基于有限元分析3D重建技术在髋关节置换术中的应用*

胡华平 彭炳龙 文毅英 敖沸 杨慧文

全髋关节置换术是目前临床中广泛应用的手术方案之一，其在临床中广泛应用于创伤性关节炎、股骨头坏死、强直性脊柱炎、先天性髋关节脱位、类风湿性关节炎等关节疾病患者的治疗中[1]。随着我国经济及医学技术的发展，全髋关节置换术在我国临床实践应用过程中出现并逐渐受到人们的广泛关注[2]。人工全髋关节置换术在临床实践过程中存在术后假体松动等缺点，其也是目前临床中最为常见的问题，其中力学因素和生物因素均是导致假体松动的主要原因之一[3]。有限元分析是近年来受到人们广泛关注的技术方案，其主要通过连续求解区域行离散后组成有限个特定方式连接的单元组合体，对不同几何形状求解区进行模型，并对每个单元的力学情况进行综合分析后再行整体分析[4]。有限元分析属于经典的数值分析，在工程学多个领域中均得以广泛应用，其在处理复杂物体力学方面具有明确的优越性，并在临床中逐渐受到骨科医师的重视。近年来随着影像学技术、3D 重建技术等日臻成熟，髋关节的有限元力学分析计算也得以长足发展，并在临床中充分证实了其科学性和实用性[5]。因此本研究拟分析基于有限元分析3D 重建技术在髋关节置换术中的应用价值。

1 资料与方法

1.1 一般资料 回顾性分析2019 年1 月-2021 年10 月萍乡市人民医院收治的80 例行髋关节置换术患者的临床资料，其中2019 年1 月-2020 年6 月43 例采用全髋关节置换术治疗的患者为对照组，2020 年7 月-2021 年10 月37 例采用基于有限元分析3D 重建技术的髋关节置换术患者为观察组。纳入标准：（1）患者均行髋关节置换术治疗；（2）临床资料完整。排除标准：（1）合并肿瘤；（2）合并脏器严重恶性器质性疾病。本研究经本院伦理委员会审议批准。

1.2 方法 本研究中所有患者均在手术前行骨盆正位X 线片扫描检查，采用CT 平扫及3D 重建行髋关节处理，获取髋关节连续性断层数据后进行存储，使用Mimics 10.0 软件数字化三维重建，确定假体型号和大小。观察组在对照组的基础上完成3D 重建后行有限元分析，使用Geomagic Studio 软件打开数据，并对3D 模型进行光滑和优化处理，生成拟合曲面，并通过拟合曲面导出几何模型。模型使用Solid Works 打开，后利用软件行曲面诊断，有效识别模型特征并对模型进行修复，建立假体特征/曲面模块模型，并保存文件。使用ANSYS 有限元分析软件打开几何模型，依照骨质参数及假体材料赋值，并建立3D 有限元模型并进行分析，通过有限元分析对手术方案及假体进行优化，提升假体在不同应力条件下的整体力学特征，并基于应力特点进行定向优化。

本研究中所有患者均在入组后由同一组医师进行手术操作，患者行吸入式全身麻醉方案干预，取侧卧位，固定骨盆，后外侧入路行12～18 cm 切口，臀大肌钝性分离，剥离表面脂肪组织，切断大转子止点处，后呈倒T 形将关节囊切开，脱位髋关节充分显露，截骨平面标记，截骨后封闭，重建髋关节旋转中心解剖位置，适当松解阔筋膜，保留骨量。髋臼顶上缘使用两枚螺钉固定，安装假体，将试模假体取出，并植入相应型号假体或经有限元分析后优化结构的假体，稳定后填塞松质骨泥，清创并留置引流管。

1.3 观察指标及判定标准（1）比较两组术中出血量、手术时间、术后健侧和患侧下肢长度差。（2）术后3 个月对患者行髋关节X 线扫描检查，评估受试者植骨愈合、假体位置等情况，其中植骨处达到融合则判定为植骨愈合，利用X 线扫描检查和分析假体位置。（3）比较两组髋关节功能（Harris）评分情况，依照患者Harris 评分进行疗效评估，共包括优良中差四级，满分100分，≥85 分以上为优，70～84 分记为良，60～69 分记为中，≤59 分以下为差。

