有限元分析在髋关节置换中的研究进展

陈虎，许顺恩，李江伟

(1.贵州医科大学，贵阳 550004； 2.贵州医科大学附属医院骨科，贵阳 550004)

全髋关节置换术是临床外科手术常用的一种方法，广泛用于各种原发性或继发性骨关节炎、股骨头坏死、类风湿关节炎等的治疗。有限元分析是通过数学近似法模拟真实物理系统，使用简单又相互作用的元素去求解，进而通过有限数量模型得到无限未知量真实系统的一种方法[1-2]。有限元分析可将复杂问题简单化，将求解区域看作是多个小的有限元连接，对每一单元设定一个较为简单的近似解，然后逐渐推导求解这个区域所要满足的条件，最终得到答案[3-4]。由于实际问题被简单化，得到的答案不是非常准确，而是一个近似值。有限元分析计算精度较高，且可以适应多种复杂问题，故成为较为理想的工程分析手段。有限元分析刚开始被叫作矩阵近似方法，主要应用于航空器结构强度计算，且因有效性、实用性、方便性较高等而引起了力学研究学者的关注。随着计算机技术的发展与进步，有限元分析从刚开始的结构工程强度分析逐渐扩展到了大多数科学应用研究，是一种使用广泛、高效实用的数值分析方法[5]。20世纪70年代有限元分析就已经在骨科生物力学中得到应用，因为该方法在分析不规则物体的力学方面有较大的优势，故在骨科生物力学研究尤其是髋关节置换中得到了广泛应用[6]。现就有限元分析在髋关节置换中的研究进展进行归纳与总结，对当前存在的问题与最新研究进展进行阐述，期望为以后的研究指明方向。

1 有限元分析

生物力学是一门融汇了医学、力学以及生物学的边缘学科，它将力学与人体组织有机地结合在一起，在骨与肌肉力学相关问题的研究中发挥重要作用。伴随计算机技术的迅猛发展，有限元分析已成为研究骨骼肌肉系统生物力学的重要工具[7]。有限元分析是一种利用简单而又相互作用的元素代替复杂的真实物体，用有限的未知量模型去模拟无限未知量的真实系统[8]。与其他体外测量实验相比，有限元分析具有简单、经济、实用、可靠的优势。通过对计算机中构建的几何模型进行属性定义、网格划分等操作即可生成与实体组织和材料性质高度仿真的模型，无需收集尸体及其他材料标本，也无需购进昂贵的实验设备，且有限元模型能够模拟十分复杂的力学场景，可以更加直观地展示组织和材料结构内部的应力及应变，因此是一种经济有效的非侵入性生物力学研究手段[9]。随着人们对有限元分析认识的不断加深，其凭借独有的优势广泛用于骨科领域，如手术模拟、疗效对比、预测手术风险、骨科内植物设计，给临床研究和诊疗工作提供了巨大帮助[10]。

在骨科生物力学研究中，使用有限元分析能够对股骨侧假体的每一点应变和应力情况进行计算，可同时计算超百万点，能够获取实验过程中不易得到的相关信息数据，此外还可改变其中的任意参数，可观察参数变化对完整结构的影响[11-12]。髋关节具有独特而复杂的生理学功能和解剖学特点，其生物力学也是临床研究的热点及重点。当前在人体中直接进行髋关节相关力学研究几乎无法实现，通过有限元分析模拟力学试验能够对髋关节进行相关力学研究。随着当前各种全新技术(物理技术、图像处理技术及计算机技术等)的迅猛发展，数字骨科这一骨科学分支将会对骨科学的整体发展产生极大的推动作用。有限元分析能够在一定程度上有效替代传统生物力学试验，对人体的生物力学情况进行有效模拟，将临床研究、体内试验和有限元分析有机结合，在未来的临床研究中具有十分可观的发展空间。

2 髋关节置换中髋关节假体的有限元分析

髋关节假体主要由髋臼假体、假体柄和股骨头假体三部分组成，是全髋关节置换术的技术核心组件。有限元分析可以探索髋关节假体不同部分的最佳设计状态，如髋臼假体的外展角、前倾角，假体柄的半径、形状、长度、接触面积，股骨头的直径等。

