人工髖骨接觸狀態(tài)仿真

馮敏+從曙光+鄭百林

作者簡介： 馮敏（1976—），女，江西景德鎮(zhèn)人，講師，碩士，研究方向?yàn)檫\(yùn)動人體科學(xué)，(Email)fengmin0726@163.com

通信作者：鄭百林（1966—），男，陜西岐山人，教授，博導(dǎo)，研究方向?yàn)閺?fù)合材料界面力學(xué)等，(Email)blzheng@tongji.edu.cn0引言

自1891年GLUCK采用象牙制股骨頭和髖臼首次進(jìn)行人工髖骨關(guān)節(jié)置換至今，人工髖關(guān)節(jié)研究已有100多年的歷史.人工髖關(guān)節(jié)置換技術(shù)為治療髖關(guān)節(jié)病變和損傷、解除病痛、恢復(fù)病人行走等提供非常有效的方法.在關(guān)節(jié)炎晚期治療、外傷致殘和骨瘤切除手術(shù)中，人工關(guān)節(jié)置換技術(shù)已成為一項(xiàng)常規(guī)手術(shù).隨著經(jīng)濟(jì)和科技的飛速發(fā)展，人們對生物醫(yī)學(xué)的需求日益增長.據(jù)報(bào)道，目前全世界每年因各種疾病需要更換關(guān)節(jié)的人數(shù)高達(dá)4 000~6 000萬人［1］，僅髖關(guān)節(jié)置換就達(dá)80萬例［2］.我國對髖關(guān)節(jié)置換需求量很大.據(jù)測算，我國每年有100萬病人需要人工關(guān)節(jié)手術(shù).［3］學(xué)者SWANSON提出理想關(guān)節(jié)假體的設(shè)計(jì)要求［4］，但發(fā)展至今，人工關(guān)節(jié)仍有很多不足，人工髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)后會產(chǎn)生如術(shù)后感染、骨吸收、骨萎縮、假體下沉、下肢痛、假體遠(yuǎn)期松動和假體柄斷裂等諸多問題.對人工髖關(guān)節(jié)進(jìn)行必要的生物力學(xué)分析，是設(shè)計(jì)理想髖骨假體的必要條件.STEWARD等［5］通過實(shí)驗(yàn)測量關(guān)節(jié)的接觸面積，進(jìn)而對膝關(guān)節(jié)的接觸壓力進(jìn)行預(yù)測.BARTEL等［6］建立全膝關(guān)節(jié)和全髖關(guān)節(jié)的模型，并用彈性和有限元法進(jìn)行模擬.王西十等［7］研究股骨與脛骨和股骨與臏骨的咬合運(yùn)動.本文對髖骨假體接觸狀態(tài)進(jìn)行初步研究，利用Abaqus進(jìn)行計(jì)算分析，并給出一些建議，以期對髖關(guān)節(jié)置換臨床實(shí)踐提供指導(dǎo).

1髖關(guān)節(jié)和人工髖關(guān)節(jié)

髖關(guān)節(jié)位于人體中部，是人體中最重要的關(guān)節(jié)之一.人工髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意見圖1.

圖 1人工髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意

Fig.1Schematic of artificial hip joint structure

解剖學(xué)表明，髖關(guān)節(jié)可以圍繞以骨頭為中心的無數(shù)軸運(yùn)動.髖骨既承受人體質(zhì)量和負(fù)載，又要完成下肢復(fù)雜多樣的運(yùn)動（如走、跑和跳等）.天然髖關(guān)節(jié)病變損傷，常植入人工髖關(guān)節(jié)以代替其功能.人工髖關(guān)節(jié)由股骨球頭、關(guān)節(jié)臼窩和關(guān)節(jié)柄組成.考慮人體必需的運(yùn)動及加工工藝，人工髖骨連接部分做成球狀形式（見圖1）.人工關(guān)節(jié)固定方式分為兩種：骨水泥固定和非骨水泥固定.［9］前者采用骨水泥將人工假體與天然骨體黏結(jié)固化達(dá)到固定目的；后者將特定的假體嵌入髓腔或設(shè)法使宿主骨長入假體從而達(dá)到生物學(xué)固定.成功的髖骨置換要求以人工髖骨完成原髖骨所有功能，且運(yùn)動方式與原髖骨一致.

