股骨頭置換重建股骨矩的三維有限元分析

侯 威，張 衛，趙紅陽

（南華大學附屬南華醫院骨科醫院，湖南衡陽421002）

股骨頭置換重建股骨矩的三維有限元分析

侯 威，張 衛，趙紅陽

（南華大學附屬南華醫院骨科醫院，湖南衡陽421002）

目的 利用三維有限元技術對高齡患者股骨矩缺損型粗隆間骨折進行建模，分析在髖關節置換中利用骨水泥重建及骨折碎片復位重建股骨矩后的生物力學特性，并分析2種重建方法的穩定性。方法 建立股骨矩缺損型粗隆間骨折模型（Evans-jeasonⅣ型理想模型），在骨水泥型髖關節置換中分別利用骨水泥重建及股骨矩骨折碎片重建股骨矩，利用三維有限元方法模擬及分析患者雙足站立位時，在正常載荷下2種股骨矩重建方法的生物力學穩定性。結果力學加載后，骨水泥重建股骨矩模型最大應力值及最大位移值均較股骨矩骨折復位型小，二者應力值分別為0.635、0.641MPa，位移值分別為0.028 74、0.028 91 m。分別在2種模型上選取5個相同位點的應力值和位移值作t檢驗分析，2種模型關節假體的應力值及位移值比較，差異均有統計學意義（P＜0.05）。結論 2種股骨矩重建方式在假體應力大小、應力分布及假體位移方面有差異，在應力分布均勻性、應力大小及初始微動方面，骨水泥重建型均優于股骨矩骨折復位型。對于股骨矩缺損型粗隆間骨折行骨水泥型髖關節置換時，采用骨水泥直接重建股骨矩生物力學穩定性更好。

股骨； 關節成形術，置換； 成像，三維； 股骨矩重建； 骨水泥； 股骨粗隆間骨折； 老年人

隨著我國人口老齡化的日趨加劇，股骨粗隆間骨折的發病率也在不斷上升。高齡患者多伴有嚴重骨質疏松及多種內科疾病[1]。一旦骨折，往往會發生嚴重的骨碎裂，造成不穩定型骨折及股骨矩的破壞。高齡不穩定型股骨粗隆間骨折行內固定治療并發癥較多，主要與骨折的不穩定性相關[2]。近年來有學者采用人工股骨頭置換骨水泥重建股骨矩的方法治療高齡患者股骨矩碎裂型股骨粗隆間骨折，取得了良好療效，但對采用骨水泥重建還是碎裂股骨矩復位重建目前仍有較多爭議。本研究通過計算機輔助技術即三維有限元技術模擬上述2種方法重建股骨矩后應力及位移的變化，通過對比分析得出生物力學依據，為該類手術提供有力的力學理論依據，指導臨床治療。

1 資料與方法

1.1 模型的建立

1.1.1 模型選取 篩選一名80歲以上健康男性志愿者（患者自愿參加并簽訂知情同意書）。雙側髖關節排除骨折及病理狀態。使用美國GE公司64排螺旋CT作股骨近端CT薄層掃描（要求層厚1 mm，共得出374張DICOM格式CT圖像，刻入光盤備用）。

1.1.2 股骨近端實體模型、骨折模型及假體模型建立（1）將CT掃描得出的DICOM格式圖像輸入三維有限元軟件MIMICS中進行灰度值調整、區域分割、重建股骨三維圖像并經過Freeform軟件拋光處理（圖1）；（2）利用Workbench軟件的圖像處理功能，將股骨三維模型進行理想的骨折劃分（Evans-jeasonⅣ型骨折線由大粗隆頂點斜向小轉子下緣骨折累及股骨矩，小轉子保持完整，骨折線與股骨縱軸約成45°）；（3）根據選取患者髓腔大小選取天津正天公司生產的2#骨水泥型假體柄（頸干角130°，柄長135mm）。利用三維CAD軟件Solidworks進行關節假體設計構造。

圖1 重建股骨模型

1.1.3 模型的裝配及網格劃分 將股骨模型及假體模型以STL的格式導入Freeform軟件中，按手術標準步驟進行模擬，分別截骨、擴髓、建立骨水泥層、復位股骨矩、骨水泥重建股骨矩、置入假體等。見圖2。

