侯 威，張 衛(wèi)，趙紅陽(yáng)

（南華大學(xué)附屬南華醫(yī)院骨科醫(yī)院，湖南衡陽(yáng)421002）

股骨頭置換重建股骨矩的三維有限元分析

侯 威，張 衛(wèi)，趙紅陽(yáng)

（南華大學(xué)附屬南華醫(yī)院骨科醫(yī)院，湖南衡陽(yáng)421002）

目的 利用三維有限元技術(shù)對(duì)高齡患者股骨矩缺損型粗隆間骨折進(jìn)行建模，分析在髖關(guān)節(jié)置換中利用骨水泥重建及骨折碎片復(fù)位重建股骨矩后的生物力學(xué)特性，并分析2種重建方法的穩(wěn)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(guān)節(jié)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(shí)，在正常載荷下2種股骨矩重建方法的生物力學(xué)穩(wěn)定性。結(jié)果力學(xué)加載后，骨水泥重建股骨矩模型最大應(yīng)力值及最大位移值均較股骨矩骨折復(fù)位型小，二者應(yīng)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(gè)相同位點(diǎn)的應(yīng)力值和位移值作t檢驗(yàn)分析，2種模型關(guān)節(jié)假體的應(yīng)力值及位移值比較，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。結(jié)論 2種股骨矩重建方式在假體應(yīng)力大小、應(yīng)力分布及假體位移方面有差異，在應(yīng)力分布均勻性、應(yīng)力大小及初始微動(dòng)方面，骨水泥重建型均優(yōu)于股骨矩骨折復(fù)位型。對(duì)于股骨矩缺損型粗隆間骨折行骨水泥型髖關(guān)節(jié)置換時(shí)，采用骨水泥直接重建股骨矩生物力學(xué)穩(wěn)定性更好。

股骨； 關(guān)節(jié)成形術(shù)，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(guó)人口老齡化的日趨加劇，股骨粗隆間骨折的發(fā)病率也在不斷上升。高齡患者多伴有嚴(yán)重骨質(zhì)疏松及多種內(nèi)科疾病[1]。一旦骨折，往往會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的骨碎裂，造成不穩(wěn)定型骨折及股骨矩的破壞。高齡不穩(wěn)定型股骨粗隆間骨折行內(nèi)固定治療并發(fā)癥較多，主要與骨折的不穩(wěn)定性相關(guān)[2]。近年來(lái)有學(xué)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(duì)采用骨水泥重建還是碎裂股骨矩復(fù)位重建目前仍有較多爭(zhēng)議。本研究通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)即三維有限元技術(shù)模擬上述2種方法重建股骨矩后應(yīng)力及位移的變化，通過(guò)對(duì)比分析得出生物力學(xué)依據(jù)，為該類手術(shù)提供有力的力學(xué)理論依據(jù)，指導(dǎo)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(cè)髖關(guān)節(jié)排除骨折及病理狀態(tài)。使用美國(guó)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(shí)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(jìn)行灰度值調(diào)整、區(qū)域分割、重建股骨三維圖像并經(jīng)過(guò)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(jìn)行理想的骨折劃分（Evans-jeasonⅣ型骨折線由大粗隆頂點(diǎn)斜向小轉(zhuǎn)子下緣骨折累及股骨矩，小轉(zhuǎn)子保持完整，骨折線與股骨縱軸約成45°）；（3）根據(jù)選取患者髓腔大小選取天津正天公司生產(chǎn)的2#骨水泥型假體柄（頸干角130°，柄長(zhǎng)135mm）。利用三維CAD軟件Solidworks進(jìn)行關(guān)節(jié)假體設(shè)計(jì)構(gòu)造。

圖1 重建股骨模型

1.1.3 模型的裝配及網(wǎng)格劃分 將股骨模型及假體模型以STL的格式導(dǎo)入Freeform軟件中，按手術(shù)標(biāo)準(zhǔn)步驟進(jìn)行模擬，分別截骨、擴(kuò)髓、建立骨水泥層、復(fù)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(wǎng)格劃分

1.2 邊界條件及材料屬性 （1）小轉(zhuǎn)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(guān)節(jié)假體的非均勻復(fù)雜特性，本研究將所有材料看成均質(zhì)體，材料屬性值經(jīng)查閱文獻(xiàn)[4]得出，具體見表1；（5）假體、骨水泥及股骨之間相對(duì)緊密接觸；（6）股骨矩復(fù)位模型中骨折之間為部分緊密接觸。

