股骨柄的设计原则.docx

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股骨柄的设计原则

股骨柄设计原则

在过去50年里，人们一直在努力恢复患病的髋关节的正常功能并缓解疼痛。

这样就出现了各种各样的髋关节假体。

在评价全髋关节的功能时必须考虑柄的设计特点。

这些特点包括股骨头、股骨颈、颈领以及柄体。

骨水泥型柄的设计理念和注意事项与非骨水泥型的股骨柄不同。

因此，本文分别就骨水泥型和非骨水泥型股骨柄的上中下段设计原则作一综述。

骨水泥固定的股骨柄

颈领

在所有股骨柄的设计参数中，有无颈领的设计是最有争议的一个。

在骨水泥固定的股骨假体中，设计颈领的初衷是在柄的插入过程中可以对骨水泥进行加压。

结果发现颈领并没有达到预期的目的。

骨水泥型柄的原理是将负荷更合理地传递给近端的股骨和骨水泥，实事上，许多实验和计算机模型研究都表明，带领的股骨柄会将更大的压应力（比较接近正常水平的压应力）传递给内侧股骨距（如图1、图2

所示）。

这一效果有利于降低由于应力遮挡造成的股骨近端骨吸收，降低假体上的弯曲应力，降低假体远端骨水泥套层上的应力（如图3所示）。

锥度设计的股骨柄对负荷传递的特点之一是在近端股骨和骨水泥上产生很高的环形应力。

这种环形应力接近于骨水泥套层的极限拉伸强度，但如果柄带有颈领的话，理论上将降低骨水泥套层上的环形应力，关节系统使用起来将会安全的多。

但是，令人担忧的是：

1、要想使颈领与股骨紧密配合，在技术上很难达到；2、在手术中做到的颈领与骨的任何接触，都无法在术后保持下去。

即使发生很轻微的骨吸收，也会丧失掉假体柄对应力的合理传导，从而丧失了颈领的作用。

数学模型表明，颈领可以将应力通过骨水泥套层传递到股骨距。

相反，实验室研究却表明，加

上轴向负载后，颈领下的骨水泥套层很快碎裂。

但是在临床上，不管是有领或无领骨水泥柄，临床效果都比较好。

股骨柄柄体的设计

股骨柄的设计包括柄的几何特点（长度、形态、横截面），材料特性、表面处理。

形态：

早期的假体柄一般为弯曲形设计，除了横截面为钻石形的以外，这种弯曲形设计的假体柄已经被淘汰了。

因为将这种弯柄插入到一个相对直的髓腔内（尤其是在冠状面上），就很难形成完整的骨水泥套层。

使用这种弯柄，在近端内外侧和远端内侧的骨水泥套层会较薄弱，这就容易形成该部分的骨水泥套层的疲劳断裂，最终导致假体的松动。

而直的、有小锥度的柄可以在插入假体时给骨水泥加压，并能保证骨水泥套层更完整一些。

柄的长度：

也是一个相当有争议的参数。

首先必须考虑纯技术的因素，比如插入髓腔时是否容易，取出时是否有困难。

数学模型研究表明，太短或太长的股骨柄都会在某些点产生应力集中。

比如，柄太长时，会增大柄本身的应力，而且会在股骨近端产生应力遮挡。

柄太短会在近端产生高应力，这个应力可能会超出骨和骨水泥的极限强度。

对于大部分初次置换的患者来说，柄长度在100至130mm之间为最佳。

其它因素如翻修术中皮质骨的缺损，也会对假体植入效果产生重要影响。

股骨柄的横截面：

是描述柄的体积和材料沿柄轴向的分布情况。

该设计参数与材料的物理性质结合起来分析，至少可以部分地代表柄的结构特点，比如柄的强度和硬度。

某些假体的横截面形态比别的假体能够产生更好的力学环境。

应该避免股骨柄带有尖角，因为尖角会产生明显的应力集中从而引起骨水泥和骨的破裂。

那些柄的外侧比较厚的股骨柄抗弯能力比较好，因此对骨水泥产生的拉伸应力要小。

而那些内侧比较厚的股骨柄，对骨水泥套层产生的压应力比较小，因为骨水泥的抗压强度比抗拉强度大三倍，所以在设计骨水泥型股骨柄时，要尽量降低柄对骨水泥的张应力，这样的柄用起来相对安全。

