成人髋臼发育不良伴骨关节炎行髋臼结构性植骨重建关节置换.pdf

《成人髋臼发育不良伴骨关节炎行髋臼结构性植骨重建关节置换.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《成人髋臼发育不良伴骨关节炎行髋臼结构性植骨重建关节置换.pdf（7页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、： 作者单位： 广州，中山大学孙逸仙纪念医院关节外科 基础论著 成人髋臼发育不良伴骨关节炎行髋臼结构 性植骨重建关节置换术的力学分析 许杰马若凡蔡志清李登 许杰，医学博士，医院骨外科副教授 副主任医师。 主要从事人工关节的临 床与相关领域的基础研究，先后在国外期刊、国家级、省级杂志发表论文四十余 篇。 曾于 至 年在德国埃森大学医学院深造学习。 主持或参与多项 国家级、省级科研项目。 所作研究分别于 年及 年获得广州市科技进 步二等奖、广东省科技三等奖。 【摘要】目的利用三维有限元力学分析方法，研究髋关节发育不良患者髋臼外上缘结构性植 骨重建髋臼、增加臼杯假体包容对髋臼假体 骨界面间的应力分布

2、情况的影响。 方法选取髋关节 发育不良患者的骨盆为实验对象，用螺旋 做全长连续扫描，然后利用计算机仿真技术对 图像 进行三维重建，建立髋关节发育不良骨盆模型。 在计算机环境中对重建模型进行髋臼外上缘结构性 植骨重建髋臼并臼杯植入的模拟手术，利用有限元分析软件对重建模型进行有限元网格化及力学分 析。 结果髋臼植骨重建后，臼杯置入无需突破髋臼底，髋臼外上缘得到植骨块的包容覆盖，臼杯接 触面积增大，单位面积所受应力相对较少，应力集中的情况得到明显改善。 同时，植骨块及原髋臼外 上缘区域承担了臼杯较多的应力。 结论结构性植骨重建髋臼使骨床与臼杯接触面积较大，单位面 积所受应力较小且均匀，有利于臼杯的稳

3、定，植骨块承担了臼杯较多的应力，若臼杯外上缘外露面积 过大，而过多的靠植骨块来弥补骨床的覆盖，使植骨块所受应力过大则臼杯松动的风险较大。 【关键词】髋发育不良；关成节形术；有限元分析 Finite element analysis of total hip replacement with structural bone graft for acetabulum reconstruction in dysplasia of hip Xu Jie， Ma Ruofan， Cai Zhiqing， Li DengDepartment of Orthopaedics， Sun Yat- sen Me

4、moral Hospital， Sun Yat- sen University， Guangzhou ， China 【Abstract】 Objective - （） （） Methods - （） ， - ， - Results 中华关节外科杂志（电子版） 年 月第 卷第 期 （ ）， ， ， - ， - Conclusion - ， ， 【Key words】 ； ； 人工髋关节置换手术（ ， ）已成为治疗髋部疾患的标准性手术。 在初次 中，由于髋臼发育不良，在安放髋臼假体时可 能会面临：髋臼浅平、骨缺损等问题。 有学者 ， 提 出应用髋臼结构性植骨，使髋臼杯接近解剖位置放 置并提供良好

5、的髋臼假体支撑， 具有增加髋臼骨量 以及恢复下肢长度等优点。 应用该技术的早期随访 结果较好，但随着时间推移效果报道不一。 等 应用该技术后随访畅 年发现髋臼假体松动率 达 ， 继续随访到畅 年时，植骨块的塌陷， 髋 臼假体松动率达 。 但 等 持相反结论， 报道应用该技术后随访超过 年，结果良好。 髋臼 外上缘结构性植骨并臼杯植入后髋臼假体 骨界面 间力学情况所发生改变，关系到全髋置换术后的临 床效果，特别是远期无菌性松动的发生，这尚待作进 一步深入探讨。 本文对髋臼假体 骨界面间应力分布情况进行 分析研究，从生物力学角度，探讨髋臼外上缘结构性 植骨并臼杯植入后对髋臼受力情况的影响。 材料与