表1 相關(guān)材料屬性

1.3 加載條件 模擬體質(zhì)量65 kg患者靜止站立時(shí)雙側(cè)髖關(guān)節(jié)承受的重量。單側(cè)髖承受31%人體重量，承重力線經(jīng)假體股骨頭中心垂直向下[5]（加載點(diǎn)選取假體柄頭部中心，方向垂直向下）。

1.4 模型有效性驗(yàn)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(cè)量對(duì)比[6]，經(jīng)對(duì)比測(cè)量幾何外形重疊率達(dá)99%，說(shuō)明建模成功；（2）將所建完整股骨三維有限元模型進(jìn)行材料賦值及力學(xué)加載，得出壓應(yīng)力位于股骨內(nèi)側(cè)，張應(yīng)力位于股骨外側(cè)，壓應(yīng)力主要分布在小粗隆及股骨矩區(qū)域，與傳統(tǒng)實(shí)體力學(xué)一致，說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)中力學(xué)加載合理可靠。

1.5 模型評(píng)價(jià)指標(biāo) （1）力學(xué)加載后假體的應(yīng)力分布情況，應(yīng)力分布越均勻，說(shuō)明關(guān)節(jié)假體越穩(wěn)定，發(fā)生假體周圍骨折概率越低；（2）力學(xué)加載后，假體的初始位移越大，說(shuō)明關(guān)節(jié)假體穩(wěn)定性越差，發(fā)生假體松動(dòng)的概率就越大。

2 結(jié) 果

2.1 力學(xué)加載后，2種模型關(guān)節(jié)假體的應(yīng)力分布情況力學(xué)加載后，2種模型關(guān)節(jié)假肢的應(yīng)力分布見圖3。2種模型中關(guān)節(jié)假體應(yīng)力均主要集中在假體柄內(nèi)側(cè)中下1/3處，骨水泥重建股骨矩型模型中假體柄最大應(yīng)力值較股骨矩骨折復(fù)位型小，分別為0.635、0.641 MPa。分別在2種模型假體柄內(nèi)側(cè)中下1/3應(yīng)力集中處測(cè)量5個(gè)相同位點(diǎn)的應(yīng)力值（表2），2種模型中假體柄應(yīng)力值比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=5.826 9，P＜0.05），說(shuō)明骨水泥重建型假體應(yīng)力較小，分布更加均勻。

圖3 2種模型中假體柄應(yīng)力分布圖

表2 2種模型假體柄應(yīng)力值（MPa）

2.2 力學(xué)加載后，假體的初始位移情況 力學(xué)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(diǎn)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(fù)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(gè)相同位點(diǎn)進(jìn)行位移測(cè)量（表3），2種模型位移值比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=9.592 1，P＜0.05），說(shuō)明骨水泥重建股骨矩型模型假體位移較小，假體更加穩(wěn)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(jì)算機(jī)模擬技術(shù)尚未興起之前，骨生物力學(xué)通常采取實(shí)體力學(xué)的研究方法進(jìn)行理論研究，但隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，骨科的發(fā)展越來(lái)越離不開計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，并且呈現(xiàn)出多學(xué)科、多領(lǐng)域交叉及綜合應(yīng)用的態(tài)勢(shì)。三維有限元自20世紀(jì)出現(xiàn)以來(lái)，很多學(xué)者就開始利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對(duì)骨折進(jìn)行三維有限元力學(xué)分析，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比研究。由于股骨近端外形不規(guī)則及關(guān)節(jié)置換后材料屬性的復(fù)雜性，實(shí)體力學(xué)研究尚不能精確模擬粗隆間骨折行髖關(guān)節(jié)置換后力學(xué)傳導(dǎo)機(jī)制及應(yīng)力分布特征。本實(shí)驗(yàn)采用10節(jié)點(diǎn)4單元體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在精度方面要高于4節(jié)點(diǎn)4面體網(wǎng)格單元[6]。實(shí)驗(yàn)對(duì)股骨、假體均作了優(yōu)化處理，優(yōu)化后股骨近端單元格數(shù)為56340個(gè)，置換后股骨單元格數(shù)為35 612個(gè)，假體的單元格數(shù)為12 500個(gè)，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(xué)特性，最大程度接近真實(shí)的生物力學(xué)特征。