图4表示了几种比较合理的骨水泥柄的横截面。

这一分析的前提是通过髋关节的负荷会在冠状面上主要产生弯曲应力。

事实上，在爬楼梯和步行过程中，股骨柄在矢状面上产生的弯曲应力也是比较大的。

假体材质：

早期的许多假体材质都是都是不锈钢。

不锈钢是一种比较硬的材料（即弹性模量比较高），但是疲劳强度和屈服强度比较低。

钴铬钼合金的疲劳强度和屈服强度都比较好，但是弹性模量比不锈钢稍高一点。

钛合金的弹性模量大约是钴铬钼合金或不锈钢的一半（如图5所示）。

弹性越好的柄内部应力也越小，可以更好地将压应力传递给近端的骨和骨水泥，但是，柄太大会降低骨水泥套层的厚度，并对远端骨水泥套层产生过高的拉伸应力。

以上两种情况都会产生骨水泥的断裂和假体的松动。

对于骨水泥固定的假体，不适合于用钛合金。

表面处理是另一个非常有争议的设计特点。

有一些新设计的骨水泥固定的假体，股骨柄的表面作粗糙处理、多孔涂层或预涂骨水泥。

这些表面处理的方法提高了骨水泥与柄之间的结合强度，因此限制了柄远端的移位和柄在骨水泥套层内的微运动。

由于假体与骨水泥套层之间结合良好，所以这些表面处理方法可以降低骨水泥套层上的应力。

然而，如果假体柄一但与骨水泥套层剥离，则假体的粗糙表面会加速磨损颗粒的形成，增加骨溶解的发生。

因此，目前市面上的股骨柄都作了表面抛光处理以避免类似的问题。

研究数据表明，对股骨柄进行某种程度的抛光处理后临床效果非常好。

但是临床数据还不能充分说明某种设计优于另一种。

骨水泥套层

在股骨柄周围形成满意的套层厚度是非常必要的，如果套层很薄，就成为薄弱部位，从而发生内水泥套层的断裂。

骨水泥断裂进而又导致假体枘的公动和置

换手术的失败。

骨水泥套层的厚度由几个因素决定。

经过处理后股骨髓腔的大小和形状与要植入的大小之间的关系非常重要：

如果假体没有比所使用的扩髓器小一号的话，就不会形成完整的骨水泥套层。

股骨假体放置不当会引起局部骨水泥层过薄，例如，如果股骨柄放在明显的内翻位，则近端内侧和远端外侧会出现局部骨水泥套层过薄甚至出现缺损。

目前，大部分假体的设计都具有假体中置机制，包括组合型的或出厂时已装配好的骨水泥占位器，有时候，假体近端的几何结构可以保证假体在植入时处于居中位置。

骨水泥固定假体的临床结果及手术要点

骨水泥型THA的结果差别很大，影响结果的因素包括：

（1患者的体格

（2）

假体的类型（3）所采用的手术技术和骨水泥技术（4）手术医生（5）对手术结果的判断（6）随访时间的长短。

使用第一代骨水泥技术时，Charnley全髋关节假体的临床效果最好，除此之外的假体系列的效果都不如意，主要原因有：

假体内侧边角过窄，过尖引起骨水泥套层上的应力过高，假体几何外形会引起局部骨水泥套层过厚。

术前计划非常重要。

股内假体模板用于确定合适的假体设计和尺寸。

至于先择何种设计的股骨柄，要根据医生的个人喜好和患者股骨近端的几何形态。

所选择的假体型号要与髓腔相匹配，并留出足够的骨水泥套层空间（套层厚度最低2－

3mm）。

股骨颈的截骨水平要使患者的两条腿等长并且恢复患者固有的髋关节偏心距。

医生喜欢用那些能够把好的松质骨保留下来用于与骨水泥互锁的髓腔工具。

很多假体都需要用铰刀对髓腔稍作处理，然后用扩髓器对髓腔进行扩髓处理。

这样做的目标是使所准备出的髓腔在冠状面和矢状面上处于正确位置。

骨水泥型股骨柄设计原则小结

颈领：

股骨柄带有颈领将更有利于应力的合理传导，但是使用颈领的手术技术要求高

柄形态：

柄形态为直柄更容易形成完整的骨水泥套层。

柄长度：

初次髋关节置换手术，柄长度为100-130mm为最佳长度。

柄的横截面：

柄体四周要避免尖角，以防止由于应力集中而造成骨水泥断裂。

柄外侧而要宽，内侧要较窄，这样会降低骨水泥上的张应力，使用起来相对安全。

根据Crowninshield等人的研究［24］，图4中G图的梯形横截面为最优设计，外侧宽、内侧窄，这种横截面的股骨柄内侧最大压应力与外侧最大拉伸应力之比最大，使用起来最安全。

