骨盆不连续髋关节翻修术中定制带翼假体的有限元分析

Finite element analysis of a customized flange acetabular component in revision total hip arthroplasty with pelvic discontinuity

摘要

背景 个性化定制带翼髋臼假体(custom flange acetabular component，CFAC)，对于耻骨侧臼翼设计及是否使用螺钉固定仍存争议，目前尚缺乏相关生物力学依据。 目的 通过有限元分析，对比两种CFAC设计在站立负荷下的生物力学差异，旨在为临床假体设计与优化提供参考。 方法 基于一例Paprosky ⅢB型髋臼缺损合并骨盆后柱不连续患者的骨盆CT数据，重建三维模型，分别设计并构建了无耻骨翼固定的双翼CFAC及包含耻骨翼固定的三翼CFAC模型。使用Abaqus软件建立有限元模型，模拟站立姿态，对比分析两种假体及其固定螺钉的最大应力与微动情况。 结果 两种假体的最大应力均出现在髂骨翼与髋臼杯连接处。三翼假体最大应力为39.46 MPa，较双翼假体的52.62 MPa降低约25%；三翼假体螺钉最大应力为33.59 MPa，较双翼假体的45.71 MPa降低约27%。髋臼顶部与坐骨翼固定螺钉的微动高于其他部位螺钉。 结论 增加耻骨翼设计并进行固定能够降低CFAC假体及固定螺钉的峰值应力与微动，在该类型复杂髋臼缺损重建中，耻骨翼的设计与固定具有相应的临床意义。

Abstract

Background Despite the clinical application of custom flange acetabular components (CFAC), the design of the pubic flange and the necessity of adjunctive screw fixation remain controversial, primarily due to a lack of relevant biomechanical evidence. Objective To compare the biomechanical differences between two CFAC designs under load using finite element analysis, providing a theoretical basis for clinical decision-making and prosthesis optimization. Methods A three-dimensional pelvic model was reconstructed from CT data of a patient with a Paprosky type ⅢB acetabular defect and posterior column discontinuity. Two CFAC models were designed: a Dualflange construct without pubic flange fixation and a Triflange construct with pubic flange fixation. Finite element models were established using Abaqus software to simulate standing conditions. Peak stress and micromotion of the two prostheses and their fixation screws were evaluated and compared. Results In both designs, peak stress was observed at the junction between the iliac flange and the acetabular shell. The Triflange prosthesis exhibited a peak stress of 39.46 MPa, approximately 25% lower than that of the Dualflange prosthesis (52.62 MPa). Peak screw stress in the Triflange group was 33.59 MPa, approximately 27% lower than that in the Dualflange group (45.71 MPa). Micromotion analysis showed that the screws at the acetabular roof and ischial flange demonstrated more pronounced micromotion compared to others. Conclusion The addition of a pubic flange with fixation reduces peak stress and micromotion of both the CFAC prosthesis and its fixation screws. In complex acetabular defects of this type, pubic flange design and fixation may provide relevant clinical benefits.

Graphical abstract

关键词

髋关节翻修术 / 髋臼缺损 / 定制带翼髋臼假体 / 有限元分析 / 骨盆不连续

Key words

revision total hip arthroplasty / acetabular defect / customized flange acetabular component (CFAC) / finite element analysis / pelvic discontinuity

全髋关节置换术(total hip arthroplasty，THA)是治疗终末期髋关节疾病的有效手段，能够有效缓解髋关节疼痛、恢复关节功能、提升患者生活质量，已成为近年来骨科领域发展最为迅速的手术方式之一^[1]。随着全球人口老龄化进程加快、初次THA手术量持续增长，以及早期植入的髋关节假体逐步达到使用寿命极限，髋关节翻修手术的需求日益增加^[2]。在全髋关节翻修患者中，因假体周围感染、金属微粒诱导的骨溶解、假体机械性松动磨损等多种原因所致的髋臼骨质缺损十分常见，Paprosky Ⅲ型严重髋臼缺损特别是伴有骨盆不连续的重建仍是手术的巨大挑战^[3]。关节外科医师在复杂髋臼重建方面进行了大量探索，多种手术技术已应用于临床并取得了较好的疗效，如结构性植骨、杯-笼结构、半球形金属臼杯、髋臼撑开联合半球形臼杯以及三翼定制假体(Triflange)等^[4-5]。其中，基于患者术前CT影像数据与3D打印技术制造的个性化定制带翼假体(customized flange acetabular component，CFAC)在严重髋臼骨缺损，尤其是合并骨盆不连续的髋臼重建中独具优势。目前多项临床随访研究显示，CFAC在严重髋臼骨缺损重建中展现了良好的临床疗效，远期假体生存率令人满意^[6-8]。传统三翼假体的设计以承重的髂骨翼与坐骨翼为主，耻骨翼主要起抗旋作用^[9]。关于耻骨翼是否需要保留及固定，目前仍存争议。近年来，部分机构采用舍弃耻骨翼的双翼假体进行髋臼重建，同样获得了良好的临床疗效，假体生存率与三翼假体相当^[10]。两种设计在临床结局上无明显优劣，但其背后的生物力学机制尚不明确。尤其是CFAC的耻骨翼如何影响假体及螺钉的应力分布与微动，目前缺乏相关研究。为此，本研究选取一例代表性Paprosky ⅢB型髋臼缺损合并骨盆后柱不连续患者，设计不同构型的CFAC，并通过有限元方法评估其生物力学性能。

