非骨水泥人工股骨头柄近端的轴向、旋转微动与移位实验研究

非骨水泥人工股骨头柄近端的轴向、旋转微动与移位实验研究 非骨水泥人工股骨头柄近端的轴向、旋转微 动与移位实验研究 [5] [6] ? 718?2007年8月第23卷第8期ClinicalMedicineofChina.August2007,Vol23,No.8 cardialpefusionaftersuccessfulangioplastyinacutemardialinfarc— tion[J].JAmCoilCardiol,2002,39(4):591-597. KrugA.deRochemontWM,KorbG.Bloodsupplyofthemyocardi— amaftertemporarycoronaryocclusion[J].CircRes,1996,99(1): 157.162. LeopoldJA,BergerCJ,CupplesLA,eta1.No—reflowduringcoronary intervention:observationsandimplications[J].Circulation,2000, 1O2(4):644. [7]AbboKM,DoorisM,GlazierS,etal.No—reflowafterpercutaneous coronaryintervention:clinicalandangiographiccharacteristics.treat— mentandoutcome[J].AmJCardiol,1995,75(6):778-82. [收稿:2007-03-09] (本文编辑张印朋) 非骨水泥人工股骨头柄近端的轴向,旋转微动与 移位实验研究 高越张新合范宇 【摘要】目的探讨人工股骨头微动实验的模型与研究方法.实验测试人工股骨头的轴向,旋转微动 和移位,评价其生物力学性能.方法6对新鲜冷冻人股骨,分别随机置入有股骨距托假体人工股骨头,无 股骨距托假体人工股骨头.试件装置于MTS万能材料试验机.2个可变磁阻式传感 器(DVRT)分别用骨蜡 固定至股骨近端与人工股骨头柄,经导线与计算机系统连接.采用轴向,旋转复合 加载,轴向负荷为680N, 旋转负荷为22N.M,加载频率5Hz,循环1000次.计算机采集数据并分析.结果二种 假体轴向移动,下 沉无明显差别,有股骨距托假体下沉55tun,无股骨距托假体下沉38m;旋转微动,移 位差别显着.旋转微 动:有股骨距托型45m,无股骨距托型25tun;旋转移位:有股骨距托型200m,无股骨 距托型50tun.结 论两种假体都具有防止假体轴向微动和下沉的作用.无股骨距托假体柄特殊的多 平面楔形设计,具有良 好的防止旋转微动和移位的性能. 【关键词】髋关节置换;微动;生物力学 【中图分类号】R687.4【文献标识码】A【文章编号】1008-6315(2007)08-0718-03 Bothaxialandrotationalmieromotionandsubsidenceinproximalstemofcementlesshipprostheses. GaoYue,ZhangXinhe,Fan.DepartmentOrthopedictheGeneralHospitalAirForcePLAfBeijing100036, China) 【Abstract】 ObjectiveToexplorethemodelsandstudymethodsofmicromotionandsubsidenceofartificial thi小 boneandtoevaluatethebiomechanicsthroughtestingbothaxialandrotationalmicromotionandsubsidence. MethodsSixfreshfrozenfemorawererandomlyimplantedwithpmsthesisfemurwithorwithoutcollars.Thepros— thesis.femurspecimenswerefixedtoaMTSmechanicaltestingsystemcapableofapplyingsimultaneousaxialand