模擬全髖關節置換術后兩種假體的應力對比分析

王剛，張樹泉，鄭小秋，袁毅△

（1.內蒙古民族大學附屬醫院，內蒙古 通遼028000；2.天津市南開醫院，天津300100；3.吉林大學中日聯誼醫院，長春130021）

1 引 言

研究表明［1］，髖關節置術后，股骨存在骨改建和骨量丟失現象，尤其是股骨端。置換后股骨近端的應力遮擋被認為是引起骨量失的力學原因，骨量丟失、骨皮質變薄，最終會導致節假體失效。近年來，人工髖關節假體植入股骨后的應力遮擋效應研究越來越受到人們的重視。張玉朵等［2］研究了假體設計參數對應力的影響和人工髖關節置換前后股骨的應力分布，研究發現，人工關節置換后股骨受力總體模式沒發生改變，股骨近端應力遮擋明顯 ；股骨中上部內側受壓應力，外側受張應力，股骨中下部外側受壓應力，內側受張應力，作用于股骨應力峰值位于股骨中下部；隨著頸干角增加，股骨和假體的應力水平降低；假體柄長對假體應力影響較小 ，股骨于作用的應力隨柄長增大略有增加。Watanable等［3］分別建立了正常（未置換）和進行股骨表面置換的股骨近段三維有限元模型，進行有限元分析，結果表明，應力遮擋好發于股骨頸前上方假體邊緣附近，表面置換術后的應力遮擋在臨床觀察中和動物實驗中得到了進一步的證實。以往關于模擬全髖關節置換術置入不同假體后的應力遮擋效應研究以三維有限元的方法進行研究居多［4-6］。模擬全髖關節置換術置入解剖型假體和置入傳統型假體前、后通過應變計電測量對比分析置入兩種人工假體的應力遮擋效應罕見報道。本研究以正常成人尸體股骨標本為研究對象，模擬全髖關節置換術，分別對股骨標本置入德國產保留股骨頸型假體和北京普魯士鋼研外植入物有限公司生產的傳統型假體置入前、后的股骨進行應變計電測量，得出了保留股骨頸型假體置入股骨組和傳統型假體置入股骨組假體置入前、后，兩組股骨在壓應力作用下，股骨各測點的應變、應力和應力遮擋率值。以應變計電測量的方法定量的對比分析股骨標本置入保留股骨頸型假體和傳統型假體后的應力遮擋效應，旨在為臨床髖關節置換術提供生物力學基礎。

2 材料與方法

2.1 實驗標本

本實驗所用10例男性尸體股骨標本，由白求恩醫科大學解剖教研室提供，年齡25～32歲、身高1.70-1.81 m、體重76～81 kg，人死亡后10小時內解剖取出左、右側股骨標本，以生理鹽水將紗布浸濕后包裹股骨標本，之后裝入塑料袋中，密封后存放于-20℃冰箱內。

2.2 實驗標本分組

實驗前取出股骨標本，在室溫下解凍，從10個標本中，隨機取5個標本為模擬全髖關節置換術以北京普魯士鋼研外植入物有限公司產PLUS-HPS型柄傳統型假體置入股骨組，隨機取5個標本為以德國LINK公司產CFP型保留股骨頸解剖型假體置入股骨組。

2.3 股骨標本尺寸測量和包埋固定方法

以讀數顯微鏡和鋼板尺測量股骨標本的長度和直徑，傳統型假體植入股骨組標本長為368.4～426.5 mm，直徑為25.96～26.89 mm，保留股骨頸解剖型假體置入股骨組標本長為374.4～438.2 mm，直徑為25.82～27.32 mm，兩組人工假體置入前正常股骨標本長為371.6～375.9 mm，直徑為25.92～27.48 mm.為使股骨下端面平整，分別將每個股骨標本下端置于模具中，之后向模具中填充義齒基托樹脂粉與義齒基托樹脂液劑（按粉/液22g/10ml的配比）包埋固定股骨標本底部。

2.3.1 股骨標本應變片黏貼方法 首先對傳統型假體置入股骨組、解剖型假體置入股骨組假體置入前的每組各5個正常股骨標本上黏貼電阻應變片，按電阻應變片貼片工藝要求，分別以酒精和丙酮將每組各5個股骨標本貼片部位清洗干凈，之后以502快干膠水在各測點黏貼膠基箔式電阻應變片 ，電阻應變片標距為3x3 mm，電阻應變片值為122.2+0.1Ω，電阻應變片靈敏系數為2.14.各組電阻應變片貼片后自然干燥24 h。股骨各測點電阻應變片布片示意圖見圖1。

圖1 股骨各測點電阻應變片布片示意圖Fig 1 Schematic diagram of the resistance strain gauge sheet for each measurement point of the femur

2.3.2 假體置入前正常股骨標本應變電測量方法 分別將傳統型假體置入股骨組和解剖型假體置入股骨組假體置入前的每組各5個正常股骨標本置于長春試驗機研究所生產的MODEL-55100型電子萬能試驗機的工作臺上，首先對標本按參考文獻［7-9］的方法進行預調處理。之后將黏貼于股骨標本上各測點的電阻應變片導線分別接在南京航空航天大學生產的yj-4501A型靜態電阻應變儀的分線箱的橋臂上，接橋方式為半橋，溫度補償為外補償，驅動機器以2 mm/min的實驗速度對標本施加0.85KN壓縮載荷，通過yj-4501A型靜態電阻應變儀測出各測點的應變值。假體置入前正常股骨標本應變電測量照片見圖2。

圖2 假體置入前正常股骨標本應變電測量照片Fig 2 The photo of strain electric measurement of normal femoral specimen before prosthesis implantation

