不同活動(dòng)時(shí)假體微動(dòng)對(duì)生物型股骨假體周圍組織液流動(dòng)性的有限元分析

魏宏達(dá) 金乾坤

假體無菌性松動(dòng)是全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)主要并發(fā)癥，嚴(yán)重影響患者康復(fù)信心，明顯增加患者及家庭的經(jīng)濟(jì)和精神負(fù)擔(dān)［1］。假體位置不佳、髖部周圍肌肉缺損、運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度較大均可加速假體松動(dòng)。有學(xué)者指出假體微動(dòng)和組織液流動(dòng)也是造成髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后假體松動(dòng)的危險(xiǎn)因素［2］。閔重函等［3］發(fā)現(xiàn)假體微動(dòng)幅度過大可以顯著抑制骨組織的生成，亦促進(jìn)纖維組織的形成。假體由于失去周圍骨組織的有效支撐，松動(dòng)將不可避免。組織液由于性質(zhì)特殊且位置不確定難以使用傳統(tǒng)方法進(jìn)行處理。隨著有限元技術(shù)不斷發(fā)展已經(jīng)逐漸適用于固體、液體甚至固液耦合等研究領(lǐng)域［4］。本研究通過有限元分析法對(duì)加壓和深蹲活動(dòng)時(shí)假體微動(dòng)對(duì)生物型股骨假體周圍組織液流動(dòng)性進(jìn)行客觀生物組織學(xué)變化評(píng)價(jià)。

1 材料與方法

1.1 離體三維有限元模型的建立 （1）模型構(gòu)建：納入健康志愿者1名，身高175cm，體重71kg，簽署知情同意書。排除髖部畸形或髖部骨折史后行髖關(guān)節(jié)CT掃描，層厚0.625mm，取得DICOM數(shù)據(jù)。CT數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 10.01建模軟件中提取股骨輪廓。然后將股骨假體實(shí)物進(jìn)行3D掃描，取得Stl格式數(shù)據(jù)。將假體Stl數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics中，采用圖像勾勒、布爾運(yùn)算和填充補(bǔ)洞等操作構(gòu)建三維有限元模型，見圖1。（2）網(wǎng)格劃分：將組建完畢的模型導(dǎo)入ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。有學(xué)者對(duì)網(wǎng)格類型和直徑進(jìn)行研究，結(jié)果顯示六面體網(wǎng)格為主體時(shí)，隨著網(wǎng)格逐漸密集，節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)會(huì)急劇增加，明顯增加計(jì)算機(jī)運(yùn)算負(fù)荷。網(wǎng)格直徑＜1mm時(shí)，計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度明顯下降并存在潛在系統(tǒng)崩潰可能。網(wǎng)格直徑＞3mm時(shí)，計(jì)算機(jī)運(yùn)算流暢度明顯增高，但模型網(wǎng)格質(zhì)量較前粗糙［5］。故網(wǎng)格劃分選擇直徑1～3mm的四面體網(wǎng)格為主體、六面體網(wǎng)格為補(bǔ)充網(wǎng)格劃分策略。（3）材料賦值：材料均假設(shè)為各向同性的線彈性材料，材料參數(shù)按照相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道進(jìn)行取值［6-7］，見表1。

