分體螺旋式人工股骨頭置換后應(yīng)力分析的對(duì)比性研究

1、分體螺旋式人工股骨頭置換后應(yīng)力分析的對(duì)比性研究摘要目的：進(jìn)一步論證分體螺旋式人工股骨頭置換的合理性。不但符合生物力學(xué)原理，而且置換固定牢固、初始穩(wěn)定性好，有優(yōu)越的生物力學(xué)特性。方法：利用9具新鮮成入股骨頭標(biāo)本，用三種不同人工髖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析，進(jìn)行對(duì)比性實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果：證明分體螺旋式人工股骨頭在應(yīng)力分布、界面應(yīng)力、應(yīng)力遮擋率。初始微動(dòng)等生物力學(xué)特性上優(yōu)于珍珠狀面假體和鋼制人工髖，均具有顯著性差異（P0.01)。結(jié)論：分體螺旅式人工骨頭置換髖關(guān)節(jié)不但應(yīng)力分布合理，固定牢固，而且具有高度穩(wěn)定性，不容易引起假體松動(dòng)或斷裂，比其它人工假體置換占有一定的優(yōu)勢(shì)。關(guān)鍵詞：分體螺旋式人工股骨頭，髖關(guān)節(jié)置換，應(yīng)

2、力分析A COMPARATIVE STUDY OF STRESS ANALYSIS OF A REPLACED FISSILE SPIRAL TYPE FEMORAL HEAD PROSTHESISWang Jixiang（Department of Orthopaedics, Xuzhou First Hospital , Xuzhou）Wang Yijin，Li yongfrng（Institute of Biomechanics, Shanghai University, Shanghai）(Abstract)Aim:To prove further readonable artific

3、al hjp joint of tissile spiral style limp transformation .It not only conforms to biodynamies principles ,but also has fixation in changing and good initial stability and dorms good biodynamies function.Mcthod :After replacing nine mens fresh limps with three deffrent artificial hip joints ,analyzc

4、the stress and make comparative expenriments.Result :It proves that in biodynamics characters of stress distribution ,surface stressing ,rate of stressing shed and loosening artifieial limp of fissile spiral style is superior and obviously difical from the globe hjp joint and steel artifieial hjp jo

5、int (p,0.01)Conelusion ;Artificial limp of fissile spiral style trandformation is reasonable in distribution ,stable and has grat fixation ,not casy to cause artificial limp flabby or broken .It has more advantages than others .Key words: artificial Limp of Fissile Spiral Style Hip Joint Transformat

6、ion Stressing Analysis全髖關(guān)節(jié)置換后由于使用不同類(lèi)型髖假體，其手術(shù)后效果大不相同。它們均存著松動(dòng)、斷裂的潛在危險(xiǎn)，尤其是連體的髖假體更為突出。為了克服這些問(wèn)題，我院結(jié)合各種不同類(lèi)型的人工股骨頭置換手術(shù)優(yōu)、缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)改進(jìn)了一種新型人工股骨頭分體螺旋式人工股骨頭。（1）1分體螺旋式人工股骨頭示意經(jīng)過(guò)32例臨床實(shí)踐證明它是目前比較好的一種人工股骨頭，值得推廣應(yīng)用，它比珍珠狀面髖假體、Co-Cr-Mo或不銹鋼制連體髖假體來(lái)得優(yōu)越，它能與骨體牢固結(jié)合，從而使髖假體上應(yīng)力分布更加合理，減少了假體的松動(dòng)與斷裂的缺陷，為此本報(bào)告對(duì)三類(lèi)假體從應(yīng)力分析角度進(jìn)行對(duì)比性研究，為臨床提供更

7、為可靠的科學(xué)依據(jù)。材料和方法取新鮮成人尸體股骨9具，經(jīng)X攝片證明無(wú)病理骨疏松崎形存在，仔細(xì)切除股骨旁肌肉韌帶，然后將標(biāo)本隨機(jī)分類(lèi)，測(cè)量標(biāo)本幾何尺寸，按臨床手術(shù)進(jìn)行截骨置換三類(lèi)人工股骨頭，遠(yuǎn)端用骨水泥固定，模擬單足站立狀態(tài)。所有標(biāo)本在載荷、結(jié)構(gòu)、高度等力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕暇嘁恢?，以提高測(cè)量精度。然后按照實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析要求嚴(yán)格貼片操作技術(shù)，以便得到良好的應(yīng)變粘結(jié)性和傳遞性（2）。2人工髖應(yīng)變片位置及生物力學(xué)試驗(yàn)裝置示意將制作好的標(biāo)本置于試驗(yàn)機(jī)夾具內(nèi)，調(diào)整對(duì)心，預(yù)載2 100N三次以消除骨的松馳、蠕變等時(shí)間效應(yīng)影響，安裝上測(cè)力傳感器和KG型高精度光攬位移傳感器。試驗(yàn)機(jī)以1.4mm.分的速率分級(jí)加載，與計(jì)算

