三种人工髋关节的生物力学分析
作者：曾颖 陈锦钊 许伟国
单位：曾颖(广东番禺市中医院 511400)；陈锦钊(广东番禺市中医院 511400)；许伟国(广东番禺市中医院 511400)
关键词：人工髋关节；生物力学；应变
摘 要
摘 要：目的 报告三种人工髋关节生物力学测试结果。方法 设计了直柄加栓固定式人工髋关节，其特点是假体柄为直柄。直柄的头端外侧有一直径约5 mm的贯通性螺孔，与相应的螺栓相匹配。并对其进行了生物力学测试，方法是将15根新股骨标本在股骨距上12 mm处截骨后随机分为安装弯柄髋关节，直柄髋关节和直柄加栓髋关节和正常对照共4组，实验组每组5具标本，对照组为截骨前15具标本，模拟单足站立位，进行150N、300N和450N加载，对相应部位的电应变进行测量，结果 1、各组应变值与载荷的大小量呈正线性相关。2、在各测点中股骨距、股骨外侧和大转子处应变值变化最为明显。3、在三个实验组中弯柄组应变值变化最大，直柄加栓组与对照组应变值较为接近。结论 直柄加栓人工髋关节符合生物力学要求。
, 百拇医药
Biomechanics Analysys of Three Kinds of the Femoral Prosthesis
Zeng Ying,Chen Jin Zhao,Xu Wei Guo
(Department of Orthopaedics,Pan Yu the Traditional Chinese Medical Hospital,Guang Zhou,511400)
Abstract：Objective The authors report the effect of biomechanic experiment of three kinds of the femoral prosthesis.Methods A kind of femoral prosthesie was designed,which is staight stem fixed with screw on the stem head.The biomechamic test of this prosthesis and another two kind of femoral prosthesis.Fifteen fresh femoral speicimens were as control before head osteotomy of femur above 12 mm lesser tyochanter.After osteotomy,the all specimens were divided into three test groups consisting of five specimen in which the zigzag stem and the straight stem and the straight stem with screm were install respeclively,150N,300N and 450N were applied in one leg in the standing position for the measurement of electric syrein distribution in the femurs.Results The result showed that the strain of all groups is positive line correlation with load.The change of strain was more obviously in the great trochanter,latcral contex of femur and upper lesser trochanter.Among three test groups,the strain of the zigzag stem specimen chang most obviously the stain of the sraight stem fixed screm approximate to control group.Conclusion The authors consider that the self-designed femoral prosthesis reconsile the biomachnic demands.
, 百拇医药
Key words：Biomechanics;The femoral prosthesis;Strain▲
人工髋关节置换术自Charnley 1962年发表论文距今已有30余年历史，不失为一种治疗髋关节疾患的安全有效的方法。假体松动是公认的手术失败的最主要原因之一[1，2]，应力遮挡和应力分布不均则是引起假体松动的常见因素。为此，我们研究设计了一种柄头端用螺栓固定的直柄式人工髋关节。通过与弯柄式人工髋关节在不同负荷下进行压缩弯曲作用的应力测试，比较其力学性能和应力分布情况。
1 材料与方法
15根男性20～50岁新鲜尸体股骨，修整后将股骨标本模拟单足站立时股骨负重力线方向，使之冠状面保持内收25°位，矢状面保持直立位，高度保持200 mm，远端用牙托粉固定并制成平台，沿股骨纵轴内外侧缘布置电阻应变片(BHF--3N)，用502胶水粘贴在骨皮质上，具体位置为1号应变片在股骨距下方，2号、3号应变片分别在大、小转子的骨外侧皮质，4号在小转子对侧股骨皮质，5号、6号分别在柄尾部内外侧皮质(图1)。所有标本在完整情况下测出应变值作为对照组参数，然后随机将标本分为弯柄关节组，直柄关节组和直柄加栓关节组，每组5个标本。分别在WE-5A万能试验机上，对标本分别施加150N、300N、450N三种载荷，测试各组的应变值。测试通过预调平衡箱(P2OK-5型)和静态电阻应变仪(YI-5型)测出不同水平的应变值，所有数据经微机处理，用T检验分析。
