最新进展有限元分析应用于全髋关节置换

全髋关节置换术(THA)是治疗股骨头坏死、髋骨关节炎、强直性脊柱炎及先天性髋关节脱位等多种髋关节病变的一种有效方式，其疗效肯定，但术后并发症也不容忽视，多项研究发现THA术后假体的稳定性及多种并发症如假体无菌性松动、假体周围骨折及关节脱位等均与关节周围生物力学因素有关。

　　髋关节复杂的解剖结构使得在体内对其进行生物力学研究非常困难，而实验生物力学常采用机械法、电测法和光弹法等对动物、尸体或者人工骨进行强度、硬度及弹性模量等生物力学数据的测试，虽然能够直观的获得一些髋关节生物力学性能相关的信息，但其费用昂贵、程序繁琐且标本的变异率大等特点常影响到结果的准确性和可重复性。

　　年Brekelmans等人将有限元分析(FEA)引入骨科生物力学研究领域，FEA能将连续的弹性体分割成有限个单元并逐个对其性质进行研究，最后再对其进行合成，从而获得与实际物体类似的生物力学性能，达到对整个弹性体进行分析的目的。经40多年的发展，FEA现已被成功应用于人体骨骼、关节和肌肉的相关研究，在骨科生物力学领域占有重要的地位，本文就有限元分析在全髋关节置换中的最新应用现状作一综述。

　　有限元模型的建立及有效性验证

　　针对THA来说，建立有限元模型的对象主要是髋关节周围骨骼、肌肉、韧带及人工假体等，目前建模的主要数据来源有临床影像学资料(CT、MRI)、断面切片图像及激光三维扫描点云等，建模手段主要有CAD方法、激光三维扫描转换及计算机雕刻技术等，在实际建模过程中，往往采用多种方法综合运用，目前常用的有限元软件包括Ansys、Abaqus、Marc和Solidwork等。

　　Tarala等证实了有限元模型在测试假体－骨界面微动中的有效性，同时还介绍了一种可模拟具有时间依赖性的假体表面骨长入过程的有限元方法，Kallivokas等也证实了有限元分析在模拟THA压配型非骨水泥股骨柄假体生物力学过程中的可能性及优越性。

　　Ramos等研究表明有限元模型可以很好的模拟实体模型，其差异＜9%，Lerch等通过建立有限元模型模拟不同条件下假体周围骨重建过程，并在术后使用双能X线骨密度仪来定性定量地验证该结果，发现有限元分析结果与术后双能X线骨密度仪检测结果保持良好的一致性，Dubov等利用有限元法分析钢板修复股骨柄假体周围骨折的生物力学情况，并与实验室结果比较，两者之间保持良好的一致性。可见，有限元模型可很好的模拟实体模型，目前一批机制良好的有限元模型已经出现，并与实验室及临床数据保持着良好的一致性，但如何快速生成一个有效、准确的有限元模型仍需进一步研究。

　　髋关节假体的有限元研究

　　髋臼侧假体的有限元研究

　　髋臼杯的初始稳定性是良好的骨整合和长期临床疗效的保证，与臼杯位置、臼杯－骨界面与股骨头－内衬界面所承受的应力密切相关。Elkins等利用有限元研究发现随髋臼外展角和前倾角增加，硬－硬假体界面的应力几乎呈线性增加，Bonnin等利用有限元模型研究THA中髋臼杯内移及股骨偏心距对股骨头－臼杯界面所承受载荷的影响，发现最好的方案是髋臼杯内移但偏心距恢复正常。

　　Kunze等利用有限元模型研究从46、53cm及60cm高度的座椅站起时对THA稳定性的影响，结果发现骨－臼杯界面所承受的最大作用力分别为N、N及N，且均发生在起立动作开始时。

　　Zhao等通过有限元法从生物力学角度测定了在利用髋臼加强环(Ganz环)对髋关节发育不良患者行THA时Ganz环的位置、固定螺钉数量及骨移植材料类型对其初始固定强度的影响，发现Ganz环－骨界面的微动随髋臼发育不良程度的加重而增加，随螺钉数目及骨移植材料强度的增加而减小，而螺钉的置入位置对其影响差别较大，建议在治疗CroweⅠ型时Ganz环使用3颗螺钉较为安全，而在CroweⅡ型及更严重DDH患者中，建议在骨质较好的区域使用至少4颗螺钉。

　　股骨侧假体的有限元研究

　　股骨头的直径对髋臼内衬和假体的初始稳定性有很大的影响，股骨头直径增大可明显改变股骨假体及骨的应力和应变。严世贵等建立了金属髋臼、聚乙烯内衬以及相应直径股骨头的三维有限元模型，在股骨头中心加载关节负荷，非线性接触弹塑性分析内衬关节面的接触应力，发现内衬所承受的应力随股骨头直径的增大而减小，直径＜28mm的股骨头在上楼时内衬的应力水平可超过聚乙烯的屈服强度。