6、方法 一、病例资料 髋关节发育不良骨盆和髋臼假体的三维模型重 建：选取一名 髋臼发育不良患者，女 岁， 对其骨盆处用 排螺旋 做连续扫描， 层厚畅 ，得到二维 图像。 将 机中的骨 盆 图像数据 格式进行转存，在计算机上 运行，提取骨盆边缘图像，并将其矢量化处理。 将矢 量化数据输入到 畅 软件，并将 各个层面曲线合理连接起来，进行骨盆的三维重建， 同时进行髋臼假体的重建、有限元网格化。 各模型 骨质部分及假体材料采用 等 提出的参数， 其赋值见表 。 建立三维有限元模型，模型共有 个节点， 个单元。 二、实验模型建立 本实验测得患者的髋臼为椭圆形，内缘前后直 径为 ，上下径为 ，选取假体杯规

7、格为 模拟植入。 高分子聚乙烯内衬球面内径 ，与股骨柄球头相配。 表1模型各种结构材料参数的比较 材料弹性模量 （）泊松比（ ） 皮质骨妸O 松质骨: O 软骨 钛合金妸O 陶瓷 髋关节旋转中心通过绘制 三角获得。 三角的绘制方法 如图所示：首先在骨盆 正位像上画出坐骨结节与髂骨翼最高点的切线，该 两平行线之间的垂直距离即为骨盆高度。 于 线与 线交点外侧 处做坐骨结 节切线的垂线，自坐骨结节切线沿该垂线向上 骨盆高度处标出点，于 点上方 骨盆高度处标 出点 ，在点 外侧相当于 骨盆高度水平距离 处标出点 ，三角 即为 三角（图 ）。 正 常情况下髋臼周缘内接于 三角内，理想的 旋转中心为等腰

8、三角底边的中点。 图 三角示意图 不同臼杯安装方式的髋臼模型建立：（）对手 术侧所确立的髋臼旋转中心，植入上述规格臼杯，髋 臼假体按照前倾角为 、外翻角为 位置摆放； （）对假体臼杯部分外露于病变髋上缘者，设置病 变髋臼外上缘植骨螺钉固定的加盖方式；（）作为 研究的对比，不作髋臼外上缘植骨，将髋臼模拟加深 磨锉并臼杯内移植入至臼杯外上缘完全被骨性髋臼 所覆盖（此时髋臼内侧壁因加深磨锉而部分缺损）。 中华关节外科杂志（电子版） 年 月第 卷第 期 （ ）， ， ， 三、接触关系及施加载荷 接触关系的设定：模型的接触关系包括髋臼与 髋臼杯、髋臼杯与内衬、陶瓷内衬与陶瓷头、陶瓷头 与股骨柄、股骨柄与

9、股骨之间这几对接触。 其中除 了陶瓷内衬与陶瓷头之间的接触关系，其他接触关 系均设为绑定关系。 而陶瓷内衬与陶瓷头之间的接 触关系我们按照文献设为摩擦，其摩擦系数为 畅 。 施加载荷模拟单足站立情况下的 受力关 系 ，在股骨干底端施加 的向上载荷。 在 大转子外侧施加斜向上侧 的 的载荷来模 拟外展肌的拉力。 结果 实验基于临床发育性髋关节脱位患者的术前三 维 图像，建立了 型骨盆三维有限元模 型。 模型较精细，包括 个节点， 个单 元，变形髋臼位置显示清晰。 模拟患侧单下肢站立 的情况，对骨盆受力情况进行初步分析。 一、各模型骨盆位移及 应力分布 在设定了一定的约束之后，骨盆在受到力学加 载

10、后可能会出现沿冠状面或矢状面的位移，从而会 影响到关节的力学环境。 从图 中可以看出非骨块 植骨髋臼重建模型的位移情况，在此种载荷条件下 骨盆受力时的最大位移在髂骨翼的后部。 植骨髋臼 重建后，骨盆的位移基本相同。 植骨髋臼重建中，臼 杯无需突破髋臼内壁置入，打磨掉的骨质较少，髋臼 处骨质较厚，其强度和刚度得到保持，髋臼周围位移 较少。 而就整个骨盆的应力分布云图所见（图 ）， 非骨块植骨髋臼重建模型最大应力集中区域为髂骨 翼下方接近坐骨大切迹处，而对于植骨髋臼重建模 型，髋臼内侧壁无穿破，髋臼壁骨磨锉较少，对整个 骨盆的应力分布无见明显区别。 二、各模型髋臼 应力分布 通过应力云图可以看到，