1 材料与方法

根据患者骨盆CT数据重建髋臼缺损三维模型，分别设计两种CFAC方案。完成模型装配与网格划分后，进行有限元分析，对比两种假体及固定螺钉在站立载荷下的应力分布与微动情况，技术路线见图1。

1.1 实验设备与软件

CT扫描层厚为1 mm。CT扫描机：西门子128排多层螺旋CT(Siemens Sensation Open 128-slice CT scanner，Siemens，Erlangen，Germany)。台式计算机配置：处理器AMD Ryzen 9 7950X 4.50 GHz，RAM 32.0 GB，Windows 10专业版。实验软件：Mimics Research (v19.0，Materialise，比利时)；Geomagic Wrap (3D Systems，Rock Hill，SC，USA)；SolidWorks 2023；HyperMesh 2020 (Altair，美国)；Abaqus 2024(Dassault Systèmes，Vélizy-Villacoublay，France)。

1.2 髋臼缺损模型建立及假体制作

1.2.1 骨盆三维模型重建与实体化

经解放军总医院医学伦理委员会批准(2024KY0129-KS001)，收集1例髋臼严重缺损合并骨盆后柱不连续患者的术前骨盆薄层CT数据(DICOM格式)。将数据导入Mimics Research软件，利用灰度阈值分割工具，选取骨组织CT值范围(220 ~ 1 751 HU)进行阈值分割，获得初始蒙版；逐层去除金属伪影后，生成患侧骨盆缺损三维模型。将重建模型与原始CT影像进行对比，确认解剖标志结构重建准确。最后，将髋臼缺损三维模型导出为STL格式文件。

将上述STL模型导入Geomagic Wrap软件进行修复模型缺陷并平滑表面，生成层厚2 mm的皮质骨模型，采用曲面拟合技术构建封闭实体模型，最终导出为STEP格式文件，用于后续CFAC设计与有限元分析(图2)。

1.2.2 CFAC设计

首先，确定髋臼假体的旋转中心，旋转中心需尽可能恢复骨盆解剖高度。随后，构造髋臼杯内表面，髋臼杯外展角常规设置为40° ~ 45°、前倾角20° ~ 25°。在骨盆模型表面，根据骨缺损范围和预期臼翼固定位置，在髂骨、坐骨及耻骨上绘制髋臼翼的轮廓线，并以轮廓线为引导，生成固定臼翼，以确保假体与骨床的良好接触。髂骨翼设计两排紧靠髋臼杯上方的螺钉孔，一般共6 ~ 8颗，坐骨翼设计3 ~ 4颗螺钉；髋臼内侧顶部设1 ~ 3枚螺钉，以提供上方加压固定^[9]。本研究针对患者骨盆缺损定制坐骨翼及髂骨翼，其中髂骨翼设计6枚钉孔，分两排排列，每排3枚；坐骨翼设计2枚钉孔。双翼假体仅设计坐骨翼及髂骨翼。若采用三翼设计，则根据前柱骨量情况，在耻骨翼内侧设计1 ~ 2枚螺钉孔。见图3。

1.2.3 CFAC-骨盆三维模型的装配

将髋臼缺损模型及假体导入SolidWorks软件中进行假体-骨盆部件组配。为简化计算模型，螺钉统一简化为无螺纹的圆柱结构，假体与骨盆之间均通过该圆柱体模拟螺钉装配。以骨盆解剖标志为参考调整假体姿态，确保臼杯主体与髋臼缺损内面贴合良好，同时保证髂骨翼、坐骨翼和耻骨翼完全贴附于对应的宿主骨位置。三翼杯假体耻骨翼内侧使用螺钉固定，而双翼杯假体耻骨翼侧不进行固定(图4)。完成装配后对所有部件进行干涉检查，确认无干涉后，将各装配方案导出为STEP格式文件，用于后续有限元分析。