2人工髖關(guān)節(jié)髖臼內(nèi)襯應(yīng)力分析

盡管人工髖關(guān)節(jié)在材料、設(shè)計(jì)、加工、制造及臨床應(yīng)用方面不斷完善，但仍有諸多問題，如術(shù)后感染、假體下沉、無菌松動和應(yīng)力遮擋等，其接觸狀態(tài)是認(rèn)識很多問題的基礎(chǔ)，其應(yīng)力狀況直接影響假體的使用壽命和效果.本文模擬一個步態(tài)載荷周期內(nèi)髖臼內(nèi)襯的應(yīng)力分布，以及在不同材料組合時其最大接觸應(yīng)力的變化及其接觸位置對應(yīng)力的影響.

2.1有限元模型建立

在Abaqus/CAE中建立人工髖關(guān)節(jié)和股骨頭系統(tǒng)的幾何模型.髖假體尺寸因人而異，不同尺寸各有利弊.目前，各種型號股骨頭的直徑一般為22～32 mm［8］，因此模型取直徑為28 mm，厚度為14 mm的半球空心殼體髖臼內(nèi)襯，其外側(cè)固定2 mm厚半球金屬背殼，股骨頭與內(nèi)襯的內(nèi)徑相同.

選取5種股骨頭髖臼材料組合（見表1）研究內(nèi)襯應(yīng)力特性.

表 15種股骨頭髖臼材料組合

Tab.1Five kinds of material combinations of femoral

head with acetabulum序號代碼部件材料類型彈性模量/GPa泊松比1MOM股骨頭金屬210.00.3髖臼金屬210.00.32MOC股骨頭金屬210.00.3髖臼陶瓷392.00.23COC股骨頭陶瓷392.00.2髖臼陶瓷392.00.24COP股骨頭陶瓷392.00.2髖臼聚乙烯0.80.45MOP股骨頭金屬210.00.3髖臼聚乙烯0.80.4

建立有限元模型，見圖2.

(a)金屬背殼(b)髖臼內(nèi)襯(c)股骨頭(d）髖關(guān)節(jié)假體系統(tǒng)圖 2有限元模型

Fig.2Finite element models

在裝配時，整個模型與水平面呈37°.設(shè)置股骨頭與髖臼內(nèi)襯為接觸對，金屬背殼與內(nèi)襯黏結(jié).在臨床中，金屬背殼固定在病變或損傷的髖臼內(nèi)，故在有限元模型中將金屬背殼進(jìn)行完全固定處理.

PEDERSEN等［10］把人的一個步態(tài)周期分為32個瞬間，分別測得每個瞬間的髖關(guān)節(jié)合力.步態(tài)周期內(nèi)的關(guān)節(jié)載荷曲線呈雙峰狀，包括足跟著地相、單足站立相、腳掌踏地相、腳尖離地相以及擺動相等.

2.2仿真結(jié)果

按表1中的組合5賦予材料屬性，并施加圖3所示的載荷，計(jì)算各瞬態(tài)接觸壓力分布，見圖4.

圖 3一個步態(tài)周期內(nèi)髖關(guān)節(jié)合力

Fig.3Composition forces on hip joint in a gait cycle

圖 4一個步態(tài)周期內(nèi)髖臼內(nèi)襯接觸壓力分布

Fig.4Distribution of stress on acetabular liner in

a gait cycle

由圖3和4可知，從腳跟著地到腳趾離地的前1~20瞬態(tài)中，關(guān)節(jié)合力相對較大，內(nèi)襯應(yīng)力水平較高；應(yīng)力的分布區(qū)域基本集中在髖臼后1/4的范圍內(nèi)，且隨著內(nèi)襯應(yīng)力水平的升高，應(yīng)力集中分布區(qū)域向表面中心偏移；在第15個瞬態(tài)即腳掌踏地相，其應(yīng)力達(dá)到最大值.

