1、中国组织工程研究 第 17 卷 第 52 期 20131224 出版Chinese Journal of Tissue Engineering Research December 24, 2013 Vol.17, No.52doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.52.002 http:/www.crter.org孙玉玺，付志厚 . 股骨颈保留型人工全髋关节置换后的应力分析 J.中国组织工程研究， 2013， 17(52):8949-8954.ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH 8949www.CRTER.org孙玉玺
2、，男，1981 年生，山东省临沂市人，汉 族，2011 年辽 宁医学院毕业，硕士(解放军济南军区总医院骨病科)，医师，主要从事关节外科研究。通讯作者：付志厚，主任医师，解放军济南军区 总医院骨病科，山东省济 南市 250031中图分类号:R318文献标识码:A文章编号:2095-4344(2013)52-08949-06修回日期：2013-11-18(201310114/MW)Sun Yu-xi, Master, Physician, Department of Orthopedics, General Hospital of Jinan Military Region, Jinan 2500
3、31, Shandong Province, CCorresponding author: Fu Zhi-hou, Chief physician, Department of Orthopedics, General Hospital of Jinan Military Region, Jinan 250031, Shandong Province, ChinaAccepted: 2013-11-18股骨颈保留型人工全髋关节置换后的应力分析 孙玉玺，付志厚(解放军济南军区总医院骨病科，山东省济南市 250031)文章亮点：1 通过临床病例回顾分析，评价头颈交界处为截骨平面的股骨颈保留型人工全
4、髋关节置换的中短期临床效果良好，与普通生物型人工全髋关节置换无明显差别。2 采用 64 排螺旋 CT 扫描正常成年男性股骨得到层厚为 0.8 mm 的图像数据，并利用 Mimics、UG6.0和 ANSYS13.0 软件，重建股骨颈保留型髋关节假体三维模型，得到两种不同截骨平面股骨颈保留型人工全髋关节置换后有限元分析模型，结果显示：与转子间窝上 1.5 cm 为截骨平面比较，头颈交界为截骨平面偏心距增大，假体及股骨所受应力增大，但两者应力分布相同。关键词：骨关节植入物；人工假体；股骨颈保留；三维有限元；生物力学主题词：假体和植入物；关节成形术, 置换, 髋；有限元分析；生物力学摘要背景：股骨颈
5、保留型(Collum Femoris Preserving，C.F.P)假体为意大利骨科医生 Pipino 与德国 LINK 公司联合设计开发。该假体手术操作手册中推荐截骨平面是否适合国人股骨结构特点以及所采用截骨方式是否会引起假体以及股骨应力发生变化，目前尚未见研究报告。目的：通过临床病例回顾和三维有限元模型分析股骨颈保留型人工全髋关节置换的临床疗效以及应力分布变化。方法：回顾分析 36 例股骨颈保留型全髋关节置换及 36 例普通生物型全髋关节置换患者临床资料，通过Harris 评分、目测类比评分、置换前后偏心距变化、 IDES-Engh 放射学及并发症等指标评价疗效。建立两种不同截骨平面股
6、骨颈保留型全髋关节置换有限元分析模型，分析股骨转子间窝上 1.5 cm 及头颈交界处为截骨平面带来的偏心距差异、股骨以及假体应力分布变化。结果与结论：头颈交界处为截骨平面的股骨颈保留型全髋关节置换，短期随访临床疗效优良，与普通生物型无明显差别。有限元分析显示：头颈交界为截骨平面与转子间窝上 1.5 cm 为截骨平面比较，偏心距增大，假体及股骨所受应力增大，但应力分布相同。Stress distribution after total hip arthroplasty with a neck-retaining femoral prosthesis Sun Yu-xi, Fu Zhi-hou (
7、Department of Orthopedics, General Hospital of Jinan Military Region, Jinan 250031, Shandong Province, China)AbstractBACKGROUND: Collum Femoris Preserving prosthesis is developed by Pipino, an Italian surgeon, and LINK (Germany). Whether the femoral osteotomy plane recommended in the surgical manual