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图1 直柄加栓关节安装于已固定的标本及应变片贴放示意图
弯柄人工髋关节采用传统的MULLER型(北京京航公司生产)柄长140 mm，柄头端30 mm×10 mm，柄尾10 mm×10 mm，柄颈角137°。直柄人工关节为自行设计(已获国家专利，专利号2L952069946由京航公司加工)柄长140 mm，柄头端45 mm×10 mm，柄尾10 mm×10 mm，头端有一直径5 mm的孔。安装方法：先将已测试完对照组应变值参数的股骨标本自检无损后，将股骨头切除，保留股骨距12 mm(便于粘贴电阻应变片)，然后用髓腔锉将原略有差异的股骨髓腔扩大，然后插入关节柄。直柄加栓组在插入关节柄之前需在粗隆处截骨，然后用螺栓将大转子和关节柄头端固定(图1)。
2 结 果
15根股骨标本在测试中未发生断裂现象。所有标本颈干角范围在124～135°，平均131.6°，实验组所有关节柄颈夹角为137°，与标本颈干角非常接近。其差异本文中不予考虑。各关节柄尾大小相等，柄长度相等，均不行骨水泥固定，故组间的条件误差文中不予考虑。①在150N、300N和450N载荷下各测点应变值与载荷大小成正线性相关，即随着载荷的增大应变值也随之增大，其平均相关系数为0.89。②由于应变值与载荷呈正线性相关，为便于分析，我们仅取300N载荷下的应变值来比较各组的差异性。a：从各测点看，股骨外侧骨皮质表面的张应变(Tensilf Strain，用正数表示)：在对照组2、4、6测点呈先升高后降低的趋势，以4号测点为最大值。弯柄组在2、4、6测点呈渐上升趋势，以6号测点为最大值。直柄组在2、4、6号测点先急升后缓升的趋势，以6号测点为最大值。直柄加栓组张应变趋势介于直柄组和对照组之间，以4号测点为最大值，但4号测点到6号测点的下降趋势较对照组明显减缓。b：股骨内侧骨皮质的压应变(Compression Strain，以负数表示)在1、3、5号测点各组绝对值均呈下降趋势，并以1号测点为最大绝对值。在对照组下降趋势缓慢均匀；弯柄组下降趋势先急后缓，直柄加栓组，直柄组下降趋势介于对照组和弯柄组之间(见表1、2)。
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c：各组中最大张应变值和最小张应变值均在弯柄组，最大张应变值位于6号测点，最小张应变值位于2号测点，其间的张应变值差为5.44，较对照组的最大张应变值差(3.71)的差异有显著性意义。(表3、4)
表1 300N负荷下各组张应变值(N/mm)的分布
2号测点
4号测点
6号测点
对照组
2.03
5.74
3.36
弯柄组
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0.47
4.90
5.91
直柄组
1.01
5.32
5.46
直柄加栓组
1.81
5.49
4.43
表2 300N负荷下各组压应变值(N/mm)的分布
, 百拇医药 1号测点
3号测点
5号测点
对照组
-12.11
-9.31
-6.94
弯柄组
-19.62
-8.96
-5.02
直柄组
-14.96
, 百拇医药
-8.36
-5.89
直柄加栓组
-14.02
-8.84
-6.26
表3 300N负荷下各组的最大张应变值差
最大值
最小值
差绝对值
P值
对照组
5.74
, http://www.100md.com
2.03
3.71
弯柄组
5.91
0.47
5.44
0.01
直柄组
5.46
1.01
4.45
0.01
直柄加栓组
, 百拇医药
5.49
1.81
3.88
0.01
表4 300N负荷下各组的最大压应变值差
最大值
最小值
差绝对值
P值
对照组
-12.11
-6.94
-5.17
, 百拇医药
弯柄组
-19.62
-5.02
-14.60
0.01
直柄组
-14.96
-5.89
-9.07
0.01
直柄加栓组
-14.02
-6.62
, 百拇医药
-7.4
0.01
3 讨 论
髋关节活动中作用于股骨头及周围部的力一是压缩力，二是弯曲力，两力的联合作用影响股骨上段的应力分布。在人工髋关节置换术后由于应力分布异常，表现为应力遮挡和应力集中，常是引起关节柄松动、下沉的最主要原因之一[3]。要解决关节柄松动，除了骨水泥固定或生物学固定外，关节柄的优化设计是重要环节之一[4]。
实验结果表明，人工关节安装后应力分布的变化主要表现在股骨压应力(1号测点)和股骨外侧(6号测点)张应力过于集中，而大转子处(2号测点)张应力明显减少，其主要原因是股骨上段结构的整体性改变，压弯作用力原是直接作用于股骨，头然后按力线传导形成的对照组的应力分布状态，而各实验组作用力先作用于关节球头，然后通过关节柄的传导再作用于股骨，从而使应力重新分布，出现应力集中和应力分布不均[5]。此情况在弯柄组表现最为明显，即在张力侧张应力差最大，在压力侧压应力差也最大；而直柄组应力集中和分布不均有改善，这可能是近年来许多医生选择直柄型人工髋关节的理由之一[6]。在直柄加栓组，其应力分布接近对照组，表现为张力侧的最大张应变值差和压力侧的最大压应变值差最接近于对照组，应力值变化曲线在趋势和方向上与对照组极其相似。其不可忽视的原因可能在于螺栓将股骨近端(大转子)与关节柄关端紧密结合，使之在没有骨水泥填充固定的情况下，骨柄结合，改善了结构上的完整性，大转子和关节柄在受力时的分离状态得以修复。作用于假体上的力通过螺栓增强了大转子及周围股骨的张力，同时由于反作用力使压力侧的作用力部分抵消。综上所述，本实验结果得出一个重要提示：在影响人工髋关节松动的诸多因素中不应忘记原髋关节结构的完整性和连续性是正常生理状态下应力分布的基础，这种结构上的完整性和连续性的改变可能是人工髋关节松动的最根本的原因之一，重建这种结构的完整性和连续性是改善人工关节应力分布的重要一环，也应是人工髋关节优化设计中不可忽视的重要因素。■