8、機(jī)IBM586連機(jī)隨時(shí)記錄載荷、應(yīng)變、位移等力學(xué)量，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處埋、誤差分析、統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)和精度分析后繪制曲線(xiàn)。結(jié)果與分析將三類(lèi)人工髖假體即分體螺旋式人工髖（CSHP，C）、珍珠狀面髖假體（PHP，P）、不銹鋼制髖假體（SHP，S）置換后測(cè)得的應(yīng)力（應(yīng)變）和位移徑數(shù)據(jù)處理后得到如下一些結(jié)果：一、髖關(guān)節(jié)置換后股骨上正常應(yīng)力分布假體置換后，從股骨近端向遠(yuǎn)端，應(yīng)力有增大的趨勢(shì)，三類(lèi)假體具有相似的規(guī)律；內(nèi)側(cè)應(yīng)力普遍大于外側(cè)應(yīng)力；股骨上的應(yīng) 力比人工髖假體應(yīng)力來(lái)得大，股骨和假體上內(nèi)外側(cè)應(yīng)力值見(jiàn)表1可示。結(jié)果表明：分體螺旋式人工髖（CSHP）的應(yīng)力最小，珍珠狀面 髖假體（PHP）和不銹鋼制髖假體（SHP）上

9、的應(yīng)力比較大，假體外側(cè)前者分別比后兩者平均減少6和15（p0.O5），內(nèi)側(cè)平均減小8%和!5%（p0.05），在股骨外側(cè)上應(yīng)力前者比后兩者減小15和3（p0.05），內(nèi)側(cè)平均減小15和2%（p0.05），說(shuō)明分體螺旋式人工股骨頭應(yīng)力傳遞快，直接到達(dá)股骨遠(yuǎn)端，由假體傳遞到股骨上的應(yīng)力相應(yīng)減少小，而且應(yīng)力分布比較均勻，顯示分體螺旋式人工股骨頭在生物力學(xué)性能上優(yōu)于珍珠狀面或鋼制人工髖假體，占有一定的優(yōu)勢(shì)。二、髖假休置換對(duì)界面應(yīng)力的影響人工髖假體置換的好壞，反映在骨與假體之間界面應(yīng)力的大小變化情況。股骨與髖假體之間界面應(yīng)力有骨界面上的正應(yīng)力和界面剪切應(yīng)力兩種，一般來(lái)說(shuō)，界面應(yīng)力越大，髖假體置換后固定越

10、牢固，根據(jù)關(guān)節(jié)負(fù)載1200N時(shí)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)34所示。1分體螺旋式人工股骨頭示意2人工髖應(yīng)變片位置及生物力學(xué)試驗(yàn)裝置示意表1人工髖假體和股骨在1200N時(shí)應(yīng)力分布情況單位：N/cm2(XSD)Hip joint out sideinter sideABCDEFCSHP40103321438415-7212-9712-27313PHP46123591240316-788-10514-29614SHP51103891245016-8410-11410-32110femurABCdefCSHP71103471044512-17912-29414-35310PHP84124051352114-21014-

11、34516-41313SHP6783971442213-18514-27910-37610結(jié)果表明：隨著假體長(zhǎng)度的增加關(guān)節(jié)界面正應(yīng)力和剪應(yīng)力都有不斷下降的趨勢(shì)，在近端1/3處應(yīng)大有較大變化，界面正應(yīng)力三類(lèi)假體依次為0.96N/CM，0.25N/CM,0.50N/CM，分別相差17%和26%,均具有顯著性差異（P0.05）可見(jiàn)，分體式螺旋人工股骨頭界面應(yīng)力均比較高，下端固定相當(dāng)牢固，不太容易引起假體的松動(dòng)。值得指出的是后兩種髖假體，由于近端1/3處應(yīng)力較大，常常引起松動(dòng)或斷裂，這同臨床關(guān)節(jié)柄常在1/3處發(fā)生折斷相一致。 3髖假體與股骨之間界面正應(yīng)力曲線(xiàn)4髖假體與骰骨之間界右剪切應(yīng)力曲線(xiàn)三、假體置

12、換后服骨上應(yīng)力改變的影響人工髖關(guān)節(jié)置換，一個(gè)重要的力學(xué)問(wèn)題是股骨側(cè)的應(yīng)力改變，主要是應(yīng)力遮擋。MCCARthy發(fā)現(xiàn)術(shù)后3年，假體近遠(yuǎn)端周?chē)穷^丟失分別為40和28，而術(shù)后714年分別為別為47和49，說(shuō)明應(yīng)力遮擋非常嚴(yán)重和普遍。由于骨的吸收導(dǎo)致骨界面微動(dòng)或松動(dòng)，股骨廢用性萎縮與骨折。為此，本次測(cè)定了髖部區(qū)域的應(yīng)力保護(hù)率（stress shielding rate,SSR）的大小，利用公式：式中為置換后的應(yīng)力大小， 為置換前的應(yīng)力大小，于是得到9具標(biāo)本應(yīng)力遮擋保護(hù)率（SSR）的變化值見(jiàn)表2所示。表中結(jié)果表明：分體螺旋式人工股骨頭置換后在股骨外側(cè)引起的SSR比珍珠面狀髖假體和鋼制髖假體分別小13和