2.1髋臼假体的有限元分析 髋臼厚度、外展角、前倾角、髋臼-股骨头间隙等可能会对应力分布产生一定的影响，其中影响最大的是外展角和前倾角[13]，但是目前关于两角的最佳值尚无明确规定。有学者对有限元分析的前倾角变化、应力关系进行了研究，结果显示，随着前倾角的不断增大，髋臼应力也会随之增大，同时骨间隙也明显增大，对股骨头界面、骨水泥界面的作用力明显增强，对骨水泥界面应力产生影响的是聚乙烯髋臼厚度，髋臼厚度减小会增大骨水泥应力[14]。有学者使用有限元分析发现，聚乙烯内衬负荷最小时的外展角为35°，此时骨与假体界面扭转应力比65°外展角时小，最终可降低假体松动的风险，稳定性更高[15]。有学者对假体臼位置、头颈直径对撞击与活动度产生的影响进行分析，<45°髋臼外展角会对髋关节屈曲产生影响，45°～55°外展角配合适当的臼与柄的前倾角可以让关节获得较好的稳定性与活动度[16]。有学者使用有限元法分析法对倾角与脱臼的关系进行了研究，结果显示，随着前倾角、外展角的扩大，脱臼率也显著增加[17]。除对外展角、前倾角的研究外，朱威等[18]也指出，通过构建双动全髋髋臼系统可有效降低全髋关节置换术术后假体的脱位率，具体是在股骨头与髋臼之间增加光滑表面、仿生涂层和高交联聚乙烯作为衬垫，使得内衬与髋臼活动分离，从而增加股骨头与髋臼之间的距离，在容许更大的活动度的前提下，减少假体磨损程度，增加关节稳定性。

2.2假体柄的有限元分析 由于材料和手术技术的限制，全髋关节置换术术后可能会出现股骨柄假体断裂的情况，这种情况在第1代铸造钴铬合金假体或不锈钢假体上发生较多，发生率为0.23%～11.00%[19]。随着材料科学、生物力学的发展，20世纪80年代后高强度钛合金、钴铬钼合金逐渐运用于骨科关节假体铸造，同时股骨柄假体的设计也随之改善，全髋关节置换术术后发生假体断裂的情况也逐渐减少。假体柄是假体与股骨接触面积最大的部位，有限元分析显示，股骨柄假体断裂的好发部位是股骨柄中段1/3的外侧面，其是应力最为集中的部位[20]。有学者采用有限元分析法对假体柄半径、形状、长度、接触面积对应的假体松动、对应力的影响等进行研究发现，假体半径对股骨应力的影响较大，而假体长度对股骨应力产生的影响较小，假体最大半径大于1.2倍时股骨应力较接近极限应力值，当达到1.5倍时股骨应力已超过最大极限应力[21]。因此，假体翻修中应该尽量减小扩髓范围，进而降低股骨骨折的发生率。有学者应用有限元分析对股骨柄不同形状的设计应力进行了研究，证实空心设计应力较实心分布更合理，且倒立锥形骨柄骨水泥近端von Mises应力较低，这对降低人体股骨近端和假体接触应力遮挡有显著效果[22]。

2.3股骨头假体的有限元分析 假体稳定性和内衬应力易受股骨头直径的影响[23]。有学者通过建立股骨头、聚乙烯内衬、金属臼有限元模型发现，股骨头直径会随着内衬应力的增大而减小[24]。邹渊渊等[25]的研究显示，增大股骨头假体直径会减小应力，但随着直径的增大会显著增大磨损度，因而此结论还需要进行深入的研究与分析。研究发现，使用大头径股骨头增加接触面积更有利于减小应力，在增大关节面滑移的同时还可增大头径以降低应力，但该研究未对摩擦情况进行分析[26]。有学者对股骨头假体(头径22～46 mm)所对应的高交联聚乙烯内衬磨损进行了研究，结果显示，股骨头假体直径对所对应的内衬磨损不会产生太大影响[27]。直径较大的股骨头假体稳定性更高，其可以显著减少术后脱位的发生。因此临床认为直径较大的股骨头假体的使用价值更高，特别是对于术后发生脱位者，应该选择使用直径较大的股骨头假体。同时，直径较大的股骨头假体可以减少内衬关节应力，有利于减少微断裂与塑性变形，进而可以更好地维持头臼匹配，延长内衬使用时间。

