老年患者人工股骨頭置換的三維有限元分析

李恩琪，趙喆，張金利

（1.天津醫科大學，天津 300070；2.天津市天津醫院 創傷骨科，天津 300211）

老年患者人工股骨頭置換的三維有限元分析

李恩琪1，趙喆2，張金利2

（1.天津醫科大學，天津 300070；2.天津市天津醫院 創傷骨科，天津 300211）

目的對人工股骨頭置換治療的老年股骨轉子間不穩定骨折有限元模型進行生物力學分析。方法對1名健康老年男性志愿者左側股骨行螺旋CT斷層掃描后將數據導入Mimics14.0軟件得到股骨實體，獲得左側股骨轉子間不穩定骨折模型。根據AML生物型假體及Muller骨水泥假體的設計參數，制作AML普通柄、加長柄及骨水泥柄模型，并植入骨折模型中模擬3種不同材料的人工股骨頭置換術。將人工股骨頭置換模型與正常股骨模型導入Ansys13.0軟件中，對各部分材料賦值后加載負荷并作應力分析。結果正常股骨自近端至遠端不斷增加，并于中下段達到峰值。人工股骨頭置換后并未改變股骨總體的應力趨勢，同樣是由近端到遠端逐漸增加，應力集中部位為全長股骨中段，但股骨近端的受力小于正常股骨，同時股骨上最大等效應力增加。3種假體受力集中部位均為骨髓腔峽部與假體連接處，假體的最大等效應力相近；3種假體對股骨受力的影響趨勢相同，但加長柄對股骨下端應力的改變小于普通柄，股骨的最大等效應力由高到低依次為加長柄、普通柄和骨水泥柄。結論人工股骨頭置換術用于Tronzo-Evans IV型股骨轉子間不穩定骨折可提高股骨的最大等效應力。

股骨轉子間骨折；人工股骨頭置換；有限元分析

合并骨質疏松的老年股骨轉子間骨折多為不穩定性骨折，治療難度大[1]。盡管目前臨床上用于治療股骨轉子間骨折的材料種類繁多，仍缺少臨床公認的生物力學數據，在選擇上尚存在爭議[2]。由于髖關節解剖結構較為復雜，建模相對困難，以往對股骨轉子間不穩定骨折行生物力學分析具有一定難度。然而隨著科技的發展，三維有限元模型因其方便性、實用性和有效性逐漸應用于醫學領域的生物力學分析中[3]。本研究旨在分析3種不同材料人工股骨頭置換模型的生物力學性質，現報道如下。

1 資料與方法

1.1 研究對象

本研究經天津市天津醫院醫學倫理委員會同意，選取1名健康男性志愿者，68歲，身高173 cm，體重70 kg。無股骨部位、髖關節疾患及手術史，該志愿者已簽署知情同意書。

1.2 三維有限元建立

對該志愿者左側股骨行平掃螺旋電子計算機斷層掃描（computed tomography，CT）（美國GE公司），后將圖像導入Mimics14.0軟件，依據不同組織灰度值的不同構建正常股骨模型。再將其以點云文件格式導入MIMICS有限元分析軟件（比利時Materialise公司）中，處理后得到左側股骨實體模型（見圖1）。根據Tronzo-Evans分型和髖關節置換術標準股骨頸截骨方法分割股骨轉子間，得到Tronzo-Evans IV型股骨轉子間骨折（見圖2）。根據天津市天津醫院實際手術中所用髓腔解剖交鎖假體（anatomic medullary locking，AML）生物型假體（美國Depuy公司）及Muller骨水泥假體（英國施樂輝公司）的產品信息，重建AML普通柄、加長柄及骨水泥柄模型，將其裝配于股骨骨折模型上得到3種人工股骨頭置換模型（見圖3～5）。各部分建模節點和單元見表1。

1.3 材料屬性

本研究設定骨組織、假體及配套的鋼絲均為連續介質，參考相關文獻[4]對材料進行賦值。見表2。

圖1 左側股骨實體模型

1.4 邊界條件及載荷設置

圖2 Tronzo-Evans IV型股骨轉子間骨折

圖3 普通柄股骨頭置換模型

圖4 加長柄股骨頭置換模型

圖5 骨水泥型股骨頭置換模型

表1 各部分建模節點和單元數

假設骨水泥與假體，骨水泥與股骨間在載荷過程中無相對位移；皮質骨與松質骨間為面面接觸，在載荷過程中無活動。本研究為分析70 kg成年人單足著地或緩慢行走時的一側股骨受力，股骨頭承受的關節力為J=1 599 N，方向向下與垂直方向成φ=25.5，作用于球體中心；臀部肌群肌力向上與垂直方向成θ=30.6，N=1 040 N；髂脛束肌力R=170 N。見圖6。