1.4 统计学处理 利用SPSS 20.0 行统计学分析，计量资料用（）表示，组间比较采用独立样本t检验，组内比较采用配对t检验；计数资料以率（%）表示，比较采用χ2检验；等级资料比较采用秩和检验。P＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两组一般资料比较 对照组男19例，女24 例；年龄（49.38±7.40）岁；Crowe 分型：Ⅰ型5例，Ⅱ型23例，Ⅲ型13例，Ⅳ型2 例；患肢较健侧下肢缩短（3.23±1.02）cm，原发性退行性骨关节炎共22例，股骨头缺血性坏死18例，其他3 例。观察组男16例，女21 例；年龄（50.01±8.08）岁；Crowe 分型：Ⅰ型2例，Ⅱ型21例，Ⅲ型13例，Ⅳ型1例，患肢较健侧下肢缩短（3.25±1.13）cm，原发性退行性骨关节炎共15例，股骨头缺血性坏死20例，其他2 例。两组一般资料比较，差异均无统计学意义（P＞0.05），具有可比性。

2.2 两组手术指标比较 观察组术中出血量少于对照组，手术时间短于对照组，术后健侧和患侧下肢长度差均低于对照组（P＜0.05），见表1。

表1 两组手术指标比较（）

表1 两组手术指标比较（）

2.3 两组植骨愈合率和假体位置吻合率比较 观察组植骨愈合率和假体位置吻合率均高于对照组（P＜0.05），见表2。

表2 两组植骨愈合率和假体位置吻合率比较[例（%）]

2.4 两组Harris 评分比较 术前，两组Harris 评分比较，差异无统计学意义（P＞0.05）。术后，两组Harris 评分均高于术前，且观察组高于对照组（P＜0.05）。见表3。

表3 两组Harris评分比较[分，（）]

表3 两组Harris评分比较[分，（）]

2.5 两组疗效比较 观察组临床疗效优于对照组（U=12.099，P＜0.05），见表4。

表4 两组疗效比较[例（%）]

3 讨论

一般情况下，在临床应用中髋关节置换术成本较低，且患者术后安全及术后恢复均较为理想[6]。有研究指出，假体无菌松动是导致临床髋关节置换翻修的主要原因，且与患者假体消耗磨损关系密切[7]。因此通过对假体进行必要的术前模拟可有效避免术后出现过度消耗，降低磨损，确定假体最小负荷及最佳受力方向，以有效满足患者需求。分析植入假体的受力情况，需对力的方向和大小进行分析，而常规的术前查找力的特征仍可能导致患者出现特定风险[8]。临床中还需充分考虑多种标准条件，如运动力量、幅度及范围，对特异性目标区进行分析计算[9]。通过力学分析可有效确定手术前最大手术误差，尽可能降低髋关节置换手术风险，由于人体数据庞大采用常规仿真计算需消耗大量的时间，因此可依靠计算机强大的计算能力行有限元计算和仿真[10]。采用3D 重建模型的有限元分析可提供医学数据支持，目前在髋骨方面有限元方法并无法有效分析。通过构建基于3D 重建的髋关节模型开展有限元分析，可有效分析和比较模型的受力情况和应力分布，设计出符合患者髋关节磨损程度的假体模型，有助于髋关节假体的生物力学功能分析[11]。

通过有限元分析认为，相较于单轴椎弓根钉固定，采用多轴固定可显著降低相邻椎间盘内压力，且随访追踪结果是多轴固定患者相邻节段退行性病变临床发生率也更低[12]。有研究应用有限元应力分析非骨水泥型股骨柄周围应力分布情况发现，其与骨密度呈良好相关性[13-14]。股骨柄假体与骨界面应力则在采用置换术干预后主要集中于下端，且内侧壁应力集中出现，并表现出明显的应力峰值[15-16]。全髋关节置换术是治疗髋关节终末期疾病的主要方法，在手术过程中为有效利用假体获取足够的骨性覆盖，常采用髋臼假体内移方法对患者进行干预，可有效建立髋关节力学平衡[17-18]。

观察组术中出血量少于对照组，手术时间短于对照组，术后健侧和患侧下肢长度差均低于对照组（P＜0.05），观察组植骨愈合率和假体位置吻合率均高于对照组（P＜0.05）。术后，两组Harris 评分均高于术前，且观察组高于对照组（P＜0.05）。通过基于有限元分析3D 重建技术对髋关节置换术患者进行干预，可有效量化分析应力改变情况，并依照相应数据对假体进行调整，分析模型中多点应力数据及应力离散程度，有效分析骨界面-假体应力分布均匀程度，避免应力过度集中于某一部分导致该部分出现骨机械性结构受损而引起假体松动或移位。此外，通过基于有限元分析3D 重建技术的分析，在有效降低局部应力的同时实现有效维持正常骨量的应力刺激，避免出现骨吸收和骨溶解，降低假体松动概率，改善骨界面应力分布，避免假体松动，提高假体-骨界面应力分布均匀程度，降低臼缘与股骨颈撞击风险[19]。

综上所述，基于有限元分析3D 重建技术在髋关节置换术应用过程中可有效分析假体-骨界面的应力特征，并利用有限元分析的应力特征对假体进行再优化设计，显著提升髋关节置换术的临床应用质量。