有限元分析在髖關節置換中的研究進展

陳虎，許順恩，李江偉

(1.貴州醫科大學，貴陽 550004； 2.貴州醫科大學附屬醫院骨科，貴陽 550004)

全髖關節置換術是臨床外科手術常用的一種方法，廣泛用于各種原發性或繼發性骨關節炎、股骨頭壞死、類風濕關節炎等的治療。有限元分析是通過數學近似法模擬真實物理系統，使用簡單又相互作用的元素去求解，進而通過有限數量模型得到無限未知量真實系統的一種方法[1-2]。有限元分析可將復雜問題簡單化，將求解區域看作是多個小的有限元連接，對每一單元設定一個較為簡單的近似解，然后逐漸推導求解這個區域所要滿足的條件，最終得到答案[3-4]。由于實際問題被簡單化，得到的答案不是非常準確，而是一個近似值。有限元分析計算精度較高，且可以適應多種復雜問題，故成為較為理想的工程分析手段。有限元分析剛開始被叫作矩陣近似方法，主要應用于航空器結構強度計算，且因有效性、實用性、方便性較高等而引起了力學研究學者的關注。隨著計算機技術的發展與進步，有限元分析從剛開始的結構工程強度分析逐漸擴展到了大多數科學應用研究，是一種使用廣泛、高效實用的數值分析方法[5]。20世紀70年代有限元分析就已經在骨科生物力學中得到應用，因為該方法在分析不規則物體的力學方面有較大的優勢，故在骨科生物力學研究尤其是髖關節置換中得到了廣泛應用[6]?，F就有限元分析在髖關節置換中的研究進展進行歸納與總結，對當前存在的問題與最新研究進展進行闡述，期望為以后的研究指明方向。

1 有限元分析

生物力學是一門融匯了醫學、力學以及生物學的邊緣學科，它將力學與人體組織有機地結合在一起，在骨與肌肉力學相關問題的研究中發揮重要作用。伴隨計算機技術的迅猛發展，有限元分析已成為研究骨骼肌肉系統生物力學的重要工具[7]。有限元分析是一種利用簡單而又相互作用的元素代替復雜的真實物體，用有限的未知量模型去模擬無限未知量的真實系統[8]。與其他體外測量實驗相比，有限元分析具有簡單、經濟、實用、可靠的優勢。通過對計算機中構建的幾何模型進行屬性定義、網格劃分等操作即可生成與實體組織和材料性質高度仿真的模型，無需收集尸體及其他材料標本，也無需購進昂貴的實驗設備，且有限元模型能夠模擬十分復雜的力學場景，可以更加直觀地展示組織和材料結構內部的應力及應變，因此是一種經濟有效的非侵入性生物力學研究手段[9]。隨著人們對有限元分析認識的不斷加深，其憑借獨有的優勢廣泛用于骨科領域，如手術模擬、療效對比、預測手術風險、骨科內植物設計，給臨床研究和診療工作提供了巨大幫助[10]。

在骨科生物力學研究中，使用有限元分析能夠對股骨側假體的每一點應變和應力情況進行計算，可同時計算超百萬點，能夠獲取實驗過程中不易得到的相關信息數據，此外還可改變其中的任意參數，可觀察參數變化對完整結構的影響[11-12]。髖關節具有獨特而復雜的生理學功能和解剖學特點，其生物力學也是臨床研究的熱點及重點。當前在人體中直接進行髖關節相關力學研究幾乎無法實現，通過有限元分析模擬力學試驗能夠對髖關節進行相關力學研究。隨著當前各種全新技術(物理技術、圖像處理技術及計算機技術等)的迅猛發展，數字骨科這一骨科學分支將會對骨科學的整體發展產生極大的推動作用。有限元分析能夠在一定程度上有效替代傳統生物力學試驗，對人體的生物力學情況進行有效模擬，將臨床研究、體內試驗和有限元分析有機結合，在未來的臨床研究中具有十分可觀的發展空間。

2 髖關節置換中髖關節假體的有限元分析

髖關節假體主要由髖臼假體、假體柄和股骨頭假體三部分組成，是全髖關節置換術的技術核心組件。有限元分析可以探索髖關節假體不同部分的最佳設計狀態，如髖臼假體的外展角、前傾角，假體柄的半徑、形狀、長度、接觸面積，股骨頭的直徑等。

