骨小梁结构髋臼杯和实体结构髋臼杯的三维模型仿真分析

发布时间：2020-02-22

　　摘要背景：髋关节置换是治疗股骨头坏死、骨性关节炎、髋关节发育不良以及老年股骨颈骨折等髋关节疾病最有效的方法，因此有必要对髋关节置换的生物力学行为展开研究。目的：采用有限元仿真的方法模拟髋关节置换后骨小梁结构髋臼杯和实体结构髋臼杯模型的接触应力和米氏应力大小和分布情况，分析其对假体及髋关节的影响。方法：通过3-MaticResearch11.0软件设计了2种不同结构的髋关节假体组件模型：骨小梁结构髋臼杯和实体结构髋臼杯模型。并将设计好的模型经Hypermesh14.0软件划分网格并赋予材料属性，最后导入有限元分析软件Abaqus6.13软件中仿真分析，比较相同状态下2种髋臼杯的应力值和应力分布情况。结果与结论：骨小梁结构髋臼杯的应力呈散点状分布，分布范围广。实体结构髋臼杯容易出现应力集中现象，应力分布集中在受力点附近。骨小梁结构髋臼杯相对于实体结构髋臼杯而言，应力分布范围更大，应力分布更均匀，从而可以减轻髋关节假体之间的磨损，降低髋关节假体发生无菌性松动的风险。

　　关键词：骨小梁;髋臼杯;髋关节;有限元;接触应力;米氏应力;应力分布;磨损

　　0引言Introduction

　　全髋关节置换广泛应用于股骨头坏死、骨性关节炎、髋关节发育不良以及老年股骨颈骨折等髋关节疾病的治疗，并且在临床治疗方向取得了巨大的成功[1-2]。全髋关节假体主要包括髋臼杯、髋臼衬垫、人工股骨头以及股骨柄等部件[3-6]。髋臼杯需被安放在被患者的髋臼处，和人工股骨头相配合。髋臼杯的固定主要分为骨水泥固定和非骨水泥固定两种方式。但是在骨水泥固定的全髋关节置换中，相对于股骨假体，髋臼杯发生松动的概率更高，因此更多医生选择应用骨水泥股骨假体和非骨水泥髋臼杯联合固定的“混合型”全髋关节置换技术[7-8]。与骨水泥髋臼杯相比，非骨水泥型髋臼杯不存在骨水泥-假体分离，水泥破裂以及水泥颗粒引起骨溶解问题的存在，而且使用寿命较长，假体松动率也较低[9-11]。传统的非骨水泥型髋臼杯主要是通过表面处理以及涂层技术来实现，如钛丝表面微孔结构或者钛珠烧结表面处理技术[12-13]。随着3D打印技术在临床治疗的应用，可以利用3D打印技术制造出多孔骨小梁结构的髋臼杯。多孔骨小梁结构具有较高的孔隙率、理想的孔径以及和自然骨接近的弹性模量，可以减少假体周围的应力遮挡现象，提高骨长入率，进而提高假体的使用寿命。程文俊等[14]研究了3D打印的钛合金骨小梁结构的金属臼杯在全髋关节置换术中的应用，并用影像学和统计学的方法评估了假体的稳定性和骨的长入能力，3D打印钛合金骨小梁结构的髋臼杯具有较好的初始稳定性和优异的骨长入能力，表明其具有良好的短期疗效。MELANCON等[15]发现3D打印的多孔钛金属因为其通孔结构有利于骨细胞的附着和增殖，而且钛合金材料无毒性，减少了成骨细胞的死亡。多孔结构降低了材料弹性模量，并且可以根据调整孔隙率的大小来改变材料的强度和力学性能[16-18]。虽然具有多孔结构的钛合金髋关节假体引起了众多学者的关注与研究[19-21]，但多数研究是从材料角度或者是临床实验方向出发，很少有学者从生物力学方向对具有多孔结构的钛合金髋关节假体的应力应变分布情况进行研究。利用有限元分析技术通过计算机把不规则的、复杂的力学分析对象离散化为有限个几何单元进行分解计算，可以反映机体内部的应力变化情况[21-24]。

