分体螺旋式人工股骨头置换后应力分析的对比性研究

1、分体螺旋式人工股骨头置换后应力分析的对比性研究摘要目的：进一步论证分体螺旋式人工股骨头置换的合理性。不但符合生物力学原理，而且置换固定牢固、初始稳定性好，有优越的生物力学特性。方法：利用9具新鲜成入股骨头标本，用三种不同人工髋进行实验应力分析，进行对比性实验研究。结果：证明分体螺旋式人工股骨头在应力分布、界面应力、应力遮挡率。初始微动等生物力学特性上优于珍珠状面假体和钢制人工髋，均具有显著性差异（P0.01)。结论：分体螺旅式人工骨头置换髋关节不但应力分布合理，固定牢固，而且具有高度稳定性，不容易引起假体松动或断裂，比其它人工假体置换占有一定的优势。关键词：分体螺旋式人工股骨头，髋关节置换，应

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全髋关节置换后由于使用不同类型髋假体，其手术后效果大不相同。它们均存着松动、断裂的潜在危险，尤其是连体的髋假体更为突出。为了克服这些问题，我院结合各种不同类型的人工股骨头置换手术优、缺点的基础上，设计改进了一种新型人工股骨头分体螺旋式人工股骨头。（1）1分体螺旋式人工股骨头示意经过32例临床实践证明它是目前比较好的一种人工股骨头，值得推广应用，它比珍珠状面髋假体、Co-Cr-Mo或不锈钢制连体髋假体来得优越，它能与骨体牢固结合，从而使髋假体上应力分布更加合理，减少了假体的松动与断裂的缺陷，为此本报告对三类假体从应力分析角度进行对比性研究，为临床提供更

7、为可靠的科学依据。材料和方法取新鲜成人尸体股骨9具，经X摄片证明无病理骨疏松崎形存在，仔细切除股骨旁肌肉韧带，然后将标本随机分类，测量标本几何尺寸，按临床手术进行截骨置换三类人工股骨头，远端用骨水泥固定，模拟单足站立状态。所有标本在载荷、结构、高度等力学实验模型上均相一致，以提高测量精度。然后按照实验应力分析要求严格贴片操作技术，以便得到良好的应变粘结性和传递性（2）。2人工髋应变片位置及生物力学试验装置示意将制作好的标本置于试验机夹具内，调整对心，预载2 100N三次以消除骨的松驰、蠕变等时间效应影响，安装上测力传感器和KG型高精度光揽位移传感器。试验机以1.4mm.分的速率分级加载，与计算

8、机IBM586连机随时记录载荷、应变、位移等力学量，并进行数据处埋、误差分析、统计学检验和精度分析后绘制曲线。结果与分析将三类人工髋假体即分体螺旋式人工髋（CSHP，C）、珍珠状面髋假体（PHP，P）、不锈钢制髋假体（SHP，S）置换后测得的应力（应变）和位移径数据处理后得到如下一些结果：一、髋关节置换后股骨上正常应力分布假体置换后，从股骨近端向远端，应力有增大的趋势，三类假体具有相似的规律；内侧应力普遍大于外侧应力；股骨上的应 力比人工髋假体应力来得大，股骨和假体上内外侧应力值见表1可示。结果表明：分体螺旋式人工髋（CSHP）的应力最小，珍珠状面 髋假体（PHP）和不锈钢制髋假体（SHP）上

9、的应力比较大，假体外侧前者分别比后两者平均减少6和15（p0.O5），内侧平均减小8%和!5%（p0.05），在股骨外侧上应力前者比后两者减小15和3（p0.05），内侧平均减小15和2%（p0.05），说明分体螺旋式人工股骨头应力传递快，直接到达股骨远端，由假体传递到股骨上的应力相应减少小，而且应力分布比较均匀，显示分体螺旋式人工股骨头在生物力学性能上优于珍珠状面或钢制人工髋假体，占有一定的优势。二、髋假休置换对界面应力的影响人工髋假体置换的好坏，反映在骨与假体之间界面应力的大小变化情况。股骨与髋假体之间界面应力有骨界面上的正应力和界面剪切应力两种，一般来说，界面应力越大，髋假体置换后固定越

