日常活动和位置对双移动性髋关节种植体运动学和接触力学的影响

摘要

双移动性髋关节假体近年来被广泛应用于治疗脱位。然而，不同步态对双移动性髋关节假体运动学和接触力学的潜在影响尚不清楚。此外，与种植体位置的大范围运动耦合，特别是大倾角或前倾角，可能导致较差的运动学和接触力学。本研究采用先前发展的动态有限元方法，研究双移动性髋关节假体在不同步态耦合不同倾角或前倾角度下的运动学及相应的稳定性。结果显示，在中等倾角和前倾角度下，双移动性髋关节假体弯曲膝盖时，只有内部相对滑动，而前倾角度为25°时，会导致外部关节的撞击和相应的相对滑动。然而，在倾角为45°、前倾角度为0°时，爬楼梯、坐下/起立以及组合运动中确实发生了杆颈与衬套内缘之间的撞击，最终导致外关节相对滑动。与适度的倾斜角和前倾角相比，高倾斜角并没有使撞击和相关的外滑动恶化，但高前倾角延长了撞击和外相对滑动的时间。极端的运动和高前倾角是不可避免的，它们确实导致双活动髋关节假体的两个关节运动。

1.导言

双性髋关节植入物已被广泛引入，以防止人工髋关节的长期错位[1，2]. 经过几十年的临床试验，与传统髋关节植入物相比，这种假体表现出良好的稳定性和较低的脱位率，特别是在有较高脱位风险的情况下，如翻修和髋臼骨缺损[2-4］.因此，双活动髋关节假体被认为是预防术后人工髋关节脱位最有效的方法。到目前为止，这种类型的植入物已经在世界范围内广泛使用，特别是在欧洲[5，6］.

双流动性髋关节植入物主要由背壳，中间衬垫，和模块化股骨头（干耦合）的。因为衬垫没有约束到后壳了，因为所做的常规髋关节，其意图是可移动的，因而引入了两个关节（内关节运动：股骨头和衬套的内表面;外关节运动：的内表面这类植入物的背壳和后壳的外表面）。行走运动过程中的衬垫将保持静态当杆旋转时，并且因此，如果两个铰接类似润滑仅发生内关节运动的相对运动。然而，可能的是，所述杆颈撞击衬套的内缘时高前倾角最初相同的行走下设置在内衬和最终导致衬套的转动与杆（在外侧关节相对运动）一起活动。无论是在行走步态周期这两个不同的相对运动的进行了在研究中通过Gao等人观察到。[7，8]. 除了内衬的高前倾角外，大范围的运动（如爬/下楼梯和坐/站椅子）可能会导致撞击，然后导致双活动性髋关节植入物外关节的相对运动。因此，双活动度髋关节假体可以保持良好的稳定性，防止脱位。然而，内关节和外关节的潜在相对运动可能导致磨损增加，从而导致磨损性骨溶解。临床上，Geringer等人[9]测量了12个双活动性髋关节植入物回收衬垫的磨损量，并对10个样本的内表面和外表面进行了检查。亚当等人[10.也报道了类似的结果，双活动髋关节假体回收。理论上，Fabry等人[11.]研究了双活动度髋关节植入物在不同运动情况下的动力学行为，发现在爬楼梯和椅子向下/向上（由柄颈和衬垫内缘之间的撞击引起的外部运动）下，内关节和外关节都有双运动。这些研究证实，双活动度髋关节植入物可能会经历复杂的运动。然而，目前的研究仍然没有揭示双活动性髋关节植入物在不同运动下的复杂生物力学，特别是那些可能导致撞击和随后的双运动的活动。虽然没有发现大倾角会增加双活动度髋关节植入物的磨损量[12.，13.]，高倾角或前倾角可能更容易导致双移动性髋关节假体的边缘负荷和边缘磨损，类似于传统髋关节假体[14.］.前期研究表明，即使行走时倾斜度为70°，也不会发生撞击和相应的衬套外关节相对滑动;然而，当衬管的前倾角超过20°时，情况就不一样了[8]. 此外，一旦大范围的运动与衬垫的大倾角或前倾角相结合，将进一步导致双活动性髋关节植入物的生物力学恶化。这最终可能会恶化双活动性髋关节植入物的稳定性或运动范围（ROM）。然而，在这些极端条件下，双活动度髋关节植入物的运动学和稳定性仍不清楚。因此，本研究旨在使用先前开发的显式动态有限元方法，研究日常活动和倾斜/前倾对双活动性髋关节植入物运动学和接触力学的影响。

