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有限元分析髋关节假体球头直径、偏心距对股骨柄锥部应力的影响

2025-04-23 25 上传者：管理员

摘要：目的通过有限元模型分析全髋关节置换术中髋关节假体球头直径、偏心距变化对股骨柄锥部应力分布的影响。方法 CT扫描1名初次行全髋关节置换术志愿者的骨盆及股骨近端并获得Corail型股骨柄及球头模型。在Creo 3.0软件中设计?28、32、36 mm金属球头，通过变更球头内部偏移量改变偏心距，建立28-4、28、28+4、32-4、32、32+4、36-4、36、36+4、36+8的股骨球头模型，在Abaqus 6.14软件中对股骨柄锥部(球头与股骨柄结合部)远端和近端加载垂直和扭转载荷，测量股骨柄锥部的应力、应变量。结果垂直载荷和扭转载荷下，股骨柄锥部应力主要集中在头颈交界远端，模型远端平均应力显著大于近端(P<0.01)。垂直载荷下，28+4、32+4、36+4、36+8模型股骨柄锥部应力显著大于同直径的其他模型(P<0.05),36+8、36+4模型远端应力显著大于28+4、32+4模型(P<0.05);扭转载荷下，36+8模型近端应力显著大于其他模型(P<0.05);垂直载荷下，28+4、32+4、36+4、36+8模型远端应变显著大于同直径的其他模型(P<0.05),36+8远端应变显著大于28+4、32+4、36+4模型(P<0.05)。结论髋关节股骨柄锥部磨损与球头直径、偏心距存在相关性，增加球头直径或股骨柄锥部偏心距离会增大锥部磨损的发生风险。

关键词：
THA
偏心距
有限元分析
锥部磨损
髋关节置换术
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全髋关节置换术(THA)是治疗髋关节严重骨质病变的标准手术方案｡但随着髋关节假体在患者体内时间的延长,不同接触界面之间磨损量显著增加,由磨损产生的金属离子会诱发假体松动､炎性假瘤及其他全身免疫反应等一系列问题,其中锥部(球头与股骨柄结合部)是髋关节假体磨损的重要区域[1-2]｡Cartneretal[3]研究认为,选择中性偏移量和惰性材料能够减少股骨柄锥部磨损的发生率｡Fallahnezhadetal[4]建立了一种自适应有限元模型来预测股骨柄锥部的微动磨损过程,结果显示接触应力､滑动幅度和接触长度是影响锥部磨损量和微动磨损过程的关键参数｡本研究通过构建不同直径髋关节球头和偏心距的有限元模型,分析髋关节假体球头直径､偏心距变化对股骨柄锥部应力分布的影响,为THA治疗中选择合适假体､减缓锥部磨损提供帮助｡

1、材料与方法

1.1模型建立选择1名因股骨头缺血性坏死行初次THA治疗的男性志愿者,年龄35岁,体重70kg｡三维螺旋CT扫描骨盆及股骨近端,层厚0.625mm,螺距0.984∶1,X线管旋转速度0.8s/rad,获得140keV单能量图像和MARs图像,以DICOM格式文件保存并导入医学三维重建软件Mimics17.0中,进行阈值划分,构建出假体的点云文件｡在Geomagic软件中进行点云的曲面化,分别获得Co⁃rail型股骨柄及球头模型｡在Creo3.0软件中按照金属球头的形态进行设计,参照髋关节置换过程组装,保持股骨柄锥度为12/14,长度为18mm,建立ø28､32､36mm金属球头,通过变更球头内部偏移量(±4mm或+8mm)改变偏心距,建立28-4､28､28+4､32-4､32､32+4､36-4､36､36+4､36+8的股骨球头模型,10种股骨柄及不同直径球头的有限元模型见图1｡本研究经医院医学伦理委员会批准,患者签署知情同意书｡