　　Hirata等利用有限元模型比较不同形状的股骨假体柄置入前后股骨应力分布情况，术后1年测量股骨的骨密度并分析应力分布与骨密度之间的关系，发现不同形状的股骨柄假体都表现出4区承受的应力最大，而1区承受的应力最小，这或许与THA术后骨密度的改变相关。

　　刘文广等建立股骨粗隆间骨折及骨水泥型股骨柄置入术后有限元模型模拟单腿站立姿势并进行力学加载分析，发现骨水泥型THA治疗老年EvansⅠ～Ⅲ型粗隆间骨折时股骨假体的应力分布与常规THA相似，Chen等使用有限元分析A1.1及A1.3型转子间骨折DHS失败后置入的不同长度的髋关节假体对股骨及其上残余钉孔的应力应变的影响，结果发现应力分布主要集中在第3、4个钉孔，在近端松质骨中，残余骨折碎片区可见应力遮挡，使用两根环形钢丝固定时，最大vonMises应力位于近侧钢丝环处。

　　髋关节置换相关并发症的有限元研究

　　髋关节假体和周围骨的力学特性不匹配常引起髋关节假体周围骨质出现应力遮挡效应，由此导致的相应部位骨质丢失增加是早期假体失败的一个重要原因。林凤飞等采用三维有限元分析对THA前后进行单髋站立生物力学测试，分析假体置入前后股骨和髋臼的应力模式和置入后各种组合的假体对骨界面的应力分布规律，发现各种组合的假体对股骨界面的应力从近端至远端均呈逐渐增高趋势，对髋臼界面的应力从髋臼顶部→后下→前下呈逐渐递减趋势，而不管是金属－金属、陶瓷－陶瓷、陶瓷－聚乙烯还是金属－聚乙烯组合，其相应界面应力值无明显差别，从生物力学角度为人工髋关节的临床应用和设计制造提供有益的参考。

　　Ramos等通过比较有限元模型及实体模型髋臼腔周围应力分布情况，发现髋臼假体的置入更容易导致髋臼后方及上方vonMises应力增加，髋臼后方区域存在的裂痕也会明显改变髋臼的应力分布，导致成骨活性降低及髋臼前方和上方区域骨－假体之间微动增大，从而引起髋臼区骨质丢失、骨长入减少、髋臼假体初始稳定性降低及假体松动风险增加等问题，Tavakkoli等基于热动力学理论，利用有限元法对THA术后假体周围骨质丢失情况进行分析，结果发现术后Gruen7区骨质丢失最明显，其次是1区，而4区骨密度反而增加，股骨干骺端后方区域骨质丢失较前方更明显。

　　撞击是限制THA术后关节活动范围及引起脱位的常见因素，Elkins等利用有限元模型来分析股骨头直径在骨－骨与假体－假体撞击事件中局部生物力学的情况，证实了假体撞击是THA术后主要的撞击类型，其引起的应力集中效应比骨撞击更大，Ghaffari等利用三维有限元模型分析了不同假体位置及患者活动姿势对人工关节的撞击－脱位的影响，发现由座位站起、站立弯腰时容易脱位，特别是髋臼前倾角较小时。为了减少撞击的发生，目前多主张使用大直径股骨头来降低脱位风险，但这就要求使用较薄的内衬，Shen等使用有限元模型研究了传统的和交联聚乙烯内衬的磨损率是否被股骨头直径、内衬的厚度所影响，发现从28～36mm的股骨头或仅使用3mm厚的内衬并不增加交联聚乙烯内衬的磨损率。

　　在髋关节假体击入固定过程中，尤其是股骨柄击入过程中，假体周围骨折是关节外科医生最担心发生的事情，Gargiulo等通过有限元分析得到THA术后股骨假体周围的应力分布图并计算出了假体周围骨折的危险系数，发现股骨矩及转子间线最低点为高骨折风险区。

　　在非骨水泥股骨柄击入固定过程中，不同的医生锤击的力度不同，有经验的关节外科医生或许可通过锤击声音的频率来判断假体击入的程度，以避免假体周围骨折发生，Sakai等使用有限元方法测定了非骨水泥股骨柄固定过程中锤击的力量对股骨所产生的vonMises应力，发现平均9.25N的锤击载荷足以导致人工股骨的损害，当股骨柄位移基本停止后，锤击力量应适当减小，如果再使用较大的平均锤击载荷锤击股骨柄可能会导致术中骨折的发生，他们还发现锤击声音频率降低伴随股骨内部最大应力增加，当锤击声音频率降低时，如果继续锤击会增加骨折的风险。

