髖臼外緣缺損對髖臼假體初始穩(wěn)定性影響的有限元研究

顧彬,王躍

(1.三六三醫(yī)院骨科,四川 成都 610000;2.西南醫(yī)科大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院,四川 瀘州646000;3 四川省醫(yī)學(xué)科學(xué)院·四川省人民醫(yī)院骨科,四川 成都 610072)

發(fā)育性髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良(developmental dysplasia of the hip,DDH)是由于髖關(guān)節(jié)發(fā)育異常引起的,這種發(fā)育異常出現(xiàn)在嬰兒期或兒童早期,早期可出現(xiàn)跛行、骨關(guān)節(jié)炎[1],初始為發(fā)育不良,后期將出現(xiàn)嚴(yán)重的股骨脫位并形成假臼。全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)(total hip arthroplasty,THA)可以解決多種髖關(guān)節(jié)疾患,消除髖關(guān)節(jié)疼痛,恢復(fù)正常功能。THA術(shù)中髖臼處的重建至關(guān)重要,足夠的骨覆蓋才能使置入后的臼杯達(dá)到初始穩(wěn)定。既往有研究認(rèn)為[2-6],當(dāng)臼杯覆蓋率在60%～75%時(shí),無需額外處理即可使其穩(wěn)定。然而,目前并沒有文獻(xiàn)報(bào)道保持置入臼杯初始穩(wěn)定性的臨界覆蓋率。本研究采用三維有限元技術(shù),探究保證臼杯初始穩(wěn)定的臨界條件。

1 對象與方法

1.1 研究對象 1例健康成年男子,年齡40歲,身高175 cm,體重70 kg,排除髖關(guān)節(jié)疾患。

1.2 骨盆模型的建立 將該志愿者的骨盆薄層CT(120 kV,125 mA,層厚0.625 mm)的Dicom數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics軟件(Materialise公司,比利時(shí))中,重建骨盆的三維模型,以STL文件格式保存。并在Geomagic stdio軟件(Geomagic公司,美國)中做光滑處理,得到骨盆實(shí)體模型。

1.3 構(gòu)建髖臼假體模型 本研究采用Trilogy Acetabular System生物性髖臼組件。根據(jù)志愿者骨盆CT數(shù)據(jù)及假體設(shè)計(jì)參數(shù),利用Solidworks建模,并以prt格式保存,用具有0.9 mm的恒定厚度的殼單元來模擬皮質(zhì)骨[7]。為了施加載荷便利,在有限元分析時(shí)將假體股骨頭部分簡化為半球狀(見圖1)。

1.4 材料屬性賦值 將裝配模型導(dǎo)入Ansys Workbench(ANSYS公司,美國)中,進(jìn)行有限元分析,并首先對模型中的材料賦值[7-8](見表1)。

表1 不同屬性材料的賦值

1.5 有限元單元格類型和網(wǎng)格劃分 在Ansys Workbench中對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,對髖臼骨與髖臼杯假體的接觸面進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化,而在遠(yuǎn)離該區(qū)域則選擇較為粗糙的網(wǎng)格。細(xì)化區(qū)域網(wǎng)格精細(xì)程度調(diào)試后選擇0.8 mm。

1.6 模型接觸對的邊界條件及載荷設(shè)置 骶髂關(guān)節(jié)處為固定約束區(qū)域(A),宿主骨與臼杯之間的接觸設(shè)為摩擦接觸,摩擦系數(shù)設(shè)為0.5[7],臼杯與其他組件接觸則設(shè)為綁定接觸。本實(shí)驗(yàn)將人正常步態(tài)下髖關(guān)節(jié)最大接觸力施加到球頭旋轉(zhuǎn)中心(O)上,對不同實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行力學(xué)測試(見圖2)。根據(jù)志愿者體重計(jì)算出Von Mises應(yīng)力即合力F≈1 631.9 N[9]。

圖2 有限元分析中載荷設(shè)置及約束設(shè)置示意圖

1.7 缺損模型的設(shè)計(jì) 髂前上棘與髖臼中心連線A,與過髖臼中心垂直于A線的B線將髖臼平均分為4份[10],后上象限即為負(fù)重區(qū)[11](見圖3)。本研究將在兩個(gè)平面上對髖臼構(gòu)造不同的缺損。首先定義一個(gè)平面E,該平面為經(jīng)過髖臼負(fù)重區(qū)中心垂直于髖臼平面的一個(gè)面,a線位于E內(nèi),并垂直于水平面。直線b為E上缺損邊緣點(diǎn)與髖臼中心的連線。a線、b線與髖臼交點(diǎn)分別為a’和b’,兩者之間的夾角設(shè)為α。α=0 °表示a線、b線重合,a’與b’重合;α>0 °表示在負(fù)重區(qū)上缺損越靠外,缺損程度相對較輕;α<0 °表示在負(fù)重區(qū)上缺損越靠內(nèi),缺損程度相對較重,這是髖臼內(nèi)側(cè)缺損的構(gòu)造。再次定義一個(gè)平面F,該平面為過b’垂直于E的平面。F將與髖臼的前后緣形成兩個(gè)交點(diǎn)e’和f’,b’、e’、f’三點(diǎn)確定一條弧線,b’為半圓弧頂點(diǎn),沿此弧線用圓球?qū)y臼骨進(jìn)行切割(圖4～7)。由此便能構(gòu)造出以髖臼負(fù)重區(qū)為中心的不同髖臼外緣缺損模型。

