带翼髋臼假体与半球形髋臼假体的有限元对比分析

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作者单位：411228 湖南省湘潭县人民医院

通讯作者：谢红波

【摘要】 目的 比较半球形髋臼假体和三翼髋臼假体有限元分析的结果。方法 建立半球形髋臼假体和三翼髋臼假体的有限元模型，应用有限元分析公式计算在缺损髋臼翻修后，两种翻修假体在正常步态周期内的应力变化。结果 在不同关节力的作用下半球形髋臼假体与三翼假体的应力分布无统计学意义（P>0.05），翼间夹角为15°的三翼髋臼假体所受应力要明显小于翼间夹角30°的三翼髋臼假体和半球形髋臼假体（P

【关键词】 带翼髋臼假体； 半球形髋臼假体； 有限元分析

髋臼骨缺损在髋关节翻修中经常遇到，严重髋臼骨缺损可以导致髋关节正常力学结构的破坏，从而使得重建手术变得极为复杂。此时必须要重建髋臼，以尽可能地恢复髋关节的原始旋转中心。髋臼翻修假体类型的选择可以直接影响手术的成败，国内外已开发出多种假体用于伴有骨缺损的髋臼翻修。本文利用有限元法对比分析了目前临床常用的半球形髋臼假体和新型带三翼髋臼假体的应力分布规律，现报道如下。

1 资料和方法

1.1 一般资料 选择目前临床常用的半球形髋臼假体和新型带三翼髋臼假体进行分析。半球形髋臼假体的单元数为19000个，节点数为25600个，直径为54 mm；带三翼髋臼假体单元数为20000个，节点数为27000个，半球部直径为54 mm，三翼的翼间夹角分别取30°和15°。两种假体所用单元均为ANSYS中的SOLID92单元，材料为钴铬钼合金，最大翼长都为25 mm，最大翻修直径均可达79 mm。

1.2 分析方法 建立半球形髋臼假体和三翼髋臼假体的三维有限元模型，应用有限元分析公式计算在缺损髋臼翻修后，两种翻修假体在正常步态周期内的应力变化。本文中为了减少分析工作量又同时能够得到有代表性的结果，以正常中等身材男性为试验参考标准。假设正常中等身材男性的体质量为660 N，则在正常步态时髋关节力最大和最小分别是2162 N 和432 N。通过Ansys有限元分析软件包，分别计算半球形髋臼假体和三翼髋臼假体（翼间夹角为30°与15°）三种髋臼假体在2162 N 和432 N两种髋关节力作用下各个部分的Von Mises应力。

1.3 统计学分析 统计三种髋臼假体分别在432 N和2162 N的髋关节力作用下所受Von Mises应力情况，并进行差异性分析比较。应用SPSS 13.0统计学软件对数据进行分析处理，两个样本均数的比较用t检验，两个样本率的比较用χ2检验。以P

2 结果

三种髋臼假体分别在432N和2162N的髋关节力作用下所受Von Mises应力情况见表1。结果显示在2162 N的髋关节力下，三种髋臼假体所受Von Mises应力均显著大于其在432 N的髋关节力下所受的应力。翼间夹角30°的三翼髋臼假体与半球形髋臼假体之间的应力值差异无统计学意义（P>0.05），而翼间夹角为15°的三翼髋臼假体，所受应力要明显小于翼间夹角30°的三翼髋臼假体和半球形髋臼假体，差异有统计学意义（P

表1 三种髋臼假体在不同髋关节力作用下所受

Von Mises应力情况表

3 讨论

有严重髋臼骨缺损病例的翻修必须重建髋臼以尽可能的恢复髋关节的原始旋转中心，而术后假体松动、假体脱位是影响疗效和手术成功的主要原因［1］。临床上通常采用大块自体或异体骨移植重建髋臼的方法修补骨缺损，以提供假体稳定性并可恢复髋关节正常旋转中心。这种方法手术后早期效果满意，但是当骨水泥型髋臼大部分被移植骨支撑时，假体松动和骨移植的失败率会增高。而采用非骨水泥多孔表面假体翻修的效果优于大块骨重建，高位放置髋臼假体避免了大块骨移植，使假体最大限度的与宿主骨接触，但是臼杯放置位置较高会加大髋臼和股骨假体的松动率，而放置位置过低或者展角过大则容易导致过度磨损。因此，选择合适的位置放置假体可以在减少松动率的同时有效的减小磨损，减小手术的失败率和复发率。

利用Ansys有限元分析软件包建立了带三翼髋臼翻修假体和半球形髋臼假体的三维有限元模型，分析了在不同髋关节力作用下三种假体所受应Von Mises应力的分布规律［2］，并进行相互比较。结果显示在2162的髋关节力下三种髋臼假体所受Von Mises应力均显著大于其在432 N的髋关节力下所受的应力。分析结果还显示翼间夹角30°的三翼髋臼假体与半球形髋臼假体之间的应力值差异无统计学意义（P>0.05）。因此，尽管带翼假体置入后与受体骨界面的接触面积明显大于半球形假体，但是这并不能显著增加三翼假体所受的应力水平，从而降低置入后的稳定性。相反带翼假体所受的界面应力相比半球形假体有显著增加，说明三翼髋臼假体在抗压方面较半球形假体具有优势。在432 N和2162 N的髋关节力作用下，翼间夹角为15°的三翼假体Von Mises应力不仅明显小于翼间夹角为30°的三翼假体（P

总之，带三翼髋臼假体和半球形髋臼假体的三维有限元模型试验分析表明，三翼髋臼假体与半球形髋臼假体之间的应力值比较虽然有显著增加但是无统计学意义，表明带翼假体置入后与受体骨界面的接触面积增大并没有显著增加三翼假体所受的应力水平，在恢复髋臼正常旋转的同时，稳定性可以得到保证，同时抗压方面三翼髋臼假体较半球形假体具有优势。结果显示使用翼间夹角较小的带翼假体可明显减小假体所受的应力，显著提高带翼假体的稳定性。

参 考 文 献

［1］ 刘广建.UHMWPE髋臼的厚度对摩擦磨损的影响研究.中国生物医学工程学报，2005，24（5）：611-613.

［2］ 王成焘，白雪岭.骨相关外科中的数字技术.中华创伤骨科杂志，2008，10（2）：103-108.

［3］ 王志杰，丁自海，钟世镇.有限元法在骨应力分析及骨科内外固定系统研究中的应用.中国临床解剖学杂志，2006，24（1）：107-110.

［4］ 郑晓雯，孟惠荣.人工髋关节置换后股骨柄应力的有限元分析.西安科技大学学报，2004，24（4）：459-462.

（收稿日期：2011-03-18）