2。材料和方法

一种双流动性髋关节植入物，包括背壳，衬里，股骨头，和茎，建模为在图1(一)不考虑骨盆（骨盆不会明显影响运动学和假体的接触力学）。该植入物的形状，主要是采取从农奴的双重流动性髋关节植入物[15.]包括所有三个组件的形状和键尺寸。股骨头是钴 - 铬合金，直径为28毫米。衬里是超高分子量聚乙烯（UHMWPE），其内径和外径分别为28.3mm和48.95mm。双迁移率臀部植入物的详细尺寸和材料如表所示1．股骨头和杆被简化为具有不同材料特性的充分粘合在一起。根据THR手术理想的位置，这两个背壳和衬里分别设定在45°的倾斜和0°的前倾角的角度，分别与股骨头最初位于站立的位置（图1(一)). 建立坐标系，原点位于股骨头中心，如图所示1(一); 积极的X-轴向内侧，轴向内侧Z-轴沿上，而Y轴垂直于两个X设在和Z轴朝后路。

双移动性髋关节假体在不同的日常活动下，如行走、屈膝等，会有不同的活动范围。在本研究中，我们考虑了屈膝、爬楼梯、坐下/起立以及它们的组合。这些运动的原始数据来自伯格曼等人[16.]，然后他们用法布里等人略微修改。[17] （数字2)以产生组合动作。根据Bergmann等人的测试，通过测量患者的步态数据为平均值。任何活动的运动都是屈伸(FE)、外展-内收(AA)和内外旋转(IER)的联合动作。最后，利用之前开发的动态有限元方法将这些运动转化为连续的增量旋转矢量[18]来执行动态有限元分析。

虽然双活动髋部种植体一般与传统人工髋关节一样以适当的倾角和前倾角度植入，但难以固定衬垫，保持位置不变。在THR手术中，理想的内倾位置为0°，前倾角度为45°。对于其他位置，衬管可能具有高倾角或/和前倾角。在本研究中，针对三种不同的情况设计了这些可能的尾管位置。案例1规定所有步态的倾斜角和前倾角分别为45°和0°。案例2中，尾管的倾斜角为70°，前倾角为0°，参考前人的研究[8］.对于情况3，衬里的倾斜角和前倾角的角度分别设定为45°和25°。

在以前的研究中发展的显式动力有限元方法[18]，使用商用有限元软件ABAQUS 6.13版本进行生物力学分析。有限元模型如图所示图3（b）建立与CAD模型相同的坐标系。后壳、衬板、股骨头和柄的潜在接触区域由单元尺寸分别为0.4 mm、1.2 mm和0.4 mm的八节点六面体结构单元进行网格划分。茎的其余部分采用四节点四面体单元(单元大小约2.5 mm)进行网格划分。对双活动髋部种植体的重要组成部分——衬板进行补片敏感性研究，确定合适的衬板尺寸为1.2 mm(最大误差小于6%)。表中还列出了各部件的弹性模量、泊松比和密度1．将UHMWPE作为非线性材料处理，屈服应力为23.56 MPa [7，18]，并且它也被认为是弹塑性。由于钛合金和钴 - 铬合金两者的弹性模量分别为大小比所述UHMWPE的高两个数量级，这些金属零件被认为是刚性体。

对所有三个表面对表面接触对进行建模，包括后壳和衬垫、衬垫和股骨头、衬垫内缘和阀杆颈部，如图所示3（c）， 分别。假体是由滑液润滑;因此，所有的接触对摩擦系数被设定根据由Banchet EL人的研究为0.08。[19］.后壳的外表面是完全受限的。图中介绍了不同步态的动态运动和空间力2应用于股骨头中心。然后股骨头和股骨柄根据输入运动曲线逐渐旋转，直到步态周期结束。最后，通过计算内、外表面以及内衬内缘的累积滑动距离和接触压力来评估双活动度髋关节植入物的运动学和接触力学。