13、19，在內(nèi)側(cè)分別小10和20，兩者相比，具有顯著性差異（P0.05)。顯示CSHP關(guān)節(jié)在應(yīng)力遮擋方面占有一定的優(yōu)勢(shì)，比后兩者來(lái)得好，說(shuō)明分體螺旋式假體，采用螺旋直線(xiàn)插入后，應(yīng)力分布合理，均勻，穩(wěn)定性好能夠把應(yīng)力從假體傳到股骨遠(yuǎn)端，有利于應(yīng)力傳遞，所以應(yīng)力遮擋比較小。四、假體的松動(dòng)與斷裂人工髖假體的置換往往引起假體的松動(dòng)（微動(dòng)），造成植入后的假體不穩(wěn)定，原因由于假體載荷傳遞中造成股骨上、假體上的應(yīng)力不均勻分布所致，而人工髖關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)形狀、大小不合理往往會(huì)導(dǎo)致體內(nèi)應(yīng)力分布的劇烈變化。下沉?xí)r假休置換后可產(chǎn)生的應(yīng)力的變化導(dǎo)致股骨廢用性萎縮和骨吸收，從而引起假體微動(dòng)的加劇而導(dǎo)致松動(dòng)，這種松動(dòng)包括假體近端微

14、動(dòng)（Proxima1micrototion,PM)和遠(yuǎn)端微動(dòng)（distal micromotion,DM)根據(jù)9具標(biāo)本的測(cè)試，得到假體近端和遠(yuǎn)端的垂直和水平初始微動(dòng)量值（表3）5髖假體置換引起股骨上軸向應(yīng)力y，k及近遠(yuǎn)端位移的變化表2髖假體置換后股骨上應(yīng)力遮擋保護(hù)率（SSR）的大?。⊿D）Pointstrin,（）A（）A（%）out side ACSHP150122582025820420.6PHP179143441834418480.8SHP196164082240822521.2inter side DCSHP11883932239322701.4PHP10910495244952478

15、1.6SHP12614105032105032882.0表3髖假體置換后在1200N關(guān)節(jié)力下在股骨近端垂直和水平初始微動(dòng)值（SD）ProsthesisTypePM(M)DM（M）VVCSHP34020200141801415010PHP42622268182421820616SHP46224285202641823616從水平初始微動(dòng)來(lái)看，CHSP分別比PHP和SHP在近端小25和30，差異十分明顯（P0.01)。仍然顯示前者優(yōu)于后者。 在試驗(yàn)中我們?cè)鴮?duì)髖假體1200N時(shí)的傾角（外翻時(shí)）作了測(cè)量，CSHP值為O.4，而后兩者分別為O.5和0.6，兩者相差2030，證明分體螺旋式人工股骨頭在抵抗

16、軸向變形和彎曲變形能力優(yōu)于珠狀面和鋼制人工股骨頭。討 淪影響股骨上應(yīng)力改變的因素很多，包括股骨質(zhì)量。假體類(lèi)型、手術(shù)方式等，本文采用在相同質(zhì)量下（骨密度測(cè)量值在0.85-1.06g/cm范圍內(nèi)）下，三類(lèi)假體置換后股骨上的應(yīng)力改變的規(guī)律對(duì)比性研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，分體螺旋式人工髖關(guān)節(jié)置換后股骨上正常應(yīng)力分布比珠狀面和鋼制人工髖假體均勻而且相對(duì)性分別小15和3；股骨界面正應(yīng)力剪應(yīng)力分別增加7和26和4和10；股骨上的應(yīng)力遮擋保護(hù)率SSR分別小 13和19；假體置換后的近端與遠(yuǎn)端初始微動(dòng)率均小23和29，這些生物力特性均證明了本文研制的分體螺旋式人工股骨頭優(yōu)于其它型式的人工髖關(guān)節(jié)，不但應(yīng)力分布合理，固定牢固，而且具有高度穩(wěn)定性不容引起松動(dòng)或斷裂，是屬干優(yōu)良的人工股骨頭假體。 王紀(jì)湘（徐州市第一人民醫(yī)院骨科221002）王以進(jìn)（上海大學(xué)生物力學(xué)研究所）李永豐（上海大學(xué)生物力學(xué)研究所）參 考 文 獻(xiàn)1，王紀(jì)湘、張堅(jiān)。楊效寧等，分體螺旋式人工股骨頭的生物力學(xué)試驗(yàn)與臨床應(yīng)用，中國(guó)人工關(guān)節(jié)雜志，1997，2（1）：