二維有限元法分析THA術(shù)前試模的重要性

劉 洋 ，王文波 ，趙 哲 ，于宏偉

（1.哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院ICU，黑龍江哈爾濱 150086；2.哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院骨科，黑龍江哈爾濱150001；3.哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第三醫(yī)院骨科，黑龍江哈爾濱 150040）

二維有限元法分析THA術(shù)前試模的重要性

劉 洋1，王文波2，趙 哲2，于宏偉3

（1.哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院ICU，黑龍江哈爾濱 150086；2.哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院骨科，黑龍江哈爾濱150001；3.哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第三醫(yī)院骨科，黑龍江哈爾濱 150040）

目的：通過全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)（THA）術(shù)前試模與否與術(shù)后有限元模型的建立及力學(xué)分析，探討術(shù)前試模的重要性。方法：選取行單側(cè)THA的24例患者作為研究對象，將其分為兩組（試模組和對照組），行THA，術(shù)后對患髖攝X線正位片，其原始數(shù)據(jù)輸入有限元軟件建立二維有限元模型，并進(jìn)行力學(xué)分析、繪制應(yīng)力曲線，與正常股骨近端的應(yīng)力曲線進(jìn)行比較。結(jié)果：試模組的股骨近端生物力學(xué)分析優(yōu)于對照組，其應(yīng)力曲線圖較對照組更接近正常。結(jié)論：THA術(shù)前精確的試模能夠使術(shù)后的股骨近端應(yīng)力分布更接近正常。

全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)；二維有限元分析；術(shù)前試模

人工全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)是現(xiàn)代關(guān)節(jié)外科手術(shù)中常用的術(shù)式，其中試模是全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)（THA）術(shù)前計(jì)劃的重要環(huán)節(jié)。但目前尚缺乏好的生物力學(xué)文獻(xiàn)報(bào)道及實(shí)驗(yàn)研究來證明術(shù)前試模與否對術(shù)后股骨近端應(yīng)力的影響等。本文即利用二維有限元法對此進(jìn)行分析比較。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取股骨頭無菌性壞死FicatⅣ期的患者共24例，行單側(cè)THA。其中，男15例，女9例，平均年齡58歲。采用隨機(jī)對照的原則對其分組，12例術(shù)前進(jìn)行試模（試模組），另12例術(shù)前未進(jìn)行試模（對照組）。術(shù)后均拍骨盆正位片，并以DICOM格式存入存貯器中，以備建立股骨近端二維有限元模型。

1.2 材料

1.2.1 模板 本研究所選擇的假體模板由各人工髖關(guān)節(jié)假體公司提供。其所對應(yīng)的股骨柄假體材料特性將其簡潔化，統(tǒng)一規(guī)定為：Ti6A 14V，彈性模量107 Gpa，泊松比0.3。

1.2.2 軟件 圖像讀取與轉(zhuǎn)換軟件ezDICOM，圖像測量與計(jì)算軟件Matlab 7.0，圖像編輯軟件PhotoShop 7.0，格式轉(zhuǎn)換軟件Surfacer 10.0，有限元分析軟件ANSYS 8.0。

1.3 方法

1.3.1 術(shù)前在試模組進(jìn)行模板的測量 將股骨模板放置在X光片上，調(diào)整位置使假體與髓腔達(dá)到正確的匹配。選擇假體的大小，保證假體近端的防旋翼有至少3/4處于松質(zhì)骨中，最終確定假體的型號和股骨頸的長度。

1.3.2 手術(shù)技術(shù) 所有手術(shù)均采用后外側(cè)傳統(tǒng)髖關(guān)節(jié)手術(shù)入路，由同一具有豐富THA經(jīng)驗(yàn)的主任醫(yī)師完成，平均手術(shù)時(shí)間為（100±30）min。術(shù)后置患肢于外展中立位。術(shù)后常規(guī)應(yīng)用抗生素，引流管24～48 h視引流液多少拔除，刀口10 d左右拆線。

1.3.3 股骨近端二維有限元模型的建立 首先先將正常股骨近端X線片的DICOM格式文件輸入計(jì)算機(jī)，使用ezDICOM軟件將其轉(zhuǎn)換成bmp格式圖像，在PhotoShop 7.0中對圖像進(jìn)行預(yù)處理,消除其噪聲并將圖片二值化。在Matlab中導(dǎo)入經(jīng)過二值化的股骨近端bmp格式的圖像文件，提取股骨二維輪廓數(shù)據(jù)。再利用ANSYS軟件在線框建模的基礎(chǔ)上，輸入松質(zhì)骨的彈性模量 2 Gpa、泊松比 0.29，皮質(zhì)骨的彈性模量17.3 Gpa、泊松比 0.29[1]，自動網(wǎng)格化分為3 292節(jié)點(diǎn)，1 089元素，得出正常股骨近端二維有限元模型。然后，再使用相同的方法建立THA術(shù)后的股骨近端二維有限元模型，負(fù)荷加載后對股骨近端的應(yīng)力分布進(jìn)行分析、比較。

