二维有限元法分析THA术前试模的重要性

刘 洋 ，王文波 ，赵 哲 ，于宏伟

（1.哈尔滨医科大学附属第二医院ICU，黑龙江哈尔滨 150086；2.哈尔滨医科大学附属第一医院骨科，黑龙江哈尔滨150001；3.哈尔滨医科大学附属第三医院骨科，黑龙江哈尔滨 150040）

二维有限元法分析THA术前试模的重要性

刘 洋1，王文波2，赵 哲2，于宏伟3

（1.哈尔滨医科大学附属第二医院ICU，黑龙江哈尔滨 150086；2.哈尔滨医科大学附属第一医院骨科，黑龙江哈尔滨150001；3.哈尔滨医科大学附属第三医院骨科，黑龙江哈尔滨 150040）

目的：通过全髋关节置换术（THA）术前试模与否与术后有限元模型的建立及力学分析，探讨术前试模的重要性。方法：选取行单侧THA的24例患者作为研究对象，将其分为两组（试模组和对照组），行THA，术后对患髋摄X线正位片，其原始数据输入有限元软件建立二维有限元模型，并进行力学分析、绘制应力曲线，与正常股骨近端的应力曲线进行比较。结果：试模组的股骨近端生物力学分析优于对照组，其应力曲线图较对照组更接近正常。结论：THA术前精确的试模能够使术后的股骨近端应力分布更接近正常。

全髋关节置换术；二维有限元分析；术前试模

人工全髋关节置换术是现代关节外科手术中常用的术式，其中试模是全髋关节置换术（THA）术前计划的重要环节。但目前尚缺乏好的生物力学文献报道及实验研究来证明术前试模与否对术后股骨近端应力的影响等。本文即利用二维有限元法对此进行分析比较。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取股骨头无菌性坏死FicatⅣ期的患者共24例，行单侧THA。其中，男15例，女9例，平均年龄58岁。采用随机对照的原则对其分组，12例术前进行试模（试模组），另12例术前未进行试模（对照组）。术后均拍骨盆正位片，并以DICOM格式存入存贮器中，以备建立股骨近端二维有限元模型。

1.2 材料

1.2.1 模板 本研究所选择的假体模板由各人工髋关节假体公司提供。其所对应的股骨柄假体材料特性将其简洁化，统一规定为：Ti6A 14V，弹性模量107 Gpa，泊松比0.3。

1.2.2 软件 图像读取与转换软件ezDICOM，图像测量与计算软件Matlab 7.0，图像编辑软件PhotoShop 7.0，格式转换软件Surfacer 10.0，有限元分析软件ANSYS 8.0。

1.3 方法

1.3.1 术前在试模组进行模板的测量 将股骨模板放置在X光片上，调整位置使假体与髓腔达到正确的匹配。选择假体的大小，保证假体近端的防旋翼有至少3/4处于松质骨中，最终确定假体的型号和股骨颈的长度。

1.3.2 手术技术 所有手术均采用后外侧传统髋关节手术入路，由同一具有丰富THA经验的主任医师完成，平均手术时间为（100±30）min。术后置患肢于外展中立位。术后常规应用抗生素，引流管24～48 h视引流液多少拔除，刀口10 d左右拆线。

1.3.3 股骨近端二维有限元模型的建立 首先先将正常股骨近端X线片的DICOM格式文件输入计算机，使用ezDICOM软件将其转换成bmp格式图像，在PhotoShop 7.0中对图像进行预处理,消除其噪声并将图片二值化。在Matlab中导入经过二值化的股骨近端bmp格式的图像文件，提取股骨二维轮廓数据。再利用ANSYS软件在线框建模的基础上，输入松质骨的弹性模量 2 Gpa、泊松比 0.29，皮质骨的弹性模量17.3 Gpa、泊松比 0.29[1]，自动网格化分为3 292节点，1 089元素，得出正常股骨近端二维有限元模型。然后，再使用相同的方法建立THA术后的股骨近端二维有限元模型，负荷加载后对股骨近端的应力分布进行分析、比较。