图1股骨柄及不同直径金属球头的有限元模型

1.2有限元建模将所有模型分别导入Hy⁃permesh13.0软件进行网格化处理,单元类型选择六面体单元(C3D8R)和四面体单元(C3D4)的组合,单元大小根据部位不同设定为1~3mm,单元和节点数量根据球头直径不同而略有差异｡因本研究为应力分析,忽略了球头与股骨颈之间的微动关系,均采用绑定连接｡材料属性为连续､均质､各向同性线弹性型材料｡股骨柄弹性模量为110GPa,泊松比为0.2;股骨球头弹性模量为210GPa,泊松比为0.2｡

1.3边界和加载条件本研究将坐标系的原点与股骨头中心重合,x轴､y轴和z轴分别为前-后､内-外和上-下,将股骨远端作为边界条件,约束所有单元的平移和旋转6个自由度｡患者双侧负重时股骨头的垂直载荷约为350N,加载到髋关节相应负重区后,另外加载10N·m扭转载荷(见图2)｡

图2髋关节有限元模型加载扭转载荷示意

图3股骨柄锥部近､远端的分区

1.4观察指标参照Triantafyllopoulosetal[5]对临床髋关节翻修患者股骨柄锥部的分区方法,将股骨柄锥部分为近､远端2个区域(见图3)｡分别选取上述2个区域代表节点,在Abaqus6.14软件中加载垂直和扭转载荷,测量垂直载荷及扭转载荷下股骨柄椎部vonMises应力､应变量｡

1.5统计学处理采用SPSS20.0软件进行统计学分析｡计量资料以x±s表示,比较采用单因素方差分析或t检验｡

2、结果

2.1模型验证本研究建立的Corail型股骨柄､球头模型符合假体的实际设计参数,模型包括356225个节点､957426个单元｡模型的整体应力研究显示,在垂直载荷下,股骨柄锥部上下部为应力集中区,股骨柄以内侧压应力､外侧拉应力,其中内侧经股骨距部位后向下略降低,而后向远端形成另一个集中区;外侧则向远端逐渐增加至股骨柄远端｡此结果与刘文广等(2013年)､Gaoetal[6]研究相符｡

2.2股骨柄等效vonMises应力比较见图4､表1｡无论是垂直载荷还是扭转载荷,股骨柄锥部的应力主要集中在头颈交界远端,各模型股骨柄锥部远端应力均大于近端,差异均有统计学意义(P<0.01)｡垂直载荷下,锥部应力28+4､32+4､36+4､36+8模型均大于同直径的其他模型,差异均有统计学意义(P<0.05);36+8､36+4模型均大于28+4､32+4模型,差异均有统计学意义(P<0.05)｡扭转载荷下,锥部应力36+8模型均大于其他模型,差异均有统计学意义(P<0.05)｡

2.3股骨柄锥部vonMises应变量比较见图5､表2｡各模型应变云图显示与应力分布规律基本符合,但因扭转载荷较小,出现的应变量无法统计,所以本研究只对垂直载荷下的应变进行分析｡股骨柄锥部的变形主要集中在头颈交界应力最大的远端,其变形幅度均大于近端,差异均有统计学意义(P<0.05)｡远端应变28+4､32+4､36+4､36+8模型均大于同直径的其他模型,差异均有统计学意义(P<0.05);36+8模型大于28+4､32+4､36+4模型,差异均有统计学意义(P<0.05)｡

图4垂直､扭转载荷下股骨柄锥部应力云图

表1不同模型股骨柄锥部vonMises应力比较[MPa,min~max(x±s)]

图5垂直载荷下股骨柄锥部应变云图

表2垂直载荷下模型股骨柄锥部应变量比较[μm,min~max(x±s)]

3、讨论

3.1THA中股骨柄锥部磨损的研究在THA中,术者可以通过改变股骨柄锥部长度实现对肢体长度､偏心距的调整｡虽然股骨柄锥部采用12/14或11/13的锥度设计,可以实现头颈结合部的过盈匹配,最大限度减少微动,但长期的步态循环负荷､酸性的体内环境仍会导致一定量级的磨损｡Husseyetal[7]对1352例MoP假体的10年随访结果显示,因锥部腐蚀出现相应临床症状的发生率为3.2%｡Kocagozetal[8]定量分析CoCr球头的损失量,结果显示股骨头侧的材料损失量大于柄侧｡锥部磨损是一个复杂微动磨损过程,不仅涉及材料､锥形设计､头部尺寸和锥部长度,还与术中装配技巧､体重指数等相关[2]｡