8、 is suitable for Chinese people and whether the osteotomy method can cause stress changes of the prosthesis and femur has not been yet reported.OBJECTIVE: Based on clinical reviews and three-dimensional finite element model, to analyze the clinical efficacy of total hip arthroplasty with Collum Femo
9、ris Preserving prosthesis and relevant stress distribution. METHODS: We retrospectively analyzed 36 patients undergoing total hip arthroplasty with neck-retaining femoral prosthesis and 36 patients receiving total hip arthroplasty with biotype prosthesis in terms of Harris scores, visual analog scal
10、e scores, preoperative and postoperative measurements of eccentricity changes, IDES-Engh radiological evaluation and the incidence of complications. Two different osteotomy plane finite element analysis models were created to analyze the eccentricity difference and changes in the stress distribution
11、 of prosthesis and femur when the osteotomy plane was set 1.5 cm above the intertrochanteric fossa or at the junction of femoral head and neck.RESULTS AND CONCLUSION: Neck-retaining total hip arthroplasty with the osteotomy plane set at the junction between the head and neck achieved good short-term
12、 outcomes, showing no difference from total hip arthroplasty with normal biological prosthesis. The finite element analysis showed that the eccentricity increased and the stress on the prosthesis and femur also increased when the osteotomy plane was set at the junction of femoral head and neck compa
13、red with that set 1.5 cm above the intertrochanteric fossa. But there was no 孙玉玺，等 . 股骨颈保留型人工全髋关节置换后的应力分析P.O. Box 1200, Shenyang 110004 www.CRTER.org8950www.CRTER.orgdifference in stress distribution between two osteotomy planes.Subject headings: prostheses and implants; arthroplasty, replacement, h
14、ip; finite element analysis; biomechanicsSun YX, Fu ZH. Stress distribution after total hip arthroplasty with a neck-retaining femoral prosthesis. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2013;17(52):8949-8954.0 引言 Introduction股骨颈保留型(Collum Femoris Preserving，C.F.P)假体为意大利骨科医生Pipino与德国LINK 公司联合设计开发。手术操作手册中推荐