圖1 模型構(gòu)建示意圖由內(nèi)向外依次為股骨假體、肉芽組織、松質(zhì)骨和皮質(zhì)骨，各結(jié)構(gòu)之間緊密結(jié)合

表1 不同材料的力學(xué)性質(zhì)表

1.2 股骨假體三維有限元模型邊界條件與力學(xué)加載 （1）邊界條件：本研究模擬加壓與深蹲活動(dòng)時(shí)，股骨假體周圍組織液的受力情況。故模型中股骨遠(yuǎn)端設(shè)定為鎖定狀態(tài)，模擬站立姿態(tài)下雙足與地面無相對(duì)移動(dòng)狀態(tài)。股骨頭受力接觸面設(shè)定為髖臼上、下緣連線覆蓋區(qū)域，同時(shí)接觸面與股骨頭中心默認(rèn)為點(diǎn)-面映射關(guān)系。（2）力學(xué)加載：本研究參照Bergmann等［8］構(gòu)建的Orthoload力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)測(cè)定的正常行走（加壓）和轉(zhuǎn)身活動(dòng)時(shí)（深蹲）最大受力值，結(jié)合受試者體重、身高因素得出受力加載值。在ANSYS軟件中Concentrated Force模式下施加于假體股骨頭中心，見圖2。換算公式：F實(shí)際=F標(biāo)準(zhǔn)×（F體重/100）×（L身高/180），其中F體重單位為kg，L身高單位為cm。

圖2 股骨頭受力施加示意圖加壓與深蹲活動(dòng)時(shí)外力施加于股骨頭中心。實(shí)際作用力可以分解為x、y、z三個(gè)分力

2 結(jié)果

2.1 組織液力學(xué)性能 加壓活動(dòng)時(shí)，組織液出現(xiàn)低速流動(dòng)，主要分布區(qū)域位于假體后內(nèi)側(cè)肉芽組織和假體遠(yuǎn)端松質(zhì)骨區(qū)域，組織液流速18～1062μm/s。深蹲活動(dòng)時(shí)組織液流動(dòng)速度較快，主要分布于假體后內(nèi)側(cè)肉芽組織內(nèi)和假體周圍廣泛松質(zhì)骨區(qū)域，組織液流速5～1277μm/s，見圖 3。

圖3 加壓和深蹲活動(dòng)時(shí)組織液流動(dòng)情況，顏色越鮮艷代表組織液流動(dòng)速度越高，深蹲活動(dòng)時(shí)組織液在肉芽組織和松質(zhì)骨內(nèi)流動(dòng)速度明顯較高

2.2 不同活動(dòng)時(shí)假體受力比較 加壓活動(dòng)時(shí)，應(yīng)力主要通過股骨假體向股骨遠(yuǎn)端縱向傳遞，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在股骨中段的假體與骨質(zhì)密切結(jié)合處，峰值應(yīng)力為69.57MPa。深蹲活動(dòng)時(shí)，應(yīng)力主要集中于股骨粗隆間、股骨中段假體與骨質(zhì)接合處，峰值應(yīng)力為146.85MPa。峰值應(yīng)力均未超過假體和骨質(zhì)疲勞強(qiáng)度。

3 討論

假體松動(dòng)是引起全髖關(guān)節(jié)置換翻修術(shù)的常見因素，原因主要為：（1）假體磨損引起生物學(xué)吞噬造成溶骨性假體松動(dòng)。（2）感染引起的炎癥性假體松動(dòng)。（3）假體位置安放不當(dāng)或髖臼磨銼切削過多造成假體松動(dòng)。（4）患者自身進(jìn)行性骨質(zhì)疏松引起的假體松動(dòng)。近年來，不同活動(dòng)和組織液流動(dòng)性對(duì)假體松動(dòng)的影響逐漸引起學(xué)者關(guān)注［9］。

