不同活动时假体微动对生物型股骨假体周围组织液流动性的有限元分析

魏宏达 金乾坤

假体无菌性松动是全髋关节置换术主要并发症，严重影响患者康复信心，明显增加患者及家庭的经济和精神负担［1］。假体位置不佳、髋部周围肌肉缺损、运动强度较大均可加速假体松动。有学者指出假体微动和组织液流动也是造成髋关节置换术后假体松动的危险因素［2］。闵重函等［3］发现假体微动幅度过大可以显著抑制骨组织的生成，亦促进纤维组织的形成。假体由于失去周围骨组织的有效支撑，松动将不可避免。组织液由于性质特殊且位置不确定难以使用传统方法进行处理。随着有限元技术不断发展已经逐渐适用于固体、液体甚至固液耦合等研究领域［4］。本研究通过有限元分析法对加压和深蹲活动时假体微动对生物型股骨假体周围组织液流动性进行客观生物组织学变化评价。

1 材料与方法

1.1 离体三维有限元模型的建立 （1）模型构建：纳入健康志愿者1名，身高175cm，体重71kg，签署知情同意书。排除髋部畸形或髋部骨折史后行髋关节CT扫描，层厚0.625mm，取得DICOM数据。CT数据导入Mimics 10.01建模软件中提取股骨轮廓。然后将股骨假体实物进行3D扫描，取得Stl格式数据。将假体Stl数据导入Mimics中，采用图像勾勒、布尔运算和填充补洞等操作构建三维有限元模型，见图1。（2）网格划分：将组建完毕的模型导入ANSYS有限元分析软件进行网格划分。有学者对网格类型和直径进行研究，结果显示六面体网格为主体时，随着网格逐渐密集，节点数和单元数会急剧增加，明显增加计算机运算负荷。网格直径＜1mm时，计算机运算速度明显下降并存在潜在系统崩溃可能。网格直径＞3mm时，计算机运算流畅度明显增高，但模型网格质量较前粗糙［5］。故网格划分选择直径1～3mm的四面体网格为主体、六面体网格为补充网格划分策略。（3）材料赋值：材料均假设为各向同性的线弹性材料，材料参数按照相关文献报道进行取值［6-7］，见表1。

图1 模型构建示意图由内向外依次为股骨假体、肉芽组织、松质骨和皮质骨，各结构之间紧密结合

表1 不同材料的力学性质表

1.2 股骨假体三维有限元模型边界条件与力学加载 （1）边界条件：本研究模拟加压与深蹲活动时，股骨假体周围组织液的受力情况。故模型中股骨远端设定为锁定状态，模拟站立姿态下双足与地面无相对移动状态。股骨头受力接触面设定为髋臼上、下缘连线覆盖区域，同时接触面与股骨头中心默认为点-面映射关系。（2）力学加载：本研究参照Bergmann等［8］构建的Orthoload力学数据库测定的正常行走（加压）和转身活动时（深蹲）最大受力值，结合受试者体重、身高因素得出受力加载值。在ANSYS软件中Concentrated Force模式下施加于假体股骨头中心，见图2。换算公式：F实际=F标准×（F体重/100）×（L身高/180），其中F体重单位为kg，L身高单位为cm。

图2 股骨头受力施加示意图加压与深蹲活动时外力施加于股骨头中心。实际作用力可以分解为x、y、z三个分力

2 结果

2.1 组织液力学性能 加压活动时，组织液出现低速流动，主要分布区域位于假体后内侧肉芽组织和假体远端松质骨区域，组织液流速18～1062μm/s。深蹲活动时组织液流动速度较快，主要分布于假体后内侧肉芽组织内和假体周围广泛松质骨区域，组织液流速5～1277μm/s，见图 3。