3 有限元分析在髋关节置换中的应用

髋关节置换术是治疗髋关节疾病的一种有效方法，而生物学及力学因素会影响髋关节置换术的疗效作用。髋关节置入假体后会使整体的力学分布发生改变，随之出现相关的并发症及生物力学效应。当前对髋关节置换术疗效产生影响的较常见的并发症是术后假体脱位及假体松动。临床使用的尸骨研究、人造骨研究等传统试验方法，操作步骤繁杂，往往需要投入较多的人力、物力，且试验周期较长，效率较低。此外，传统方法无法直接在人体上进行试验，因此很难对髋关节置换术后假体的各种参数及受力情况进行准确的测量。有限元分析一直用于研究和评估全关节置换术的力学行为，越来越多地使用试验设计、概率技术和基于人群的建模来解释患者和手术的可变性[28]。有学者建立了包括髋周肌群在内的相关骨水泥全髋关节置换术模型的有限元分析，研究指出，外展肌在关节应力-应变分布中发挥重要作用，而髂胫束、内收肌等对关节应力-应变分布的影响相对较小，这部分肌肉的主要作用是减少早期步态股骨上端的负荷[29]。

髋关节置换术后传递力的途径发生了根本性的改变。关节应力首先会通过假体，然后再传达到股骨位置，而这与生理关节的应力传递明显不同。生理关节的应力传递主要是直接通过骨小梁，从股骨头传递到股骨，而假体所导致的应力遮挡会导致骨组织吸收、萎缩、承载能力降低，进而导致股骨骨折、假体松动等。有学者通过有限元分析发现，应力遮挡产生的主要原因是骨的力学性能与金属假体之间的不相容，而复合材料因生物相容性较佳可代替金属假体，是更优质的假体[30]。有研究使用有限元分析髋关节置换假体植入前后总体股骨应力变化，同时分区量化研究股骨应力的改变及分布情况，结果发现，植入假体后虽未使总体股骨应力模式发生改变，但会导致股骨近端假体周围的骨质应力水平降低，特别是大粗隆、股骨近端内侧及股骨距处出现了应力遮挡现象，而假体末端位置表现出应力升高现象[31]。所以，降低应力遮挡、优化假体设计是降低假体失效的重要步骤。假体材料与应力遮挡的发生密切相关，刚性越强的材料，发生应力遮挡的概率越大[30]。钛合金材料刚性较低，虽然显著减少应力遮挡，但却显著增加了骨水泥的应力，因而易损伤骨水泥而影响假体的植入效果[32]。随着临床研究的深入，有限元分析不仅用于分析髋关节置换术术前、术后的髋关节应力分布情况，还可用于细致分析骨水泥的残余应力及应力遮挡情况等。有限元分析的应用也使假体优化设计方案获得了更多的参考资料及生物力学数据。为了解假体植入后的磨损情况，传统方法常使用的是体外模拟、放射学测量及临床随访等，既费时又费力。而有限元分析能够显著提升模拟评估的速度，同时也能够对相关参数进行灵活加载。有学者建立了髋关节置换术后的有限元分析模型，并使用当前最为先进的有限元软件ABAQUS进行分析，为进一步改进髋关节假体的设计、延长髋关节使用寿命提供了部分有益的参考[33]。

有限元分析是一种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传统生物力学试验。有限元分析的应用可以使假体的力学传导得到进一步优化，假体的稳定性得到进一步增强，避免产生应力遮挡及集中，显著提升假体置换的成功率，提高患者的生活质量。

