人工髋骨接触状态仿真

冯敏+从曙光+郑百林

作者简介： 冯敏（1976—），女，江西景德镇人，讲师，硕士，研究方向为运动人体科学，(Email)fengmin0726@163.com

通信作者：郑百林（1966—），男，陕西岐山人，教授，博导，研究方向为复合材料界面力学等，(Email)blzheng@tongji.edu.cn0引言

自1891年GLUCK采用象牙制股骨头和髋臼首次进行人工髋骨关节置换至今，人工髋关节研究已有100多年的历史.人工髋关节置换技术为治疗髋关节病变和损伤、解除病痛、恢复病人行走等提供非常有效的方法.在关节炎晚期治疗、外伤致残和骨瘤切除手术中，人工关节置换技术已成为一项常规手术.随着经济和科技的飞速发展，人们对生物医学的需求日益增长.据报道，目前全世界每年因各种疾病需要更换关节的人数高达4 000~6 000万人［1］，仅髋关节置换就达80万例［2］.我国对髋关节置换需求量很大.据测算，我国每年有100万病人需要人工关节手术.［3］学者SWANSON提出理想关节假体的设计要求［4］，但发展至今，人工关节仍有很多不足，人工髋关节置换手术后会产生如术后感染、骨吸收、骨萎缩、假体下沉、下肢痛、假体远期松动和假体柄断裂等诸多问题.对人工髋关节进行必要的生物力学分析，是设计理想髋骨假体的必要条件.STEWARD等［5］通过实验测量关节的接触面积，进而对膝关节的接触压力进行预测.BARTEL等［6］建立全膝关节和全髋关节的模型，并用弹性和有限元法进行模拟.王西十等［7］研究股骨与胫骨和股骨与膑骨的咬合运动.本文对髋骨假体接触状态进行初步研究，利用Abaqus进行计算分析，并给出一些建议，以期对髋关节置换临床实践提供指导.

1髋关节和人工髋关节

髋关节位于人体中部，是人体中最重要的关节之一.人工髋关节结构示意见图1.

图 1人工髋关节结构示意

Fig.1Schematic of artificial hip joint structure

解剖学表明，髋关节可以围绕以骨头为中心的无数轴运动.髋骨既承受人体质量和负载，又要完成下肢复杂多样的运动（如走、跑和跳等）.天然髋关节病变损伤，常植入人工髋关节以代替其功能.人工髋关节由股骨球头、关节臼窝和关节柄组成.考虑人体必需的运动及加工工艺，人工髋骨连接部分做成球状形式（见图1）.人工关节固定方式分为两种：骨水泥固定和非骨水泥固定.［9］前者采用骨水泥将人工假体与天然骨体黏结固化达到固定目的；后者将特定的假体嵌入髓腔或设法使宿主骨长入假体从而达到生物学固定.成功的髋骨置换要求以人工髋骨完成原髋骨所有功能，且运动方式与原髋骨一致.

2人工髋关节髋臼内衬应力分析

尽管人工髋关节在材料、设计、加工、制造及临床应用方面不断完善，但仍有诸多问题，如术后感染、假体下沉、无菌松动和应力遮挡等，其接触状态是认识很多问题的基础，其应力状况直接影响假体的使用寿命和效果.本文模拟一个步态载荷周期内髋臼内衬的应力分布，以及在不同材料组合时其最大接触应力的变化及其接触位置对应力的影响.

2.1有限元模型建立

在Abaqus/CAE中建立人工髋关节和股骨头系统的几何模型.髋假体尺寸因人而异，不同尺寸各有利弊.目前，各种型号股骨头的直径一般为22～32 mm［8］，因此模型取直径为28 mm，厚度为14 mm的半球空心壳体髋臼内衬，其外侧固定2 mm厚半球金属背壳，股骨头与内衬的内径相同.

选取5种股骨头髋臼材料组合（见表1）研究内衬应力特性.

表 15种股骨头髋臼材料组合

Tab.1Five kinds of material combinations of femoral

head with acetabulum序号代码部件材料类型弹性模量/GPa泊松比1MOM股骨头金属210.00.3髋臼金属210.00.32MOC股骨头金属210.00.3髋臼陶瓷392.00.23COC股骨头陶瓷392.00.2髋臼陶瓷392.00.24COP股骨头陶瓷392.00.2髋臼聚乙烯0.80.45MOP股骨头金属210.00.3髋臼聚乙烯0.80.4

建立有限元模型，见图2.

