有限元分析在髋关节置换中的研究进展

有限元分析是广泛用于工程科学技术领域的一种技术方法，同时也是解决相关复杂工程学问题的一项必备工具。因有限元分析对不规则物体的力学特点进行分析时表现出独特的优越性，因而被广泛用于骨骼领域，特别是在髋关节的生物力学研究中。髋关节置换手术是治疗髋关节疾病的一种重要方法，而髋关节置换成功与否不仅仅取决于外科手术是否能够顺利进行，还取决于假体设计，对假体进行合理设计对髋关节置换的远期效果有重要影响。在生物医学工程领域中使用有限元分析，使得人类的医疗技术革命迈出了里程碑式的一步。

 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。 

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，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。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。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。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。除对外展角、前倾角的研究外，朱威等也指出，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。 

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% 。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·1960· 医学综述 2022 年 5 月第 28 卷第 10 期 Medical Ｒecapitulate，May 2022，Vol. 28，No. 10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。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。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。 

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。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。邹渊渊等的研究显示，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。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。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。 

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。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。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。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。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。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。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。

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。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。

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。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。 

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。因此，复合材料可能有更好的应用前景。

参考文献：陈虎,许顺恩,李江伟.有限元分析在髋关节置换中的研究进展[J].医学综述,2022,28(10):1959-1964.

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