圖4 平面E、F設(shè)計(jì)示意圖

圖6 F平面的缺損設(shè)計(jì)示意圖

1.8 裝配及力學(xué)加載過程 將不同髖臼缺損實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS 19.0中進(jìn)行裝配,臼杯裝配前確定髖關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)中心[12]。測得髖臼直徑為54 mm,選取臼杯外徑為55 mm的鈦杯進(jìn)行壓配置入,賦予密質(zhì)骨及松質(zhì)骨不同的屈服強(qiáng)度[13-14]。置入臼杯的外展角設(shè)為45 °、前傾角設(shè)為15 °后,對臼杯組件進(jìn)行壓配置入,置入成功后對股骨頭中心持續(xù)加力至模型穩(wěn)定。模型保持收斂,計(jì)算結(jié)果證明準(zhǔn)確。

1.9 結(jié)果評定 通過壓配方式置入后的生物型臼杯表面的微孔終將骨長入,進(jìn)一步穩(wěn)定臼杯,延長假體使用壽命。置入臼杯與髖臼骨之間存在一定的微動(dòng)位移,當(dāng)微動(dòng)位移超過一定范圍將影響骨長入臼杯表面的微孔,影響置入臼杯的初始穩(wěn)定即遠(yuǎn)期效果,縮短假體使用年限。通過查閱文獻(xiàn)得出宿主骨與假體表面的最大微移<40 μm時(shí)可誘導(dǎo)骨長入假體表面的微孔[15],故將最大微動(dòng)位移臨界標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為40 μm。當(dāng)置入臼杯與宿主骨之間的最大微動(dòng)位移不超過40 μm時(shí)認(rèn)為置入臼杯可達(dá)到初始穩(wěn)定。

2 結(jié) 果

本研究分別設(shè)計(jì)了α為0 °、-15 °、-25 °、-27 °以及α為-25 °時(shí)b’與F平面過髖臼負(fù)重中線上1/4半徑與髖臼邊緣交點(diǎn)e’、f’為圓弧線的6種不同的髖臼外緣缺損模型。髖臼杯骨覆蓋率、臼杯邊緣骨缺損率(臼杯邊緣未覆蓋長度與臼杯邊緣周長比)及臼杯與宿主骨的微動(dòng)位移見表2。當(dāng)α=-25 °時(shí),臼杯與宿主骨的最大微動(dòng)位移為39 μm,此時(shí)達(dá)到臼杯穩(wěn)定臨界條件。當(dāng)繼續(xù)減小α角度或繼續(xù)使臼杯邊緣骨缺損增加,臼杯與宿主骨的微動(dòng)位移均>40 μm臨界值,影響臼杯置入后的初始穩(wěn)定性。

表2 不同缺損情況下臼杯骨覆蓋率、臼杯邊緣骨缺損率及相對臼杯相對宿主骨的微動(dòng)位移比較

3 討 論

臨床上多采用骨盆正位X線片來估算置入臼杯骨覆蓋率,但通過X線片來評估臼杯骨覆蓋率的二維測量方式有諸多缺陷,比如髖臼處骨缺損位置的不同、缺損骨的形狀、臼杯假體的放置位置以及拍攝X線片時(shí)患者是否為標(biāo)準(zhǔn)體位等,均可導(dǎo)致測量誤差,偏離實(shí)際數(shù)據(jù),故臨床上常用的二維測量并不能反映出臼杯實(shí)際骨覆蓋率。目前已有研究通過基于CT數(shù)據(jù)的三維重建方式來獲取置入臼杯的真實(shí)骨覆蓋率[16-17]。Xu等[16]術(shù)后基于CT數(shù)據(jù),利用計(jì)算機(jī)軟件重建骨盆三維模型,測得無額外固定下臼杯骨覆蓋率超過75%時(shí)可獲得初始穩(wěn)定。Wen等[18]對Crowe Ⅱ型和Ⅲ型行DDH患者研究時(shí)發(fā)現(xiàn),當(dāng)使用44 mm臼杯在真臼處重建髖臼時(shí),臼杯在負(fù)重區(qū)大約有40%未被宿主骨覆蓋,臼杯出現(xiàn)早期松動(dòng),這些髖關(guān)節(jié)將需要額外的手術(shù)來確保THA中的初始穩(wěn)定。Ueno等[17]通過CT骨盆三維重建得出經(jīng)螺釘固定的髖臼杯在宿主骨覆蓋率>61.5%,可使臼杯獲得初始穩(wěn)定。他們都是基于術(shù)后復(fù)查隨訪得出的結(jié)論,并不能確定達(dá)到初始穩(wěn)定臼杯的骨覆蓋臨界值。