11、由于髋臼骨床形态学 的改变，单腿站立时应力主要集中在髋臼顶部，耻骨 上支的内侧亦是应力集中区，但应力小于髋臼顶部 分。 各模型髋臼上的 应力比较如图 所示，对比整个臼杯的受力情况，采用 臼 杯置入，臼杯内侧已突破髋臼底而部分进入盆腔，从 应力云图可见在突破区因缺乏承托而出现应力降低 区。 对臼杯无内移放置不作髋臼外上缘植骨重建 者，臼杯外上缘因外露、没有骨床的良好包容，此区 域带应力也偏低。 当予以髋臼植骨加盖后，臼杯置 入无需突破髋臼底，髋臼外上缘得到植骨块的包容 覆盖，使骨床对臼杯的包容更全面，因臼杯接触面积 更大，单位面积所受应力相对较少，应力峰值较非植 骨加盖模型低，应力集中的情况得到

12、明显改善。 另 一方面，对比臼杯植入位置一致而髋臼外上缘植骨 与否的应力云图（图，），植骨块及原髋臼外上缘 区域承担了臼杯较多的应力。 图 植骨髋臼重建与否骨盆位移及 应力分布云图。 图 为无髋臼植骨加盖、臼杯内移植入 后骨盆位移分布云图；图 为无髋臼植骨加盖臼杯植入（臼杯外上缘无骨床覆盖）后骨盆位移分布云图；图 为髋臼植骨加盖臼杯植入后骨盆位移分布云图；图 为无髋臼植骨加盖、臼杯内移植入后骨盆 应 力分布云图；图 为无髋臼植骨加盖臼杯植入后骨盆 应力分布云图；图 为髋臼植骨加盖臼杯植 入后骨盆 应力分布云图 中华关节外科杂志（电子版） 年 月第 卷第 期 （ ）， ， ， 图 各模型髋臼处

13、应力分布图。 图 为无髋臼植骨加盖、臼杯内移植入后髋臼处 应力分布；图 为无髋臼植骨加盖、臼杯非内移植入（臼杯外上缘无骨床覆盖）后髋臼处 应 力分布；图 为髋臼植骨加盖、臼杯植入后髋臼处 应力分布 图 植骨髋臼重建与否髋臼剪切力及臼杯位移分布云图。 图 为无髋臼植骨加盖、臼杯内移植入 后髋臼剪切力分布云图；图 无髋臼植骨加盖臼杯植入（臼杯外上缘无骨床覆盖）后髋臼剪切力分布云图； 图 为髋臼植骨加盖臼杯植入后髋臼剪切力分布云图；图 为无髋臼植骨加盖、臼杯内移植入时臼杯位移 分布云图；图 为无髋臼植骨加盖臼杯植入时臼杯位移分布云图；图 为髋臼植骨加盖臼杯植入时臼杯位 移分布云图 表2不同臼杯安放方

14、式各评价指标结果的比较 观察指标模型 模型 模型 骨盆最大位移（） 亖 骨盆 应力峰值（） 亖 髋臼 应力峰值（） m 殚 髋臼剪切力峰值（）耨 m 殚 臼杯最大位移（）耨 亖 注：模型 无髋臼植骨加盖、臼杯内移植入；模型 无髋臼植 骨加盖臼杯植入（臼杯外上缘无骨床覆盖）；模型 髋臼植骨加盖 臼杯植入 三、各模型髋臼剪切力及臼杯位移分布 由本研究所模拟的不同臼杯安放形式，包括臼 杯内移置放（图 ，）以增加骨床对臼杯外上缘的 覆盖、单纯臼杯植入（图 ，）或结构性植骨重建 髋臼者（图，），通过髋臼处剪切力云图可以看 到，除臼杯内移植入髋臼磨锉较深而内侧壁突破者， 因髋臼内侧壁部分缺如而呈现剪切力集