圖2 2種骨折模型的裝配及網格劃分

1.2 邊界條件及材料屬性 （1）小轉子上1.5 cm處股骨頸截骨；（2）假體柄末端約2 cm聚乙烯髓腔塞填充，直徑比髓腔略大；（3）假體柄與股骨之間有3 mm的骨水泥層填充[3]；（4）由于骨及關節假體的非均勻復雜特性，本研究將所有材料看成均質體，材料屬性值經查閱文獻[4]得出，具體見表1；（5）假體、骨水泥及股骨之間相對緊密接觸；（6）股骨矩復位模型中骨折之間為部分緊密接觸。

表1 相關材料屬性

1.3 加載條件 模擬體質量65 kg患者靜止站立時雙側髖關節承受的重量。單側髖承受31%人體重量，承重力線經假體股骨頭中心垂直向下[5]（加載點選取假體柄頭部中心，方向垂直向下）。

1.4 模型有效性驗證 （1）建立的股骨三維有限元模型與CT三維重建模型作幾何外形測量對比[6]，經對比測量幾何外形重疊率達99%，說明建模成功；（2）將所建完整股骨三維有限元模型進行材料賦值及力學加載，得出壓應力位于股骨內側，張應力位于股骨外側，壓應力主要分布在小粗隆及股骨矩區域，與傳統實體力學一致，說明本實驗中力學加載合理可靠。

1.5 模型評價指標 （1）力學加載后假體的應力分布情況，應力分布越均勻，說明關節假體越穩定，發生假體周圍骨折概率越低；（2）力學加載后，假體的初始位移越大，說明關節假體穩定性越差，發生假體松動的概率就越大。

2 結 果

2.1 力學加載后，2種模型關節假體的應力分布情況力學加載后，2種模型關節假肢的應力分布見圖3。2種模型中關節假體應力均主要集中在假體柄內側中下1/3處，骨水泥重建股骨矩型模型中假體柄最大應力值較股骨矩骨折復位型小，分別為0.635、0.641 MPa。分別在2種模型假體柄內側中下1/3應力集中處測量5個相同位點的應力值（表2），2種模型中假體柄應力值比較，差異有統計學意義（t=5.826 9，P＜0.05），說明骨水泥重建型假體應力較小，分布更加均勻。

圖3 2種模型中假體柄應力分布圖

表2 2種模型假體柄應力值（MPa）

2.2 力學加載后，假體的初始位移情況 力學加載后，假體的初始位移情況見圖4。2種模型中最大位移點均在股骨柄頭端，骨水泥重建股骨矩型最大位移小于骨折復位型，分別為0.028 74、0.028 91 m。分別在2種模型股骨柄上均勻選取5個相同位點進行位移測量（表3），2種模型位移值比較，差異有統計學意義（t=9.592 1，P＜0.05），說明骨水泥重建股骨矩型模型假體位移較小，假體更加穩定。

圖4 2種模型中假體柄位移云圖

表3 2種模型假體位移值（m）

3 討 論

在計算機模擬技術尚未興起之前，骨生物力學通常采取實體力學的研究方法進行理論研究，但隨著科學技術的進步，骨科的發展越來越離不開計算機的應用，并且呈現出多學科、多領域交叉及綜合應用的態勢。三維有限元自20世紀出現以來，很多學者就開始利用計算機模擬技術對骨折進行三維有限元力學分析，并對實驗數據進行對比研究。由于股骨近端外形不規則及關節置換后材料屬性的復雜性，實體力學研究尚不能精確模擬粗隆間骨折行髖關節置換后力學傳導機制及應力分布特征。本實驗采用10節點4單元體進行網格劃分，在精度方面要高于4節點4面體網格單元[6]。實驗對股骨、假體均作了優化處理，優化后股骨近端單元格數為56340個，置換后股骨單元格數為35 612個，假體的單元格數為12 500個，能更加精確模擬及分析2種方法重建股骨矩后的生物力學特性，最大程度接近真實的生物力學特征。

在關節假體微動研究方面，尚鵬等[7]采用接觸非線性有限元模型分析了在生理載荷下一個正常步態周期中，人工髖關節假體微動的規律。實驗結果表明，正常步態下髖關節假體在0～25 μm微動，微動方向分別沿矢狀軸及冠狀軸旋轉傳動，并得出造成髖關節假體松動的主要原因就是長期效應的微動所致。在應力應變研究方面，徐靈軍等[8]利用三維有限元技術模擬分析了股骨頸骨折行人工髖關節置換后假體柄及股骨的應力分布特征，得出的結論是股骨干上1/3、假體柄外側及假體的遠端與股骨接觸處是應力分布的主要部位，是髖關節置換后應力傳遞及分布的真實反映。唐松林等[9]采用股骨矩骨折碎片復位重建加人工股骨頭置換方法對15例股骨粗隆粉碎性骨折高齡患者進行治療，經半年至3年隨訪，無假體松動及假體周圍骨折等并發癥，取得了良好療效，但長期效果還有待進一步驗證及研究。

