全髖關節置換術后力學因素對于髖關節穩定性的影響

吳 琪，左昌蘭，席文明，王昌超，邱 月，張 穹

(1.東部戰區總醫院淮安醫療區，江蘇 淮安 223001；2.廈門大學機電系，福建 廈門 361005)

人工關節置換是目前針對關節疾病的有效治療方法，對于重建關節，解除關節疼痛，提高生活質量有明顯療效。一個世紀以來，研究人員以及臨床醫生在材料、設計、加工、制造及臨床應用等方面對人工關節不斷完善，其中THA 是目前治療髖關節疾病，重建髖關節以及恢復髖關節功能的最安全有效的方法。據統計，全年約有150萬人因各種因素導致關節喪失功能，需進行人工關節置換。而其中約50萬例為全髖關節置換，隨著髖關節置換手術的逐年開展，髖關節翻修的手術量隨其不斷增多，約占全年髖關節置換手術的10%[1]。

THA的成功及長期穩定取決于全髖置換術后假體與髓腔形成的骨界面有一個良好的應力環境。骨作為人體結構，不能單純把其作為一個機械結構，而應充分考慮其組織活性。假體在植入后對骨組織的應力應在骨組織的適應性范圍之內。低于或者超出這一范圍，都會對骨組織的形成造成影響，進而影響關節置換術后的假體穩定性。因而，有效控制力的傳導以及分布區域，可以有效調控骨整合范圍以及骨組織的長入，進而獲得理想的術后穩定性。

針對于此，我們使用三維重建股骨髓腔以及CAD/CAM計算機輔助定制髖關節假體，使得假體與髓腔取得優良的匹配度后，再結合有限元分析股骨假體遠端長度以及力的大小對于穩定性的影響。

1 資料與方法

1.1一般資料：人股骨標本取自南京醫科大學，在中國人民解放軍第82醫院完成CT掃描以及三維重建。將其結果數據導入Mimics軟件中，獲得實體模型，在廈門大學使用CAD/CAM/Robot集成技術的輔助下，磨削銅棒，獲得定制性解剖假體，完成假體植入以及相關影像學檢查。

1.2有限元分析：股骨假體的三維模型導入到PRO-E軟件組裝在一起，然后組裝模型及股骨假體導入ANSYS Workbench軟件(ANSYS公司，美國)賦予紋理和劃分網格，股骨的彈性模量為2×1010pa和定制假體的彈性模量為11×1010pa。在有限元模型的假體上施加載荷，力位于假體尖端，載荷作用在假體上。

2 結果

2.1定制假體與人股骨標本匹配的影像學結果：結果見圖1。從影像學結果上可以看出匹配度良好，在正位以及側位上假體與髓腔間未見明顯間隙。

2.2假體的有限元分析：當假體植入股骨腔，遠端干的匹配長度為50 mm，圖2(a)是股骨的力分布，當載荷在假體上的力為480 N時，假體上的力已經轉移到股骨近端，見圖2(a)的局部圖形。如果力假體再次增加，股骨近端假體將形成大的微動和整個假體會產生相對運動的股骨腔，假體壓配狀態將被破壞。因此，在圖2(a)，對假體的初始穩定性條件是在假體的力不超過480 N，圖2(b)，遠端干的匹配長度為25 mm，當假體的力為350 N，對假體的力傳遞到股骨近端，如圖2(b)，對假體的初始穩定性條件是在假體的力不超過350 N，從圖2可以發現，遠端柄的長度減少，假體上的力容易轉移到股骨近端。

圖1 為定制性假體植入人股骨標本后以及正側位的影像學結果

圖2 力的大小不同，股骨的有限元分析結果

3 討論

全髖關節置換(total hip athroplasty，THA)術后遠期失敗的主要原因為無菌性松動[2-5]。而導致無菌性松動的機制甚多，目前主要分為兩大類。一類為力學因素[6-7]，一類為生物學因素[8-10]。其中力學因素中又包括假體的設計，假體的植入位置以及假體在置換術后力的傳導；生物學因素則主要為假體磨損形成的顆粒而引發的一系列炎性反應。兩類因素相互協同，其中力學的因素可視為起始因素[11]，正因為力的傳導導致假體的松動摩擦，進而導致顆粒的大量產生，再反作用于骨組織的整合，形成不穩定的骨長入，造成假體松動嚴重，導致長期穩定性的失敗。

三維重建以及CAD/CAM/Robot集成技術的輔助下，可以實現假體與髓腔的高精度匹配，在此前提下，為力的傳導以及骨組織的長入創造良好的結構準備。

通過有限元分析可以得知假體遠端的長度以及體重對假體置換術后初期穩定性的影響。遠端長度為50 mm時，需要480N即可使得假體力的傳導到達骨整合區，而逐漸增大后即會造成假體的下移和旋轉。當遠端長度縮短到25 mm時，僅僅需要320 N就能產生同樣的效果。因此為了維持假體置換初期的穩定性[12]，需要有效控制施加在假體的力的大小，同時為了促進骨長入，又需要足夠的力使得力的傳導到達骨的整合區[11]，在匹配度以及合適的力的共同作用下，假體與松質骨的整合形成彈性鉸鏈，進而可以承受更大的力，保證假體置換后期的長期穩定。

在髖關節置換術后，初期的穩定是前提，而所謂的穩定不僅僅表面上的壓配度，更多的在于對于假體的選擇和假體受力的有效控制。在有效壓配的基礎上，通過力的控制使得力的傳導到達合適的骨長入區，進而促進骨的有效長入，形成彈性良好的鉸鏈結構。在此前提下，股骨遠端的壓配確保假體的微動在鉸鏈結構的彈性范圍內，進而確保假體的長期穩定。