1.3 有限元模型的建立

1.3.1 HyperMesh网格划分

将装配好的STEP格式模型导入HyperWorks2020 (Altair Engineering，USA)进行网格划分。根据各部件结构特征，对形态不规则的缺损骨盆及CFAC假体采用四面体网格单元划分；对柱状结构的简易螺钉模型采用六面体网格单元划分。选取双翼假体模型进行网格收敛性分析，构建全局网格尺寸分别为1.5、1.2、1.0、0.8、0.5 mm的5组模型，在相同载荷与边界条件下计算假体最大von Mises应力。结果显示，当网格尺寸减小至1.0 mm时，假体最大应力趋于稳定，继续加密网格对应力影响较小，满足网格收敛要求。综合考虑计算精度与运算效率，确定全局网格尺寸为1.0 mm(表1)。网格划分完成后，利用网格质量检查工具对单元畸变率、长宽比等指标不合格的单元进行重划，以确保计算分析结果的准确性与可靠性。最终将网格导出为Abaqus输入文件。

将已划分好的网格文件导入Abaqus (Dassault Systèmes，Vélizy-Villacoublay，France)中，在Assembly模块中进行各部件装配，并确认各部件的空间位置与装配关系与原始几何模型一致。各部件材料属性设置如下：CFAC及螺钉均设定为钛合金(Ti6Al4V)，其弹性模量为114 GPa，泊松比为0.33；皮质骨与松质骨的弹性模量分别设为17 GPa和0.07 GPa，泊松比分别为0.30和0.20。所有材料均视为各向同性线弹性材料^[11-13]。

1.3.2 边界条件与载荷施加

髋臼中心点与髋臼表面采用耦合约束，载荷集中施加于耦合点。按照50 kg标准体质量，将载荷沿坐标系Fx=150 N、Fy=71 N和Fz=1 146 N方向施加于髋臼中心点；完全约束骶髂关节及耻骨联合的全部自由度，以模拟站立姿态下髋关节的受力情况^[14]。假体-骨界面采用面-面接触，摩擦系数为0.8；螺钉-骨界面简化为绑定约束，以模拟术后即刻稳定状态。观察CFAC及固定螺钉的应力分布及位移情况(图5)^[15-16]。

1.3.3 敏感性分析

为评估摩擦系数对计算结果的影响，本研究对假体-骨界面摩擦系数进行了敏感性分析。依据文献常用范围，将摩擦系数由0.8分别调整为0.6和1.0，在相同边界条件下重新计算三翼假体的峰值应力。结果显示，峰值应力的变化幅度均＜5%，且不同摩擦系数下假体性能的相对优劣顺序未发生改变，因此摩擦系数在合理范围内变化时本研究结论保持稳定。

2 结果

2.1 双翼假体及固定螺钉的应力与微动分析

定制双翼假体中von Mises 应力峰值位于髂骨翼与髋臼杯连接处，为52.62 MPa。在髋臼固定螺钉应力分布云图显示，von Mises应力峰值位于髋臼顶部螺钉处，为45.71 MPa；髋臼顶部螺钉及髂骨翼螺钉起主要承力作用。双翼假体的微动范围为0.038 ~ 0.109 mm，峰值微动位于髋臼杯内侧缘，达0.109 mm。在所有固定螺钉中，髋臼顶部及坐骨翼固定螺钉的微动较其他螺钉明显，其中髋臼顶部固定螺钉的微动最大，为0.108 mm(图6)。

2.2 三翼假体及固定螺钉的应力及微动情况

定制三翼假体的应力分布云图显示，von Mises应力峰值为39.46 MPa，位于髂骨翼与髋臼杯连接处。所有固定螺钉中的应力分布云图显示，von Mises应力峰值位于耻骨侧固定螺钉，为33.59 MPa。三翼假体的微动范围为0.036 ~ 0.101 mm，峰值微动位于髋臼杯内侧缘，达0.101 mm。在所有固定螺钉中，髋臼顶部及坐骨翼固定螺钉的微动较其他螺钉明显，其中髋臼顶部固定螺钉的微动最大，为0.102 mm(图7)。

3 讨论

本研究基于一例真实患者的髋臼缺损CT数据，构建三翼CFAC及双翼CFAC两种假体设计，通过有限元分析对比其在站立位下的力学性能，为复杂髋臼重建中CFAC的设计提供一定的理论支持。

严重髋臼缺损，特别是合并骨盆不连续的髋臼重建，仍然是最具有挑战性的髋关节翻修手术之一，其最终目的是重建骨盆的力学连续性并获得稳定的翻修假体^[3-4]。CFAC作为复杂髋臼重建的主要部件，其设计合理性决定了术后关节功能恢复、力学稳定性及长期假体生存率，但目前其设计仍高度依赖于术者临床经验与制造商的行业惯例，缺乏系统的生物力学依据^[17]。CFAC通过早期螺钉机械固定和远期生物学固定，在多项超过十年的随访研究中展现了良好的假体生存率及临床疗效^[6]。Christie等^[8]对使用CFAC假体

基金资助

北京市自然科学基金昌平创新联合基金项目(L234011)

省部级课题