柄体的材料：

由于钛合金弹性模量太小，不适合用于骨水泥型股骨柄。

同时要想取得手术的最大成功，还必须注意手术工具的设计和手术技术的精确。

非骨水泥固定的股骨柄

不用骨水泥固定的假体的设计原理已经为人们所了解并接受。

和膝关节不同，非骨水泥固定的膝关节假体已经越来越不受重视，而非骨水泥固定的髋关节假体却依然受欢迎。

下面的内容阐述了非骨水泥固定的股骨假体的设计原理和特点，计论了手术入出指征和患者选择，总结了手术技术，讨论已经发表的结果和并发症。

生物固定的基本原理

生物固定的核心概念是在假体和骨之间产生一个“活”的界面。

多孔材料：

对多孔材料的研究已有30多年的历史。

这些材料主要包括钴

铬钼合金、钛及钛合金、含碳材料、氧化铝陶瓷、聚乙稀，甚至还有聚甲基丙烯酸甲脂。

多孔金属材料强度大、抗研磨性能好、力学强度好，所以能够承受高负荷，因此比多孔聚合物应用效果好。

钛的生物相容性比其它合金的生物相容性都要好，但这并不是骨长入的决定性因素。

临床研究发现，用烧结珠粒的方法得到的多孔覆层和用扩散粘结金属纤维得到的多孔覆层骨长入量没有明显差别。

孔径大小：

150-400m的孔径可以产生持续的组织反应，骨的形成速度最快，生物固定的进展也最好。

假体的运动：

假体在髓腔内相对于原位置的运动对于骨长入是一种负面刺激，对于纤维组织的形成是一种正面刺激。

虽然对这种运动参数还没有量化定义，但“微运动”一词经常被用来讨论这一问题。

文献中提到，发生骨长入可接受的界面运动范围为50-100卩m很明显，这对手术中假体取得稳固的生物固定提出了很高的要求。

Soballe等人的研究表明，在重复出现的微运动的刺激下，带有HA的多孔覆层假体周围很快长出了越来越多的骨（界面强度不断加强），而没有HA

的多孔覆层假体骨长入效果较差。

假体与骨床的贴合:

假体与骨床紧密贴合，不仅对于立即稳定性是必要的，而且会有更快速和更完整的骨长入。

假体多孔表面和骨之间的间隙应该保持最小，这个距离不应该大于50卩m

通过微互锁达到力学固定:

多孔覆层假体通过长入的组织与骨床构成微互锁固定方式。

如果长入组织为皮质骨，则每平方英寸的剪切强度超过1吨

（15-25Mpa。

如果长入组织为松质骨，固定强度则比较差，比皮质骨低一个数量级。

如果已知假体表面骨长入的量及单位面积上的界面强度，就可以知道假体由于组织长入所达到的稳定性。

对于某些类型的假体，常常会有纤维组织长入；目前，人们对纤维组织的固定强度还没有作定量研究。

由于已经发现有纤维组织长入的假体在翻修时也非常困难，在用力取出假体时会把相邻的松质骨也一同撕脱掉，这样看来，这种纤维性微互锁的力学强度也可以达到每平方英寸几百磅。

生物活性陶瓷的理化特性:

人造HA和磷酸三钙（TCP）作为生物活性物质或骨传导物质被用于假体涂层以增大骨在假体表面的长入范围。

HA的钙/磷比为1.67,性能稳定，与TCP（钙/磷比为1.5）相比，在体内不容易被溶解掉。

对于普通的假体柄，表面具有HA涂层的假体，固定强度比不使用HA的假体强。

对于表面具有多孔覆层的假体，使用HA后固定率和固定速度、骨长入假体表

面的面积都比不使用HA的假体有提高。

但最终的应力分布与不使用HA的类似。

磷酸钙涂层主要有两种用途。

一种是用于表面光滑的假体，依赖于骨这种物质的理化附着来增强固定。

这种用途的磷酸钙要求有很高的纯度和很高的结晶度，要求这种物质尽可能地不溶解。

由于磷酸钙不可避免地具有一定的溶解度，所以第二个用途是把HA或HA与TCP的混合物作为附加涂层覆于假体多孔覆层的表面，利用骨传导作用通过骨长入达到假体与骨的机械互锁。

在这种方式下，磷酸钙的溶解或吸收对假体的远期固定影响不大。

TCP或HA应用于假体表时，一般用等离子沉积的方法；假体基体一般选用钛合金，因为钛合金与涂层的结合强度比钴铬钼要高。

涂层越薄，机械强度越好。

涂层的典型厚度为50卩m,但是更厚的、200卩m以下的涂层临床上也有广泛应用。

HA涂层假体的早期临床结果是令人鼓舞的，但仍需要进一步的研究结果作验证，远期随访结果也有待作进一步