有限元分析在人工髖關節(jié)中應用的研究進展

張福江 肖 瑜

有限單元法（finite element method）是將研究對象的連續(xù)求解區(qū)域離散為一組有限個、且按一定方式相互聯(lián)結在一起的單元組合體，模擬成不同幾何形狀的求解區(qū)域，然后對單元進行力學分析，最后再整體分析的方法。有限單元法最初應用于飛機結構的靜力和動力特性分析[1]。目前，有限元計算作為一種分析方法廣泛應用于工程學的各個領域[2]。從七十年代開始，有限元開始應用于骨科生物力學研究，由于該方法在分析不規(guī)則物體的力學特點方面具有優(yōu)越性，在骨科生物力學研究特別是人工髖關節(jié)置換中得到了廣泛應用。

1 有限元方法的演進

在髖關節(jié)的有限元研究中，由于人體骨骼解剖結構的復雜性和不規(guī)則性，建模的準確程度對骨科生物力學研究提出了極大挑戰(zhàn)。鐘世鎮(zhèn)[3]采用磨片、切片法建立虛擬人數(shù)據(jù)，在切削精度上，將可視人計劃（VHP）和可視韓國人（VKH）斷層間距的0.33 mm和0.2 mm提高到0.1 mm；但由于切割破壞了模型，在斷面很薄的情況下，很難獲得一致的斷面厚度。這種方法只是對真實解剖的極度簡化，缺乏計算的精確性，并且需要充分的時間準備模型及將斷面幾何形狀數(shù)字化，且誤差大，己經被淘汰。Song等[4]應用Photoshop重建經CT原始數(shù)據(jù)轉換得到的位圖文件，根據(jù)每個斷層的圖像信息和三維空間坐標，運用數(shù)據(jù)三維可視化的方法建立起股骨模型。這種方法需要人工將CT圖片上的每一張圖轉換為計算機能識別的位圖格式，并且需要在圖像處理軟件中人工準確對位，對位不準確將直接影響所建立模型精確性，同時這種方法需要花費大量的人力、物力。嚴世貴等[5]采用醫(yī)學數(shù)字成像和通信標準（DlCOM）數(shù)據(jù)直接建立髖關節(jié)置換術后假體模型分析股骨應力變化。DICOM是醫(yī)學圖像信息系統(tǒng)領域中的核心，主要涉及信息系統(tǒng)中最主要也是最困難的醫(yī)學圖像的存儲和通信，可直接應用在放射學信息系統(tǒng)（RIS）和圖像存檔與通信系統(tǒng)（PACS）中。利用DICOM格式數(shù)據(jù)文件直接建模不需將數(shù)據(jù)進行轉換，可以直接讀取數(shù)據(jù)并處理，避免反復操作造成的數(shù)據(jù)失真或丟失，大大提高了模型的精確度。隨著集成強大圖像處理功能的醫(yī)學有限元軟件的出現(xiàn)，以及有限元方法與其他虛擬數(shù)字技術的結合，將來功能更加強大的計算機和軟件能夠自動從CT/MRI或者虛擬人數(shù)據(jù)中提取特征參數(shù)或重要幾何細節(jié)，直接產生有限元模型。在有限元模型的幫助下可以無創(chuàng)檢查體內組織，輔助外科診療方案的制定和定量手術的模擬。有限元建模技術的發(fā)展方向今后將走向智能化、集成化、網絡化，面向臨床一線應用。

2 髖關節(jié)置換相關并發(fā)癥的有限元研究

2.1 應力遮擋及骨吸收 全髖關節(jié)置換后關節(jié)應力通過假體再傳到股骨，不同于生理關節(jié)的應力直接通過骨小梁從股骨頭傳到股骨，造成的應力遮擋可使骨組織吸收，進而萎縮，降低其承載能力。林鳳飛等[6]采用三維有限元法對全髖置換前后進行單髖站立生物力學測試，分析假體植入前后股骨和髖臼總體的應力模式和植入后各種組合的假體對骨界面的應力分布規(guī)律，認為不管是金屬-金屬、陶瓷-陶瓷、陶瓷-聚乙烯，還是金屬-聚乙烯組合，其股骨和髖臼相應界面應力值無明顯差別。李偉等[7]對鈦合金、碳纖維復合材料、CoCrMo合金和不銹鋼假體的性能進行對比，研究復合材料與金屬材料髖關節(jié)假體應力分布情況，認為鈦合金和碳纖維復合材料假體要比CoCrMo合金和不銹鋼假體具有更好的應力分布，其臨床應用效果將會更加理想。應力遮擋的產生是因為金屬假體與骨的力學性能不相容，而利用復合材料的生物相容性優(yōu)勢設計出的假體則可替代金屬假體。Arabmotlagh等[8]經三維有限元研究認為髖關節(jié)置換后使用阿倫磷酸鹽治療可以增加假體周圍骨質密度，降低假體松動的概率。

2.2 假體磨損 通過有限元分析，可以方便地對假體植入人體后的磨損情況進行模擬評估，并能靈活調整參數(shù)。Bevill等[9]采用有限元模型模擬一百萬次步態(tài)載荷下的假體磨損情況，并分析聚乙烯涂層厚度、股骨頭假體尺寸等因素對磨損的影響，以改進假體設計，結果顯示，聚乙烯蠕變行為對髖臼內襯磨損占總量的10%～50%，并以早期為主。

