老年人股骨頸骨折股骨頭置換術中短柄假體的有限元分析

呂大偉，蘇 琴，姚詠明，趙曉東

股骨頸骨折在老年骨質疏松患者中發病率高，并發癥多。外科治療常采用內固定術和關節置換術［1］。關節置換手術包括:股骨頭置換術和全髖置換術。隨著技術的成熟，對老年人股骨頸骨折患者使用人工關節置換術已經普遍被醫生及患者所接受。同時，老年患者體質虛弱，縮短手術時間、減小手術打擊仍是此類人群實施關節置換術中需要考慮的重要問題［2］。

根據Wittenberg等［3］相關研究顯示，對于老年人(平均年齡＞60歲)身體條件差、活動量小、預期壽命短、不能耐受較大手術者，可考慮行人工股骨頭置換。理由是:創傷小、出血少、對身體儲備功能要求低;與全髖關節置換相比，存在關節功能較差、二期翻修率較高的缺點。同樣，短柄假體可減少手術創傷，在滿足力學穩定性和關節功能的情況下應作為首選，以下利用有限元的方法對短柄股骨假體進行生物力學分析。

材料與方法

1 主要儀器與設備

1.1 實驗材料 該模型使用層間距為0．5mm的CT圖片，共895張。

1.2 主要設備 計算機基本配置:CPU Pentium IV/2．4G;內存2G;硬盤80G;顯存64MB。

1.3 相關軟件 Ansys 5．7、Geomagic8．0。

1.4 中空多孔髖關節假體參數 幾何參數及材料力學參數由北京百慕航材高科技股份有限公司提供。

1.5 股骨材料參數 股骨上部為由松質骨和皮質骨組成的線彈性材料，松質骨彈性模量為300MPa，泊松比為0．29;皮質骨彈性模量為17．6GPa，泊松比為0．29［4］。

2 實驗方法

2.1 股骨三維有限元模型的建立 對股骨CT圖像的數據進行處理，應用Geomagic8．0優化幾何模型，股骨NURBS曲面重建構建人股骨全長的計算機三維圖形。通過ANSYS與CAD系統的接口將其輸入ANSYS 5．7，獲得股骨的三維有限元模型，利用solid45單元［5］進行分網建模(圖1)。

圖1 利用solid45單元進行分網建模

2.2 股骨短柄假體有限元模型的建立(圖2)

圖2 股骨假體柄160mm，短柄假體柄80mm

2.3 假體植入后的有限元模型 強度分析采用屈服強度理論，股骨短柄假體植入后的耦合分析采用節點位移耦合法。假體受力環境模擬體重60kg的成人單足站立時的負荷(3倍體重、1800N)，自股骨頭負重區所在節點位置沿法線方向施加載荷，指向股骨頭的中心，與股骨干的長軸成25°夾角［4］。

2.4 統計學處理 采集股骨假體以及短柄假體對應節點mises應力，使用Microsoft Excel 2000軟件包進行分析對比。

結 果

1 受力分布圖(圖3、4)

圖3 股骨假體及周圍骨質mises應力正面觀

圖4 短柄假體及周圍骨質mises應力正面觀

2 短柄假體應力分布的改變

股骨假體張力側最大mises應力為382．525 MPa，壓力側最大mises應力為361．089 MPa;短柄假體張力側受力減小，最大mises應力為62．501MPa;壓力側最大mises應力為43．933MPa;傳導模式未見明顯變化。鈦合金的屈服強度為896MPa，3倍體重單次受力不會造成鈦金屬材料的屈服。

討 論

髖關節置換術應用范圍廣泛，在創傷、骨性關節炎、病理性骨破壞的治療中為了重建關節結構、最大限度恢復關節功能，都會考慮實施關節置換手術。回顧該手術模式的發展史，從最早應用在解決高齡患者站立行走的基本需求，逐漸應用于滿足年輕患者的高體力活動要求。隨著生活質量的提高和預期壽命的延長，老年患者逐漸增加，對關節置換術提出了更高的要求［6-7］。

有限元方法應用于醫療器械的力學性能評價及優化設計已有40年歷史，模擬實驗具有時間短、費用少、可模擬復雜條件、力學性能測試全面以及可重復實驗等優點。國內外相關研究包括Viceconti等［8］關于解剖性假體初期穩定的影響因素評估，對于假體柄設計、患者骨質質量、骨質與假體間空隙、體重以及假體型號等因素進行綜合考慮，結合體外實驗進行驗證，分析假體不穩中各種不利因素的作用;Sakai等［9］也對生物固定型股骨假體柄力學性能研究，引入“微動區”來考量假體植入后的初期穩定性，提出了各種類型股骨柄在植入后的固定區域及需要修正的問題。

結合本實驗結果，縮短股骨假體柄可降低最大mises應力，在保證穩定性的前提下，也可減少手術創傷、縮短手術時間，已得到進一步研究的支持和臨床實踐的佐證。

［1］陳述祥，陳彥東，劉紅光，等．老年人髖部骨折內固定與人工關節置換術危險性的比較［J］．中國矯形外科雜志，2010，18(20):1737-1739．

［2］張衛．人工髖關節置換術與骨折內固定術治療老年股骨頸骨折的對比分析［J］．醫藥論壇雜志，2009，30(11):15-18．

［3］Wittenberg RH，Steffen R，Windhagen H，et al．Five-year results of a cementless short-hip-stem prosthesis［J］．Orthop Rev，2013，5(1):16-22．

［4］David V．Hutton，武建華．Fundamentals of finite element analysis［M］．重慶:重慶大學出版社，2007:53-56．

［5］Parker MJ，Rajan D．Arthroplasties(with and without bone cement)for proximal femoral fractures in adults［J］．Cochrane Database Syst Rev，2001，(3):CD001706．

［6］Paul T，Burgers P．Total hip arthroplasty versus hemiarthroplasty for displaced femoral neck fractures in the healthy elderly:a meta-analysis and systematic review of randomized trials［J］．Clin Orthop Relat Res，2012，470(8):2235-2243．

［7］陶祖萊．生物力學導論［M］．天津:天津科技翻譯出版公司，2000:87-88．

［8］Viceconti M，Brusi G，Pancanti A，et al．Primary stability of an anatomical cementless hip stem:a statistical analysis［J］．J Biomech，2006，39(7):1169-1179．

［9］Sakai R，Itoman M，Mabuchi K．Assessments of different kinds of stems by experiments and FEM analysis:appropriate stress distribution on a hip prosthesis［J］．Clin Biomech，2006，21(8):826-833．