基于有限元分析3D重建技術在髖關節置換術中的應用*

胡華平 彭炳龍 文毅英 敖沸 楊慧文

全髖關節置換術是目前臨床中廣泛應用的手術方案之一，其在臨床中廣泛應用于創傷性關節炎、股骨頭壞死、強直性脊柱炎、先天性髖關節脫位、類風濕性關節炎等關節疾病患者的治療中[1]。隨著我國經濟及醫學技術的發展，全髖關節置換術在我國臨床實踐應用過程中出現并逐漸受到人們的廣泛關注[2]。人工全髖關節置換術在臨床實踐過程中存在術后假體松動等缺點，其也是目前臨床中最為常見的問題，其中力學因素和生物因素均是導致假體松動的主要原因之一[3]。有限元分析是近年來受到人們廣泛關注的技術方案，其主要通過連續求解區域行離散后組成有限個特定方式連接的單元組合體，對不同幾何形狀求解區進行模型，并對每個單元的力學情況進行綜合分析后再行整體分析[4]。有限元分析屬于經典的數值分析，在工程學多個領域中均得以廣泛應用，其在處理復雜物體力學方面具有明確的優越性，并在臨床中逐漸受到骨科醫師的重視。近年來隨著影像學技術、3D 重建技術等日臻成熟，髖關節的有限元力學分析計算也得以長足發展，并在臨床中充分證實了其科學性和實用性[5]。因此本研究擬分析基于有限元分析3D 重建技術在髖關節置換術中的應用價值。

1 資料與方法

1.1 一般資料 回顧性分析2019 年1 月-2021 年10 月萍鄉市人民醫院收治的80 例行髖關節置換術患者的臨床資料，其中2019 年1 月-2020 年6 月43 例采用全髖關節置換術治療的患者為對照組，2020 年7 月-2021 年10 月37 例采用基于有限元分析3D 重建技術的髖關節置換術患者為觀察組。納入標準：（1）患者均行髖關節置換術治療；（2）臨床資料完整。排除標準：（1）合并腫瘤；（2）合并臟器嚴重惡性器質性疾病。本研究經本院倫理委員會審議批準。

1.2 方法 本研究中所有患者均在手術前行骨盆正位X 線片掃描檢查，采用CT 平掃及3D 重建行髖關節處理，獲取髖關節連續性斷層數據后進行存儲，使用Mimics 10.0 軟件數字化三維重建，確定假體型號和大小。觀察組在對照組的基礎上完成3D 重建后行有限元分析，使用Geomagic Studio 軟件打開數據，并對3D 模型進行光滑和優化處理，生成擬合曲面，并通過擬合曲面導出幾何模型。模型使用Solid Works 打開，后利用軟件行曲面診斷，有效識別模型特征并對模型進行修復，建立假體特征/曲面模塊模型，并保存文件。使用ANSYS 有限元分析軟件打開幾何模型，依照骨質參數及假體材料賦值，并建立3D 有限元模型并進行分析，通過有限元分析對手術方案及假體進行優化，提升假體在不同應力條件下的整體力學特征，并基于應力特點進行定向優化。

本研究中所有患者均在入組后由同一組醫師進行手術操作，患者行吸入式全身麻醉方案干預，取側臥位，固定骨盆，后外側入路行12～18 cm 切口，臀大肌鈍性分離，剝離表面脂肪組織，切斷大轉子止點處，后呈倒T 形將關節囊切開，脫位髖關節充分顯露，截骨平面標記，截骨后封閉，重建髖關節旋轉中心解剖位置，適當松解闊筋膜，保留骨量。髖臼頂上緣使用兩枚螺釘固定，安裝假體，將試模假體取出，并植入相應型號假體或經有限元分析后優化結構的假體，穩定后填塞松質骨泥，清創并留置引流管。

1.3 觀察指標及判定標準（1）比較兩組術中出血量、手術時間、術后健側和患側下肢長度差。（2）術后3 個月對患者行髖關節X 線掃描檢查，評估受試者植骨愈合、假體位置等情況，其中植骨處達到融合則判定為植骨愈合，利用X 線掃描檢查和分析假體位置。（3）比較兩組髖關節功能（Harris）評分情況，依照患者Harris 評分進行療效評估，共包括優良中差四級，滿分100分，≥85 分以上為優，70～84 分記為良，60～69 分記為中，≤59 分以下為差。

