模拟全髋关节置换术后两种假体的应力对比分析

王刚，张树泉，郑小秋，袁毅△

（1.内蒙古民族大学附属医院，内蒙古 通辽028000；2.天津市南开医院，天津300100；3.吉林大学中日联谊医院，长春130021）

1 引 言

研究表明［1］，髋关节置术后，股骨存在骨改建和骨量丢失现象，尤其是股骨端。置换后股骨近端的应力遮挡被认为是引起骨量失的力学原因，骨量丢失、骨皮质变薄，最终会导致节假体失效。近年来，人工髋关节假体植入股骨后的应力遮挡效应研究越来越受到人们的重视。张玉朵等［2］研究了假体设计参数对应力的影响和人工髋关节置换前后股骨的应力分布，研究发现，人工关节置换后股骨受力总体模式没发生改变，股骨近端应力遮挡明显 ；股骨中上部内侧受压应力，外侧受张应力，股骨中下部外侧受压应力，内侧受张应力，作用于股骨应力峰值位于股骨中下部；随着颈干角增加，股骨和假体的应力水平降低；假体柄长对假体应力影响较小 ，股骨于作用的应力随柄长增大略有增加。Watanable等［3］分别建立了正常（未置换）和进行股骨表面置换的股骨近段三维有限元模型，进行有限元分析，结果表明，应力遮挡好发于股骨颈前上方假体边缘附近，表面置换术后的应力遮挡在临床观察中和动物实验中得到了进一步的证实。以往关于模拟全髋关节置换术置入不同假体后的应力遮挡效应研究以三维有限元的方法进行研究居多［4-6］。模拟全髋关节置换术置入解剖型假体和置入传统型假体前、后通过应变计电测量对比分析置入两种人工假体的应力遮挡效应罕见报道。本研究以正常成人尸体股骨标本为研究对象，模拟全髋关节置换术，分别对股骨标本置入德国产保留股骨颈型假体和北京普鲁士钢研外植入物有限公司生产的传统型假体置入前、后的股骨进行应变计电测量，得出了保留股骨颈型假体置入股骨组和传统型假体置入股骨组假体置入前、后，两组股骨在压应力作用下，股骨各测点的应变、应力和应力遮挡率值。以应变计电测量的方法定量的对比分析股骨标本置入保留股骨颈型假体和传统型假体后的应力遮挡效应，旨在为临床髋关节置换术提供生物力学基础。

2 材料与方法

2.1 实验标本

本实验所用10例男性尸体股骨标本，由白求恩医科大学解剖教研室提供，年龄25～32岁、身高1.70-1.81 m、体重76～81 kg，人死亡后10小时内解剖取出左、右侧股骨标本，以生理盐水将纱布浸湿后包裹股骨标本，之后装入塑料袋中，密封后存放于-20℃冰箱内。

2.2 实验标本分组

实验前取出股骨标本，在室温下解冻，从10个标本中，随机取5个标本为模拟全髋关节置换术以北京普鲁士钢研外植入物有限公司产PLUS-HPS型柄传统型假体置入股骨组，随机取5个标本为以德国LINK公司产CFP型保留股骨颈解剖型假体置入股骨组。

2.3 股骨标本尺寸测量和包埋固定方法

以读数显微镜和钢板尺测量股骨标本的长度和直径，传统型假体植入股骨组标本长为368.4～426.5 mm，直径为25.96～26.89 mm，保留股骨颈解剖型假体置入股骨组标本长为374.4～438.2 mm，直径为25.82～27.32 mm，两组人工假体置入前正常股骨标本长为371.6～375.9 mm，直径为25.92～27.48 mm.为使股骨下端面平整，分别将每个股骨标本下端置于模具中，之后向模具中填充义齿基托树脂粉与义齿基托树脂液剂（按粉/液22g/10ml的配比）包埋固定股骨标本底部。

2.3.1 股骨标本应变片黏贴方法 首先对传统型假体置入股骨组、解剖型假体置入股骨组假体置入前的每组各5个正常股骨标本上黏贴电阻应变片，按电阻应变片贴片工艺要求，分别以酒精和丙酮将每组各5个股骨标本贴片部位清洗干净，之后以502快干胶水在各测点黏贴胶基箔式电阻应变片 ，电阻应变片标距为3x3 mm，电阻应变片值为122.2+0.1Ω，电阻应变片灵敏系数为2.14.各组电阻应变片贴片后自然干燥24 h。股骨各测点电阻应变片布片示意图见图1。

图1 股骨各测点电阻应变片布片示意图Fig 1 Schematic diagram of the resistance strain gauge sheet for each measurement point of the femur

2.3.2 假体置入前正常股骨标本应变电测量方法 分别将传统型假体置入股骨组和解剖型假体置入股骨组假体置入前的每组各5个正常股骨标本置于长春试验机研究所生产的MODEL-55100型电子万能试验机的工作台上，首先对标本按参考文献［7-9］的方法进行预调处理。之后将黏贴于股骨标本上各测点的电阻应变片导线分别接在南京航空航天大学生产的yj-4501A型静态电阻应变仪的分线箱的桥臂上，接桥方式为半桥，温度补偿为外补偿，驱动机器以2 mm/min的实验速度对标本施加0.85KN压缩载荷，通过yj-4501A型静态电阻应变仪测出各测点的应变值。假体置入前正常股骨标本应变电测量照片见图2。

