论文摘要
目的：通过计算机三维有限元方法，了解在应力状态下不同材料类型的人工髋关节假体组合对骨界面的应力分布规律，从生物力学角度为人工髋关节的临床应用提供有益的参考。方法：采用三维有限元法对全髋置换前后进行生物力学测试。1、选择病例、提供假体：临床选择1例56岁的女性患者股骨颈骨折行人工髋关节置换术的病例。假体样品由普鲁斯（Plus）公司提供，以EP-FIT压配式球形臼、PE标准衬、钴铬钼合金球头、SL柄为原模型。2.1、建立模型：采用三维8节点六面体逐层通过。选取患侧髋及股骨上段术前横断CT一套；对该假体进行坐标测绘。用Super-sap建立置换前后两套三维有限元模型。通过改变假体材料参数，弹性模量、泊松比共建立8个置换术后上述相关模型。2.2、模型命名分组：按照不同材料组合，分别命名为PCA（PE--钴铬铝合金：其中P代表超高分子量聚乙烯内衬、C代表钴铬钼合金、T代表Al2O3陶瓷、A代表SL钛合金柄，以下类同）、PTA、TTA、CCA。另假设以碳纤维增强聚砜（CFR／PSF）复合材料作为柄的各种组合，分别命名为PCF（PE--钴铬钼合金；F代表CFR／PSF）、PTF、TTF、CCF；而置换前命名为ZHQ。3、应力及位移的测量与分析：把上述模型分别模拟成单髋站立情况，分析假体植入前后股骨和髋臼的总体的应力模式和植入后假体与骨界面的应力分布及位移变化规律。结果：1各种假体置换后没有改变股骨总体的应力模式，且均在柄颈结合处有较高应力，等效应力（von Mises）峰值均位于假体远端相应股骨区域，但应力峰值有所下降，以股骨距区下降最为明显，遮挡率最大，而以弹性模量较钛合金低的CFR／PSF作为柄的股骨应力值较接近生理范围，相应区域的遮挡率较小。置换后与置换前应力相比，若以钛合金作为柄，除了E1和E2区域无明显差别：若以CFR／PSF作为柄，除了E1、D2和E2区域无明显差别外，其余区域均有非常显著差异（P＜0.01）。而对于相同的柄比较而言，不管是金属—金属、陶瓷—陶瓷、陶瓷—聚乙烯还是金属—聚乙烯组合，其置换后股骨相同区域的应力大小无明显差异（P＞0.05）。2各种组合的假体对股骨界面的应力从近端至远端均呈逐渐增高趋势，但弹性模量低的CFR／PSF较钛合金柄对股骨相应界面存在较高的应力及较大的位移值，两者有非常显著差异（P＜0.01）。而相同假体柄的不同组合其相应界面的应力及位移均无明显差别（P＞0.05）。3置换前在髋臼顶穹部存在较高应力，并逐渐向周围递减；置换后应力主要集中在髋臼的周边区域，且其界面的应力及位移从髋臼项部→后下→前下均呈逐渐递减趋势。而在相同区域的不同组合其界面应力及位移均无明显差别（P＞0.05）。结论：1各种假体植入后均在柄颈结合处有较高应力，提示该处是设计时的一个关键部位：同时股骨距处形成较高的应力遮挡。而以弹性模量较钛合金低的CFR／PSF作为柄时，其股骨相应区域的遮挡率较低。2股骨界面从近端至远端呈逐渐增高趋势的应力规律符合该假体的设计原理：弹性模量低的CFR／PSF，虽可以降低应力遮挡，但其股骨界面应力及位移均较大，而界面应力及位移过大是产生假体微动主要因素。3不管是金属—金属、陶瓷—陶瓷、陶瓷—聚乙烯还是金属—聚乙烯组合，相同假体柄的不同组合其相应界面应力及位移均无明显差别，实验表明力学因素并不是选择假体组合的主要标准。