torsionalloads.Twodifferentialvariablereluctancetransducers(DVRT)weremountedonth especimensatthebone/ prosthesisinterfaceinordertomeasureaxialandrotationalmicro.motionandmigrationrespectively.Datawerecol— lectedusingadesktopcomputerwithadataacquisitioncardandLotusMeasuresoftware.eaxial(680NJandtor- sional(22N— M)loadswereappliedsimultaneouslyat5Hzf0r1000cycles.ResultsWithrespecttoaxialmicromo— tion.therew鹊 nosignificantdifierencebetweentheprosthesewithandwithoutcollars.Permanentaxialmigrationwas leSSthan55mintheprostheseswithcollarsandleSSthan38mfortheprostheseswithoutcollars.Rotationalmi— cro—motionvariedslightlybetweenthetwodesigns.Axialmicro— motionwaslessthan45p,mintheprostheseswith collarsandlessthan25/xmintheprostheseswithoutcollars.Rotationalmigrationwas200plnfortheprostheses withcoilarsand50Ixmfortheprostheseswithoutcoilars.ConclusionTheeffectsoftheprosthesewithandwithout collarsinpreventingaxialmicro— motionandsubsidenceareproved.Astorotationalmovement.theprostheseswithout collars,withspecialtrapezoidalstemdesign,maypreventrotationalmicromotionanddislocation. 【Keywords】Hipreplacement;Micromotion;Biomechanics 非骨水泥固定人工髋关节置换,假体置人寿命 长,便于翻修术操作,但假体早期松动问题值得重 视?.人工关节柄一骨间的微动是引起骨吸收.导致 作者单位:100036北京,空军总医院新医正骨科(高越,范宇), 骨科(张新合) 假体松动的原因.手术后早期假体的松动程度与假 体下沉的趋势相关.有股骨距托的人工股骨头,股 骨距托传导负荷应力,因而减小人工股骨柄的弯曲 应力和多孔界面的剪切应力,防止假体下沉.然而, 近年研究发现,股骨距托影响轴向负荷沿股骨干均 中国综合临床20O7年8月第23卷第8期ClinicalMedicineofChina,hul!!垫. 匀传导,假体置入早期出现轴向不稳定.2004年 至2005年通过测试有股骨距托和无股骨距托人工 假体柄的微动与下沉,分析2种假体植入早期的稳 定性,探讨其临床意义. 1材料与方法 1.1材料新鲜冷冻人股骨6对,分别取自成年男 性尸体.所有股骨肉眼和x线片检查无骨折和其他 病理性损害.测试假体分为无股骨距托和有股骨距 托两种类型(美国).各类型测试假体型号齐全,以 适应本研究测试的新鲜冷冻人股骨.人工假体均由 1名有经验的骨科医师置入.左,右侧股骨随机选用 上述二种人工关节.分别用厂商特制模板,参照股 骨x线片,选择假体型号. 1.2方法假体安装:股骨固定于特制骨干固定 架,小粗隆近端1.0cm处,导具引导下截骨.截骨面 磨平后,钻通股骨髓腔,顺序扩髓,插入人工股骨头 试具后拍x光片.