15、中于内壁突 破边缘；臼杯无内移植入（髋臼内壁无突破）者，无 论髋臼外上缘有无结构植骨重建，最大剪切力范围 位于髋臼内上壁处，其大小差异不大。 臼杯位移分 布云图显示相仿，臼杯最大位移部位位于下半象限。 相关峰值数据见表。 讨论 在真臼水平放置髋臼假体时， 髋臼假体外上方 缺乏骨覆盖，不能获得有效的骨支撑， 容易引起松 动。 为解决这一问题，临床上采用髋臼假体内移技 术、小号髋臼假体或股骨头结构性植骨以获得满意 的骨覆盖。 前两种方法取得了较好临床效果，但也 存在缺点。 髋臼假体内移技术可造成髋臼内侧壁骨 折或穿孔，降低了内侧壁的骨强度，骨量明显减少， 为今后可能进行的假体翻修带来困难。 小号髋

16、臼假 体仅适用于髋臼轻度骨缺损的患者。 取自体股骨头 行髋臼外上方结构性植骨，可获得对髋臼假体的完 全包容，若植骨融合则能增加髋臼部位髂骨骨量，为 今后可能进行的髋臼翻修提供了良好的骨储 中华关节外科杂志（电子版） 年 月第 卷第 期 （ ）， ， ， 备 ， 。 骨块植骨重建髋臼使臼杯外上缘外露得 以骨包容。 本研究针对上述情况进行建模并受力情 况模拟。 鉴于髋关节脱位越厉害，股骨头上移程度 越高，则解剖结构变化越大，这不仅体现在骨骼畸形 上，更主要的是肌肉及韧带等软组织的变化，而对于 此软组织情况的有限元受力模拟，因无相关大量文 献研究的支持，其推导存在片面性，为了减少有限元 分析的偏差，

17、本研究基于解剖变化稍轻的 型情况进行研究。 臼杯假体在骨界面上的应力可以分为压应力和 剪切应力。 压应力所导致的应力遮挡和应力集中对 关节假体的稳定性产生影响。 压应力集中的部位， 应力大小如果超过骨的屈服极限， 就会造成局部骨 质的机械性结构破坏， 最后引起假体移位和松动。 而应力遮挡使局部的应力减小，小于维持正常骨量 所需要的应力刺激时，继发性骨溶解和骨吸收， 最 终引起假体松动。 在各模型中，非植骨髋臼重建模型，臼杯植入后 应力集中较为明显，且为减少臼杯植入后外上缘外 露情况，需对原髋臼骨床加深磨锉，所余骨床骨质厚 度较薄，甚至存在骨突破区，真正受力骨床面积减 少，单位面积应力较高，使出

18、现局部机械性结构破坏 而引起假体移位的可能性增加。 相对而言，从数值 变化角度来看，植骨髋臼重建模型，骨床与臼杯接触 面积较大，单位面积所受应力较小且均匀，所植骨块 承受相当一部分应力，若植骨块固定良好且骨密度 足够，其屈服极限大于所受应力，则在应力刺激下有 利植骨的生长融合。 但也有临床病例观察，发现植骨的溶解吸收最 终导致臼杯受力异常而松动， 等 报道了对 例患者平均随访期 年的结果，其中 例 （）因无菌性松动进行翻修手术， 例（） 存在影像学松动表现。 除与植骨位置、固定是否良 好等因素有关外，由受力云图分析，和所受应力超过 骨的屈服极限不无关系。 鉴于此，手术中臼杯外上 缘外露面积过大

19、，而过多的靠植骨块来弥补骨床的 覆盖，使植骨块所受应力过大则臼杯松动的风险较 大。 等 认为髋臼假体表面至少要有 被宿主骨包容，植骨块覆盖的面积不能超过 。 等 报道植骨块覆盖的面积以不超过髋 臼假体表面的 为宜。 虽然 等 发现其 随访的患者中有 的患者移植骨覆盖率超过 ，但失败率却无明显上升。 但总的认为，植骨块 覆盖面积越多，髋臼假体的失败率越高。 假体 骨界面间的剪切应力也会引起远期假体 无菌性松动，影响人工关节使用寿命。 当界面间的 剪切应力大小超过局部的摩擦力时，可以引起局部的 微动。 微动可使界面间不稳定。 同时，过多的微动还 会使局部骨小梁出现疲劳性损伤，引起假体松动。 由力学