2.1髖臼假體的有限元分析 髖臼厚度、外展角、前傾角、髖臼-股骨頭間隙等可能會對應力分布產生一定的影響，其中影響最大的是外展角和前傾角[13]，但是目前關于兩角的最佳值尚無明確規定。有學者對有限元分析的前傾角變化、應力關系進行了研究，結果顯示，隨著前傾角的不斷增大，髖臼應力也會隨之增大，同時骨間隙也明顯增大，對股骨頭界面、骨水泥界面的作用力明顯增強，對骨水泥界面應力產生影響的是聚乙烯髖臼厚度，髖臼厚度減小會增大骨水泥應力[14]。有學者使用有限元分析發現，聚乙烯內襯負荷最小時的外展角為35°，此時骨與假體界面扭轉應力比65°外展角時小，最終可降低假體松動的風險，穩定性更高[15]。有學者對假體臼位置、頭頸直徑對撞擊與活動度產生的影響進行分析，<45°髖臼外展角會對髖關節屈曲產生影響，45°～55°外展角配合適當的臼與柄的前傾角可以讓關節獲得較好的穩定性與活動度[16]。有學者使用有限元法分析法對傾角與脫臼的關系進行了研究，結果顯示，隨著前傾角、外展角的擴大，脫臼率也顯著增加[17]。除對外展角、前傾角的研究外，朱威等[18]也指出，通過構建雙動全髖髖臼系統可有效降低全髖關節置換術術后假體的脫位率，具體是在股骨頭與髖臼之間增加光滑表面、仿生涂層和高交聯聚乙烯作為襯墊，使得內襯與髖臼活動分離，從而增加股骨頭與髖臼之間的距離，在容許更大的活動度的前提下，減少假體磨損程度，增加關節穩定性。

2.2假體柄的有限元分析 由于材料和手術技術的限制，全髖關節置換術術后可能會出現股骨柄假體斷裂的情況，這種情況在第1代鑄造鈷鉻合金假體或不銹鋼假體上發生較多，發生率為0.23%～11.00%[19]。隨著材料科學、生物力學的發展，20世紀80年代后高強度鈦合金、鈷鉻鉬合金逐漸運用于骨科關節假體鑄造，同時股骨柄假體的設計也隨之改善，全髖關節置換術術后發生假體斷裂的情況也逐漸減少。假體柄是假體與股骨接觸面積最大的部位，有限元分析顯示，股骨柄假體斷裂的好發部位是股骨柄中段1/3的外側面，其是應力最為集中的部位[20]。有學者采用有限元分析法對假體柄半徑、形狀、長度、接觸面積對應的假體松動、對應力的影響等進行研究發現，假體半徑對股骨應力的影響較大，而假體長度對股骨應力產生的影響較小，假體最大半徑大于1.2倍時股骨應力較接近極限應力值，當達到1.5倍時股骨應力已超過最大極限應力[21]。因此，假體翻修中應該盡量減小擴髓范圍，進而降低股骨骨折的發生率。有學者應用有限元分析對股骨柄不同形狀的設計應力進行了研究，證實空心設計應力較實心分布更合理，且倒立錐形骨柄骨水泥近端von Mises應力較低，這對降低人體股骨近端和假體接觸應力遮擋有顯著效果[22]。

2.3股骨頭假體的有限元分析 假體穩定性和內襯應力易受股骨頭直徑的影響[23]。有學者通過建立股骨頭、聚乙烯內襯、金屬臼有限元模型發現，股骨頭直徑會隨著內襯應力的增大而減小[24]。鄒淵淵等[25]的研究顯示，增大股骨頭假體直徑會減小應力，但隨著直徑的增大會顯著增大磨損度，因而此結論還需要進行深入的研究與分析。研究發現，使用大頭徑股骨頭增加接觸面積更有利于減小應力，在增大關節面滑移的同時還可增大頭徑以降低應力，但該研究未對摩擦情況進行分析[26]。有學者對股骨頭假體(頭徑22～46 mm)所對應的高交聯聚乙烯內襯磨損進行了研究，結果顯示，股骨頭假體直徑對所對應的內襯磨損不會產生太大影響[27]。直徑較大的股骨頭假體穩定性更高，其可以顯著減少術后脫位的發生。因此臨床認為直徑較大的股骨頭假體的使用價值更高，特別是對于術后發生脫位者，應該選擇使用直徑較大的股骨頭假體。同時，直徑較大的股骨頭假體可以減少內襯關節應力，有利于減少微斷裂與塑性變形，進而可以更好地維持頭臼匹配，延長內襯使用時間。