　　文章拟通过建立具有多孔结构的骨小梁髋臼杯以及不具有多孔结构的髋臼杯的三维模型，以有限元分析探究不同髋臼杯模型的内部应力应变的情况。

　　1材料和方法Materialsandmethods

　　1.1设计三维有限元仿真建模分析。

　　1.2时间及地点于2019年1至6月在冀中能源峰峰集团总医院完成。

　　1.3材料髋臼杯模型由Depuy(强生)公司提供[25]，其主要信息见表1。

　　1.4方法

　　1.4.1髋臼杯有限元模型建立基于标准髋臼杯三维模型，在3-MaticResearch11.0软件(Materialise公司，比利时)中创建一个臼杯底座模型用来模拟髋骨，建立的髋骨-髋臼杯-股骨头三维模型，见图1。同时将三维实体结构的髋臼杯外壳设计为骨小梁结构，内壳为实体结构，从而对2种不同结构的髋臼杯的力学性能进行研究。

　　首先将建立的髋骨-髋臼杯-股骨头三维模型导入到有限元前处理软件Hypermesh14.0(Altair公司，美国)中对其四面体网格划分，其中髋臼杯座单元数量为8714个，骨小梁结构髋臼杯单元数为37317个，实体结构髋臼杯单元数为6912个，股骨头单元数为12665个。然后将网格划分完成的模型导入到Abaqus6.13(Simulia公司)中建立有限元模型。参考文献[27]对模型赋予材料属性，见表2。髋臼杯底座与髋臼杯之间设置绑定约束，没有相对滑动，用来模拟髋臼杯被安装固定在髋骨的髋臼内;髋臼杯内壁与股骨头之间定义面与面接触，并设定为无摩擦;髋臼杯底座外表面设置为完全固定状态。在股骨头的旋转中心施加一个大小为600N、斜45°向上的载荷，并且约束股骨头无转动，模拟人在双足站立时状态。文章使用的有限元分析类型为静态分析。

　　1.5主要观察指标髋臼杯的接触应力及Mise应力数值大小及云图分布。

　　2结果Results

　　髋臼杯与股骨头之间的接触应力分布如图2所示。从图2中可以看出，2种臼杯与股骨头之间的最大接触应力约为22MPa。骨小梁结构臼杯最大接触应力区域主要分布在臼杯内侧的边缘，而且接触应力区域分布较为分散，呈点状式分布。实体结构臼杯最大接触应力区域主要集中在股骨头和臼杯接触的位置，接触应力集中，而且最大接触应力区域较大。

　　骨小梁结构臼杯最大VonMises应力约为28MPa，主要分布在骨小梁结构的外表面多孔结构处，髋臼内表面最大VonMises应力主要位于髋臼杯内侧边缘，约为17MPa。实体结构髋臼杯最大VonMises应力约为18MPa。实体结构髋臼杯VonMises应力分布区域与其接触应力分布区域基本重合。由于髋臼杯结构不同，也影响了髋臼底座的VonMises应力分布。

　　骨小梁结构髋臼杯组里的臼杯底座最大的VonMises应力为22.6MPa，分布范围更广，覆盖率臼杯底座的左半部分。实体结构里的臼杯底座最大的VonMises应力为23MPa，应力分布更为集中，与髋臼杯的VonMises应力出现的位置重叠。

　　3讨论Discussion

　　文章基于强生公司提供的标准髋臼杯模型，设计了相应的臼杯底座和股骨头模型。为了研究不同的臼杯结构设计对臼杯底座以及臼杯本身的应力大小与分布的影响，作者将其中一个髋臼杯模型设计为带骨小梁外壳的髋臼杯模型，并与实体髋臼杯模型组件进行了对比有限元仿真研究，为临床上量化研究髋关节置换术术后髋关节处的生物力学行为提供了一定的理论指导意见。

　　无论是臼杯与股骨头之间的接触应力，还是髋臼自身VonMises应力，骨小梁结构的髋臼杯相对于实体结构的髋臼杯应力分布范围更广。实体结构的髋臼杯会出现应力集中现象，而且应力集中出现的位置主要与股骨头受力的方向有关。作者建立的仿真模型将载荷施加在股骨头旋转中心，斜45°向上的方向，实体结构髋臼杯的应力主要分布在臼杯与股骨头在这个位置的四周。虽然骨小梁结构的髋臼杯也会出现应力集中现象，但是骨小梁结构的髋臼杯应力集中出现的区域范围很小，而且无论是接触应力还是VonMises应力都是呈散点状分布，分布范围很广。骨小梁结构髋臼杯的最大VonMises应力出现在髋臼杯外表面多孔结构的边缘。因为骨小梁结构的髋臼杯多孔部分结构特殊，所以在划分四面体单元的过程中，会有特别小的单元出现，从而出现应力集中现象[27]。因此影响了骨小梁结构臼杯的最大VonMises应力值。

