定制化钛合金人工月骨假体的三维有限元模型建立及生物力学分析

王斌1，蔡兴博1, 2，张悦1，张必欢1，徐永清2

1. 昆明医科大学研究生院（昆明  650000）

2. 中国人民解放军联勤保障部队第九二〇医院骨科（昆明  650000）

基金项目：中国人民解放军联勤保障部队第九二〇医院院内应用基础研究计划成长项目（2020YGB04）；云南省临床医学中心项目（ZX20191001）；云南省科技厅科技计划项目（202102AA310068）

通信作者：徐永清

关键词：Kienböck病；定制化假体；月骨置换；有限元分析；生物力学

引用本文： 王斌, 蔡兴博, 张悦, 等. 定制化钛合金人工月骨假体的三维有限元模型建立及生物力学分析. 中国修复重建外科杂志, 2023, 37(7): 821-826. doi: 10.7507/1002-1892.202301039 

摘　要

目的

设计定制化钛合金人工月骨假体，利用有限元分析构建假体置换前后腕关节三维有限元模型，观察置换术后腕关节生物力学改变，为假体临床应用提供生物力学依据。

方法 

取1具新鲜冰冻人前臂标本，经cortex动作捕捉系统测量腕关节掌屈、背伸、尺偏、桡偏最大活动度分别为48.42°、38.04°、35.68°、26.41°。CT扫描获取腕关节数据，首先导入Mimics21.0软件、Magics21.0 软件初步构建腕关节三维模型，设计定制化钛合金人工月骨假体。然后采用Geomagic Studio 2017软件、Solidworks 2017软件构建正常腕关节、月骨假体置换术后腕关节三维有限元模型（正常模型、置换模型）。ANSYS 17.0有限元分析软件中，于腕关节掌屈15°、30°、48.42°，背伸15°、30°、38.04°，尺偏10°、20°、35.68°，桡偏5°、15°、26.41° 分析置换前后腕关节应力分布及形变，以及月骨及月骨假体的应力分布情况。

结果 

研究成功构建假体置换前后腕关节三维有限元模型。掌屈、背伸、尺偏、桡偏方向不同活动度腕关节模型的网格划分节点及网格数存在一定差异。在掌屈、背伸、尺偏、桡偏方向，正常模型及置换模型腕关节最大形变均发生于桡侧，且均随活动度增大而逐渐增大；腕关节最大应力亦随活动度增大而逐渐增大，在最大活动度下应力均集中于桡骨近端，整体表现为由桡侧腕骨向桡骨近端移动的趋势。在不同方向上正常月骨最大应力均表现为随活动度增大而逐渐增大趋势，且应力位置发生对应改变。而月骨假体最大应力均集中在假体尺侧，背伸时随活动度增大逐渐增大，掌屈、尺偏、桡偏时则整体表现为随活动度增大而逐渐减小。术后月骨假体所受应力较正常月骨明显增大。

结论

有限元分析提示采用定制化钛合金人工月骨假体置换不会改变腕关节载荷传递模式，为假体临床应用提供数据支持。

正文

Kienböck病，也称为月骨无菌性坏死、月骨缺血性坏死或月骨软化症，是一种进行性破坏性病理过程，可导致患者腕部慢性疼痛和功能障碍。对于早期保守治疗无效或症状较重患者可选择手术治疗，以尽可能恢复月骨的血运和形态，主要术式包括截骨术、骨移植术、肌腱填塞术、关节融合术和假体置换术等[1]。与其他术式相比，假体置换术具有能重建解剖结构、保持腕部高度和活动度、预防进一步腕关节塌陷、改善疼痛症状的优点，但是也存在术后假体松动、腕关节退行性改变等情况，影响疗效[2]。Kanatani等[3]及Viljakka等[4]的临床长期随访研究显示，人工硅橡胶月骨假体置换治疗Kienböck病后患者易出现腕关节退变和腕管综合征等问题，提示该类月骨假体不适用于Kienböck病。有学者研究发现骨水泥假体能有效终止腕骨塌陷、缓解疼痛症状、改善手部功能并延缓病情进展，同时在易用性、安全性和经济方面具有一定优势，但同样存在远期腕关节退变等问题[5]。而上述问题的出现与假体和周围骨匹配度不高、组织无法长入等因素有关，为此设计并制备个体化以及具有较高稳定性的假体成为研究焦点。近年3D打印技术的发展与广泛应用，也为根据患者个体解剖结构和需求定制个体化假体奠定了技术基础。

