研究背景:股骨头缺血性坏死及髋关节骨性关节炎较为常见,其晚期结果是导致髋关节疼痛和严重的功能障碍。在减轻疼痛和改善病人的生活质量方面,全髋关节置换术的效果是显著的。在已公布的术后15-20年随访数据显示病人满意度是非常高的,而且翻修率也非常低。但患有同种疾病的年轻患者特别是活动强度较大的年轻患者并没有取得如这些老年患者的优良的疗效。一些作者发表的数据显示:年龄低于40岁的患者在行传统的全髋关节置换术后的10-12年随访,其失败率大都在30%-56%,患者的活动程度与早期假体失败具有密切联系。这就留给患者和外科医生一个难题,翻修手术,其成功几率远小于初次手术。全髋关节翻修术在技术上难度较大,外科医生还经常面临软组织瘢痕粘连,骨量不足等难题。与全髋关节置换术比较,髋关节表面置换术有着诸多优势,如保留股骨头,股骨颈,方便于日后翻修,保存了股骨近端的生理力学分布。新一代髋关节表面置换术的早期临床效果是令人鼓舞的,其并发症如股骨颈骨折、移位、翻修的发生率较低。髋关节表面置换术已成为年轻或对髋关节活动度要求较高的髋关节骨关节炎终末期患者更具吸引力的手术治疗方式。由于保留股骨头颈骨量,其手术损伤小。术后股骨近端正常生理的力学传导以及良好的生物力学模式使得所保留的股骨头颈部骨量得到较好的保存。因为年轻人预期寿命大多都比假体使用寿命长,需要二次翻修,表面置换术对日后翻修是一个不错的选择。髋关节表面置换术是一种保留股骨头,股骨颈骨量的治疗髋关节病变的一种术式,但它不是一种全新的概念。它最早出现在20世纪50年代,在过去的几十年中,它经历了几个不同的技术阶段。最早期的表面置换由于骨质溶解而失败。随着深入研究,产生了第一代金属对金属表面置换术。由于制造工艺落后,早期金属对金属表面置换术最终因股骨与髋臼假体粘连、无菌性松动及股骨颈骨折失败。在20世纪90年代,随着金属对金属全髋关节置换术的成熟发展,金属对金属表面置换术也迎来了又一次蓬勃发展。新一代经过改良设计的金属对金属假体使髋关节表面置换术作为髋关节病变的另一种可供选择的手术治疗方案重新并逐渐得到了广泛的运用。髋关节表面置换有限元分析已由简单的二维模型演变到几何模型精确复杂的三维模型,并运用适量的生理载荷进行分析。基于CT图像建立的三维模型更能准确的计算个体应力。先前一些表面置换术后股骨侧的有限元分析显示髋关节表面置换术后股骨近端应力遮挡降低。目前国外对髋关节表面置换生物力学研究主要集中研究股骨颈的应力变化,其缺点就是没有考虑到髋臼假体对股骨侧应力变化的影响。与单纯的股骨侧应力研究对比,对术后髋关节应力变化整体研究更接近更符合人类正常生理活动,其主要模拟了标准步态运动时髋臼与股骨头的接触应力,较为真实反应术后髋关节的应力变化,其模拟的条件更贴近实际,结果的可信度更高。目的:1.建立髋关节表面置换系统的有限元模型,在生理性载荷下测试应力分布;2.分析人工髋关节表面置换术后股骨及假体的应力分布,为改进髋关节表面置换术的手术技术提供生物力学方面的依据;3.分析髋关节表面置换术后股骨颈的不同部位的不同应力变化,分析股骨头应力遮挡存在与否。方法:三维有限元模型的建立:对完整的无病变的右侧近端股骨和表面置换术后的股骨头的近端股骨假体,进行电子计算机体层(CT)扫描,并把扫描数据输入mimics10.01及abaqus6.5有限元分析软件进行模型建立。股骨侧植入直径为48mm的股骨头表面置换假体(Zimmer公司产品)。用骨水泥(聚甲基丙烯酸甲脂,PMMA)将假体内表面和股骨进行固定。假体短柄置入适当的位置,在模型上被认为是完全去带环的。PMMA和假体的弹性模量分别被设定为2500MPa和235000 MPa。所有材料的泊尔松比值根据文献赋值。用abaqus 6.5软件对网孔进行产生和分割。我们把模型分为5部分:髋臼侧假体,股骨侧假体,骨水泥,皮质骨和松质骨。模型用六面体单位进行分割。髋臼侧假体包含5465个单位和11062个节点,股骨侧假体包含6883个单位和9880个节点,骨水泥包含9829个单位和12295个节点,皮质骨包含80222个单位和104306个节点,松质骨包含62346个单位和73689个节点,模型用abaqus 6.5软件进行分析。这些载载条件跟在静止载荷条件下一样,被运用于有限元模型上。体重设定为60千克。这些载荷均布接触区域。位于远端股骨的节点在每个方向上都进行约束。股骨侧的模型被分割成8个部分进行应力分布测量。测量不同位点的VonMisses应力。统计学分析:定量数据全部用均数±标准差(X±SD)表示,所有数据用方差分析和独立样本T检验,全部数据用SPSS16.0进行统计学处理,显著性水准(a)均设为0.05。结果:1.髋关节表面置换术后股骨受力总体模式不变,股骨颈存在应力遮挡。应力峰值存在于股骨颈基底部,与其他区应力值比较均存在显著性差异(P＜0.001)特别是转子窝附近以及骨-假体界面。2.假体应力分布:应力峰值存在于髋臼及股骨假体外上方、髋臼杯沿与股骨假体交界处以及骨-假体界面(P(0.001)。3.在表面置换术后的股骨上,峰应力分布在股骨颈的上面,存在于骨的重建的整个过程。术后应力遮挡发生在近侧股骨头内。与正常的股骨模型相比较,在股骨头上方应力减少。结论:1.髋关节表面置换术后股骨受力总体模式不变,股骨颈存在应力遮挡。峰应力存在与股骨颈基底部及骨-假体界面,为了减少术后股骨颈骨折的发生率,术中应特别加以保护上述区域。2.髋关节表面置换术后,应力遮挡存在于股骨头内,它会引起置换术后的股骨头骨密度的改变,并导致骨的重建,最后导致股骨头上部区域的骨密度降低。