1.3.4 髋关节有限元计算的加载及约束 由于髋关节的受力主要分布在冠状面上，对髋关节静力载荷的分析可近似为单纯冠状面分析，这样运算的复杂程度可大为简化，虽难以精确反映髋关节的受力状况，但据此作出的各种推算结果也可大致反映股骨受力情况[2]。正常情况下，负荷是通过股骨头以16°（Pauwels）角传递到股骨，负荷在步态周期的站立相，髋关节的合力约为体重的2.7倍[3]。由于是二维平面，采取全约束即可分析求解。

1.4 统计方法

应用SPSS 12.0医用统计软件进行数据分析处理，所得数据结果均采用均值±标准差（±s）表示。统计检验采用t检验，取双侧 α＝0.05。

2 结果

通过ANSYS有限元软件对正常股骨近端以及对照组、试模组的股骨近端的有限元模型进行应力分析，得出皮质骨内外表面各节点处的等效应力，对每一层横截面的各节点的等效应力取均值，即可得到图1所示的股骨近端内外侧等效应力均值轴向分布图。见图1。

3 讨论

有限元分析方法就是利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟，通过简单而又相互作用的元素（单元），用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。本研究通过术后患者的影像学资料为依据直接进行二维有限元模型的制备[4]，分析了两组全髋关节置换术后股骨近端的的生物力学特性。尽管现有的髋关节应力分析大多都是基于CT图像的三维有限元分析，而二维分析法达不到三维分析法的精度，但由于本研究是基于股骨X线与假体模板之间（均为二维），另外髋关节的受力因素主要分布在冠状面上，髋关节静力载荷的分析可近似为单纯的冠状面分析，由此通过二维有限元方法分析了全髋关节置换术后股骨近端在二维平面上的受力状况，这种方法简便、易行、实用，结果可满足本研究的要求。

通过本研究的结果，可以看出全髋关节置换术后股骨近端等效应力均值轴向分布在两组间（试模组与对照组）各有其自身的特征，但总体趋势与正常股骨近端内外侧等效应力均值轴向分布基本上还是一致的；在生理载荷下应力主要沿着压力骨小梁的方向分布，为了实现在组织水平上的应力均衡分布，因此出现了骨小梁在该区域密集分布排列的现象[5-6]。将三者在同一统计图中进行比较分析，可发现试模组术后股骨近端的应力分布较对照组的更接近正常股骨近端的应力分布。也就是说，试模组的股骨柄假体与股骨匹配后其生物力学与正常股骨的生物力学特性更为接近。

图1 正常股骨及试模组、对照组应力分布曲线图比

4 结论

综上所述，术前精确的试模是必要的，它使THA术后的股骨近端应力分布更接近正常应力分布，对于重建髋关节结构和功能具有重要的意义。

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THA dimensional finite element analysis of the importance of preoperative test mode

LIU Yang1,WANG Wenbo2,ZHAO Zhe2,YU Hongwei3
(1.Department of ICU,Second Affiliated Hospital of Harbin Medical University,Heilongjiang Province,Harbin 150086,China;2.Department of Orthopaedics,First Affiliated Hospital of Harbin Medical University,Heilongjiang Province,Harbin 150001,China;3.Department of Orthopaedics,Third Affiliated Hospital of Harbin Medical University,Heilongjiang Province,Harbin 150040,China)

Objective:Through artificial total hip arthroplasty(THA)or preoperative and postoperative tested mode model and finite element mechanical analyzed of the importance of preoperative test mode.Methods:24 patients underwent unilateral THA patients as research subjects would be divided into two groups(test module and the control group),the line THA,taken after suffering from hip anteroposterior X ray film,the original data entry of a limited element software to create two-dimensional finite element model,and the mechanical analyzed,draw stress curve,and the normal stress curve of the proximal femur were compared..ResultsThe test module biomechanical analyzed of the proximal femur than the control group,the stress curve was closer to normal than the control group.Conclusion:THA accurate preoperative test mode enables the proximal femur after stress distribution close to normal.

Total hip arthroplasty;Two-dimensional finite element analysis;Preoperative test mode

R68

A

1674-4721（2010）12（a）-030-02

2010-09-14）