本团队前期3D打印微孔钛人工腕关节临床研究发现，个体化设计假体能与髓腔精准匹配，获得良好初始稳定性；同时假体微孔结构允许骨长入，可增加假体稳定性，降低远期松动风险[6]。马天晓[7]研究发现3D 打印多孔结构材料可以与软组织形成有效、紧密且稳定的生物学连接，获得高质量软组织重建效果，在此基础上有望制备个性化、能牢固固定及生物相容性良好的假体，满足患者对肢体功能日益增高的需求。结合上述研究发现，我们对人工月骨假体的设计提出了“定制化”和“软组织长入”两个目标。本研究基于人腕关节尸体标本，设计定制化钛合金人工月骨假体，并采用有限元分析技术行置换前后腕关节生物力学分析，探讨该假体设计理念可行性，为下一步临床研究奠定基础。

1、材料与方法

1.1实验标本

新鲜冰冻人体右前臂标本1具，由昆明医科大学海源学院解剖教研室提供，经腕关节X线片、CT检查排除骨折、肿瘤等影响腕关节结构的疾病，置于–20℃保存，实验前24 h取出于室温下解冻。

标本活动度测量：剔除标本近、远端部分软组织，显露骨性结构并使用聚甲基丙烯酸甲酯包埋固定，头状骨、桡骨远端各植入1枚携带4枚荧光标记球、直径2.0 mm的克氏针。将标本用夹具夹持固定于活动度测试实验台上，在掌屈、背伸、尺偏、桡偏4个方向上对腕关节施加4 N·m力矩，于cortex动作捕捉系统测量腕关节上述4个方向最大活动度分别为48.42°、38.04°、35.68°、26.41°。

1.2实验仪器及软件

LigntSpeed 64排螺旋CT（General Electric公司，美国）；cortex动作捕捉系统（Motion Analysis 公司，美国）。Mimics21.0软件、 Magics21.0软件（Materialise公司，比利时）；Geomagic Studio 2017软件（Raindrop公司，美国）；Solidworks 2017软件（Dassault Systemes公司，法国）；ANSYS17.0有限元分析软件（ANSYS公司，美国）。

1.3定制化钛合金人工月骨假体设计

采用64排螺旋CT对前臂标本腕关节进行扫描，扫描范围包括手、腕关节及尺、桡骨远端，扫描参数：120 kV，350 mA，层厚 0.625 mm。将获得的CT数据以 DICOM 格式导入 Mimics21.0 软件，依据不同组织灰度值进行自动化阈值分割区分，初步分离腕关节周围腕骨、掌骨及尺、桡骨；利用 mask 功能对腕骨、掌骨及尺、桡骨进行细化填充；利用手工编辑图层工具擦除上述骨块表面凸起及补足其凹陷部分；分别进行 wrap 和 smoothing 处理，初步建立腕关节三维模型。将获得的腕关节模型数据以 STL 格式导入Magics21.0 软件中对月骨进行三维重建，并按照1∶1比例设计月骨假体。

月骨假体头月关节面、桡月关节面设计为光滑面，形成头月关节、桡月关节，利于置换术后最大限度恢复腕关节活动度；舟月关节面、月三角关节面为孔隙面，利于置换术后软组织爬行附着，增加假体稳定性。于假体掌侧面设计穿线孔，体内生物力学试验及临床应用时可使用肌腱线将假体缝合在掌侧软组织（尺三角韧带、桡三角韧带、桡舟月韧带等），达到假体柔性固定，保留腕关节最大活动度。见图1。