(a)金属背壳(b)髋臼内衬(c)股骨头(d）髋关节假体系统图 2有限元模型

Fig.2Finite element models

在装配时，整个模型与水平面呈37°.设置股骨头与髋臼内衬为接触对，金属背壳与内衬黏结.在临床中，金属背壳固定在病变或损伤的髋臼内，故在有限元模型中将金属背壳进行完全固定处理.

PEDERSEN等［10］把人的一个步态周期分为32个瞬间，分别测得每个瞬间的髋关节合力.步态周期内的关节载荷曲线呈双峰状，包括足跟着地相、单足站立相、脚掌踏地相、脚尖离地相以及摆动相等.

2.2仿真结果

按表1中的组合5赋予材料属性，并施加图3所示的载荷，计算各瞬态接触压力分布，见图4.

图 3一个步态周期内髋关节合力

Fig.3Composition forces on hip joint in a gait cycle

图 4一个步态周期内髋臼内衬接触压力分布

Fig.4Distribution of stress on acetabular liner in

a gait cycle

由图3和4可知，从脚跟着地到脚趾离地的前1~20瞬态中，关节合力相对较大，内衬应力水平较高；应力的分布区域基本集中在髋臼后1/4的范围内，且随着内衬应力水平的升高，应力集中分布区域向表面中心偏移；在第15个瞬态即脚掌踏地相，其应力达到最大值.

进一步计算在不同材料组合时的接触情况，在一个步态周期中，各瞬态最大接触压力见图5.压力变化趋势与PEDERSEN等给出的合力及其垂向的分力变化趋势相似，在不同材料组合时其接触压力相近.但是，在以陶瓷作为髋臼内衬时，由于其相对于股骨头具有较大的弹性模量，所以其变形状况改变，在某些载荷作用下其最大接触压力发生在边缘处（见图6），接触状态已完全改变，导致其最大接触压力的改变（见图5）.虽然此情况在实际临床中很少发生，但该现象说明在不同的材料组合情况下确定合适的髋骨固定位置是必要的.

图 5一个步态周期内最大的接触压力

Fig.5Maximum contact stress in a gait cycle

(a)COP(b)COC图 6在不同材料组合下接触状态的改变

Fig.6Change of contact state under different material groups

髋臼内衬的接触应力与股骨头的接触方向有很大关系.分别计算髋关节合力与髋臼轴线呈0，15，30，40和45°时的接触压力情况见图7.

图 7不同接触位置的接触压力

Fig.7Contact stresses vary of different location

由图7可以看出，在作用力大小相同时，在此假体特定的结构下其接触压力与其接触发生位置相关，离髋臼中心距离越小应力水平越低.LEWINNEK等［11］研究认为，髋臼假体安放的“安全位置”为倾斜角30和-50°，前倾角5和-25°.权衡其他安装考虑，在同样受力状态下选择合适的安装角度可以降低接触压力.

进一步计算在轴向载荷下5种材料组合的髋臼内衬应力情况，沿髋臼内衬内表面一条经过顶点的路径提取其接触压力，见图8，可知不同的材料组合引起的接触压力略有差异.股骨头和髋臼内衬力学参数相差越大，其接触压力峰值也越大.

图 8在不同材料匹配下的接触压力

Fig.8Contact stresses under different material groups3结束语

利用有限元软件仿真人工髋骨假体内衬在一个步态载荷周期内的应力情况，得到其接触应力分布图，为临床髋骨的植入提供力学参考.计算得到一个步态载荷周期内最大接触压力的变化趋势与髋骨上受到的载荷趋势吻合.在此特定结构中，接触压力受接触位置影响较大，在不同的材料组合下接触力变化不大.由于力学参数的改变，其接触状态往往会随之发生变化，所以接触力产生根本改变.因此，建议对不同材料匹配下的髋骨假体做适当的受力评估.接触状态对人工髋骨假体的磨损及润滑性能有关键作用，揭示其中的接触状态对临床髋骨置换技术有重要的指导意义.参考文献：

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