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参考文献：
[1]戴克戎.影响人工关节远期效果的多因素分析.中华骨科杂志，1995(15)，4：250
[2]孙国良、唐天驷、朱国良等.经改良HARDINE手术人路行全髋关节置换术.中华骨科杂志，1994(14)，9：553
[3]林剑浩、吕厚山、寇伯龙等.股骨头假体置换术后假体周围骨量的观察.中华骨科杂志，1995(15)，8：494
[4]Growninshield R D.Ananalysis of femoral component stem design in total hip arthoplasty.J Bone Joint Surg(Am)，1980，62：68
[5]Harris W H，Sledge C B.Medical press.The New England Journal of Medicine.1990，323：725
[6]Stromberg C N et al.Cemented revision hip arthroplsty.A multicent 5～9-years study of 204 first for looseing.Acta Orthop Scand.1992，63(2)：111
(收稿日期：1999-08-08), 百拇医药
单位：曾颖(广东番禺市中医院 511400)；陈锦钊(广东番禺市中医院 511400)；许伟国(广东番禺市中医院 511400)
关键词：人工髋关节；生物力学；应变
摘 要
摘 要：目的 报告三种人工髋关节生物力学测试结果。方法 设计了直柄加栓固定式人工髋关节，其特点是假体柄为直柄。直柄的头端外侧有一直径约5 mm的贯通性螺孔，与相应的螺栓相匹配。并对其进行了生物力学测试，方法是将15根新股骨标本在股骨距上12 mm处截骨后随机分为安装弯柄髋关节，直柄髋关节和直柄加栓髋关节和正常对照共4组，实验组每组5具标本，对照组为截骨前15具标本，模拟单足站立位，进行150N、300N和450N加载，对相应部位的电应变进行测量，结果 1、各组应变值与载荷的大小量呈正线性相关。2、在各测点中股骨距、股骨外侧和大转子处应变值变化最为明显。3、在三个实验组中弯柄组应变值变化最大，直柄加栓组与对照组应变值较为接近。结论 直柄加栓人工髋关节符合生物力学要求。
, 百拇医药
Biomechanics Analysys of Three Kinds of the Femoral Prosthesis
Zeng Ying,Chen Jin Zhao,Xu Wei Guo
(Department of Orthopaedics,Pan Yu the Traditional Chinese Medical Hospital,Guang Zhou,511400)
Abstract：Objective The authors report the effect of biomechanic experiment of three kinds of the femoral prosthesis.Methods A kind of femoral prosthesie was designed,which is staight stem fixed with screw on the stem head.The biomechamic test of this prosthesis and another two kind of femoral prosthesis.Fifteen fresh femoral speicimens were as control before head osteotomy of femur above 12 mm lesser tyochanter.After osteotomy,the all specimens were divided into three test groups consisting of five specimen in which the zigzag stem and the straight stem and the straight stem with screm were install respeclively,150N,300N and 450N were applied in one leg in the standing position for the measurement of electric syrein distribution in the femurs.Results The result showed that the strain of all groups is positive line correlation with load.The change of strain was more obviously in the great trochanter,latcral contex of femur and upper lesser trochanter.Among three test groups,the strain of the zigzag stem specimen chang most obviously the stain of the sraight stem fixed screm approximate to control group.Conclusion The authors consider that the self-designed femoral prosthesis reconsile the biomachnic demands.
