髖臼邊緣負重區全缺損結構性植骨的不同固定方式對人工全髖關節置換術后植骨塊初始微變形程度影響的有限元分析

許 瀚，許 鴻，呂 波，趙永正，周 鑫

(1.成都體育學院，四川 成都 610041；2.四川省廣漢市骨科醫院骨科，四川 廣漢 618400；3.四川省醫學科學院·四川省人民醫院骨科，四川 成都 610072；4.四川大學制造科學與工程學院，四川 成都 610064)

發育性髖關節發育不良(development dysplasia of the hip，DDH)是一種較常見的髖關節疾病，成人DDH多因兒童時期漏診、延誤治療或治療不當所致。成人DDH的手術治療通常采取人工全髖關節置換(total hip arthroplasty，THA)，但鑒于成人DDH的髖關節疼痛及行走受限等癥狀加重年齡具有年輕化趨勢，使得術者對人工髖關節置換假體的壽命有更高的要求。而成人DDH因脫位的股骨頭撞擊常導致髖臼邊緣大量骨缺損，常伴有髖臼解剖學結構形態改變，通常需行結構性植骨，臨床中常用的3種結構性植骨固定方式為：雙螺釘固定、單重建鋼板固定和螺釘+重建鋼板固定。三種手術設計存在較大爭議，手術難度大，效果欠滿意，術后并發癥較多，失敗率較高，是成人DDH的治療的技術難題。本研究利用有限元分析方法，重建骨盆有限元模型，模擬DDH患者髖臼邊緣負重區骨缺損模型和假體及墊塊的安裝，賦予骨和假體彈性模量和泊松比等材料屬性參數，根據生物力線給予一定的力學加載，從理論上分析不同缺損和固定狀態下的骨與假體等部位的應力狀態。

1 材料與方法

1.1 一般資料采用三維有限元方法，2018年5月至2019年2月于四川大學制造工程學院先進制造技術四川省重點實驗室完成。選取四川省人民醫院骨科健康男性，體重60 kg，身高165 cm，CT掃描排除外傷、髖部畸形、骨壞死等影響建模因素。將志愿者髖關節和股骨CT數據作為建模基礎，導入Dicom數據于醫學三維重建軟件Mimics(Materialise公司，比利時)中。

1.2 骨盆模型建立分別建立股骨與骨盆的MASK完善STL三維模型所示，將所生成的STL三維模型經Geomagic stdio (Geomagic公司，美國)光滑處理及Unigraphics NX (Siemens公司，德國)裝配后，生成最終骨盆模型。

1.3 髖關節有限元模型建立首先確定髖關節的旋轉中心，本研究采用Ranawat三角法確定髖關節的旋轉中心[1，2]，如圖1所示。原Ranawat三角法中的b點為Y軸高度的2/5處，本研究中發現使用該定點確定的旋轉中心點向內、上偏移的誤差較大，故我們對b點設定進行了改良，使確定的旋轉中心接近兩側大轉子頂點連線，也更接近MOSE圓法測出的股骨頭球形的中心點，以利于髖臼假體模型的建立。按確定的旋轉中心進行模擬臼杯裝配，在髖臼側置入50 mm的臼杯，臼杯按照前傾角5°、外展角5°位置安裝，由于本研究模擬人體處于站立位時的受力狀態，骨盆有一定前傾角度，故將骨盆前傾角設定為10°[3～5]，裝配模型如圖2所示。

圖1 Ranawat三角髖關節旋轉中心

圖2 裝配模型 a：裝配大體模型；b：劃分模型網格；c：模型的載荷與約束

1.4 內固定模型建立內固定方式采用三種方式，即雙螺釘固定、單重建鋼板固定和螺釘加重建鋼板固定，三種固定方式如圖3所示。THA假體由zimmer(捷邁)公司提供，CT機由廣漢市骨科醫院提供，Mimics購買自Materialise公司、Geomagic stdio購買自Geomagic公司、Unigraphics NX 購買自Siemens公司、ansys 購買自ANSYS公司。螺釘固定采用兩顆螺釘均勻分布，采用雙螺釘是為了避免單螺釘所造成的門軸效應，從而對植骨塊及髖臼杯的穩定產生影響；單鋼板固定采用截骨鋼板整個髖臼后上部及后側，鋼板兩端各使用兩個螺釘與骨盆固定；螺釘加鋼板固定鋼板的放置與單鋼板固定的方式相同，同時在植骨位置植入兩個固定螺釘，螺釘穿過鋼板與植骨，將植骨和鋼板與骨盆固定在一起。

圖3 三種固定方式及螺釘及鋼板的放置位置 a：雙螺釘固定；b：單鋼板固定；c：螺釘加重建鋼板固定

1.5 材料賦值與網格劃分將裝配模型導入Ansys orkbench (ANSYS公司，美國)中，進行有限元分析。首先對模型中的材料賦值，其中，臼杯、鋼釘為不銹鋼材料，內襯為高交聯聚乙烯材料，股骨柄鈦合金材料[6]，在壓應力分布中，其主要作用的兩個參數為彈性模量和泊松比，主要材料賦值見表1。

表1 材料屬性[7]