1.3.4 髖關(guān)節(jié)有限元計(jì)算的加載及約束 由于髖關(guān)節(jié)的受力主要分布在冠狀面上，對髖關(guān)節(jié)靜力載荷的分析可近似為單純冠狀面分析，這樣運(yùn)算的復(fù)雜程度可大為簡化，雖難以精確反映髖關(guān)節(jié)的受力狀況，但據(jù)此作出的各種推算結(jié)果也可大致反映股骨受力情況[2]。正常情況下，負(fù)荷是通過股骨頭以16°（Pauwels）角傳遞到股骨，負(fù)荷在步態(tài)周期的站立相，髖關(guān)節(jié)的合力約為體重的2.7倍[3]。由于是二維平面，采取全約束即可分析求解。

1.4 統(tǒng)計(jì)方法

應(yīng)用SPSS 12.0醫(yī)用統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，所得數(shù)據(jù)結(jié)果均采用均值±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）表示。統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)采用t檢驗(yàn)，取雙側(cè) α＝0.05。

2 結(jié)果

通過ANSYS有限元軟件對正常股骨近端以及對照組、試模組的股骨近端的有限元模型進(jìn)行應(yīng)力分析，得出皮質(zhì)骨內(nèi)外表面各節(jié)點(diǎn)處的等效應(yīng)力，對每一層橫截面的各節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)力取均值，即可得到圖1所示的股骨近端內(nèi)外側(cè)等效應(yīng)力均值軸向分布圖。見圖1。

3 討論

有限元分析方法就是利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實(shí)物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬，通過簡單而又相互作用的元素（單元），用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。本研究通過術(shù)后患者的影像學(xué)資料為依據(jù)直接進(jìn)行二維有限元模型的制備[4]，分析了兩組全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后股骨近端的的生物力學(xué)特性。盡管現(xiàn)有的髖關(guān)節(jié)應(yīng)力分析大多都是基于CT圖像的三維有限元分析，而二維分析法達(dá)不到三維分析法的精度，但由于本研究是基于股骨X線與假體模板之間（均為二維），另外髖關(guān)節(jié)的受力因素主要分布在冠狀面上，髖關(guān)節(jié)靜力載荷的分析可近似為單純的冠狀面分析，由此通過二維有限元方法分析了全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后股骨近端在二維平面上的受力狀況，這種方法簡便、易行、實(shí)用，結(jié)果可滿足本研究的要求。

通過本研究的結(jié)果，可以看出全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后股骨近端等效應(yīng)力均值軸向分布在兩組間（試模組與對照組）各有其自身的特征，但總體趨勢與正常股骨近端內(nèi)外側(cè)等效應(yīng)力均值軸向分布基本上還是一致的；在生理載荷下應(yīng)力主要沿著壓力骨小梁的方向分布，為了實(shí)現(xiàn)在組織水平上的應(yīng)力均衡分布，因此出現(xiàn)了骨小梁在該區(qū)域密集分布排列的現(xiàn)象[5-6]。將三者在同一統(tǒng)計(jì)圖中進(jìn)行比較分析，可發(fā)現(xiàn)試模組術(shù)后股骨近端的應(yīng)力分布較對照組的更接近正常股骨近端的應(yīng)力分布。也就是說，試模組的股骨柄假體與股骨匹配后其生物力學(xué)與正常股骨的生物力學(xué)特性更為接近。

圖1 正常股骨及試模組、對照組應(yīng)力分布曲線圖比

4 結(jié)論

綜上所述，術(shù)前精確的試模是必要的，它使THA術(shù)后的股骨近端應(yīng)力分布更接近正常應(yīng)力分布，對于重建髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和功能具有重要的意義。

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THA dimensional finite element analysis of the importance of preoperative test mode

LIU Yang1,WANG Wenbo2,ZHAO Zhe2,YU Hongwei3
(1.Department of ICU,Second Affiliated Hospital of Harbin Medical University,Heilongjiang Province,Harbin 150086,China;2.Department of Orthopaedics,First Affiliated Hospital of Harbin Medical University,Heilongjiang Province,Harbin 150001,China;3.Department of Orthopaedics,Third Affiliated Hospital of Harbin Medical University,Heilongjiang Province,Harbin 150040,China)

Objective:Through artificial total hip arthroplasty(THA)or preoperative and postoperative tested mode model and finite element mechanical analyzed of the importance of preoperative test mode.Methods:24 patients underwent unilateral THA patients as research subjects would be divided into two groups(test module and the control group),the line THA,taken after suffering from hip anteroposterior X ray film,the original data entry of a limited element software to create two-dimensional finite element model,and the mechanical analyzed,draw stress curve,and the normal stress curve of the proximal femur were compared..ResultsThe test module biomechanical analyzed of the proximal femur than the control group,the stress curve was closer to normal than the control group.Conclusion:THA accurate preoperative test mode enables the proximal femur after stress distribution close to normal.

Total hip arthroplasty;Two-dimensional finite element analysis;Preoperative test mode

R68

A

1674-4721（2010）12（a）-030-02

2010-09-14）