1.4 統計學處理 利用SPSS 20.0 行統計學分析，計量資料用（）表示，組間比較采用獨立樣本t檢驗，組內比較采用配對t檢驗；計數資料以率（%）表示，比較采用χ2檢驗；等級資料比較采用秩和檢驗。P＜0.05 為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 兩組一般資料比較 對照組男19例，女24 例；年齡（49.38±7.40）歲；Crowe 分型：Ⅰ型5例，Ⅱ型23例，Ⅲ型13例，Ⅳ型2 例；患肢較健側下肢縮短（3.23±1.02）cm，原發性退行性骨關節炎共22例，股骨頭缺血性壞死18例，其他3 例。觀察組男16例，女21 例；年齡（50.01±8.08）歲；Crowe 分型：Ⅰ型2例，Ⅱ型21例，Ⅲ型13例，Ⅳ型1例，患肢較健側下肢縮短（3.25±1.13）cm，原發性退行性骨關節炎共15例，股骨頭缺血性壞死20例，其他2 例。兩組一般資料比較，差異均無統計學意義（P＞0.05），具有可比性。

2.2 兩組手術指標比較 觀察組術中出血量少于對照組，手術時間短于對照組，術后健側和患側下肢長度差均低于對照組（P＜0.05），見表1。

表1 兩組手術指標比較（）

表1 兩組手術指標比較（）

2.3 兩組植骨愈合率和假體位置吻合率比較 觀察組植骨愈合率和假體位置吻合率均高于對照組（P＜0.05），見表2。

表2 兩組植骨愈合率和假體位置吻合率比較[例（%）]

2.4 兩組Harris 評分比較 術前，兩組Harris 評分比較，差異無統計學意義（P＞0.05）。術后，兩組Harris 評分均高于術前，且觀察組高于對照組（P＜0.05）。見表3。

表3 兩組Harris評分比較[分，（）]

表3 兩組Harris評分比較[分，（）]

2.5 兩組療效比較 觀察組臨床療效優于對照組（U=12.099，P＜0.05），見表4。

表4 兩組療效比較[例（%）]

3 討論

一般情況下，在臨床應用中髖關節置換術成本較低，且患者術后安全及術后恢復均較為理想[6]。有研究指出，假體無菌松動是導致臨床髖關節置換翻修的主要原因，且與患者假體消耗磨損關系密切[7]。因此通過對假體進行必要的術前模擬可有效避免術后出現過度消耗，降低磨損，確定假體最小負荷及最佳受力方向，以有效滿足患者需求。分析植入假體的受力情況，需對力的方向和大小進行分析，而常規的術前查找力的特征仍可能導致患者出現特定風險[8]。臨床中還需充分考慮多種標準條件，如運動力量、幅度及范圍，對特異性目標區進行分析計算[9]。通過力學分析可有效確定手術前最大手術誤差，盡可能降低髖關節置換手術風險，由于人體數據龐大采用常規仿真計算需消耗大量的時間，因此可依靠計算機強大的計算能力行有限元計算和仿真[10]。采用3D 重建模型的有限元分析可提供醫學數據支持，目前在髖骨方面有限元方法并無法有效分析。通過構建基于3D 重建的髖關節模型開展有限元分析，可有效分析和比較模型的受力情況和應力分布，設計出符合患者髖關節磨損程度的假體模型，有助于髖關節假體的生物力學功能分析[11]。

通過有限元分析認為，相較于單軸椎弓根釘固定，采用多軸固定可顯著降低相鄰椎間盤內壓力，且隨訪追蹤結果是多軸固定患者相鄰節段退行性病變臨床發生率也更低[12]。有研究應用有限元應力分析非骨水泥型股骨柄周圍應力分布情況發現，其與骨密度呈良好相關性[13-14]。股骨柄假體與骨界面應力則在采用置換術干預后主要集中于下端，且內側壁應力集中出現，并表現出明顯的應力峰值[15-16]。全髖關節置換術是治療髖關節終末期疾病的主要方法，在手術過程中為有效利用假體獲取足夠的骨性覆蓋，常采用髖臼假體內移方法對患者進行干預，可有效建立髖關節力學平衡[17-18]。

觀察組術中出血量少于對照組，手術時間短于對照組，術后健側和患側下肢長度差均低于對照組（P＜0.05），觀察組植骨愈合率和假體位置吻合率均高于對照組（P＜0.05）。術后，兩組Harris 評分均高于術前，且觀察組高于對照組（P＜0.05）。通過基于有限元分析3D 重建技術對髖關節置換術患者進行干預，可有效量化分析應力改變情況，并依照相應數據對假體進行調整，分析模型中多點應力數據及應力離散程度，有效分析骨界面-假體應力分布均勻程度，避免應力過度集中于某一部分導致該部分出現骨機械性結構受損而引起假體松動或移位。此外，通過基于有限元分析3D 重建技術的分析，在有效降低局部應力的同時實現有效維持正常骨量的應力刺激，避免出現骨吸收和骨溶解，降低假體松動概率，改善骨界面應力分布，避免假體松動，提高假體-骨界面應力分布均勻程度，降低臼緣與股骨頸撞擊風險[19]。

綜上所述，基于有限元分析3D 重建技術在髖關節置換術應用過程中可有效分析假體-骨界面的應力特征，并利用有限元分析的應力特征對假體進行再優化設計，顯著提升髖關節置換術的臨床應用質量。