人工髖骨接觸狀態仿真

馮敏+從曙光+鄭百林

作者簡介： 馮敏（1976—），女，江西景德鎮人，講師，碩士，研究方向為運動人體科學，(Email)fengmin0726@163.com

通信作者：鄭百林（1966—），男，陜西岐山人，教授，博導，研究方向為復合材料界面力學等，(Email)blzheng@tongji.edu.cn0引言

自1891年GLUCK采用象牙制股骨頭和髖臼首次進行人工髖骨關節置換至今，人工髖關節研究已有100多年的歷史.人工髖關節置換技術為治療髖關節病變和損傷、解除病痛、恢復病人行走等提供非常有效的方法.在關節炎晚期治療、外傷致殘和骨瘤切除手術中，人工關節置換技術已成為一項常規手術.隨著經濟和科技的飛速發展，人們對生物醫學的需求日益增長.據報道，目前全世界每年因各種疾病需要更換關節的人數高達4 000~6 000萬人［1］，僅髖關節置換就達80萬例［2］.我國對髖關節置換需求量很大.據測算，我國每年有100萬病人需要人工關節手術.［3］學者SWANSON提出理想關節假體的設計要求［4］，但發展至今，人工關節仍有很多不足，人工髖關節置換手術后會產生如術后感染、骨吸收、骨萎縮、假體下沉、下肢痛、假體遠期松動和假體柄斷裂等諸多問題.對人工髖關節進行必要的生物力學分析，是設計理想髖骨假體的必要條件.STEWARD等［5］通過實驗測量關節的接觸面積，進而對膝關節的接觸壓力進行預測.BARTEL等［6］建立全膝關節和全髖關節的模型，并用彈性和有限元法進行模擬.王西十等［7］研究股骨與脛骨和股骨與臏骨的咬合運動.本文對髖骨假體接觸狀態進行初步研究，利用Abaqus進行計算分析，并給出一些建議，以期對髖關節置換臨床實踐提供指導.

1髖關節和人工髖關節

髖關節位于人體中部，是人體中最重要的關節之一.人工髖關節結構示意見圖1.

圖 1人工髖關節結構示意

Fig.1Schematic of artificial hip joint structure

解剖學表明，髖關節可以圍繞以骨頭為中心的無數軸運動.髖骨既承受人體質量和負載，又要完成下肢復雜多樣的運動（如走、跑和跳等）.天然髖關節病變損傷，常植入人工髖關節以代替其功能.人工髖關節由股骨球頭、關節臼窩和關節柄組成.考慮人體必需的運動及加工工藝，人工髖骨連接部分做成球狀形式（見圖1）.人工關節固定方式分為兩種：骨水泥固定和非骨水泥固定.［9］前者采用骨水泥將人工假體與天然骨體黏結固化達到固定目的；后者將特定的假體嵌入髓腔或設法使宿主骨長入假體從而達到生物學固定.成功的髖骨置換要求以人工髖骨完成原髖骨所有功能，且運動方式與原髖骨一致.

2人工髖關節髖臼內襯應力分析

盡管人工髖關節在材料、設計、加工、制造及臨床應用方面不斷完善，但仍有諸多問題，如術后感染、假體下沉、無菌松動和應力遮擋等，其接觸狀態是認識很多問題的基礎，其應力狀況直接影響假體的使用壽命和效果.本文模擬一個步態載荷周期內髖臼內襯的應力分布，以及在不同材料組合時其最大接觸應力的變化及其接觸位置對應力的影響.

2.1有限元模型建立

在Abaqus/CAE中建立人工髖關節和股骨頭系統的幾何模型.髖假體尺寸因人而異，不同尺寸各有利弊.目前，各種型號股骨頭的直徑一般為22～32 mm［8］，因此模型取直徑為28 mm，厚度為14 mm的半球空心殼體髖臼內襯，其外側固定2 mm厚半球金屬背殼，股骨頭與內襯的內徑相同.

選取5種股骨頭髖臼材料組合（見表1）研究內襯應力特性.

表 15種股骨頭髖臼材料組合

Tab.1Five kinds of material combinations of femoral

head with acetabulum序號代碼部件材料類型彈性模量/GPa泊松比1MOM股骨頭金屬210.00.3髖臼金屬210.00.32MOC股骨頭金屬210.00.3髖臼陶瓷392.00.23COC股骨頭陶瓷392.00.2髖臼陶瓷392.00.24COP股骨頭陶瓷392.00.2髖臼聚乙烯0.80.45MOP股骨頭金屬210.00.3髖臼聚乙烯0.80.4

建立有限元模型，見圖2.