1.5 觀察指標

①正常股骨模型受力分布及最大等效應力；②3種人工股骨頭置換模型整體受力分布及最大等效應力；③3種假體及對應股骨受力分布及最大等效應力。

表2 股骨各部位及人工股骨頭有限元材料屬性

圖6 70 kg成年人單足著地、緩慢行走狀態下股骨受力

2 結果

表3 不同材料關節置換后股骨與假體的最大等效應力比較MPa

正常股骨兩側應力基本一致，自近端至遠端不斷增加，并于中下段達到峰值，Tronzo-Evans IV型轉子間骨折股骨的應力明顯降低。與術前相比，置換后股骨上段及股骨小轉子應力明顯下降。人工股骨頭置換后并未改變股骨總體的應力趨勢，同樣是由近端到遠端逐漸增加，應力集中部位為全長股骨中段，但股骨近端的受力小于正常股骨，同時股骨上最大等效應力增加。3種假體受力集中部位均為骨髓腔峽部與假體連接處，假體的最大等效應力相近；3種假體對股骨受力的影響趨勢相同，股骨的最大等效應力由高到低依次為加長柄、普通柄和骨水泥柄。見表3和圖7～10。

圖7 正常股骨應力分布

圖8 普通柄股骨頭置換模型應力分布

圖9 加長柄股骨頭置換模型應力分布

圖10 骨水泥型股骨頭置換模型應力分布

3 討論

股骨轉子間骨折約占髖部骨折的45%，隨著人類平均壽命的不斷遞增和骨質疏松癥的增加，其發病率逐漸上升[5]。臨床上超過90%的股骨轉子間骨折發生于65歲以上老年人，約35%～40%為不穩定骨折，且病死率較高，僅1/3的患者能恢復至傷前水平[6]。股骨轉子間骨折的手術治療主要分為內固定和人工關節置換兩大類，前者根據內固定物不同可分為滑動加壓螺釘加側方接骨板[Richards釘、動力髖螺釘（dynamic hip screw，DHS）、動力髁螺釘（dynamic condylar screw，DCS）等]和髓內固定（Ender針、帶鎖髓內針、Gamma釘、PFN等）。然而高齡患者往往伴有不同程度的骨質疏松，內固定術對內固定物的放置位置要求較高，臨床上經常出現因把持內固定物的股骨頭頸部骨質不夠堅硬造成內固定術失敗需2次手術的情況。此外，人工髖關節置換可獲得即刻穩定，允許患者早期下地，避免了因長期臥床導致的并發癥。因此，越來越多學者認為，對于高齡、骨質疏松、粉碎性或預測內固定失敗的股骨轉子間骨折，應首選髖關節置換術[7]。骨水泥型與生物型假體是髖關節置換術常用的2種材料，針對術后股骨整體穩定性尚缺乏生物力學數據，因此在選擇上存在爭議[8]。隨著科技的發展、數據處理能力的提高，三維有限元分析因其方便性、實用性和有效性逐步應用于醫學領域的力學分析中，在評估骨折內固定后的應力分布具有獨特優勢[9-10]。

從本次研究的結果來看，正常股骨兩側應力基本一致，自近端至遠端不斷增加，并于中下段達到峰值。人工股骨頭置換后并未改變股骨總體的應力趨勢，同樣是由近端到遠端逐漸增加，應力集中部位為全長股骨中段，但股骨近端的受力小于正常股骨，同時股骨上最大等效應力增加。3種假體受力集中部位均為骨髓腔峽部與假體連接處，假體的最大等效應力相近；3種假體對股骨受力的影響趨勢相同，股骨的最大等效應力由高到低依次為加長柄（47.2 MPa）、普通柄（46.1 MPa）和骨水泥柄（43.2 MPa）。盡管與普通柄相比，加長柄對股骨下端應力的改變小于普通柄，但假體長度越大，手術難度越高，同時對患者的損傷也較大，綜合評估下其力學上的優勢并不明顯。通過本次實驗，筆者總結有限元模型分析人工股骨頭置換模型的生物力學特性具備以下2個優點：①依托正常股骨CT數據建模，比以往的模型更逼真，數據更加可靠，特別是在松質骨和皮質骨的界限上較以往的模型更加明顯；②本實驗制備的Tronzo-Evans IV股骨轉子間骨折模型及人工股骨頭置換后的模型與現實情況基本一致，并可旋轉進行多角度的觀察。本研究主要不足為未將老年患者骨質疏松因素考慮在內，不同程度骨質疏松是否對受力情況產生影響尚需進一步探究。