3 有限元分析在髖關節置換中的應用

髖關節置換術是治療髖關節疾病的一種有效方法，而生物學及力學因素會影響髖關節置換術的療效作用。髖關節置入假體后會使整體的力學分布發生改變，隨之出現相關的并發癥及生物力學效應。當前對髖關節置換術療效產生影響的較常見的并發癥是術后假體脫位及假體松動。臨床使用的尸骨研究、人造骨研究等傳統試驗方法，操作步驟繁雜，往往需要投入較多的人力、物力，且試驗周期較長，效率較低。此外，傳統方法無法直接在人體上進行試驗，因此很難對髖關節置換術后假體的各種參數及受力情況進行準確的測量。有限元分析一直用于研究和評估全關節置換術的力學行為，越來越多地使用試驗設計、概率技術和基于人群的建模來解釋患者和手術的可變性[28]。有學者建立了包括髖周肌群在內的相關骨水泥全髖關節置換術模型的有限元分析，研究指出，外展肌在關節應力-應變分布中發揮重要作用，而髂脛束、內收肌等對關節應力-應變分布的影響相對較小，這部分肌肉的主要作用是減少早期步態股骨上端的負荷[29]。

髖關節置換術后傳遞力的途徑發生了根本性的改變。關節應力首先會通過假體，然后再傳達到股骨位置，而這與生理關節的應力傳遞明顯不同。生理關節的應力傳遞主要是直接通過骨小梁，從股骨頭傳遞到股骨，而假體所導致的應力遮擋會導致骨組織吸收、萎縮、承載能力降低，進而導致股骨骨折、假體松動等。有學者通過有限元分析發現，應力遮擋產生的主要原因是骨的力學性能與金屬假體之間的不相容，而復合材料因生物相容性較佳可代替金屬假體，是更優質的假體[30]。有研究使用有限元分析髖關節置換假體植入前后總體股骨應力變化，同時分區量化研究股骨應力的改變及分布情況，結果發現，植入假體后雖未使總體股骨應力模式發生改變，但會導致股骨近端假體周圍的骨質應力水平降低，特別是大粗隆、股骨近端內側及股骨距處出現了應力遮擋現象，而假體末端位置表現出應力升高現象[31]。所以，降低應力遮擋、優化假體設計是降低假體失效的重要步驟。假體材料與應力遮擋的發生密切相關，剛性越強的材料，發生應力遮擋的概率越大[30]。鈦合金材料剛性較低，雖然顯著減少應力遮擋，但卻顯著增加了骨水泥的應力，因而易損傷骨水泥而影響假體的植入效果[32]。隨著臨床研究的深入，有限元分析不僅用于分析髖關節置換術術前、術后的髖關節應力分布情況，還可用于細致分析骨水泥的殘余應力及應力遮擋情況等。有限元分析的應用也使假體優化設計方案獲得了更多的參考資料及生物力學數據。為了解假體植入后的磨損情況，傳統方法常使用的是體外模擬、放射學測量及臨床隨訪等，既費時又費力。而有限元分析能夠顯著提升模擬評估的速度，同時也能夠對相關參數進行靈活加載。有學者建立了髖關節置換術后的有限元分析模型，并使用當前最為先進的有限元軟件ABAQUS進行分析，為進一步改進髖關節假體的設計、延長髖關節使用壽命提供了部分有益的參考[33]。

有限元分析是一種十分有效的研究方式，即便存在一定的不足，也能在一定程度上替代傳統生物力學試驗。有限元分析的應用可以使假體的力學傳導得到進一步優化，假體的穩定性得到進一步增強，避免產生應力遮擋及集中，顯著提升假體置換的成功率，提高患者的生活質量。