15、截骨方式为转子间窝上1.5 cm。国内有文献报道采用头颈交界处为截骨平面，能够保留股骨矩，同时术后功能恢复良好 1-3。手术手册推荐截骨平面是否适合国人股骨结构特点 4-8，及国内文献报道所采用截骨方式是否会引起假体以及股骨应力发生变化，目前国内未见研究报道。本文临床回顾对比分析普通生物型与头颈交界为截骨平面的股骨颈保留型人工全髋关节置换的临床疗效差异。并且采用三维有限元模型分析股骨转子间窝上1.5 cm及头颈交界处为截骨平面的股骨颈保留型全髋关节置换后股骨以及假体应力分布变化。通过以上两个方面研究为股骨颈保留型人工全髋关节置换疗效分析及股骨颈保留型人工全髋关节置换截骨平面确定提供一定理论基础
16、。1 临床研究 Clinical study设计：回顾性病例分析。时间及地点：于2006年1月至2010年12月在解放军济南军区总医院骨病科完成。对象：收集解放军济南军区总医院骨病科2006年1月至2010 年12月实施的36 例股骨颈保留型全髋关节置换及36 例普通生物型全髋关节置换患者资料。股骨颈保留型组：男25例，女11例；年龄35-55岁，平均44.5 岁；左侧 18例，右侧10例，双侧8例，病史3-15年 (平均6.8年 )，术后至末次随访平均 38.9个月。原发疾病：股骨头无菌性坏死20例，先天性髋臼发育不良6 例，强直性脊柱炎并髋关节强直5例，创伤性关节炎5 例。所有患者应用股骨
17、颈保留型假体实行人工全髋关节置换。普 通 生 物 型 组 ： 男 24例 ， 女 12例 ； 年 龄 40-65岁 ， 平均 50.8岁 ； 左 侧 10例 ， 右 侧 10例 ， 双 侧 16例 ， 病 史 5-10年 (平 均 6.7年 )， 术 后 至 末 次 随 访 平 均 37.5个 月 。 原 发 疾病 ： 股 骨 头 坏 死 32髋 ， 创 伤 性 关 节 炎 4髋 。 所 有 患 者 应用 美 国 Zimmer公 司 制 造 CLS假 体 实 行 人 工 全 髋 关 节 置 换 。两组患者性别、年龄、病史、原发疾病等基线资料比较，差异无显著性意义(P 0.05)，具有可比性。材
18、料：股骨颈保留型假体(C.F.P)：德国LINK公司制造，柄为钛合金。颈干角为126，前倾角均为14。分别有5种左右侧及2 种不同曲度的柄可供选择。普通生物型髋关节假体：美国Zimmer公司制造。技术路线：手术方法：股骨颈保留型全髋关节置换截骨方式：头颈交界处截骨。臼杯植入角度：55外翻角和15 前倾角。普通生物型全髋关节置换截骨方式：小转子上 1.5 cm处截骨。臼杯植入角度：45 外翻角和15前倾角。两种假体均采用生物型固定方式。偏心距的测量：偏心距变化评价标准：术后偏心距与健侧相比较，差别5分 为 无 效 。偏心距：指股骨头旋转中心与股骨干纵轴的垂直距离。IDES-Engh放射学评价 1
19、1：骨长入固定：假体没有下沉或移位，假体周围没有X射线透亮带或硬化带存在，假体-骨界面表现稳定，多孔区新骨形成。稳定性的纤维长入：假体无进行性的移位(早期微小移位可能已经发生)；广泛的呈平行状态的假体周围硬化带存在，硬化带与股骨柄间透亮带的宽度不超过1 mm。股骨皮质没有明显肥厚，提示包绕假体柄周围的骨壳起到了承载应力的作用。松动：假体在髓腔内存在明显的进行性的下沉或移位，并且假体部分被分散存在的硬化带(从假体柄骨端可见硬化带与假体间分离明显)环绕。并发症：至末次随访时，观察有无感染、坐骨神经损伤、血管损伤和髋臼骨折、双下肢不等长等并发症的发生。统计学分析：采用SPSS 11.5统计软件进行统
20、计学分析，资料的比较采用秩和检验及卡方检验，以P 0.05)。3.1.2 目测类比评分 股骨颈保留组：治疗前目测类比评分为(7.652.88) 分，末次随访时目测类比评分为(3.121.49)分；普通生物型组：治疗前目测类比评分为(7.602.38)分，末次随访时测类比评分为(3.201.09)分。两组末次随访时目测类比评分结果差异无显著性意义(P=0.845 0.05)。3.1.3 偏心距变化 股骨颈保留组：患者偏心距均获得良好恢复，治疗前偏心距大小平均为(41.585.23) mm，末次随访时为(43.476.35) mm；普通生物型组：治疗前偏心距为(40.585.33) mm，末次随访
