)的更多是豎直方向的偏移，水平分量差別不大；在屈髖狀態(tài)下，不同截骨高度在水平分量上差距大，在豎直方向上除了1 cm截骨模型的偏移較大，其余模型偏差類似?？傮w來(lái)說(shuō)，根據(jù)我們的模擬結(jié)果，1 cm 的截骨高度是臨床應(yīng)該避免的，而0 cm 和3 cm 截骨高度的力學(xué)表現(xiàn)是優(yōu)異的?？紤]到股骨的生物學(xué)因素，靠上的截骨界面擁有更好的血流，更快的愈合速度，本研究推薦使用小轉(zhuǎn)子下0 cm 的截骨高度，這與目前臨床上經(jīng)常使用0 cm 截骨的經(jīng)驗(yàn)也是相符的。

表4 各模型截骨面微動(dòng)值（單位：μm）Table 4 Micromovement of the osteotomy surface in each model (unit: μm)

本研究是基于有限元的計(jì)算模擬，并沒(méi)有進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，具有一定的局限性。（1）只使用了一個(gè)病人的骨骼進(jìn)行建模，擴(kuò)展性不足。（2）有限元的邊界條件設(shè)計(jì)仍存在優(yōu)化空間。（3）截骨高度的設(shè)計(jì)存在進(jìn)一步細(xì)化空間。（4）本研究模擬的是正常行走的步態(tài)周期，在載荷的設(shè)置上缺少跳躍，沖擊等極限條件。目前而言仍需要更多的生物力學(xué)分析和臨床研究來(lái)證實(shí)研究結(jié)果。盡管如此，本研究仍是第一個(gè)基于S-ROM 假體比較不同截骨高度對(duì)于股骨整體力學(xué)穩(wěn)定性影響的研究，對(duì)于未來(lái)更進(jìn)一步研究具有啟發(fā)意義。

4 結(jié)論

對(duì)于需要截骨的Crowe IV 型DDH 患者，采用有限元分析比較了4 種橫行截骨高度在不同載荷下的力學(xué)行為。不同截骨高度對(duì)術(shù)后股骨–假體系統(tǒng)的力學(xué)性能有顯著的影響。綜合來(lái)看，1 cm 的截骨方式由于其較差的力學(xué)性能是不被推薦的。同時(shí)，0 cm/3 cm 的截骨高度的力學(xué)性能在截骨面微動(dòng)值、截骨面壓應(yīng)力、假體位移等方面有著優(yōu)異表現(xiàn)，但考慮到臨床應(yīng)用問(wèn)題，目前來(lái)看0 cm 的截骨高度是手術(shù)中更應(yīng)該選擇的，根據(jù)模擬的結(jié)果來(lái)看，這將會(huì)減少術(shù)后骨不連、應(yīng)力骨折等并發(fā)癥的發(fā)生。這項(xiàng)研究仍需要臨床證實(shí)其在治療中的實(shí)用性。