20、模拟模型对剪切应力数据进行分析（图 ），髋臼内壁中骨假体界面后上象限剪切应 力最大， 其他象限所受剪切力较小。 由此，临床中 选择生物固定时，髋臼后上方的压配稳定对降低局 部剪切应力所致微动尤显重要，相对于植骨髋臼重 建的形式，臼杯内移置入而出现的髋臼内壁突破存 在局部剪切力偏高现象而影响压配稳定。 另一方 面，也不能仅以此推断来忽视假体 骨界面其他部位 的压配重要性。 由图 可见，臼杯位移的峰值 出现在臼杯下缘，由云图可见臼杯在受力下整个下 半部变形趋势较为突出，形变的发生不利于骨假体 界面的贴合，研究中同时发现其位移方向均向前内 侧。 由此，临床中，髋臼磨锉后能最大限度的保持髋 臼下半象限

21、的骨床硬度及承托力无疑对减少假体形 变所致松动产生正面作用。 相对于臼杯内移放置， 髋臼外上缘的植骨重建避免髋臼需加深磨锉而使部 分髋臼内侧壁破损的情况发生，对髋臼骨床硬度及 承托力的维持不无裨益。 本实验只选取了个例的一种姿态进行生物力学 分析，虽符合科研方法的要求，但不能完全代表其在 机体的所有力学状况，尚需与临床结合应用。 其次， 实验的进行是建立在植骨块融合、没有骨吸收的基 础上的力学分析，但在临床上所存在植骨吸收的风险 不容忽视，其力学改变有所差异。 最后，实验结果的 普遍性尚有待进一步研究，如随机增加多个样本、包 括男女性、不同年龄阶段以及诸如骨质疏松症等疾患 的患者，以使分析的结

22、果更具备代表性和准确性。 参考文献 ， ， ， ： ， ， ： ， ， ， ： ， - - - ， ， ： ， ， ， - 中华关节外科杂志（电子版） 年 月第 卷第 期 （ ）， ， ， - ， ， ： ， ， ： ， ， ，： 赵诗奎氧化锆基纳微米复合陶瓷模具材料及其摩擦磨损特 性研究山东轻工业学院， ， ： ， ， ， ， ， ， ： ， ， ， ， ， ： ， ， ， ， ， ： ， ， ， - - ， ， ： ， ， ， ： ， ， ： ， - - - ， ， ： ， ， ， ， ： ， ， ， ， ， ： ， ， ， ， ， ： （收稿日期： ） 许杰，马若凡，蔡志清，等成人髋臼发

23、育不良伴骨关节炎行髋臼结构性植骨重建关节置换术的力学分析 中华关 节外科杂志：电子版，（）： 中华关节外科杂志（电子版） 年 月第 卷第 期 （ ）， ， ， 成人髋臼发育不良伴骨关节炎行髋臼结构性植骨重建关节置成人髋臼发育不良伴骨关节炎行髋臼结构性植骨重建关节置 换术的力学分析换术的力学分析 作者：许杰， 马若凡， 蔡志清， 李登， Xu Jie， Ma Ruofan， Cai Zhiqing， Li Deng 作者单位：中山大学孙逸仙纪念医院关节外科, 广州,510120 刊名： 中华关节外科杂志（电子版） 英文刊名：Chinese Journal of Joint Surgery (Electronic Version) 年，卷(期)：2014(5) 引用本文格式：许杰.马若凡.蔡志清.李登.Xu Jie.Ma Ruofan.Cai Zhiqing.Li Deng 成人髋臼发育不良伴骨关节 炎行髋臼结构性植骨重建关节置换术的力学分析期刊论文-中华关节外科杂志（电子版） 2014(5)