预防股骨头坏死塌陷的内置物设计及有限元分析

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近年来，研究人员设计了新型的机械支撑装置例如超弹性笼植入物、伞形骨架记忆合金支撑装置等，这些支撑装置前端具有金属丝或杆结构，在进入股骨头刮除区后展开成膨大的骨架结构，扩大了支撑范围，但由于软骨下骨通过金属丝或杆有限的表面区域进行接触支撑，同时金属丝或杆强度不足，容易出现变形松动的现象，影响治疗效果[7,8,9,10,11]。基于上述问题，本研究针对股骨头坏死但未发生塌陷的早期病程，设计一种帽形股骨头内置物，扩大支撑接触面积，并采用有限元仿真模拟方法分析术后远期理想愈合情况下该帽形内置物对股骨的力学影响，评估其在临床应用的前景。

1 材料及方法

1.1 股骨内支撑植入物设计和制造

根据股骨的球形受力区域和载荷传递路径，本文设计的股骨内置物由展开的弧形帽和柱形柄部组成，见图1(a)。弧形帽上表面与股骨头球形结构相适应，弧面半径22 mm, 展开直径24.5 mm, 帽厚度4 mm。为促进植入后骨长入同时避免出现应力遮挡，弧形帽采用曲面形多孔结构[12],采用选择性激光熔融技术(selective laser melting, SLM)3D打印技术(湖南华曙高科技股份有限公司，FS271M,中国)制造，孔隙率65%。柄部采用与钽棒或笼支架类似的柱形结构，直径10 mm, 采用实心金属结构以传递载荷。为满足内置物帽植入通道尺寸要求，选择股骨头外前侧入路，柄部长度为26 mm, 以降低手术创口尺寸。材料选用生物相容性较好的Ti-6Al-4V钛合金。

1.2 股骨内支撑内置物的有限元模型分析

1.2.1 几何模型构建

选取1名成年男性志愿者(年龄35岁，体质量70 kg)右侧健康股骨的CT扫描图像(设备型号：Revolution 256;品牌：GE;层厚：1 mm),将CT图像导入Mimics 19.0、Geomagic Studio 2013软件进行重建和去噪处理，建立正常股骨头三维实体模型。

内置物几何模型采用三维机械设计软件Solidworks 2019建立，然后在一名经验丰富的骨科医生的指导下确定植入位置，其中内置物弧形帽对应股骨头表面方向，柄部尾端位于股骨颈部，通过布尔操作获得术后股骨头结构。

采用ABAQUS/CAE 6.14分别对正常股骨模型和术后模型采用二阶四面体单元划分网格，网格尺寸约1.5 mm, 其中正常股骨头模型共划分299 710个节点和210 870网格单元，术后模型共划分347 979个节点和243 777网格单元。

1.2.2 材料属性

骨组织材料采用线弹性的异质材料，利用文献描述的CT灰度值-弹性模量经验公式[13,14,15]计算获取弹性模块，见表1。将模型导入Mimics软件，根据股骨CT图像灰度值计算骨表观密度并进一步计算获得对应的弹性模量，对相应模型区域赋予材料属性。

1.2.3 边界条件

边界条件赋值模拟双足站立生理载荷条件，正常和内置物植入术后股骨头加载的关节反作用力均为1 621 N,外展肌1 060 N。约束条件为股骨远端固定，见图1(b)。

2.1 有限元模型的验证

对正常股骨头计算结果显示，双足站立载荷下股骨颈部上侧受拉、下侧受压，颈部上方应力峰值为19.16 MPa, 下方应力峰值为34.17 MPa, 与文献报道的正常股骨头应力分布具有一致性[19,20,21],认为本研究建立的模型有效。

2.2 股骨应力分布

植入本研究设计的内置物后，股骨下方颈部区域的应力有所增加，峰值为35.31 MPa; 股骨头上方颈部区域应力峰值降低至17.32 MPa。股骨颈部与植入物柄部末端接触区域的应力水平为8.47～15.17 MPa, 正常股骨颈对应区域的应力范围是5.68～10.88 MPa, 植入内置物后股骨颈部区域的应力水平明显升高。

在冠状面上，分别对正常股骨头模型和术后股骨头模型相同位置处各截取5个Von Mises 应力剖面图，如图2所示，可以看出，在内置物植入区域周围，股骨头内部空间应力分布发生变化；在水平面上的应力分布剖面图也表明股骨头内部的应力重新分布，见图3。可见内置物改变了股骨头内部的应力分布和载荷传递路径。为获取弧形帽下区域应力变化的具体情况，分别在术后模型和正常股骨头模型中，在弧形帽下方、柄部外部周围3个方位上选取3组位置A、B、C,取上述位置5个相邻节点应力的平均值作为每组位置应力值，如表2所示，可以看出放入内置物后弧形帽下方区域的应力有显著性差异(P<0.05),术后应力值低于正常模型。可见内置物能够降低帽下区域骨组织的应力水平。