進(jìn)一步計(jì)算在不同材料組合時的接觸情況，在一個步態(tài)周期中，各瞬態(tài)最大接觸壓力見圖5.壓力變化趨勢與PEDERSEN等給出的合力及其垂向的分力變化趨勢相似，在不同材料組合時其接觸壓力相近.但是，在以陶瓷作為髖臼內(nèi)襯時，由于其相對于股骨頭具有較大的彈性模量，所以其變形狀況改變，在某些載荷作用下其最大接觸壓力發(fā)生在邊緣處（見圖6），接觸狀態(tài)已完全改變，導(dǎo)致其最大接觸壓力的改變（見圖5）.雖然此情況在實(shí)際臨床中很少發(fā)生，但該現(xiàn)象說明在不同的材料組合情況下確定合適的髖骨固定位置是必要的.

圖 5一個步態(tài)周期內(nèi)最大的接觸壓力

Fig.5Maximum contact stress in a gait cycle

(a)COP(b)COC圖 6在不同材料組合下接觸狀態(tài)的改變

Fig.6Change of contact state under different material groups

髖臼內(nèi)襯的接觸應(yīng)力與股骨頭的接觸方向有很大關(guān)系.分別計(jì)算髖關(guān)節(jié)合力與髖臼軸線呈0，15，30，40和45°時的接觸壓力情況見圖7.

圖 7不同接觸位置的接觸壓力

Fig.7Contact stresses vary of different location

由圖7可以看出，在作用力大小相同時，在此假體特定的結(jié)構(gòu)下其接觸壓力與其接觸發(fā)生位置相關(guān)，離髖臼中心距離越小應(yīng)力水平越低.LEWINNEK等［11］研究認(rèn)為，髖臼假體安放的“安全位置”為傾斜角30和-50°，前傾角5和-25°.權(quán)衡其他安裝考慮，在同樣受力狀態(tài)下選擇合適的安裝角度可以降低接觸壓力.

進(jìn)一步計(jì)算在軸向載荷下5種材料組合的髖臼內(nèi)襯應(yīng)力情況，沿髖臼內(nèi)襯內(nèi)表面一條經(jīng)過頂點(diǎn)的路徑提取其接觸壓力，見圖8，可知不同的材料組合引起的接觸壓力略有差異.股骨頭和髖臼內(nèi)襯力學(xué)參數(shù)相差越大，其接觸壓力峰值也越大.

圖 8在不同材料匹配下的接觸壓力

Fig.8Contact stresses under different material groups3結(jié)束語

利用有限元軟件仿真人工髖骨假體內(nèi)襯在一個步態(tài)載荷周期內(nèi)的應(yīng)力情況，得到其接觸應(yīng)力分布圖，為臨床髖骨的植入提供力學(xué)參考.計(jì)算得到一個步態(tài)載荷周期內(nèi)最大接觸壓力的變化趨勢與髖骨上受到的載荷趨勢吻合.在此特定結(jié)構(gòu)中，接觸壓力受接觸位置影響較大，在不同的材料組合下接觸力變化不大.由于力學(xué)參數(shù)的改變，其接觸狀態(tài)往往會隨之發(fā)生變化，所以接觸力產(chǎn)生根本改變.因此，建議對不同材料匹配下的髖骨假體做適當(dāng)?shù)氖芰υu估.接觸狀態(tài)對人工髖骨假體的磨損及潤滑性能有關(guān)鍵作用，揭示其中的接觸狀態(tài)對臨床髖骨置換技術(shù)有重要的指導(dǎo)意義.參考文獻(xiàn)：

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