, 百拇医药
Key words：Biomechanics;The femoral prosthesis;Strain▲
人工髋关节置换术自Charnley 1962年发表论文距今已有30余年历史，不失为一种治疗髋关节疾患的安全有效的方法。假体松动是公认的手术失败的最主要原因之一[1，2]，应力遮挡和应力分布不均则是引起假体松动的常见因素。为此，我们研究设计了一种柄头端用螺栓固定的直柄式人工髋关节。通过与弯柄式人工髋关节在不同负荷下进行压缩弯曲作用的应力测试，比较其力学性能和应力分布情况。
1 材料与方法
15根男性20～50岁新鲜尸体股骨，修整后将股骨标本模拟单足站立时股骨负重力线方向，使之冠状面保持内收25°位，矢状面保持直立位，高度保持200 mm，远端用牙托粉固定并制成平台，沿股骨纵轴内外侧缘布置电阻应变片(BHF--3N)，用502胶水粘贴在骨皮质上，具体位置为1号应变片在股骨距下方，2号、3号应变片分别在大、小转子的骨外侧皮质，4号在小转子对侧股骨皮质，5号、6号分别在柄尾部内外侧皮质(图1)。所有标本在完整情况下测出应变值作为对照组参数，然后随机将标本分为弯柄关节组，直柄关节组和直柄加栓关节组，每组5个标本。分别在WE-5A万能试验机上，对标本分别施加150N、300N、450N三种载荷，测试各组的应变值。测试通过预调平衡箱(P2OK-5型)和静态电阻应变仪(YI-5型)测出不同水平的应变值，所有数据经微机处理，用T检验分析。
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图1 直柄加栓关节安装于已固定的标本及应变片贴放示意图
弯柄人工髋关节采用传统的MULLER型(北京京航公司生产)柄长140 mm，柄头端30 mm×10 mm，柄尾10 mm×10 mm，柄颈角137°。直柄人工关节为自行设计(已获国家专利，专利号2L952069946由京航公司加工)柄长140 mm，柄头端45 mm×10 mm，柄尾10 mm×10 mm，头端有一直径5 mm的孔。安装方法：先将已测试完对照组应变值参数的股骨标本自检无损后，将股骨头切除，保留股骨距12 mm(便于粘贴电阻应变片)，然后用髓腔锉将原略有差异的股骨髓腔扩大，然后插入关节柄。直柄加栓组在插入关节柄之前需在粗隆处截骨，然后用螺栓将大转子和关节柄头端固定(图1)。
2 结 果
15根股骨标本在测试中未发生断裂现象。所有标本颈干角范围在124～135°，平均131.6°，实验组所有关节柄颈夹角为137°，与标本颈干角非常接近。其差异本文中不予考虑。各关节柄尾大小相等，柄长度相等，均不行骨水泥固定，故组间的条件误差文中不予考虑。①在150N、300N和450N载荷下各测点应变值与载荷大小成正线性相关，即随着载荷的增大应变值也随之增大，其平均相关系数为0.89。②由于应变值与载荷呈正线性相关，为便于分析，我们仅取300N载荷下的应变值来比较各组的差异性。a：从各测点看，股骨外侧骨皮质表面的张应变(Tensilf Strain，用正数表示)：在对照组2、4、6测点呈先升高后降低的趋势，以4号测点为最大值。弯柄组在2、4、6测点呈渐上升趋势，以6号测点为最大值。直柄组在2、4、6号测点先急升后缓升的趋势，以6号测点为最大值。直柄加栓组张应变趋势介于直柄组和对照组之间，以4号测点为最大值，但4号测点到6号测点的下降趋势较对照组明显减缓。b：股骨内侧骨皮质的压应变(Compression Strain，以负数表示)在1、3、5号测点各组绝对值均呈下降趋势，并以1号测点为最大绝对值。在对照组下降趋势缓慢均匀；弯柄组下降趋势先急后缓，直柄加栓组，直柄组下降趋势介于对照组和弯柄组之间(见表1、2)。
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c：各组中最大张应变值和最小张应变值均在弯柄组，最大张应变值位于6号测点，最小张应变值位于2号测点，其间的张应变值差为5.44，较对照组的最大张应变值差(3.71)的差异有显著性意义。(表3、4)
表1 300N负荷下各组张应变值(N/mm)的分布
2号测点
4号测点
6号测点
对照组
2.03
5.74
3.36
弯柄组
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0.47
4.90
5.91
直柄组
1.01
5.32
5.46
直柄加栓组
1.81
5.49
4.43