目前對股骨矩缺損型粗隆間骨折行髖關節置換重建股骨矩時，多數學者采用骨折片復位捆綁方法進行重建，還有一些學者采用股骨矩替代型加長股骨柄及植骨重建進行治療[10-11]。目前對于以上幾種股骨矩的處理方式仍有較多爭議，且力學理論依據不足，對于采用普通骨水泥型股骨柄直接骨水泥重建股骨矩的方法目前報道較少，對這方面的力學理論研究少之又少。本研究擬采用三維有限元的處理方式，對正常股骨近端及與之匹配的股骨柄進行重建，并對股骨粗隆間骨折進行理想的劃分（Evans-jeasonⅣ型）。建立股骨矩骨折復位型及骨水泥重建股骨矩型2種模型，模擬靜態站立位時股骨柄假體的應力分布特征及初始微動情況，并對2種模型進行對比分析，得出在應力分布的均勻性及初始微動方面，骨水泥重建型均優于股骨矩骨折復位型。在臨床中應用骨水泥對股骨矩進行快速重建，可減少手術時間及出血量，利于高齡患者術后康復，減少術后并發癥[12]。應用骨水泥重建股骨矩恰恰能縮短手術時間及減少術中出血量。本研究結果證明，骨水泥重建股骨矩可以獲得更良好的假體穩定性，為臨床治療提供力學理論依據。

本研究同時涉及醫學影像學、數學、有限元分析等多個領域，并受實驗條件及知識面等限制，尚存在問題。在未來的研究工作中，作者將對股骨近端模型不斷進行優化，增加肌肉及軟組織的建模，模擬在動態行走下髖關節及假體的生物力學特性，使實驗更加接近真實力學情況。

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Analysis on three-dimensional finite element of rebuilding femoral calcar in femoral head replacement

Hou Wei，Zhang Wei，ZhaoHongyang
（OrthopedicHospitalofAffiliatedNanhuaHospital，UniversityofSouthChina，Hengyang，Hunan421002，China）

Objective To conduct the modelling of femoral calcar defected intertrochanteric facture by using the threedimensional finite element technology，to analyze the biomechanical characteristics of rebuilding femoral calcar by using the bone cement reconstruction and restoration of fracture fragments in hip replacement，and to analyze the stability of two kinds of recon struction method.Methods The fracture model of femoral calcar defected intertrochanteric facture（Evans-Jeason typeⅣideal model）was established.The femoral calcar was reconstructed by using the bone cement reconstruction and restoration reconstruction of fracture fragments in hip replacement.The three-dimensional finite element method was used to simulate and analyze the biomechanical stability of the two kinds of femoral calcar reconstruction at the feet standing position and under normal load.Results After mechanical loading，compared with the femoral calcar fracture restoration，the maximum stress value and maximum displacement value in the femoral calcar reconstruction model by bone cement were smaller than those in the femoral calcar reconstruction model by femoral calcar fracture reduction，the stress values were 0.635，0.641 MPa，the displacement values were 0.028 74，0.028 91 m，respectively.The stress values and displacement values at 5 same points were selected from each model for conducting t test analysis.The stress values and displacement values had statistical differences between these two models of athroplasty（P＜0.05）.Conclusion Twokindsoffemoralcalcarreconstructionmodehavedifferencesinthe aspectsof stressintensity，stress distribution and athroplasty displacement，the bone cement reconstruction mode is superior to the femoral calcar fracture reduction mode in the aspects of uniformity of stress distribution，stress intensity and initial micromotion.Adopting bone cement for directly reconstructing humeral calcar in the bone cement hip replacement of femoral calcar defected intertrochanteric facture has better biomechanical stability.

Femur； Arthroplasty，replacement； Imaging，three-dimensional； Femur calcar reconstruction； Bone cement； Femoral intertrochanteric fracture； Aged

10.3969/j.issn.1009-5519.2015.22.007

A

1009-5519（2015）22-3385-03

2015-08-04）

侯威（1984-），男，湖南衡陽人，碩士研究生，主治醫師，主要從事骨關節與運動醫學臨床工作；E-mail：280640580@qq.com。

張衛（E-mail：zhangwei6601@163.com）。