2.3 假體脫位 有限元分析方法還能對全髖關節(jié)置換術后假體脫位情況進行研究。李永獎等[10]的假體脫位三維有限元模型顯示，撞擊和脫位是2個不同的生物力學過程，由半脫位階段所隔開，因此為減少全髓關節(jié)置換術后假體的脫位發(fā)生率，術中將最大化撞擊前的活動范圍作為降低脫位的指標應該慎重。Dudda等[11]的有限元模型分析顯示，髖關節(jié)運動是假體壓力變化、關節(jié)受力、脫位發(fā)生部位及導致脫位的主要引導力，發(fā)現(xiàn)從較低的坐姿改變?yōu)檎咀藭r發(fā)生脫位的風險為最高，比從彎腰到站立的脫位風險高6倍多。

2.4 股骨骨折 何榮新等[12]研究認為全髖置換術前股骨近端的股骨距和粗隆下區(qū)域應力較高，當大粗隆處突然受到較高的暴力時，容易造成粗隆間的骨折。全髖置換術后，股骨距和粗隆下區(qū)域應力顯著減少，股骨近端的高應力區(qū)域位于假體終末端水平，故全髖置換術后患者大粗隆受到高暴力時，股骨干的骨折容易發(fā)生在假體末端水平。全髖置換術后假體由于末端應力集中，暴力從沿假體傳導至假體末端，導致該部位的骨折，這就是同側股骨的骨折絕大多數(shù)發(fā)生在假體末端的原因。Bessho等[13]的研究認為，有限元分析可以準確預測骨骼強度，有助于更好地分析了解骨折時的力學變化，并對老年人股骨頸骨折作出準確預測，從而有針對性地加強預防，減少此類骨折的發(fā)生。

3 假體設計

假體與髓腔的匹配良好與否決定了假體的穩(wěn)定性和應力傳導的質量，減少骨質吸收。鄭曉雯等[14]經三維有限元分析認為倒立圓錐形中空特征的人工股骨柄有助于降低人體股骨近端與假體接觸區(qū)的應力遮擋效應；采用股骨柄上涂層骨水泥的方法，可增強股骨柄與骨水泥界面的結合強度，有利于降低人工髖關節(jié)置換術后的假體松動；非骨水泥固定型股骨柄微孔涂層范圍對人體股骨的應力有明顯的影響，微孔涂層范圍過大不利于保持適中的人體股骨的應力和股骨柄的固定，并研究靜態(tài)加載和動態(tài)加載條件下股骨柄長度和橫截面形狀對股骨柄上應力及疲勞的影響，結果表明具有鼓形橫截面和90 mm長的股骨柄在30種股骨柄模型中具有最好的力學性能，較小的應力和微小位移，較高的疲勞安全系數(shù)。Beulah等[16]通過有限元研究彈性模量低的六邊形橫截面設計的新型假體更有利于減少應力遮擋并增強假體固定。近年來髖關節(jié)表面置換術正逐步興起。有研究報道重建金屬對金屬髖關節(jié)表面置換術后的有限元分析模型，對該模型進行虛擬加載和仿真計算以比較分析金屬對金屬髖關節(jié)表面置換術后股骨側的應力分布，結果顯示金屬對金屬髖關節(jié)表面置換術后，應力主要集中于股骨頸內側及假體與頭頸交界部，并在股骨假體下骨質部存在應力遮擋，髖關節(jié)表面置換術后的應力集中及應力遮擋與髖關節(jié)表面置換術后股骨頸骨折發(fā)生存在一定聯(lián)系[17-18]。但Sakagoshi等[19]應用有限元分析法證明髖關節(jié)表面置換術后，在正常及骨質疏松條件下，正常行走并不會在股骨近端產生可引起骨折的應力，因此髖關節(jié)表面置換術后并發(fā)股骨頸骨折可能是多種因素綜合作用的結果。Fouad[20]通過有限元方法研究結果表明，人工股骨頭材質屬性的微小變化就可以對髖關節(jié)應力分布造成很大的影響。

4 骨水泥應用有限元分析

Sangiorgio等[21]應用有限元分析骨水泥界面的微動，認為骨水泥孔隙率>30%時，界面微動顯著增大。骨水泥技術的改進可提高全髖關節(jié)假體的遠期生存率。保留一定厚度的高質量松質骨有助于骨水泥錨固。Radcliffe等[22]通過有限元方法證實，假體遠端骨水泥層氣泡使得界面應力大大增加，并隨著氣泡增大而增大，2 mm厚的骨水泥比5 mm厚的骨水泥界面應力大50%以上，要求臨床采用第3代骨水泥技術，防止氣泡產生，保證假體柄遠端有5 mm厚的骨水泥層。應用有限元分析方法及實驗方法模擬骨水泥-骨界面纖維組織對假體周圍應力分布的影響效果，結果表明有限元分析與實驗分析結果基本一致，骨水泥-骨界面的纖維組織可以大大增加骨水泥的應力，而對皮質骨的應力影響比較小[22]。Pérez等[23]研究不同假體類型的骨水泥固定狀態(tài)時使用有限元方法證實，Charnley系統(tǒng)較ABGⅡ系統(tǒng)的骨水泥嵌合更牢。

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