如果骨,柄适应,则拔出试具,打 入测试人工股骨头.股骨干用低熔点合金(美国)固 定于特制金属罐上,股骨干一假体与金属罐平面垂直. 试件用夹具固定后,装配于MTS万能材料实验机上 (MTSBionix858,MTSCorporation,MinneapolisMN. USA),2个可变磁阻式传感器(DVRT)分别用骨蜡固 定至股骨近端与人工股骨头假体.测试轴向微动的 DVRT固定在股骨颈前侧中点与股骨干方向平行;测 试旋转微动的DVRT固定在股骨距中点,与股骨干 垂直.DVRT导线与计算机连接. 负荷方式模拟人体由坐位至站立位股骨头受力 的模式,股骨头同时承受轴向和旋转应力.轴向负 荷为680N,扭转负荷为22N.M.2种负荷同时加载, 加载频率5Hz,循环负荷1000次.计算机应用数据 收集卡(MetraByteDAS16F,Tauton,MA.U.S.A.) 和Lotus测试软件收集数据资料.每隔8分钟收集 数据1次,每次l0S,记录人工股骨头的微动和下沉. 1.3统计学方法数据以?s 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示,采用配对资料 的t检验,P<0.05为差异有统计学意义. 2结果 2.1测试一般情况轴向,旋转复合加载时,人工 股骨头.股骨复合体试件顺加载方向移动,柄,骨交界 面未观察到相对错动.测试过程中,持续用生理盐 水湿润股骨. 2.22种人工股骨头轴向微动,下沉,旋转微动,移 位测试结果?2种人工股骨头的轴向微动无显着 差别.循环负荷8min,轴向微动均<5m;循环负 荷1000次,轴向微动分别<8m(有股骨距托假体) 和<101,zm(无股骨距托假体).?有股骨距托假体 下沉<55I,zm,无股骨距托假体下沉<38I,zm.所有 测试标本的假体下沉都发生在循环复合加载的早 期,循环负荷720次以后,无明显的轴向下沉发生. ?循环加载早期,假体顺扭转加载方向发生旋转微 动.股骨距托假体的旋转微动范围为20,45, 无股骨距托假体的旋转微动范围为5,25,2种 假体旋转微动差别显着(P<0.05).?股骨距托假 体的旋转移位为90,200m,无股骨距托假体的旋 转移位为5,50m.与轴向下沉一样,旋转移位都 发生在循环复合加载的早期,循环负荷720次以后, 无明显的旋转移位发生.所有股骨标本测试完毕, 肉眼观察及x线片检查均未发现骨折. 3讨论 非骨水泥人工股骨头置入后稳定,牢固,持久的 生物性结合,取决于假体置入后的即刻稳定性?, 必须限制假体与股骨近端的相对活动(微动).假体 置入后的即刻稳定性要求假体与股骨髓腔良好匹 配,以及准确的手术操作技术.本研究比较了股骨 距托和无股骨距托人工股骨头植入人体股骨早期的 轴向,旋转微动和移位(下沉),在同一操作者严格按 照操作规程施术的情况下,探讨了该假体与股骨近 端髓腔的匹配程度,提出了其对临床远期效果的生 物力学影响. 微动指在每一步态周期中,假体与人体骨之间 的动力性摆动.移位和下沉指在负荷条件下,假体 持久偏离置人人体骨内的最初位置.要保证人工股 骨头柄置人后的初始稳定,必须限制假体柄和骨间 界面的相对运动(微动).假体一骨间界面的微动被 认为是引起骨吸收,最终导致假体松动的主要因素. Sugiyama等认为扭矩负荷初始的微动是非骨水泥 人工股骨头松动的主要原因.Callaghan总结一组 人工髋关节置换术后15年以上的临床随访观察,结 果人工股骨头下沉率占该组手术患者的29%, 40%.因此,人工股骨头轴向,旋转微动和移位(下 沉)的研究,有助于对人工假体临床应用前景的预测 和评估. 人工股骨头置人人体后的负荷状态非常复杂. 术前髋关节的病理改变,负荷方式,选用不同类型的 人工假体,以及手术操作技巧等,对人工假体的负荷 都有一定的影响.因而人工关节置换术后患者的临 床症状,人工假体松动,移位,异位骨化及不稳定等 的表现形式不尽相同.然而,大量临床实践表明,诸 多形式的人工关节不稳定,最终主要表现为假体的 下沉,旋转和移位.日常生活中各种活动,比如从座 椅上站立,上下楼梯等,对股骨近端主要产生扭转负 荷和轴向压负荷.