帶翼髖臼假體與半球形髖臼假體的有限元對比分析

作者單位：411228 湖南省湘潭縣人民醫(yī)院

通訊作者：謝紅波

【摘要】 目的 比較半球形髖臼假體和三翼髖臼假體有限元分析的結果。方法 建立半球形髖臼假體和三翼髖臼假體的有限元模型，應用有限元分析公式計算在缺損髖臼翻修后，兩種翻修假體在正常步態(tài)周期內(nèi)的應力變化。結果 在不同關節(jié)力的作用下半球形髖臼假體與三翼假體的應力分布無統(tǒng)計學意義（P>0.05），翼間夾角為15°的三翼髖臼假體所受應力要明顯小于翼間夾角30°的三翼髖臼假體和半球形髖臼假體（P<0.05）。結論 三翼髖臼假體與半球形髖臼假體之間的應力值比較雖然有顯著增加但是無統(tǒng)計學意義，使用翼間夾角較小的帶翼假體可明顯減小假體各部所受的應力，從而可提高帶翼假體的穩(wěn)定性。

【關鍵詞】 帶翼髖臼假體； 半球形髖臼假體； 有限元分析

髖臼骨缺損在髖關節(jié)翻修中經(jīng)常遇到，嚴重髖臼骨缺損可以導致髖關節(jié)正常力學結構的破壞，從而使得重建手術變得極為復雜。此時必須要重建髖臼，以盡可能地恢復髖關節(jié)的原始旋轉中心。髖臼翻修假體類型的選擇可以直接影響手術的成敗，國內(nèi)外已開發(fā)出多種假體用于伴有骨缺損的髖臼翻修。本文利用有限元法對比分析了目前臨床常用的半球形髖臼假體和新型帶三翼髖臼假體的應力分布規(guī)律，現(xiàn)報道如下。

1 資料和方法

1.1 一般資料 選擇目前臨床常用的半球形髖臼假體和新型帶三翼髖臼假體進行分析。半球形髖臼假體的單元數(shù)為19000個，節(jié)點數(shù)為25600個，直徑為54 mm；帶三翼髖臼假體單元數(shù)為20000個，節(jié)點數(shù)為27000個，半球部直徑為54 mm，三翼的翼間夾角分別取30°和15°。兩種假體所用單元均為ANSYS中的SOLID92單元，材料為鈷鉻鉬合金，最大翼長都為25 mm，最大翻修直徑均可達79 mm。

1.2 分析方法 建立半球形髖臼假體和三翼髖臼假體的三維有限元模型，應用有限元分析公式計算在缺損髖臼翻修后，兩種翻修假體在正常步態(tài)周期內(nèi)的應力變化。本文中為了減少分析工作量又同時能夠得到有代表性的結果，以正常中等身材男性為試驗參考標準。假設正常中等身材男性的體質(zhì)量為660 N，則在正常步態(tài)時髖關節(jié)力最大和最小分別是2162 N 和432 N。通過Ansys有限元分析軟件包，分別計算半球形髖臼假體和三翼髖臼假體（翼間夾角為30°與15°）三種髖臼假體在2162 N 和432 N兩種髖關節(jié)力作用下各個部分的Von Mises應力。

1.3 統(tǒng)計學分析 統(tǒng)計三種髖臼假體分別在432 N和2162 N的髖關節(jié)力作用下所受Von Mises應力情況，并進行差異性分析比較。應用SPSS 13.0統(tǒng)計學軟件對數(shù)據(jù)進行分析處理，兩個樣本均數(shù)的比較用t檢驗，兩個樣本率的比較用χ²檢驗。以P<0.05為差異具有統(tǒng)計學意義。

2 結果

三種髖臼假體分別在432N和2162N的髖關節(jié)力作用下所受Von Mises應力情況見表1。結果顯示在2162 N的髖關節(jié)力下，三種髖臼假體所受Von Mises應力均顯著大于其在432 N的髖關節(jié)力下所受的應力。翼間夾角30°的三翼髖臼假體與半球形髖臼假體之間的應力值差異無統(tǒng)計學意義（P>0.05），而翼間夾角為15°的三翼髖臼假體，所受應力要明顯小于翼間夾角30°的三翼髖臼假體和半球形髖臼假體，差異有統(tǒng)計學意義（P<0.05）。