图 1定制化钛合金人工月骨假体示意图

1.4定制化钛合金人工月骨假体置换术前后三维有限元模型建立

将1.3获得的腕关节三维模型以STL 格式导入Geomagic Studio 2017软件。在软件中抹去模型钉状物和多余特征，行优化光滑处理，通过精确曲面等过程进行曲面化后生成几何模型，以STP格式导入Solidworks 2017软件。在软件中对几何模型进行特征识别和曲面诊断，对有问题的曲面进行修复，在装配界面将术前正常腕关节模型的皮质骨、松质骨和术后置换模型的皮质骨、松质骨、假体分别装配完成；将模型保存为SLDPRT零件格式文件后创建软骨，再根据正常人体切除多余部分组织，最后进行干涉处理获得正常腕关节模型和定制钛合金人工月骨假体置换术后腕关节模型。

将生成的体网格模型以X-T格式导入ANSYS17.0有限元分析软件，建立Static Structural静力分析模块，分别建立皮质骨、松质骨、软骨及假体属性参数[8-9]，弹性模量分别为18 000、100、10、2.1×105 MPa，泊松比分别为0.3、0.3、0.45、0.3。假体由钛合金（Ti-6Al-4V ELI）制成，骨间韧带刚度系数参考Bajuri等[10]设定，然后对模型进行网格划分。见图2。

图 2置换前网格模型示意图

1.5载荷加载及观测

于ANSYS 17.0有限元分析软件中，分别对置换前后腕关节三维有限元模型进行分析，对桡骨和尺骨近端施加约束，以协助解决模型收缩。固定腕掌关节及肌腱止点（拇长展肌、桡侧腕屈肌、尺侧腕屈肌、尺侧腕伸肌、桡侧短腕伸肌、桡侧长腕伸肌），防止x、y轴方向运动，使所有骨骼（不包括桡骨和尺骨）均能在施加载荷方向上运动；载荷施加于掌骨远端，参考Gíslason等[11]研究分别在第1、2、3、4、5掌骨远端施加225.60、120.30、106.40、88.00、77.30 N载荷，方向垂直于受力面，模拟腕关节静态握力。为研究置换术后腕关节应力及形变变化趋势，在腕关节标本最大活动度基础上，最终选取掌屈15°、30°、48.42°，背伸15°、30°、38.04°，尺偏10°、20°、35.68°，桡偏5°、15°、26.41° 进行分析，观测指标包括置换术前后腕关节应力分布及形变，以及正常月骨和月骨假体的应力分布情况。

2、结果

2.1三维有限元模型构建

研究成功构建正常腕关节和定制钛合金人工月骨假体置换术后腕关节三维有限元模型（正常模型、置换模型）。正常模型包括掌骨、腕骨、尺骨、桡骨、软骨以及骨间韧带，关节中立位模型共包括445 868个节点、260 041个网格；置换模型仅月骨假体替换正常月骨，关节中立位模型共包括556 379个节点、337 945个网格。掌屈、背伸、尺偏、桡偏方向不同活动度的模型网格划分节点数及网格数存在一定差异，详见表1。

2.2生物力学分析

在掌屈、背伸、尺偏、桡偏方向，正常模型及置换模型腕关节最大形变均发生于桡侧，即舟骨、大多角骨、小多角骨及第1掌骨处，且形变程度均随活动度增大而逐渐增大；腕关节最大应力亦随活动度增大而逐渐增大，在最大活动度下应力均集中于桡骨近端，整体表现为由桡侧腕骨向桡骨近端移动的趋势。见表2及图3、4。

图 3正常模型不同方向腕关节形变 a. 掌屈；b. 背伸；c. 尺偏；d. 桡偏

图 4 置换模型不同方向腕关节形变 a. 掌屈；b. 背伸；c. 尺偏；d. 桡偏

在掌屈、背伸、尺偏、桡偏方向，正常月骨最大应力均活动度增大而逐渐增大，且应力位置也发生改变。而月骨假体最大应力均集中在假体尺侧，背伸时随活动度增大逐渐增大，掌屈、尺偏、桡偏时则整体表现为随活动度增大而逐渐减小。月骨假体所受应力较正常月骨明显增大。见表3。