　　如果术中发生了假体周围骨折，目前多采用钢丝捆扎、钢板螺钉内固定或更换假体类型等方法进行固定，最终目的都是使骨折断端及假体得到牢靠固定，Chen等使用有限元分析研究THA术后VancouverB1型假体周围骨折不同修复方法的稳定性，发现在远端螺钉固定和近端钢丝固定的基础上，骨折近端加用2颗单皮质螺钉能减少骨折移位和降低vonMises应力，而远端加用3捆钢丝没有明显作用，王少林等探讨了高龄偏髓Ⅰ型粗隆间骨折行骨水泥型THA后股骨的应力分布，并对比分析了长、短假体柄置入后的应力分布差异，发现骨水泥型长、短柄假体置换治疗高龄偏髓I型粗隆间骨折不会引起股骨应力分布的明显改变，长柄假体的松动率与短柄假体基本相当，但后者由于手术时间短、创伤小及并发症少，可能更适合治疗高龄偏髓Ⅰ型粗隆间骨折。

　　除此之外，随着陶瓷假体的广泛应用，假体断裂也是导致关节翻修的一个常见原因，Lam等在模拟峰值步态负荷的条件下，对12种不同髋臼假体方位的有限元模型进行静态应力分析，发现过度外展和前后倾与内衬峰值应力增加有关，峰值应力的部位与文献报道的内衬断裂部位一致，Elkins等通过有限元研究发现在髋臼前倾角和/或外展角较小及肥胖患者中，内径36mm的陶瓷内衬在弯腰和下蹲时断裂风险明显增加。

　　髋关节假体设计的有限元研究

　　随着有限元技术手段不断进步，有限元法越来越多的应用于改进现有假体设计和开发生物力学性能更好的新假体研究。谭瑞昌等人通过有限元分析发现齿槽型人工股骨柄三角区齿槽结构有利于降低股骨近端的应力遮挡效应，凸齿结构的效果优于凹齿，更有利于减轻股骨近端骨质疏松，能有效提高人工髋关节的使用寿命。

　　Reimeringer等利用有限元仿真模拟THA术后快速行走和上楼梯的生理活动过程，发现适当地缩短柄的长度对假体的初始稳定性及长期生存率并没有损害。在假体开发方面，Bougherara等首次对碳纤维股骨柄和商业上通用的标准股骨柄的应力、应变和刚度进行了比较分析，发现新型碳纤维复合材料髋关节假体的vonMises应力范围比标准金属柄低45%～%，Al－Jassir等研究发现由功能梯度材料制作的股骨柄假体可增加股骨上的应力，从而减少应力遮挡及局部骨质吸收，Kokubo等人设计了一款近端固定、前外侧成钟形及表面为羟基磷灰石涂层的解剖型股骨柄假体，通过非线性三维有限元分析发现骨－假体间的相对运动仅10μm，并通过临床随访发现其具有假体周围透亮线发生率低、假体下沉少、应力遮挡适中及中期稳定性好等优势。

　　此外，髋关节假体生产成本的逐年增高给患者带来了沉重的经济负担，尤其是对经济条件差的患者，低成本、高质量的假体开发研究很有必要，Baharuddin等通过三维形态逆向工程技术及熔模铸造工艺生产了一款低成本的骨水泥型L不锈钢股骨柄假体，并通过有限元分析证实了其较好的力学性能。

　　结语

　　综上所述，随着计算机及相关软件业的高速发展，有限元分析在骨科的应用已取得了突破性的进展:从二维测量到三维测量，从线性到非线性，可以精确的建立THA三维有限元模型并对关节各部分进行生物力学研究。

　　但有限元分析在THA中的应用也存在一定的问题:

　　(1)目前有限元分析多由专门的研究者完成，很多临床医生没有生物力学及有限元相关知识背景，学习周期相对较长；

　　(2)目前多数研究均属于理论研究，有待进一步临床实践验证；

　　(3)每个患者的髋关节在形状、大小及骨质条件等方面都存在个体差异，这样就很难设计出一款能满足所有患者需求的假体，个体化的假体设计由于其设计工序复杂、生产成本高及周期长等问题，目前只能应用于一些特殊的病例，离广泛应用还存在一定的距离。

　　尽管有限元生物力学还存在诸多不足，但不可否认它已在一定程度上代替了实验生物力学，为研究者提供了实用的生物力学研究工具，同时可帮助临床医生制定最佳的手术方案、选择或设计合适的人工假体等。随着在全髋关节置换方面应用研究的深入，有限元分析今后必将走向智能化、集成化、网络化，并面向临床一线应用，对髋关节外科的发展产生深远影响。

作者：医院骨科斯海波