21、时为(41.25 4.03) mm，两组末次随访时偏心距结果差异无显著性意义(P 0.05)。3.1.4 IDES-Engh放射学评价 股骨颈保留型组及普通生物型组患者股骨柄未见柄周围的骨内膜空洞、大的骨缺损及假体柄断裂；Gruen 14分区内未见骨溶解及骨缺损；股骨柄周围柄-骨界间透亮带均小于2 mm，呈骨性长入固定，见图2-5 。表 1 股骨颈保留型假体三维有限元模型材质赋值 Table 1 Dimensional finite element model assignment of a neck-retaining femoral prosthesis材料 弹性模量(GPa) 泊松比钴铬
22、钼合金皮质骨松质骨210121.30.30.40.3图 1 三维模型网格划分Figure 1 Three-dimensional model meshingA：转子间窝上 1.5 cm 处为截骨平面于 ANASYS13.0 中，将假体及股骨模型进行装配并网格划分示意图B：股骨头颈交界处为截骨平面于 ANASYS13.0 中，将假体及股骨模型进行装配并网格划分示意图注：置换前 X 射线片显示双髋关节挂接间隙变窄消失。图 2 股骨颈保留型组全髋关节置换前 X 射线片Figure 2 X-ray film before total hip arthroplasty with Collum Femor
23、is Preserving孙玉玺，等 . 股骨颈保留型人工全髋关节置换后的应力分析P.O. Box 1200, Shenyang 110004 www.CRTER.org8952www.CRTER.org3.1.5 并发症 至末次随访，均无翻修及假体周围骨折病例出现。两组患者异位骨化程度按照Grade标准，均在度以内。两组均未发生早期或晚期感染、坐骨神经损伤、血管损伤和髋臼骨折等并发症。但股骨颈保留型组有2例患者出现术后双下肢不等长，并且存在跛行步态，通过测量双下肢绝对长度，术侧下肢较未手术侧下肢分别长1.5 cm及1.0 cm。3.2 生物力学研究结果3.2.1 两种方案中假体von-Mis
24、es应力、股骨von-Mises应力、股骨主拉应力、股骨主压应力变化 方案一应力分布情况，见图6，方案二应力分布情况比较，见图7。与方案一比较，方案二股骨主拉应力增大19.567 MPa；主压应力增大29.12 MPa；股骨整体应力增大 0.16 MPa；假体柄颈交界处增大约51.359 MPa。注：置换后 12 个月 X 射线片显示假体在位良好，股骨柄假体周围未见明显透亮带存在。图 3 股骨颈保留型组全髋关节置换后 12 个月 X 射线片Figure 3 X-ray film 12 mon after total hip arthroplasty with Collum Femoris Pr
25、eserving注：置换前可见左侧股骨头明显塌陷变形，其内密度不均。图 4 普通生物型组全髋关节置换前 X 射线片Figure 4 X-ray film before total hip arthroplasty with common biotype prosthesis注：置换后 12 个月 X 射线片显示假体在位良好，股骨柄假体周围未见明显透亮带存在。图 5 普通生物型组全髋关节置换后 12 个月 X 射线片Figure 5 X-ray film 12 mon after total hip arthroplasty with common biotype prosthesis图 6 方
26、案一( 转子间窝上 1.5 cm 处截骨平面)应力分布情况Figure 6 Stress distribution 1.5 cm above the intertrochanteric fossa (scheme 1)A：股骨整体所受应力最大值 136.88 MPaB：假体柄颈交界处所受应力 71.611 MPaC：股骨内侧的主压应力，最大值出现于股骨中下段为 132.81 MPaD：股骨外侧的主拉应力，最大值出现于股骨中下段为 10.865 MPa孙玉玺，等 . 股骨颈保留型人工全髋关节置换后的应力分析ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH 895
27、3www.CRTER.org3.2.2 两种模拟截骨方式偏心距变化 模拟截骨前偏心 距 大 小 为 34.2 mm。 方 案 一 截 骨 方 式 偏 心 距 为 35 mm， 较模拟手术前增大约0.8 mm；方案二截骨方式偏心距为39 mm，较模拟手术前增大约4.8 mm。4 讨论 Discussion4.1 股骨颈保留型人工全髋关节置换的优点 与普通生物型全髋关节置换比较，C.F.P的截骨方式能够完整的保留股骨矩，保留股骨颈部重要的承重结构，股骨所受应力明显降低，应力遮挡效应相应减少。本研究表明，C.F.P型假体的全髋关节置换具有以下优点：与普通生物型全髋关节置换比较，Harris 评分、目