4 存在的問題

自使用全髖關節置換術以來，該技術已經取得了較大進步，但也存在很多問題，尤其是假體松動問題。導致假體松動的因素有生物因素和機械因素。一方面假體周圍發生骨溶解會導致松動；另一方面，界面間的剪應力也會使假體與骨產生微動，進而導致松動。發生骨溶解的原因及發生發展過程目前尚不明確，多認為與生物學、機械力學有關。研究發現，假體周圍存在的磨屑會激活巨噬細胞，使其分泌較多的骨溶解因子，進而導致骨溶解發生，最終引發松動；磨屑的形狀、大小與骨溶解程度有關；應力遮擋也會導致假體固定較差，從而引發松動[34]。根據Wollf定律，股骨假體植入人體后會對股骨近端正常應力分布產生影響，一般假體材料的彈性模量比骨組織的彈性模量大，加載時本應該由肢體承受的應力會變大，且大多由假體承受，而骨應力明顯減少，從而產生了應力遮擋[35-36]。當骨應變較骨代謝平衡最小有效應變小時，骨組織會被吸收，成骨效應降低,并會導致骨結構發生一定的變化,應力遮擋與應力集中不斷變化，最終引發假體下沉、松動[37]。

5 解決措施

5.1優化設計 優化設計和改善假體應力分布有利于減少應力遮擋和骨吸收，有學者使用有限元分析優化了髖關節的材料設計，證實鈦金屬假體可能有較低的von Mise應力集中和較高的疲勞安全系數[38]。因此，鈦可作為髖關節假體的適宜材料，其可提高穩定性，減少變性。隨著高科技技術的發展，目前可在計算機上進行髖關節置換設計、制造。由于髖關節的各方面存在個體差異，設計出的假體不能符合所有患者的要求。因此，要根據每位患者的實際狀況設計相適合的假體，進而延長假體使用時間。

5.2改進固定方法 目前普遍認為，骨水泥型假體適用于局部及全身骨質、骨量較差的患者。骨水泥固化時間短，即刻達到穩定，在術后的第2、3天即可在保護下開始部分負重，并可減少圍手術期并發癥的發生，長期隨訪也證實骨水泥型假體的遠期療效可靠[39-40]。目前有學者建議根據髓腔開放指數指導假體類型的選擇，髓腔開放指數指股骨小轉子最突起上方2 cm處髓腔橫徑與股骨峽部髓腔寬度的比值。髓腔開放指數的正常比值為3.0～4.7，小于這個范圍為煙囪型，大于這個范圍為倒香檳瓶型，煙囪型髓腔提示股骨頸的骨密度低、骨質疏松，建議使用骨水泥型假體[41]。

5.3改進材料 目前最常用的假體材料是生物醫學金屬材料、生物陶瓷材料和高分子材料，各類假體材料的復合高分子形式能夠帶來更好的生物力學效果，組合式假體對減少零件磨損、腐蝕、變性非常有利，同時也可減少骨溶解、骨吸收，故在臨床受到更廣泛的關注、使用和推廣，但臨床使用較多的金屬-金屬假體、陶瓷-陶瓷假體、陶瓷-聚合物假體并不能完全解決磨損造成的問題。有學者使用有限元分析法對不同材料假體所產生的應力進行分析發現，復合材料的應力分布更好[42]。因此，復合材料可能有更好的應用前景。

6 小 結

隨著計算機技術、有限元分析方法在臨床醫學、特別是骨科方面的應用，使臨床具有了更加多樣化的建模方法。針對骨科的全髖關節置換術，通過有限元分析法得到了髖關節假體(髖臼假體、假體柄、股骨頭假體等)和骨水泥的最適宜的應用條件，進一步提升了骨科技術，改善了臨床療效。然而，有限元分析法在髖關節置換術的應用中也存在一些不足：①計算機技術的學習曲線過長，導致相關研究人員與臨床醫師的信息溝通不及時；②當前的研究成果多集中在理論方面，還需要進行臨床驗證；③患者的病情存在個體化差異，每位患者的髖關節發育情況不同，且個體化設計的時間長、成本高，目前尚不能廣泛用于臨床。雖然存在上述缺點，但有限元分析的價值和優勢不可否認，隨著各方面技術的進一步結合，相信能夠克服上述缺點，為臨床醫師與患者提供幫助。