綜上所述，對于老年股骨轉子間不穩定骨折，生物型和骨水泥型假體不會對股骨整體應力分布產生顯著影響，可在重建初期提供良好穩定性，在具體選擇時應綜合考慮患者的經濟情況、個人意愿以及并發癥風險。

[1]王永勝, 黃炳生, 陳立安, 等. 人工股骨頭置換治療高齡嚴重股骨轉子間骨折的療效[J]. 中國老年學雜志, 2015, 35(1)： 168-170.

[2]汪陽, 吳永超. PFNA-Ⅱ內固定術與人工股骨頭置換治療高齡老年人不穩定型轉子間骨折的療效比較[J]. 臨床急診雜志,2015, 16(1)： 28-31.

[3]呂勇獻, 杜增峰. PFNA固定與人工股骨頭置換治療老年股骨轉子間骨折的療效比較[J]. 臨床醫學研究與實踐, 2017, 2(5)：60-61.

[4]周勝虎, 甄平, 李旭升, 等. 生物型FHR與PFNA治療高齡股骨粗隆間骨折療效觀察[J]. 中國矯形外科雜志, 2017, 24(6)：487-491.

[5]郭新慶, 趙為民, 周海洋, 等. 骨質疏松股骨轉子間不穩定型骨折人工股骨頭置換的三維有限應力分析[J]. 中國組織工程研究 , 2016, 20(9)： 1261-1267.

[6]呂大偉, 蘇琴, 姚詠明, 等. 老年人股骨頸骨折股骨頭置換術中短柄假體的有限元分析[J]. 創傷外科雜志, 2015, 17(2)： 138-140.

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[9]郭新慶, 趙為民, 周海洋, 等. 骨質疏松股骨轉子間不穩定型骨折人工股骨頭置換的三維有限元應力分析[J]. 中國組織工程研究 , 2016, 20(9)： 1261-1267.

[10]唐國能. 不穩定型骨質疏松性股骨粗隆間骨折手術治療進展[J].臨床合理用藥雜志, 2017, 10(12)： 175-176.

（張蕾 編輯）

Finite element analysis of arthroplasty for unstable femoral intertrochanteric fractures in senile people

En-qi Li1, Zhe Zhao2, Jin-li Zhang2
(1. Tianjin Medical University, Tianjin 300070, China; 2. Department of Traumatic Orthopedics, Tianjin Hospital, Tianjin 300211, China)

ObjectiveTo explore the biomechanical property of arthroplasty for unstable intertrochanteric fractures in the elderly through finite element analysis.MethodsA healthy male volunteer was chosen and given spiral CT to his left femur. The 3D bone substance was obtained after the data were imported into Mimics 14.0. Then unstable intertrochanteric fracture model was obtained by the segmentation and other operation. According to the parameters of the prosthesis and the anatomical data of the femur, conventional type, lengthening type and cement prosthetic replacement models were obtained. The force situations were compared among the 3 prosthetic replacement models and normal femur model.ResultsThe force situations were similar in both sides of the normal femur; the force was increased from proximal to distal femur and reached its peak in the middle and lower segment. The force distribution of the artificial femoral head replacement models was similar as the normal femur and the force peaks were located in the middle segment; the force of the proximal femur in the artificial femoral head replacement models was smaller than that in the normal femur, and the maximum equivalent stress on femur increased in the artificial hip prosthesis. The maximum equivalent stress on femur of the cement prosthetic replacement model (43.2 Mpa) was smaller than that of the conventional type (46.1 MPa) and the lengthening type (47.2 MPa) prosthetic replacement models.ConclusionsThe force distribution of artificial femoral head replacement models is similar to that of normal femur. It can provide stability in early postoperative period.

femoral intertrochanteric fracture; artificial femoral head replacement; finite element analysis

R683

A

10.3969/j.issn.1005-8982.2017.28.015

1005-8982（2017）28-0078-04

2017-04-21

張金利，Tel：022-60910336