10、牢固，根据关节负载1200N时试验结果见34所示。1分体螺旋式人工股骨头示意2人工髋应变片位置及生物力学试验装置示意表1人工髋假体和股骨在1200N时应力分布情况单位：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结果表明：随着假体长度的增加关节界面正应力和剪应力都有不断下降的趋势，在近端1/3处应大有较大变化，界面正应力三类假体依次为0.96N/CM，0.25N/CM,0.50N/CM，分别相差17%和26%,均具有显著性差异（P0.05）可见，分体式螺旋人工股骨头界面应力均比较高，下端固定相当牢固，不太容易引起假体的松动。值得指出的是后两种髋假体，由于近端1/3处应力较大，常常引起松动或断裂，这同临床关节柄常在1/3处发生折断相一致。 3髋假体与股骨之间界面正应力曲线4髋假体与骰骨之间界右剪切应力曲线三、假体置

12、换后服骨上应力改变的影响人工髋关节置换，一个重要的力学问题是股骨侧的应力改变，主要是应力遮挡。MCCARthy发现术后3年，假体近远端周围骨头丢失分别为40和28，而术后714年分别为别为47和49，说明应力遮挡非常严重和普遍。由于骨的吸收导致骨界面微动或松动，股骨废用性萎缩与骨折。为此，本次测定了髋部区域的应力保护率（stress shielding rate,SSR）的大小，利用公式：式中为置换后的应力大小， 为置换前的应力大小，于是得到9具标本应力遮挡保护率（SSR）的变化值见表2所示。表中结果表明：分体螺旋式人工股骨头置换后在股骨外侧引起的SSR比珍珠面状髋假体和钢制髋假体分别小13和

13、19，在内侧分别小10和20，两者相比，具有显著性差异（P0.05)。显示CSHP关节在应力遮挡方面占有一定的优势，比后两者来得好，说明分体螺旋式假体，采用螺旋直线插入后，应力分布合理，均匀，稳定性好能够把应力从假体传到股骨远端，有利于应力传递，所以应力遮挡比较小。四、假体的松动与断裂人工髋假体的置换往往引起假体的松动（微动），造成植入后的假体不稳定，原因由于假体载荷传递中造成股骨上、假体上的应力不均匀分布所致，而人工髋关节设计形状、大小不合理往往会导致体内应力分布的剧烈变化。下沉时假休置换后可产生的应力的变化导致股骨废用性萎缩和骨吸收，从而引起假体微动的加剧而导致松动，这种松动包括假体近端微

14、动（Proxima1micrototion,PM)和远端微动（distal micromotion,DM)根据9具标本的测试，得到假体近端和远端的垂直和水平初始微动量值（表3）5髋假体置换引起股骨上轴向应力y，k及近远端位移的变化表2髋假体置换后股骨上应力遮挡保护率（SSR）的大小（SD）Pointstrin,（）A（）A（%）out side ACSHP150122582025820420.6PHP179143441834418480.8SHP196164082240822521.2inter side DCSHP11883932239322701.4PHP10910495244952478

15、1.6SHP12614105032105032882.0表3髋假体置换后在1200N关节力下在股骨近端垂直和水平初始微动值（SD）ProsthesisTypePM(M)DM（M）VVCSHP34020200141801415010PHP42622268182421820616SHP46224285202641823616从水平初始微动来看，CHSP分别比PHP和SHP在近端小25和30，差异十分明显（P0.01)。仍然显示前者优于后者。 在试验中我们曾对髋假体1200N时的倾角（外翻时）作了测量，CSHP值为O.4，而后两者分别为O.5和0.6，两者相差2030，证明分体螺旋式人工股骨头在抵抗

16、轴向变形和弯曲变形能力优于珠状面和钢制人工股骨头。讨 沦影响股骨上应力改变的因素很多，包括股骨质量。假体类型、手术方式等，本文采用在相同质量下（骨密度测量值在0.85-1.06g/cm范围内）下，三类假体置换后股骨上的应力改变的规律对比性研究。实验结果表明，分体螺旋式人工髋关节置换后股骨上正常应力分布比珠状面和钢制人工髋假体均匀而且相对性分别小15和3；股骨界面正应力剪应力分别增加7和26和4和10；股骨上的应力遮挡保护率SSR分别小 13和19；假体置换后的近端与远端初始微动率均小23和29，这些生物力特性均证明了本文研制的分体螺旋式人工股骨头优于其它型式的人工髋关节，不但应力分布合理，固定牢固，而且具有高度稳定性不容引起松动或断裂，是属干优良的人工股骨头假体。 王纪湘（徐州市第一人民医院骨科221002）王以进（上海大学生物力学研究所）李永丰（上海大学生物力学研究所）参 考 文 献1，王纪湘、张坚。杨效宁等，分体螺旋式人工股骨头的生物力学试验与临床应用，中国人工关节杂志，1997，2（1）：