表2 300N负荷下各组压应变值(N/mm)的分布
, 百拇医药 1号测点
3号测点
5号测点
对照组
-12.11
-9.31
-6.94
弯柄组
-19.62
-8.96
-5.02
直柄组
-14.96
, 百拇医药
-8.36
-5.89
直柄加栓组
-14.02
-8.84
-6.26
表3 300N负荷下各组的最大张应变值差
最大值
最小值
差绝对值
P值
对照组
5.74
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2.03
3.71
弯柄组
5.91
0.47
5.44
0.01
直柄组
5.46
1.01
4.45
0.01
直柄加栓组
, 百拇医药
5.49
1.81
3.88
0.01
表4 300N负荷下各组的最大压应变值差
最大值
最小值
差绝对值
P值
对照组
-12.11
-6.94
-5.17
, 百拇医药
弯柄组
-19.62
-5.02
-14.60
0.01
直柄组
-14.96
-5.89
-9.07
0.01
直柄加栓组
-14.02
-6.62
, 百拇医药
-7.4
0.01
3 讨 论
髋关节活动中作用于股骨头及周围部的力一是压缩力，二是弯曲力，两力的联合作用影响股骨上段的应力分布。在人工髋关节置换术后由于应力分布异常，表现为应力遮挡和应力集中，常是引起关节柄松动、下沉的最主要原因之一[3]。要解决关节柄松动，除了骨水泥固定或生物学固定外，关节柄的优化设计是重要环节之一[4]。
实验结果表明，人工关节安装后应力分布的变化主要表现在股骨压应力(1号测点)和股骨外侧(6号测点)张应力过于集中，而大转子处(2号测点)张应力明显减少，其主要原因是股骨上段结构的整体性改变，压弯作用力原是直接作用于股骨，头然后按力线传导形成的对照组的应力分布状态，而各实验组作用力先作用于关节球头，然后通过关节柄的传导再作用于股骨，从而使应力重新分布，出现应力集中和应力分布不均[5]。此情况在弯柄组表现最为明显，即在张力侧张应力差最大，在压力侧压应力差也最大；而直柄组应力集中和分布不均有改善，这可能是近年来许多医生选择直柄型人工髋关节的理由之一[6]。在直柄加栓组，其应力分布接近对照组，表现为张力侧的最大张应变值差和压力侧的最大压应变值差最接近于对照组，应力值变化曲线在趋势和方向上与对照组极其相似。其不可忽视的原因可能在于螺栓将股骨近端(大转子)与关节柄关端紧密结合，使之在没有骨水泥填充固定的情况下，骨柄结合，改善了结构上的完整性，大转子和关节柄在受力时的分离状态得以修复。作用于假体上的力通过螺栓增强了大转子及周围股骨的张力，同时由于反作用力使压力侧的作用力部分抵消。综上所述，本实验结果得出一个重要提示：在影响人工髋关节松动的诸多因素中不应忘记原髋关节结构的完整性和连续性是正常生理状态下应力分布的基础，这种结构上的完整性和连续性的改变可能是人工髋关节松动的最根本的原因之一，重建这种结构的完整性和连续性是改善人工关节应力分布的重要一环，也应是人工髋关节优化设计中不可忽视的重要因素。■
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参考文献：
[1]戴克戎.影响人工关节远期效果的多因素分析.中华骨科杂志，1995(15)，4：250
[2]孙国良、唐天驷、朱国良等.经改良HARDINE手术人路行全髋关节置换术.中华骨科杂志，1994(14)，9：553
[3]林剑浩、吕厚山、寇伯龙等.股骨头假体置换术后假体周围骨量的观察.中华骨科杂志，1995(15)，8：494
[4]Growninshield R D.Ananalysis of femoral component stem design in total hip arthoplasty.J Bone Joint Surg(Am)，1980，62：68
[5]Harris W H，Sledge C B.Medical press.The New England Journal of Medicine.1990，323：725
[6]Stromberg C N et al.Cemented revision hip arthroplsty.A multicent 5～9-years study of 204 first for looseing.Acta Orthop Scand.1992，63(2)：111
(收稿日期：1999-08-08), 百拇医药