图2 假体置入前正常股骨标本应变电测量照片Fig 2 The photo of strain electric measurement of normal femoral specimen before prosthesis implantation

2.3.3 假体置入后股骨标本应变计黏贴方法 传统型假体置入股骨组的方法为：将股骨固定于操作平台上，于小粗隆上方1.5 cm处至股骨颈外侧大粗隆基底部以临床用骨锯截骨，去掉股骨头和大部分股骨颈，挖除股骨内远端的松质骨，确定髓腔位置，由大粗隆侧向远端通髓腔，选择合适的临床用髓腔锉扩髓，清除内部的碎屑，选择合适的假体进行生物学固定，保持股骨颈前倾10～15°；解剖型型假体置入股骨组的方法为：将股骨固定于操作平台上，以骨锯于股骨头下垂直股骨颈截骨，截骨线外侧距大粗隆基底通常为1.5 cm，去掉股骨头，于小粗隆侧中央开孔，选择合适粗细和曲率的临床用髓腔锉扩通髓腔，安置假体，叩打结实，使假体颈领紧密坐于股骨颈皮质上。按两组人工假体置入股骨组假体置入前正常股骨标本应变片黏贴方法在人工假体置入后两组股骨标各测点黏贴应变片，按两组人工假体置入股骨组假体置入前正常股骨标应变电测量的方法，分别测出传统型假体置入股骨组和解剖型假体置入股骨组各测点的应变值，根据单项胡克定律计算每组各测点的应力值，公式中-应力，-应变，E-弹性模量。按本实验的预实验测得股骨的弹性模量18.1GP计算各组标本的应力值，传统型假体置入股骨组应变电测量照片见图3、解剖型假体置入股骨组应变电测量照片见图4。

图3 传统型假体置入股骨组电测量照片Fig 3 The photo of strain electric measurement of traditional prosthesis implantation

图4 解剖型假体置入股骨组电测量照片Fig 4 The photo of strain electric measurement of Anatomic prosthesis implantation

2.3.4 统计学分析方法 计量资料以mean±SD表示，用 SPSS16.0软件包（SPSS，Chicago，IL，USA）进行数据分析，组间数据差异的比较采用单因素方差分析法和Sceffe法，P＜0.05为差异有显著性意义。

3 结果

各组股骨标本应变电测量结果见表1。

实验结果表明，置入北京普鲁斯公司产传统型假体组 6、7、9、10、11、12、14、15、16、18测点应变、应力小于置入德国产保留股骨颈型假体组，差异显著（P＜0.05）。

4 讨论

实验结果表明，保留股骨颈解剖型假体股骨标本近端1-10号测点的应变、应力小于传统型假体置入组，差异显著（P＜0.05）。分析认为，保留股骨颈解剖型假体材料为钛合金，传统型假体为钴铬钼合金。由于钛合金的弹性模量小于钴铬钼合金，又由于传统型假体仅保留部分股骨颈，于小粗隆上方1～1.5 cm截骨，严重破坏了干骺端松质骨系统，改变了系统间的受力平衡及股骨上端正常的应力分布，所以置入解剖型假体组应力遮挡率低于置入传统型假体组。当假体置入干骺端松质骨内和髄腔，干骺端松质骨可吸收应力，调节较硬的假体和相对有弹性的皮质骨之间的力学传导，这样就会形成一个具有可变的和一体化的骨-假体弹性系统，干骺端的松质骨能够在一定程度上允许和控制假体的微动，但由于微动不可能被完全消除，它必须被控制并分散到各个生理方向上，颈托的作用能够起到阻止具有生物动力的柄通过垂直方向微动进入股骨。保留股骨颈解剖型假体置入后，一方面假体颈领与股骨皮质骨紧密结合，另一方面由于干骺端的松质骨得以大部分保存，松质骨在假体和皮质骨之间可起到重要的缓冲作用，从而相对降低了假体和股骨的刚度之差。

表1 各组股骨标本应变电测量结果（N=8）Table 1 Strain electrical measurement results of femoral specimens in each group（N=8）

Kim等［10］以解剖型假体置入股骨与普通假体生物学固定进行比较，结果表明，解剖型假体的近端有与髓腔更加近于解剖状态的匹配，而远端比生物学固定要细，近段匹配具有良好的应力传导，远端较细的结构不但避免了过大的屈曲刚度，而且避免了远端皮质骨的接触，降低了应力遮挡率。本实验结果和参考文献［10］的结果表现出良好的一致性，说明解剖型假体的设计符合生物力学原理。人工关节置入后，应力遮挡效应的大小与近端应力传递的大小、与假体柄远侧部位的屈曲刚度有关，稳定性主要取决于假体于轴向及扭转载荷下微动的大小，生物学固定人工关节，假体表面处理是骨生长的条件，稳定性是骨长入的外部环境，假体植入后不亦产生大的微动，微动过大将会影响骨的长入，假体远期稳定效果不好。人工股骨头材质属性的微小变化就可以对髋关节应力分布造造成影响，主要和人工股骨头材质的弹性模量与假体几何形状有关［11-12］。提示低弹性模量假体的近端几何形状设计至关重要，设计不合理，则会增加近端的松动几率。假体材料的高弹性模量高，置入股骨会产生严重的应力遮挡，所以低弹性模量的假体材料是假体的新选择。

本实验为体外实验，与临床髋关节置换术具有一定的差距，对实验结果会产生一定的影响。由于实验样本有限和生物材料的各体差异，实验数据有一定的离散性。