(a)金屬背殼(b)髖臼內襯(c)股骨頭(d）髖關節假體系統圖 2有限元模型

Fig.2Finite element models

在裝配時，整個模型與水平面呈37°.設置股骨頭與髖臼內襯為接觸對，金屬背殼與內襯黏結.在臨床中，金屬背殼固定在病變或損傷的髖臼內，故在有限元模型中將金屬背殼進行完全固定處理.

PEDERSEN等［10］把人的一個步態周期分為32個瞬間，分別測得每個瞬間的髖關節合力.步態周期內的關節載荷曲線呈雙峰狀，包括足跟著地相、單足站立相、腳掌踏地相、腳尖離地相以及擺動相等.

2.2仿真結果

按表1中的組合5賦予材料屬性，并施加圖3所示的載荷，計算各瞬態接觸壓力分布，見圖4.

圖 3一個步態周期內髖關節合力

Fig.3Composition forces on hip joint in a gait cycle

圖 4一個步態周期內髖臼內襯接觸壓力分布

Fig.4Distribution of stress on acetabular liner in

a gait cycle

由圖3和4可知，從腳跟著地到腳趾離地的前1~20瞬態中，關節合力相對較大，內襯應力水平較高；應力的分布區域基本集中在髖臼后1/4的范圍內，且隨著內襯應力水平的升高，應力集中分布區域向表面中心偏移；在第15個瞬態即腳掌踏地相，其應力達到最大值.

進一步計算在不同材料組合時的接觸情況，在一個步態周期中，各瞬態最大接觸壓力見圖5.壓力變化趨勢與PEDERSEN等給出的合力及其垂向的分力變化趨勢相似，在不同材料組合時其接觸壓力相近.但是，在以陶瓷作為髖臼內襯時，由于其相對于股骨頭具有較大的彈性模量，所以其變形狀況改變，在某些載荷作用下其最大接觸壓力發生在邊緣處（見圖6），接觸狀態已完全改變，導致其最大接觸壓力的改變（見圖5）.雖然此情況在實際臨床中很少發生，但該現象說明在不同的材料組合情況下確定合適的髖骨固定位置是必要的.

圖 5一個步態周期內最大的接觸壓力

Fig.5Maximum contact stress in a gait cycle

(a)COP(b)COC圖 6在不同材料組合下接觸狀態的改變

Fig.6Change of contact state under different material groups

髖臼內襯的接觸應力與股骨頭的接觸方向有很大關系.分別計算髖關節合力與髖臼軸線呈0，15，30，40和45°時的接觸壓力情況見圖7.

圖 7不同接觸位置的接觸壓力

Fig.7Contact stresses vary of different location

由圖7可以看出，在作用力大小相同時，在此假體特定的結構下其接觸壓力與其接觸發生位置相關，離髖臼中心距離越小應力水平越低.LEWINNEK等［11］研究認為，髖臼假體安放的“安全位置”為傾斜角30和-50°，前傾角5和-25°.權衡其他安裝考慮，在同樣受力狀態下選擇合適的安裝角度可以降低接觸壓力.

進一步計算在軸向載荷下5種材料組合的髖臼內襯應力情況，沿髖臼內襯內表面一條經過頂點的路徑提取其接觸壓力，見圖8，可知不同的材料組合引起的接觸壓力略有差異.股骨頭和髖臼內襯力學參數相差越大，其接觸壓力峰值也越大.

圖 8在不同材料匹配下的接觸壓力

Fig.8Contact stresses under different material groups3結束語

利用有限元軟件仿真人工髖骨假體內襯在一個步態載荷周期內的應力情況，得到其接觸應力分布圖，為臨床髖骨的植入提供力學參考.計算得到一個步態載荷周期內最大接觸壓力的變化趨勢與髖骨上受到的載荷趨勢吻合.在此特定結構中，接觸壓力受接觸位置影響較大，在不同的材料組合下接觸力變化不大.由于力學參數的改變，其接觸狀態往往會隨之發生變化，所以接觸力產生根本改變.因此，建議對不同材料匹配下的髖骨假體做適當的受力評估.接觸狀態對人工髖骨假體的磨損及潤滑性能有關鍵作用，揭示其中的接觸狀態對臨床髖骨置換技術有重要的指導意義.參考文獻：

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