在Ansys Workbench中對模型進行網格劃分，劃分單元體類型為Quadratic Tetrahedron，采用自由網格劃分方法，網格如圖2b所示。

1.6 邊界條件模型的接觸關系包括髖臼與髖臼杯、髖臼杯與襯墊、襯墊與股骨柄頭、股骨柄與股骨松質骨、股骨柄與股骨皮質骨、股骨皮質骨與松質骨、植入骨塊與髖臼杯、植入骨塊與骨盆、螺釘與植入骨塊、螺釘與鋼板、鋼板與骨盆、鋼板與螺釘以及鋼板與植入骨塊之間的接觸，其中植入骨塊與骨盆、鋼板與植入骨塊、植入骨塊與骨盆及植入骨塊與髖臼杯之間接觸設為無摩擦接觸，其余的接觸設為綁定接觸。

下肢在進行屈伸、外展及外旋等動作時，也與單足站立狀態下的髖關節最大接觸應力成線性關系[8]。因此，我們采用與生理活動狀態最相近的單足站立狀態進行分析[9，10]，并將肌肉載荷的加載方式進行簡化[11]。模擬60 kg人單足站立，采用在股骨干下端施加600 N方向向上的載荷，在大轉子外側施加斜向上45°的載荷來模擬外展肌力，并且在骨盆上施加固定約束[12]，如圖2c所示為模型的受載荷情況。

1.7 收斂性研究為了提高結果的準確性，在行實驗前對網格進行敏感性分析。整個網格大約有190000個單元和320000個節點。通過單元節點劃分模型評估結構的收斂性，結果表示骨與植入體與標準模型預測最大變形之差小于4%。

1.8 觀察指標在Ansys Workbench中模擬模型受力情況，檢測髖臼側植骨變形程度。

1.9 統計學方法采用SPSS 19.0軟件分析數據。對每一個模型髖臼負重區植入骨塊隨機選取15個應力點，記錄變形程度，計算平均變形程度及標準差，對三種固定方式結果兩兩之間進行方差分析。P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

髖臼植骨塊變形情況及應力分布如圖4所示，具體結果見表2。在負荷情況下顯示螺釘固定組最大微變形程度為0.277 mm，單重建鋼板固定組為0.0333 mm，而螺釘加重建鋼板固定組最大變形度為0.0077 mm。本研究中，雙螺釘固定方式引起的平均變形量明顯高于單鋼板固定和螺釘-鋼板組合固定方式(P<0.01)，螺釘-鋼板組合固定方式在對平均變形量優于單鋼板固定方式(P< 0.05)。

表2 各模型植入骨塊變形程度比較 (mm)

圖4 有限元分析圖 從左向右依次為鋼板固定組、螺釘加鋼板固定組及單純螺釘固定組

3 討論

DDH繼發骨關節炎的患者在初次THA中占29%[13]。高位脫位的DDH患者，常常伴有不同程度的髖臼缺損，在過往的髖臼生物力學研究中我們發現，髖臼負重區是髖關節的承重部位，其負重能力受局部骨接觸面積、骨密度和強度、機械性穩定性等多種因素影響，發育、創傷、感染、良性腫瘤和骨關節炎并發髖臼囊性變，以及醫源性因素均能導致髖關節尤其是負重區的缺損，而修復這些缺損常需要進行結構植骨，以提高髖關節穩定性、無痛尤為重要。因此，對髖臼負重區缺損的補救手段顯得尤為重要。

髖臼杯與髖臼、植骨塊前期的充分接觸、彼此結合是維持后期穩定的前提。在固定初期，植骨塊尚未與缺損區域緊密結合時，最易產生形變及位移等對髖臼杯初始穩定性影響的危險因素。初始微形變度越大，假體與骨的整合以及骨的愈合越差，后期越容易發生髖臼杯無菌性松動，導致二次翻修。

本研究通過對植入骨塊的應力分布、變形情況進行有限元分析，得出三種缺損情況下螺釘固定方式明顯劣于鋼板固定和螺釘加鋼板固定方式，螺釘固定方式產生較大的應力和較為明顯的應力集中，產生形變度遠大于另外兩種固定方式，極易誘導髖臼內側骨折的發生。在固定初期，患者在THA術后往往需要早期下地行功能鍛煉，此時活動方式近似于單足站立，從平臥位到站立位，股骨側假體施加的切向力增加，植骨塊極易發生旋轉運動。而隨著時間推移，活動量增大，不同活動形式必然帶來不同方向髖臼側應力的增加，成倍增長的應力對植入骨塊也會帶來成倍的影響，為了延緩翻修時間，單純的螺釘固定較其余兩種固定方式來說并不能更好的滿足術后穩定的要求。

在本研究中，分析發現螺釘加鋼板組合固定方式相較于純鋼板固定方式，降低了植入骨塊的變形，主要原因即研究模擬人單足站立的情況髖臼力有限，當采用螺釘加鋼板固定式，力的傳遞方式為從股骨頭傳遞至襯墊、髖臼杯、髖臼內側、植骨骨塊然后傳遞至鋼板和螺釘，其中大部分均承載在鋼板上，螺釘受到較小的力，使螺釘加鋼板固定方式與純鋼板固定方式之間未產生顯著差異的原因。但就目前結果顯示，螺釘-鋼板固定方式仍為初始變形度最小的一組固定方式。

本研究的不足之處在于對髖關節周圍復雜肌肉筋膜系統的模擬具有一定局限性，對生物力學結果存在一定差異。此外，本研究模擬仿對骨的非均質結構無法精確模擬，也沒有考慮到個體差異性，需要在今后的研究中不斷完善。

通過本研究有限元的力學分析證明，髖臼邊緣負重區全缺損下，螺釘加重建鋼板固定植骨塊對THA后初始微變形程度影響最小，能夠達到有效的固定和滿足早期負重步態的要求，為后期骨長入提供較好的力學環境。