2.3.3 假體置入后股骨標本應變計黏貼方法 傳統型假體置入股骨組的方法為：將股骨固定于操作平臺上，于小粗隆上方1.5 cm處至股骨頸外側大粗隆基底部以臨床用骨鋸截骨，去掉股骨頭和大部分股骨頸，挖除股骨內遠端的松質骨，確定髓腔位置，由大粗隆側向遠端通髓腔，選擇合適的臨床用髓腔銼擴髓，清除內部的碎屑，選擇合適的假體進行生物學固定，保持股骨頸前傾10～15°；解剖型型假體置入股骨組的方法為：將股骨固定于操作平臺上，以骨鋸于股骨頭下垂直股骨頸截骨，截骨線外側距大粗隆基底通常為1.5 cm，去掉股骨頭，于小粗隆側中央開孔，選擇合適粗細和曲率的臨床用髓腔銼擴通髓腔，安置假體，叩打結實，使假體頸領緊密坐于股骨頸皮質上。按兩組人工假體置入股骨組假體置入前正常股骨標本應變片黏貼方法在人工假體置入后兩組股骨標各測點黏貼應變片，按兩組人工假體置入股骨組假體置入前正常股骨標應變電測量的方法，分別測出傳統型假體置入股骨組和解剖型假體置入股骨組各測點的應變值，根據單項胡克定律計算每組各測點的應力值，公式中-應力，-應變，E-彈性模量。按本實驗的預實驗測得股骨的彈性模量18.1GP計算各組標本的應力值，傳統型假體置入股骨組應變電測量照片見圖3、解剖型假體置入股骨組應變電測量照片見圖4。

圖3 傳統型假體置入股骨組電測量照片Fig 3 The photo of strain electric measurement of traditional prosthesis implantation

圖4 解剖型假體置入股骨組電測量照片Fig 4 The photo of strain electric measurement of Anatomic prosthesis implantation

2.3.4 統計學分析方法 計量資料以mean±SD表示，用 SPSS16.0軟件包（SPSS，Chicago，IL，USA）進行數據分析，組間數據差異的比較采用單因素方差分析法和Sceffe法，P＜0.05為差異有顯著性意義。

3 結果

各組股骨標本應變電測量結果見表1。

實驗結果表明，置入北京普魯斯公司產傳統型假體組 6、7、9、10、11、12、14、15、16、18測點應變、應力小于置入德國產保留股骨頸型假體組，差異顯著（P＜0.05）。

4 討論

實驗結果表明，保留股骨頸解剖型假體股骨標本近端1-10號測點的應變、應力小于傳統型假體置入組，差異顯著（P＜0.05）。分析認為，保留股骨頸解剖型假體材料為鈦合金，傳統型假體為鈷鉻鉬合金。由于鈦合金的彈性模量小于鈷鉻鉬合金，又由于傳統型假體僅保留部分股骨頸，于小粗隆上方1～1.5 cm截骨，嚴重破壞了干骺端松質骨系統，改變了系統間的受力平衡及股骨上端正常的應力分布，所以置入解剖型假體組應力遮擋率低于置入傳統型假體組。當假體置入干骺端松質骨內和髄腔，干骺端松質骨可吸收應力，調節較硬的假體和相對有彈性的皮質骨之間的力學傳導，這樣就會形成一個具有可變的和一體化的骨-假體彈性系統，干骺端的松質骨能夠在一定程度上允許和控制假體的微動，但由于微動不可能被完全消除，它必須被控制并分散到各個生理方向上，頸托的作用能夠起到阻止具有生物動力的柄通過垂直方向微動進入股骨。保留股骨頸解剖型假體置入后，一方面假體頸領與股骨皮質骨緊密結合，另一方面由于干骺端的松質骨得以大部分保存，松質骨在假體和皮質骨之間可起到重要的緩沖作用，從而相對降低了假體和股骨的剛度之差。

表1 各組股骨標本應變電測量結果（N=8）Table 1 Strain electrical measurement results of femoral specimens in each group（N=8）

Kim等［10］以解剖型假體置入股骨與普通假體生物學固定進行比較，結果表明，解剖型假體的近端有與髓腔更加近于解剖狀態的匹配，而遠端比生物學固定要細，近段匹配具有良好的應力傳導，遠端較細的結構不但避免了過大的屈曲剛度，而且避免了遠端皮質骨的接觸，降低了應力遮擋率。本實驗結果和參考文獻［10］的結果表現出良好的一致性，說明解剖型假體的設計符合生物力學原理。人工關節置入后，應力遮擋效應的大小與近端應力傳遞的大小、與假體柄遠側部位的屈曲剛度有關，穩定性主要取決于假體于軸向及扭轉載荷下微動的大小，生物學固定人工關節，假體表面處理是骨生長的條件，穩定性是骨長入的外部環境，假體植入后不亦產生大的微動，微動過大將會影響骨的長入，假體遠期穩定效果不好。人工股骨頭材質屬性的微小變化就可以對髖關節應力分布造造成影響，主要和人工股骨頭材質的彈性模量與假體幾何形狀有關［11-12］。提示低彈性模量假體的近端幾何形狀設計至關重要，設計不合理，則會增加近端的松動幾率。假體材料的高彈性模量高，置入股骨會產生嚴重的應力遮擋，所以低彈性模量的假體材料是假體的新選擇。

本實驗為體外實驗，與臨床髖關節置換術具有一定的差距，對實驗結果會產生一定的影響。由于實驗樣本有限和生物材料的各體差異，實驗數據有一定的離散性。