　　安装有骨小梁结构臼杯的髋臼底座的VonMises应力分布相对于安装实体结构的髋臼底座VonMises应力分布范围要更大，而且应力分布更分散，出现应力集中区域很少。VonMises应力的峰值也得了降低。因为髋臼底座模拟的是人体髋骨的髋臼，所以当人体髋臼安装骨小梁结构的髋臼杯时，髋臼内壁的应力集中现象得到了改善。而且由于髋臼内的应力分布更为分散，范围更广，反而有利于骨细胞的长成，骨小梁结构髋臼杯的生物学固定也会得到加强。WOLFF[28]提出骨骼的骨量和正常的生理状态有赖于对骨骼施加的适当的应力刺激。在一定范围内骨质的增生和吸收是相互平衡的，而且是动平衡，它将内外组织维持在一个最佳应力水平上。在生理状况下处于最佳应力环境中，当骨所承受的实际应力大于最佳应力时以骨形成为主，当实际应力小于最佳应力时，以骨吸收为主。骨小梁结构髋臼杯相对于实体结构髋臼杯而言，接触范围更大，应力分布更均匀，从而减轻了髋关节假体之间的磨损，降低了髋关节假体发生无菌性松动的风险。这一结论与胡如印得到的结论相同[12]。

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　　陈宇[29]用增材制造的方法设计并制作了三类不同孔径的种植体，发现与实心种植体相比，多孔种植体具有更良好的引导骨长入性能和骨结合性能，种植体-骨界面的结合强度可以增大约3倍。ARABNEJAD等[30]研究发现，与实体化的的传统全髋关节假体相比，具有多孔结构的全髋关节假体可以将由于应力屏蔽的而导致的骨流失量减少75%。BIEMOND等[31]的研究同样证明了骨小梁结构的髋臼杯优秀的骨长入能力。而且骨小梁结构髋臼杯可以随着多孔结构空隙率的改变，使得髋臼的杯弹性模量大小发生变化[32-33]，使髋臼杯的弹性模量尽量接近松质骨的弹性模量，避免应力遮挡现象，促进了骨的生长。应力遮挡现象是由于假体植入物与骨之间的刚度严重不匹配造成的。当前所用假体植植入物材料多为金属材料，而金属材料的刚度远大于骨的刚度。金属假体植入人体后，由于其弹性模量大，会承担大部分的应力，既会导致该部分应力无法顺利传导至人骨组织中，又会造成骨组织中的应力分布不均匀。根据Wolff准则，应力的重新分配会引起骨重建，应力小的部位会发生骨吸收现象，由此会造成假体-骨的界面微运动，即无菌松动[28]。无菌松动是造成假体周围组织疼痛的主要原因，而且会影响假体的使用寿命，严重者会造成置换处发生骨折，应该尽量避免。而骨小梁结构假体是依据仿生学原理设计的多孔结构，植入人体后会引导骨组织积极长入，从而保证假体的长期使用效果[34-37]。

　　实验还存在一些不足之处：首先只进行了仿真研究，而没有与相关体外实验结果进行对比，只有与既往研究进行比对;其次建立的髋臼-髋臼杯-股骨头模型是经过简化的模型，没有将完整的髋关节以及股骨重建模型包含进来，离模拟髋臼杯植入体内的真实情况还有一定距离;最后，对髋臼杯模型只进行了静力学分析，没有模拟患者在日常活动时的髋臼杯的受力以及应力分布情况。但是，实验通过设计骨小梁结构臼杯模型并与实体结构臼杯模型进行对比分析研究，验证了髋臼杯骨小梁结构设计可以改善假体的应力分布并减少应力屏蔽现象的出现，为髋臼杯的结构设计和模拟仿真分析提供了指导和理论依据。