图3 加压和深蹲活动时组织液流动情况，颜色越鲜艳代表组织液流动速度越高，深蹲活动时组织液在肉芽组织和松质骨内流动速度明显较高

2.2 不同活动时假体受力比较 加压活动时，应力主要通过股骨假体向股骨远端纵向传递，应力最大值出现在股骨中段的假体与骨质密切结合处，峰值应力为69.57MPa。深蹲活动时，应力主要集中于股骨粗隆间、股骨中段假体与骨质接合处，峰值应力为146.85MPa。峰值应力均未超过假体和骨质疲劳强度。

3 讨论

假体松动是引起全髋关节置换翻修术的常见因素，原因主要为：（1）假体磨损引起生物学吞噬造成溶骨性假体松动。（2）感染引起的炎症性假体松动。（3）假体位置安放不当或髋臼磨锉切削过多造成假体松动。（4）患者自身进行性骨质疏松引起的假体松动。近年来，不同活动和组织液流动性对假体松动的影响逐渐引起学者关注［9］。

3.1 不同活动对假体力学影响 运动强度与频率是影响髋关节稳定性的重要因素。汪松等［10］对不同日常活动时股骨头受力进行分析，结果发现蹲坐位较站立位股骨距和粗隆间区域应力集中程度明显增加。Couch等［11］磨损试验发现，上楼梯和水平行走步态下假体磨损率分别为（22±3）和（10.68±0.5）mm3/MC。本研究对加压（模拟正常站立位）和深蹲（模拟转身）活动时股骨假体和临近骨质受力情况进行分析，证实深蹲活动时股骨粗隆间和假体周围应力集中现象更为明显。究其原因：（1）站立姿态下作用于假体作用力仅为躯干部和双上肢载荷50%，深蹲活动时身体重心偏移，绝大多数载荷作用于股骨假体，造成负载增加。（2）深蹲活动时髋臼包容度较单纯加压略少，造成假体所受压强增加。（3）深蹲载荷造成假体在髓腔内具有旋转趋势，使得假体周围骨质所受剪切力增加，出现假体局部应力集中现象。

3.2 不同活动对组织液的影响分析 人工髋关节磨损理论上会发生于所有的接触面，但实际上主要发生于髋臼与股骨头假体界面、假体柄与周围骨质接触面。随着假体材料的不断改善，髋臼与股骨头假体间的磨损逐渐降低，假体柄与周围骨质接触问题已成为研究热点。Tyagi等［12］指出假体柄松动原因较为复杂，磨损、组织液流动和界膜形成为主要原因。本研究通过有限元分析证实，无论加压或深蹲活动均可造成组织液不同程度流动，其中深蹲活动时组织液瞬时流速可达1277μm/s，侧面验证各种活动时假体微动是造成组织液流动的主要因素。从微动和组织液流动方面分析假体松动原因主要体现在：（1）频繁微动可造成假体磨损，使假体局部出现抛光现象，降低假体柄把持力，同时磨损造成的碎屑颗粒经过组织液冲刷和吞噬，造成破骨细胞激活，使假体周围骨质出现异常骨溶解。（2）微动量过大使假体周围骨质矿化障碍。Frost指出微动过大造成骨质矿化曲线右移，使显微组织、肉芽组织增生明显，造成假体与骨质间摩擦力减小，易出现假体松动现象。

3.3 微动与应力遮挡效应 全髋关节植入术后假体微动与应力遮挡效应共存，其生物学效应符合Wollf定律和Frost定律。外部载荷刺激下，骨骼若处于生理应变范围内则骨量以增加为主；外部载荷刺激减少则骨量明显减低。正常站立姿势下，外部载荷通过股骨假体传递至股骨远端，若假体硬度较高，假体周围骨质分担应力相应减少，易发生废用性骨质疏松，造成假体松动。若外部载荷过大或出现深蹲等活动，假体周围出现剪切应力或微动过大，造成骨吸收或假体-骨质界面骨小梁矿化障碍，形成组织液流动间隙和相对骨质疏松区，严重破坏假体稳定性进而出现松动显像。

综上所述，深蹲活动时组织液在假体周围广泛流动且速度较快，不利于假体周围骨痂生成且易造成骨质吸收，是造成全髋关节术后假体松动的可能因素。