28、测类比评分等功能评价指标无明显差异。临床效果均优良。C.F.P的截骨方式能够保留股骨颈部最为坚强部分，使得假体能够获得良好的支撑。保留了更多的骨质，为日后可能发生的假体返修提供了便利条件。4.2 不同截骨平面偏心距及生物力学变化的意义 偏心距的变化将影响全髋关节置换后髋关节旋转中心位置。术后旋转中心位置理想恢复对假体生存率以及步态都有非常重要的作用。Davey等 15通过尸体研究，证实随着偏心距的增大外展肌受力减小，传递到髋臼的应力也减小。Dearmin 等 16实验研究，证实偏心距适当增加并不影响置换后股骨假体的骨整合。这些生物力学观点支持偏心距稍大的生物型假体。本研究中有限元分析提示：模拟
29、手术前偏心距为34.2 mm，按方案一截骨方式偏心距为35 mm，方案二截骨方式偏心距为39 mm。采用方案二截骨方式较方案一偏心距增大4 mm。结果表明方案二截骨较方案一截骨所受应力增大。Kleemann等 17研究发现，假体柄颈交界处应力过大，置换后发生假体断裂的风险增大。根据以上研究结果：采用转子间窝上1.5 cm截骨，可使偏心距得到良好恢复，可能降低假体及股骨所受应力。4.3 不同截骨平面偏心距变化对假体生存率影响 文献报道，偏心距恢复不当，易引起假体-骨界面间微动增加，发生假体早期松动 18-19；偏心距恢复不当引起股骨侧应力遮挡增加，而应力遮挡与骨质丢失程度存在相关性，引起置换后假
30、体无菌性松动。Rorabeck等20提出：全髋关节置换后，股骨偏心距长度变化在4 mm之内，既可以维持较好的外展力臂和髋关节活动度，又不致导致过多并发症。本研究结果提示：采用头颈交界处为截骨平面的C.F.P型全髋关节置换，适当增大了股骨偏心距，假体短期生存率良好，但对假体长期生存率有待进一步研究。结论：通过力学试验及临床工作实际经验得出以下结论：采用头颈交界处为截骨平面的股骨颈保留型全髋关节置换后短期随访临床疗效优良，与普通生物型无明显差别。通过三维有限元分析股骨颈保留型人工全髋关节置换，置换后股骨外侧所受主拉应力明显降低。采用两种截骨方案时，头颈交界为截骨平面与转子间窝上1.5 cm为截骨平
31、面比较，偏心距增大，假体及股骨所受应力增大，但应力分布趋势相同。根据既往文献报道 21，结合实际临床经验，作者采用股骨头颈交界处为截骨平面可以接受。根据Charles 等22理论，采用头颈交界 为 截 骨 平 面 适 当 增 大 了 偏 心 距 ，置 换 后 功 能 明 显 改 善 ， 并 发 症 未 见 明 显 增 加 。 同 时 根图 7 方案二( 头颈交界处截骨平面 )应力分布情况Figure 7 Stress distribution at the junction of femoral head and neck (scheme 2)A：股骨整体所受应力最大值 137.04 MPaB
32、：假体柄颈交界处所受应力 122.97 MPaC：股骨内侧所测得主压应力，最大值出现于股骨中下段为 161.93 MPaD： 主 拉 应 力 即 股 骨 外 侧 所 受 的 压 力 ， 最 大 值 出 现 在 股 骨 中 下 段 为30.432 MPa孙玉玺，等 . 股骨颈保留型人工全髋关节置换后的应力分析P.O. Box 1200, Shenyang 110004 www.CRTER.org8954www.CRTER.org据 三 维 有 限 元 试 验 研 究 结 果 显 示 假 体 及 股 骨 应 力 分 布无 明 显 变 化 。 以 上 临 床 实 际 经 验 及 三 维 有 限 元
33、试 验 研究 结 果 表 明 ， 采 用 股 骨 头 颈 交 界 处 为 截 骨 平 面 ， 同 样能 获 得 良 好 功 能 ， 同 时 符 合 生 物 力 学 要 求 。 头 颈 交 界为 截 骨 平 面 ， 假 体 短 期 生 存 率 良 好 ， 但 对 假 体 长 期 生存 率 的 影 响 有 待 进 一 步 研 究 。作者贡献 ：实验设计为付志厚、 孙 玉玺， 实验实施为孙玉玺，实验评估为付志厚，资料收集 为孙玉玺。孙玉玺成文，付志厚审校，孙玉玺 、付志厚 对文章 负责。利益冲突 ：课题未涉及任何厂家及相关雇主或其他经济组织直接或间接的经济或利益的赞助。伦理要求 ：随机选取 1 名成
34、年男性行股骨 CT 三维重建，受试者对研究知情同意，且研究方案得到医院伦理委员会批准。X 射线评价均 为同一组具有 5 年以上工作经验的放射科医生及 5 年以上工作 经验的临床骨科医生协同完成。学术术语 ：偏心距指股骨头旋转中心与股骨干纵轴的垂直距离，也是髋 部外展肌群的杠杆臂。在人工髋关节置换过程中，需要恢复股骨正常的偏心距，从而减少假体磨损。 对某些外展肌肌力较弱的髋部疾病，也可适当增加偏心距以恢复外展肌的力臂，以提高关节的稳定性。作者声明 ：文章为原创作品，数据准确，内容不涉及泄密，无一稿两投，无抄袭，无内容剽窃，无作者署名争议，无与他人课题以及专利技术的争执，内容真实，文 责自负。5
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