在關(guān)節(jié)假體微動(dòng)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(gè)正常步態(tài)周期中，人工髖關(guān)節(jié)假體微動(dòng)的規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，正常步態(tài)下髖關(guān)節(jié)假體在0～25 μm微動(dòng)，微動(dòng)方向分別沿矢狀軸及冠狀軸旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)，并得出造成髖關(guān)節(jié)假體松動(dòng)的主要原因就是長(zhǎng)期效應(yīng)的微動(dòng)所致。在應(yīng)力應(yīng)變研究方面，徐靈軍等[8]利用三維有限元技術(shù)模擬分析了股骨頸骨折行人工髖關(guān)節(jié)置換后假體柄及股骨的應(yīng)力分布特征，得出的結(jié)論是股骨干上1/3、假體柄外側(cè)及假體的遠(yuǎn)端與股骨接觸處是應(yīng)力分布的主要部位，是髖關(guān)節(jié)置換后應(yīng)力傳遞及分布的真實(shí)反映。唐松林等[9]采用股骨矩骨折碎片復(fù)位重建加人工股骨頭置換方法對(duì)15例股骨粗隆粉碎性骨折高齡患者進(jìn)行治療，經(jīng)半年至3年隨訪，無(wú)假體松動(dòng)及假體周圍骨折等并發(fā)癥，取得了良好療效，但長(zhǎng)期效果還有待進(jìn)一步驗(yàn)證及研究。

目前對(duì)股骨矩缺損型粗隆間骨折行髖關(guān)節(jié)置換重建股骨矩時(shí)，多數(shù)學(xué)者采用骨折片復(fù)位捆綁方法進(jìn)行重建，還有一些學(xué)者采用股骨矩替代型加長(zhǎng)股骨柄及植骨重建進(jìn)行治療[10-11]。目前對(duì)于以上幾種股骨矩的處理方式仍有較多爭(zhēng)議，且力學(xué)理論依據(jù)不足，對(duì)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(bào)道較少，對(duì)這方面的力學(xué)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(duì)正常股骨近端及與之匹配的股骨柄進(jìn)行重建，并對(duì)股骨粗隆間骨折進(jìn)行理想的劃分（Evans-jeasonⅣ型）。建立股骨矩骨折復(fù)位型及骨水泥重建股骨矩型2種模型，模擬靜態(tài)站立位時(shí)股骨柄假體的應(yīng)力分布特征及初始微動(dòng)情況，并對(duì)2種模型進(jìn)行對(duì)比分析，得出在應(yīng)力分布的均勻性及初始微動(dòng)方面，骨水泥重建型均優(yōu)于股骨矩骨折復(fù)位型。在臨床中應(yīng)用骨水泥對(duì)股骨矩進(jìn)行快速重建，可減少手術(shù)時(shí)間及出血量，利于高齡患者術(shù)后康復(fù)，減少術(shù)后并發(fā)癥[12]。應(yīng)用骨水泥重建股骨矩恰恰能縮短手術(shù)時(shí)間及減少術(shù)中出血量。本研究結(jié)果證明，骨水泥重建股骨矩可以獲得更良好的假體穩(wěn)定性，為臨床治療提供力學(xué)理論依據(jù)。

本研究同時(shí)涉及醫(yī)學(xué)影像學(xué)、數(shù)學(xué)、有限元分析等多個(gè)領(lǐng)域，并受實(shí)驗(yàn)條件及知識(shí)面等限制，尚存在問(wèn)題。在未來(lái)的研究工作中，作者將對(duì)股骨近端模型不斷進(jìn)行優(yōu)化，增加肌肉及軟組織的建模，模擬在動(dòng)態(tài)行走下髖關(guān)節(jié)及假體的生物力學(xué)特性，使實(shí)驗(yàn)更加接近真實(shí)力學(xué)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(yáng)人，碩士研究生，主治醫(yī)師，主要從事骨關(guān)節(jié)與運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)臨床工作；E-mail：280640580@qq.com。

張衛(wèi)（E-mail：zhangwei6601@163.com）。