3.1 不同活動(dòng)對(duì)假體力學(xué)影響 運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度與頻率是影響髖關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的重要因素。汪松等［10］對(duì)不同日常活動(dòng)時(shí)股骨頭受力進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)蹲坐位較站立位股骨距和粗隆間區(qū)域應(yīng)力集中程度明顯增加。Couch等［11］磨損試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，上樓梯和水平行走步態(tài)下假體磨損率分別為（22±3）和（10.68±0.5）mm3/MC。本研究對(duì)加壓（模擬正常站立位）和深蹲（模擬轉(zhuǎn)身）活動(dòng)時(shí)股骨假體和臨近骨質(zhì)受力情況進(jìn)行分析，證實(shí)深蹲活動(dòng)時(shí)股骨粗隆間和假體周圍應(yīng)力集中現(xiàn)象更為明顯。究其原因：（1）站立姿態(tài)下作用于假體作用力僅為軀干部和雙上肢載荷50%，深蹲活動(dòng)時(shí)身體重心偏移，絕大多數(shù)載荷作用于股骨假體，造成負(fù)載增加。（2）深蹲活動(dòng)時(shí)髖臼包容度較單純加壓略少，造成假體所受壓強(qiáng)增加。（3）深蹲載荷造成假體在髓腔內(nèi)具有旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)，使得假體周圍骨質(zhì)所受剪切力增加，出現(xiàn)假體局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3.2 不同活動(dòng)對(duì)組織液的影響分析 人工髖關(guān)節(jié)磨損理論上會(huì)發(fā)生于所有的接觸面，但實(shí)際上主要發(fā)生于髖臼與股骨頭假體界面、假體柄與周圍骨質(zhì)接觸面。隨著假體材料的不斷改善，髖臼與股骨頭假體間的磨損逐漸降低，假體柄與周圍骨質(zhì)接觸問題已成為研究熱點(diǎn)。Tyagi等［12］指出假體柄松動(dòng)原因較為復(fù)雜，磨損、組織液流動(dòng)和界膜形成為主要原因。本研究通過有限元分析證實(shí)，無論加壓或深蹲活動(dòng)均可造成組織液不同程度流動(dòng)，其中深蹲活動(dòng)時(shí)組織液瞬時(shí)流速可達(dá)1277μm/s，側(cè)面驗(yàn)證各種活動(dòng)時(shí)假體微動(dòng)是造成組織液流動(dòng)的主要因素。從微動(dòng)和組織液流動(dòng)方面分析假體松動(dòng)原因主要體現(xiàn)在：（1）頻繁微動(dòng)可造成假體磨損，使假體局部出現(xiàn)拋光現(xiàn)象，降低假體柄把持力，同時(shí)磨損造成的碎屑顆粒經(jīng)過組織液沖刷和吞噬，造成破骨細(xì)胞激活，使假體周圍骨質(zhì)出現(xiàn)異常骨溶解。（2）微動(dòng)量過大使假體周圍骨質(zhì)礦化障礙。Frost指出微動(dòng)過大造成骨質(zhì)礦化曲線右移，使顯微組織、肉芽組織增生明顯，造成假體與骨質(zhì)間摩擦力減小，易出現(xiàn)假體松動(dòng)現(xiàn)象。

3.3 微動(dòng)與應(yīng)力遮擋效應(yīng) 全髖關(guān)節(jié)植入術(shù)后假體微動(dòng)與應(yīng)力遮擋效應(yīng)共存，其生物學(xué)效應(yīng)符合Wollf定律和Frost定律。外部載荷刺激下，骨骼若處于生理應(yīng)變范圍內(nèi)則骨量以增加為主；外部載荷刺激減少則骨量明顯減低。正常站立姿勢(shì)下，外部載荷通過股骨假體傳遞至股骨遠(yuǎn)端，若假體硬度較高，假體周圍骨質(zhì)分擔(dān)應(yīng)力相應(yīng)減少，易發(fā)生廢用性骨質(zhì)疏松，造成假體松動(dòng)。若外部載荷過大或出現(xiàn)深蹲等活動(dòng)，假體周圍出現(xiàn)剪切應(yīng)力或微動(dòng)過大，造成骨吸收或假體-骨質(zhì)界面骨小梁礦化障礙，形成組織液流動(dòng)間隙和相對(duì)骨質(zhì)疏松區(qū)，嚴(yán)重破壞假體穩(wěn)定性進(jìn)而出現(xiàn)松動(dòng)顯像。

綜上所述，深蹲活動(dòng)時(shí)組織液在假體周圍廣泛流動(dòng)且速度較快，不利于假體周圍骨痂生成且易造成骨質(zhì)吸收，是造成全髖關(guān)節(jié)術(shù)后假體松動(dòng)的可能因素。