3、讨论

本研究基于人腕关节标本设计了定制化钛合金人工月骨假体，并采用有限元分析对置换前后生物力学进行分析。目前，有关腕关节有限元分析研究构建的模型均不够全面或参数赋值不够精细。例如，张浩等[12]研究中为减少运算量，构建的三维有限元模型仅包括了骨与软骨，未进行肌腱及韧带建模。魏明杰等[13]的舟月骨间韧带应力分布研究中，为减少运算量，构建的三维有限元模型仅包括腕骨及尺、桡骨远端组织，不同方向载荷加载是通过在腕骨上绕x、y轴加载角位移模拟，并未重建掌骨以及在掌骨上施加载荷以模拟正常腕关节握力，同时不同韧带为同一参数，未根据实际情况对不同韧带参数进行具体赋值。Gholamian等[14]对桡骨远端关节假体进行生物力学分析时，未考虑腕关节骨和韧带。通过总结上述有限元分析研究建模不足，本研究重建了腕骨、掌骨及尺、桡骨远端骨质结构，并对腕掌侧韧带、腕尺侧副韧带、尺三角韧带、桡三角韧带、桡舟头韧带、舟头韧带等腕骨间、腕骨掌骨间、腕骨与尺桡骨间的关节软骨和骨间韧带进行了完整重建，并对不同韧带参数进行具体赋值，从而使模型更贴近实际。同时，现有研究大多采用腕关节中立位模型进行有限元分析。例如，Bajuri等[15]通过构建中立位正常腕关节模型和类风湿性腕关节炎模型比较应力分布差异；Gislason等[16]通过构建中立位Universal 2腕关节假体置换后腕关节模型，分析假体、腕骨及桡骨远端应力分布情况。而本研究构建了不同方向梯度活动度的腕关节三维有限元模型，并对其进行形变和应力分布分析，以期探究在腕关节运动过程中形变及应力变化趋势。同时分析月骨置换手术前后有无载荷传递模式的改变，是否对腕关节造成影响，以评估假体安全性和有效性。

腕关节负荷转移是腕关节生物力学的一个重要因素，载荷传递模式对于理解正常关节生物力学和解释骨关节炎[17]或Kienböck病[18-19]等疾病的发病机制具有重要指导意义。本研究结果显示，在运动度逐渐增大情况下，腕关节形变及应力均呈逐渐增大趋势。腕关节形变及应力位置主要在桡侧，包括桡骨、舟骨、大多角骨、小多角骨及第1掌骨，与Schuind等[20]和Genda等[21]的研究结论一致，即腕关节载荷传递主要通过桡、舟骨完成，并且在载荷传递过程中，桡、舟骨产生了最大形变。同时Genda等[21]的研究发现腕关节轻度背伸时，通过月骨的负荷显著增加。本研究正常月骨及月骨假体背伸时均表现出应力升高，与上述文献报道相符。我们认为置换术后腕关节桡侧柱仍为载荷传递主要通道，术前和术后腕关节整体应力的变化趋势基本一致，表明本研究设计的定制化钛合金人工月骨假体未改变腕关节载荷传递模式。

本研究结果显示术后月骨假体所受应力较正常月骨明显增大，我们分析可能有以下几点原因：① 因假体植入后与周围韧带之间经肌腱线缝合柔性固定，所以与周围骨组织之间的紧密度降低，从而增加了假体运动幅度，导致应力增大。② 假体模型重建时无法将假体尺、桡侧孔隙面进行完整重建，假体与周围骨组织匹配度不佳，模型显示假体过小，导致应力集中。③ 月骨假体为钛合金材质，硬度较正常骨组织明显增大，在假体与周围骨组织接触时更容易发生应力集中。

综上述，本研究设计的定制化钛合金人工月骨假体可行。但是本研究存在以下不足：首先，研究模型选取腕关节活动度有限，而且是静态模拟，不能完全反映腕关节运动过程以及在运动过程中应力和形变的变化。其次，在假体设计方面，掌侧穿线孔可用于将假体柔性固定于掌侧软组织，但是该柔性固定不能在本研究三维有限元模型中完全体现。因此，在今后的研究中需要进一步探讨和改进有限元分析技术，以更准确地模拟腕关节在运动过程中的应力和形变变化，为临床试验提供更多参考依据，以提高人工月骨假体置换术的安全性和有效性。

参考文献：略