表1 三種髖臼假體在不同髖關節(jié)力作用下所受

Von Mises應力情況表

3 討論

有嚴重髖臼骨缺損病例的翻修必須重建髖臼以盡可能的恢復髖關節(jié)的原始旋轉中心，而術后假體松動、假體脫位是影響療效和手術成功的主要原因^［1］。臨床上通常采用大塊自體或異體骨移植重建髖臼的方法修補骨缺損，以提供假體穩(wěn)定性并可恢復髖關節(jié)正常旋轉中心。這種方法手術后早期效果滿意，但是當骨水泥型髖臼大部分被移植骨支撐時，假體松動和骨移植的失敗率會增高。而采用非骨水泥多孔表面假體翻修的效果優(yōu)于大塊骨重建，高位放置髖臼假體避免了大塊骨移植，使假體最大限度的與宿主骨接觸，但是臼杯放置位置較高會加大髖臼和股骨假體的松動率，而放置位置過低或者展角過大則容易導致過度磨損。因此，選擇合適的位置放置假體可以在減少松動率的同時有效的減小磨損，減小手術的失敗率和復發(fā)率。

利用Ansys有限元分析軟件包建立了帶三翼髖臼翻修假體和半球形髖臼假體的三維有限元模型，分析了在不同髖關節(jié)力作用下三種假體所受應Von Mises應力的分布規(guī)律^［2］，并進行相互比較。結果顯示在2162的髖關節(jié)力下三種髖臼假體所受Von Mises應力均顯著大于其在432 N的髖關節(jié)力下所受的應力。分析結果還顯示翼間夾角30°的三翼髖臼假體與半球形髖臼假體之間的應力值差異無統(tǒng)計學意義（P>0.05）。因此，盡管帶翼假體置入后與受體骨界面的接觸面積明顯大于半球形假體，但是這并不能顯著增加三翼假體所受的應力水平，從而降低置入后的穩(wěn)定性。相反帶翼假體所受的界面應力相比半球形假體有顯著增加，說明三翼髖臼假體在抗壓方面較半球形假體具有優(yōu)勢。在432 N和2162 N的髖關節(jié)力作用下，翼間夾角為15°的三翼假體Von Mises應力不僅明顯小于翼間夾角為30°的三翼假體（P<0.05），而且顯著小于半球形假體（P<0.05）。由此可知減小三翼假體的翼間夾角可明顯減低假體所受的Von Mises應力，在效果上甚至低于半球形假體，可以顯著減少假體本身所受的應力，增強帶翼假體的穩(wěn)定性^［3，4］。

總之，帶三翼髖臼假體和半球形髖臼假體的三維有限元模型試驗分析表明，三翼髖臼假體與半球形髖臼假體之間的應力值比較雖然有顯著增加但是無統(tǒng)計學意義，表明帶翼假體置入后與受體骨界面的接觸面積增大并沒有顯著增加三翼假體所受的應力水平，在恢復髖臼正常旋轉的同時，穩(wěn)定性可以得到保證，同時抗壓方面三翼髖臼假體較半球形假體具有優(yōu)勢。結果顯示使用翼間夾角較小的帶翼假體可明顯減小假體所受的應力，顯著提高帶翼假體的穩(wěn)定性。

參 考 文 獻

［1］ 劉廣建.UHMWPE髖臼的厚度對摩擦磨損的影響研究.中國生物醫(yī)學工程學報，2005，24（5）：611-613.

［2］ 王成燾，白雪嶺.骨相關外科中的數(shù)字技術.中華創(chuàng)傷骨科雜志，2008，10（2）：103-108.

［3］ 王志杰，丁自海，鐘世鎮(zhèn).有限元法在骨應力分析及骨科內(nèi)外固定系統(tǒng)研究中的應用.中國臨床解剖學雜志，2006，24（1）：107-110.

［4］ 鄭曉雯，孟惠榮.人工髖關節(jié)置換后股骨柄應力的有限元分析.西安科技大學學報，2004，24（4）：459-462.

（收稿日期：2011-03-18）

（本文編輯：梅宏偉）