3.2偏心距对股骨柄锥部应力的影响目前,偏心距对股骨柄锥部磨损情况的影响的研究较多,如DelBalsoetal[9]在对56例髋关节翻修假体的临床研究中发现,与其他偏距的ø28mm球头相比,28+8球头微动分数显著增加｡Martinetal[10]通过观察80例采用金属对聚乙烯材料假体的THA患者2~5年的血清Co和Cr水平,发现偏心距的增加和金属离子浓度升高存在明显相关性,且不同偏心距组间的金属离子浓度差异有统计学意义｡目前,股骨柄锥部参数基本为长度18~20mm､锥度12/14,为恢复肢体长度和偏心距,术中只能通过对球头内槽调整,变更球头的内部偏移量,范围一般在-4､0､+4､+8mm内｡本研究对28±4､32±4､36±4及36+8的股骨球头模型的有限元研究显示,无论是垂直载荷还是扭转载荷,股骨柄锥部的应力主要集中在锥部远端,远端平均应力大于近端(P<0.01),其中28+4､32+4､36+4模型远端应力显著大于标准长度模型及其-4mm模型,这与DelBalsoetal[9]的临床观察到的现象一致｡分析原因可能与股骨球头长度增加后,延长了股骨柄锥部接合区与股骨头中心之间的距离有关,从而导致头颈力矩增加｡

3.3球头直径对股骨柄锥部应力的影响影响股骨柄锥部应力的另一个因素为球头直径,大直径的球头可以增加患者术后髋关节运动范围,降低脱位风险｡但随着大直径球头金属-金属全髋关节假体应用的增多,一系列问题逐渐暴露,人们逐步将关注点转到球头相对较大的金属对聚乙烯材料在THA中的应用,这种假体的球头直径一般在28~36mm｡Dyrkaczetal(2013年)分析74例髋关节翻修中取出的ø28､36mm球头的研究数据,结果显示ø36mm球头的腐蚀评分明显高于ø28mm球头｡但Triantafyllopoulosetal[5]对154个金属对聚乙烯假体的股骨柄锥部微动和腐蚀的严重程度研究显示,微动和腐蚀的出现与股骨头尺寸无相关性,而与锥度设计､置入物长度和金属合金性质有关｡本研究对28±4､32±4､36±4及36+8的模型进行扭转载荷实验结果显示,36+8､36+4模型远端应力显著大于28+4､32+4模型,差异均有统计学意义(P<0.05)｡笔者认为,与垂直载荷比较,股骨球头旋转稳定的机制主要来源于头-颈之间的过盈匹配及接触面形成的摩擦力,球头直径越大沿股骨柄锥部的扭矩越大,增加的剪力容易劣化金属表面的氧化膜形成裂隙,促使酸性体液进入头-颈结合面,产生极具侵蚀性的腐蚀环境｡

综上所述,THA治疗中髋关节股骨柄锥部磨损与球头直径､偏心距存在相关性,增加球头直径或锥部偏心距离会增大锥部磨损的发生风险,临床工作中使用ø>32mm的球头时应注意｡本研究的局限性在于髋关节周围肌肉组织复杂,且患者在行走过程中的力学环境难以使用有限元模型完全模拟,故只能对垂直及扭转载荷进行研究,这些还有待进一步深入研究完善｡

参考文献:

[1]汪鑫,杨美平,刘洪亮,等.金属对金属髋关节置换因金属颗粒不良反应翻修的研究进展[J].中国骨伤,2022,35(1):95-98.

[2]安帅,李征,曹光磊,等.金属对聚乙烯全髋关节置换术后锥部腐蚀的研究进展[J].中华骨科杂志,2019,39(10):630-636.

基金资助:山东省卫健委医药卫生科技发展计划项目(编号:2019WSA15003);

文章来源:田文明,徐汝斌,李邦国,等.有限元分析髋关节假体球头直径､偏心距对股骨柄锥部应力的影响[J].临床骨科杂志,2025,28(02):292-296.