非骨水泥固定的人工髋关节置人 人体后,早期必须能够承受这些负荷,出现尽可能小 的轴向和旋转微动,以提供受体骨与人工假体表面 生物性结合的条件.而且,在一定负荷条件下,非骨 水泥人工假体控制轴向,旋转微动和移位的能力对 保证假体寿命,减少并发症,具有重要的生物学及生 物力学的意义.因此采用轴向和旋转复合负荷,在 接近人工关节体内负荷时的正常受力状态下,比较 ? 720?中国综合临床20o7年8月第23卷第8期 ClinicalMedicineofChina,August2oo7.Vol23,No.8 不同几何构型人工髋关节的生物力学性能,可以客 观地提供评估其临床应用价值的实验研究依据引. 本研究结果提示,在生理负荷条件下,无股骨距 托和有股骨距托人工股骨头的轴向微动和轴向移位 差异无统计学意义(P>0.05).2种假体轴向微动 差别为2tun,轴向移位为17m. 本研究有股骨距托和无股骨距托假体的轴向微 动和移位无明显差别,说明无股骨距托假体,通过正 常股骨近端的应力,经过皮质骨传导至粗隆部的骨 小梁,分布至粗隆下的股骨干皮质,同样有效地防止 假体的微动和移位.目前认为正常股骨近端负荷传 导方式是最佳生物力学模式,利用粗隆部骨小梁传 导应力,可以增加股骨近端的应力承受,避免应力遮 挡,防止假体松动. 本研究2种假体的旋转微动和移位差别比较有 统计学意义(P<0.05).无股骨距托假体旋转微动 为25,移位达5Om,而有股骨距托假体的旋转 微动为45m,移位达200m.但负荷720次以后, 均无明显的旋转移位方式,反映本实验的有股骨距 托假体在置人的初始阶段,不能与髓腔良好匹配,出 现较大的旋转微动和移位. 股骨距托能使股骨距承受80%正常状态下的轴 向负荷水平,传导负荷应力,因而减小假体柄的弯曲 应力和柄一骨界面的剪切应力m"J.但是,Keaveny 等研究认为,股骨距托只能传导距托附近的负荷, 并影响负荷力沿假体柄均匀传导,分布.Capello-3 认为,股骨距托影响假体柄的轴向稳定和柄一骨间的 适应.模型骨的试验也发现,虽然股骨距托准确地 置人股骨距的表面,但随着循环负荷,股骨托一骨之间 逐渐出现间隙,反映股骨托一骨界面的微动和磨 损. 本研究应用的无股骨距托人工股骨头柄近端的 多角平面设计,可以有效地防止假体的旋转微动和 旋转移位(P<0.05).Noble等(1988年)应用x线 技术观察证明,模仿并适应股骨距解剖构形以及股 骨髓腔近椭圆柱形的人工股骨头柄并不能获得真正 的骨一柄适应.近椭圆形的柄打入骨髓腔后,往往不 能获得柄,骨嵌插,犹如圆孔内的圆木塞不能产生旋 转稳定,而平面楔形柄犹如圆孔内的方木塞,产生有 效的防旋转作用. 本研究结果进一步证明设计新型人工髋关节假 体,假体柄近端特殊的多平面设计,可以提供多平 面,多维固定,保证假体置人后的早期稳定.假体柄 表面的微结构处理,可以增加假体柄的表面积,有利 于假体柄一骨界面的压应力传导.假体柄一骨界面的 紧密接触,利于骨组织长人假体,达到生物性固定, 进一步加强假体的稳定性.旋转稳定对人工髋关节 置换术后早期康复训练具有重要意义.日常活动, 比如由坐位站立产生的旋转负荷,是引起假体松动, 大腿部疼痛的原因】.本研究应用的无股骨距托人 工股骨头具有良好的抗旋转性能,因而对避免人工 髋关节术后并发症,增加假体寿命,减少翻修率,提 供重要的生物力学保障. 本实验提供人工股骨头置人股骨后轴向,旋转 微动,移位(下沉)的实验方法.根据实验资料分析, 循环负荷1000次是较理想的循环负荷周期,循环负 荷720次,无论是微动,还是移位均无明显变化,1000 次以后基本稳定.轴向,旋转复合负荷模式,使研究 结果接近临床实践,提供科学,实用的生物力学研究 结论. 参考文献: [1]ChealEJ,SpectorM,HayesWC.Roleofloadsandprosthesismate' rialpropertiesonthemechanicsoftheproximalfemuraftertotalhip arthroplasty[J].JOrthopRes,1992,10(2):405-422. 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