本研究的創(chuàng)新之處在于設(shè)計(jì)出了以髖臼負(fù)重區(qū)為中心的髖臼外緣不同缺損,這是一種新方法,既往文獻(xiàn)中未出現(xiàn),筆者認(rèn)為這種設(shè)計(jì)方法是可行的。采用CT三維重建骨盆結(jié)構(gòu),通過三維計(jì)算髖臼杯骨缺損率較2D的骨盆X線片,測量方法更為精確,更符合實(shí)際。其次,本研究得出了臼杯達(dá)到初始穩(wěn)定的髖臼外緣缺損臨界值。髖臼窩經(jīng)過髖臼銼打磨后,髖臼缺損形狀呈類圓弧狀,DDH患者髖臼負(fù)重區(qū)缺損可以想象為股骨頭從負(fù)重區(qū)外緣滑出,故負(fù)重區(qū)外緣的缺損形狀也類似于圓弧狀,所以理論上髖臼外緣最大的缺損不超過以e’、f’兩點(diǎn)連線為直徑的半圓弧(見圖5)。若在半圓弧缺損內(nèi),測量出臼杯相對于宿主骨的微動(dòng)位移<40 μm,那么在半圓弧缺損內(nèi)任何缺損情況下,臼杯與宿主骨的微動(dòng)位移都不會(huì)超過臨界值。

Ueno等[17]報(bào)告臼杯骨覆蓋率在61.5%也可使臼杯達(dá)到初始穩(wěn)定,但至少需要1枚螺釘進(jìn)行固定。既往也有研究發(fā)現(xiàn),采用螺釘對髖臼杯進(jìn)行多枚螺釘,可使臼杯初始穩(wěn)定性增加,減少臼杯與宿主骨之間的峰值微動(dòng)[7]。Kaku等[19]研究發(fā)現(xiàn),相同缺損模型,當(dāng)未采用額外固定時(shí),臼杯相對于宿主骨的微移明顯>40 μm,當(dāng)采用額外固定(髖臼螺釘、結(jié)構(gòu)植骨螺釘固定)時(shí),微動(dòng)位移<40 μm,置入臼杯達(dá)到初始穩(wěn)定。Thaler等[20]研究中,對于髖臼杯與宿主骨的覆蓋率<70%時(shí),采用自體股骨頭移植、螺釘固定,為臼杯提供支撐,也可實(shí)現(xiàn)臼杯初始穩(wěn)定,隨著自體骨骨頭與髖臼骨生長融合后將獲得長久的臼杯穩(wěn)定,可見髖臼外緣缺損采用股骨頭移植并螺釘固定可對臼杯初始穩(wěn)定提供一定的支撐。

本研究得出保持置入髖臼杯初始穩(wěn)定的最低臼杯骨覆蓋率為67.1%,當(dāng)骨覆蓋率繼續(xù)減少到約65.4%時(shí),臼杯相對于宿主骨的微移將超過臨界值。實(shí)際上,當(dāng)置入髖臼杯的骨覆蓋率在65.4%時(shí),在正常步態(tài)下髖關(guān)節(jié)最大受力的作用下,置入臼杯將出現(xiàn)完全松動(dòng),整體脫離宿主骨,滑出髖臼窩。本研究主要探討使臼杯初始穩(wěn)定的臨界條件,并未增加額外固定,完全由臼杯壓配及與宿主骨之間的摩擦而達(dá)到初始穩(wěn)定性。與其他研究差異在于,其他學(xué)者的研究中至少額外采用一種固定方法,可見適當(dāng)降低臼杯的覆蓋臨界值,在一定范圍內(nèi)可通過額外固定方式使臼杯達(dá)到初始穩(wěn)定。

本研究有一定的局限性:(1)只模擬了正常步態(tài)髖臼受力峰值,不同的運(yùn)動(dòng),髖臼的受力將不同;(2)只設(shè)計(jì)了一種臼杯的安裝角度,即外展45 °,前傾15 °,而臨床上有多種安裝角度。Lewinnek等[21]建議臼杯安裝的安全范圍為外展角(40±10)°,前傾角(15±10)°。有研究表明,臼杯安裝角度的不同,其受力大小也不相同[22-23];(3)只采用了一種髖臼組件,有研究表明髖臼杯表面的不同紋理及涂層可影響臼杯表面的摩擦系數(shù)[24];(4)本研究采用的是健康成年人進(jìn)行研究,骨質(zhì)條件好,無骨質(zhì)疏松。而臨床中大多數(shù)關(guān)節(jié)置換患者為合并骨質(zhì)疏松的老年患者,骨密度降低,骨量下降,臼杯與宿主骨的單位接觸面積減少,摩擦力降低。上述不同的情形均可使結(jié)論產(chǎn)生偏倚,故臨床上應(yīng)多方面考慮。

綜上所述,髖臼外緣缺損患者在THA術(shù)中采用生物型假體時(shí),在無額外固定條件下,臼杯髖臼骨的覆蓋率不低于67.1%時(shí),可保證正常步態(tài)下置入臼杯的初始穩(wěn)定性。