4 存在的问题

自使用全髋关节置换术以来，该技术已经取得了较大进步，但也存在很多问题，尤其是假体松动问题。导致假体松动的因素有生物因素和机械因素。一方面假体周围发生骨溶解会导致松动；另一方面，界面间的剪应力也会使假体与骨产生微动，进而导致松动。发生骨溶解的原因及发生发展过程目前尚不明确，多认为与生物学、机械力学有关。研究发现，假体周围存在的磨屑会激活巨噬细胞，使其分泌较多的骨溶解因子，进而导致骨溶解发生，最终引发松动；磨屑的形状、大小与骨溶解程度有关；应力遮挡也会导致假体固定较差，从而引发松动[34]。根据Wollf定律，股骨假体植入人体后会对股骨近端正常应力分布产生影响，一般假体材料的弹性模量比骨组织的弹性模量大，加载时本应该由肢体承受的应力会变大，且大多由假体承受，而骨应力明显减少，从而产生了应力遮挡[35-36]。当骨应变较骨代谢平衡最小有效应变小时，骨组织会被吸收，成骨效应降低,并会导致骨结构发生一定的变化,应力遮挡与应力集中不断变化，最终引发假体下沉、松动[37]。

5 解决措施

5.1优化设计 优化设计和改善假体应力分布有利于减少应力遮挡和骨吸收，有学者使用有限元分析优化了髋关节的材料设计，证实钛金属假体可能有较低的von Mise应力集中和较高的疲劳安全系数[38]。因此，钛可作为髋关节假体的适宜材料，其可提高稳定性，减少变性。随着高科技技术的发展，目前可在计算机上进行髋关节置换设计、制造。由于髋关节的各方面存在个体差异，设计出的假体不能符合所有患者的要求。因此，要根据每位患者的实际状况设计相适合的假体，进而延长假体使用时间。

5.2改进固定方法 目前普遍认为，骨水泥型假体适用于局部及全身骨质、骨量较差的患者。骨水泥固化时间短，即刻达到稳定，在术后的第2、3天即可在保护下开始部分负重，并可减少围手术期并发症的发生，长期随访也证实骨水泥型假体的远期疗效可靠[39-40]。目前有学者建议根据髓腔开放指数指导假体类型的选择，髓腔开放指数指股骨小转子最突起上方2 cm处髓腔横径与股骨峡部髓腔宽度的比值。髓腔开放指数的正常比值为3.0～4.7，小于这个范围为烟囱型，大于这个范围为倒香槟瓶型，烟囱型髓腔提示股骨颈的骨密度低、骨质疏松，建议使用骨水泥型假体[41]。

5.3改进材料 目前最常用的假体材料是生物医学金属材料、生物陶瓷材料和高分子材料，各类假体材料的复合高分子形式能够带来更好的生物力学效果，组合式假体对减少零件磨损、腐蚀、变性非常有利，同时也可减少骨溶解、骨吸收，故在临床受到更广泛的关注、使用和推广，但临床使用较多的金属-金属假体、陶瓷-陶瓷假体、陶瓷-聚合物假体并不能完全解决磨损造成的问题。有学者使用有限元分析法对不同材料假体所产生的应力进行分析发现，复合材料的应力分布更好[42]。因此，复合材料可能有更好的应用前景。

6 小 结

随着计算机技术、有限元分析方法在临床医学、特别是骨科方面的应用，使临床具有了更加多样化的建模方法。针对骨科的全髋关节置换术，通过有限元分析法得到了髋关节假体(髋臼假体、假体柄、股骨头假体等)和骨水泥的最适宜的应用条件，进一步提升了骨科技术，改善了临床疗效。然而，有限元分析法在髋关节置换术的应用中也存在一些不足：①计算机技术的学习曲线过长，导致相关研究人员与临床医师的信息沟通不及时；②当前的研究成果多集中在理论方面，还需要进行临床验证；③患者的病情存在个体化差异，每位患者的髋关节发育情况不同，且个体化设计的时间长、成本高，目前尚不能广泛用于临床。虽然存在上述缺点，但有限元分析的价值和优势不可否认，随着各方面技术的进一步结合，相信能够克服上述缺点，为临床医师与患者提供帮助。