结果

在整个屈膝步态周期中，在三种不同倾角和前倾角下，衬垫内外表面的最大累积滑动距离轮廓如图所示3.．For both Case 1 and Case 2, the liner inner and outer contact areas were slightly different but the related maximum accumulated distance showed little difference during the whole knee-bending gait cycle (the liner inner and outer maximum accumulated sliding distance were about 26.5 mm and 0.7 mm, respectively). At the same time, the impingement of the liner inner rim did not occur and the related accumulated sliding distance was kept zero during the whole gait cycle for these two cases. However, the impingement between the liner inner rim and the stem neck indeed occurred for Case 3, and this led to increasing of the liner outer accumulated sliding distance but decreasing of the liner inner accumulated sliding distance. The variations of the maximum accumulated sliding distance of the liner inner and outer surfaces during the whole knee-bending gait are shown in Figure4对于所有三种倾斜和前倾情况。可见，病例3的撞击持续时间约为步态周期的17%至47.5%。撞击期间，衬套内缘和衬套外表面的累计滑动距离均逐渐增大，最终分别达到最大值3.8 mm和11.9 mm。然而，衬管内表面的最大累计滑动距离仅为19.4 mm左右。结果再次显示，在膝关节弯曲步态周期中，病例1和病例2的干颈和内衬内缘之间没有发生撞击，只有内部关节经历了相对旋转。同时，在整个膝弯曲步态循环中，三种不同倾角和前倾角度下衬垫内外表面的最大接触压力轮廓如图所示5．接触区改变衬时设置不同的倾向或子宫前倾角度knee-bending运动尤其是对第二种情况,但最大接触压力之间的差异很小的三种不同情况下的值12.4 MPa, 3.5 MPa,班轮内表面和69.2 MPa,衬套外表面,和衬套内缘，分别。虽然在整个步态周期内，衬圈内缘与干颈之间的撞击持续时间很短，但由此产生的衬圈接触压力远远高于衬圈内外表面。在整个膝关节弯曲步态过程中，衬垫内外表面的最大接触压力变化如图所示6对于不同的倾斜和前倾情况。对于所有三种情况，在整个屈膝步态周期中，衬垫内外最大接触压力随作用力的变化而变化。结果进一步揭示了大前倾角下发生冲击的时间及其对接触压力的影响。案例1和案例2的内衬内表面和外表面的最大接触压力随所施加的力而变化，在步态周期的大部分时间内，总体上几乎没有差异。在病例3中，内衬内缘和茎颈之间发生撞击，持续整个步态周期的30%左右。由此产生的缸套内缘最大接触压力相当高，接近70 兆帕。这也导致内衬内外最大接触压力在撞击期间略有下降，但与其他两种倾斜和前倾情况相比，撞击后增加。当提到双活动度髋关节植入物的ROM时，三个不同的病例似乎几乎没有差异（病例1:52.1°；病例2:52.1°；案例3:52.1°）。

积累在衬管的内部和外部关节滑动距离最大的轮廓显示在图7在整个坐下/站立步态周期中，有三种不同的倾斜和前倾角度。数据7(一)和7（c）结果表明，在这种步态周期中，情况1和情况3的倾角和前倾角发生了衬垫内缘撞击，最终导致衬垫在外接触面上的相对滑动。然而，对于图2所示的情况2的倾角和前倾角7（b），衬垫内边缘和茎颈之间几乎没有冲击。在整个三个倾斜和反转壳体的整个坐姿和竖立步态周期期间衬里内和外表面的最大累积滑动距离的变化如图所示8．The maximum accumulated sliding distance of the liner inner at inclination and anteversion cases 1 and 3 was obviously lower than that of case 2 (case 1: 27.3 mm; case 2: 29.7 mm; case 3: 19.5 mm). But the maximum accumulated sliding distance of the liner outer at cases 1 and 3 was much higher than that of case 2 (case 1: 5.8 mm; case 2: 0.8 mm; case 3: 17.0 mm). The maximum accumulated sliding distance of the liner inner rim was much lower than that of the liner inner and outer surfaces for both three inclination and anteversion angles (case 1: 1.0 mm; case 2: 0.1 mm; case 3: 3.9 mm). However, the impingement period only occupied a small proportion during the whole gait cycle even under case 3 (about 22% of the gait cycle). Beyond the impingement process, only inner relative sliding occurred and the liner inner maximum accumulated sliding distance gradually increased. The ROM of the dual mobility hip implant under this activity: it seemed there was nearly no difference for three different cases (case 1: 59.0°; case 2: 59.5°; case 3: 59.0°).

在爬楼梯和联合步态周期中，内衬内缘也受到撞击。这些撞击对衬垫内表面和外表面最大累积滑动的影响与坐姿/站立步态周期相似；详细结果如表所示2．在爬楼梯过程中，衬套的内轮辋的冲击，可以在此步态周期持续一个短的时间（最大值为约16.3％下壳体3）。The liner inner relative sliding dominated in this gait and the corresponding maximum value (case 1: 52.3 mm; case 2: 52.6 mm; case 3: 41.1 mm) was much higher than that of the liner outer and inner rim. The accumulated sliding distance of the liner inner rim was small but apparently different for three inclination and anteversion angles (case 1: 0.2 mm; case 2: 2.2 mm; case 3: 3.9 mm), and the consequent maximum accumulated sliding distance of the liner outer surface (case 1: 4.0 mm; case 2: 3.5 mm; case 3: 16.8 mm) also showed difference. For the combined gait cycle, the lasting time of the liner inner rim impingement was less than 4% of the gait cycle (the maximum value was 3.8% of case 3). Similarly, the liner inner relative sliding dominated again and caused maximum accumulated sliding distance to be the highest (case 1: 95.6 mm; case 2: 98.6 mm; case 3: 81.8 mm). The maximum accumulated sliding distance of the liner inner rim (case 1: 0.8 mm; case 2: 2.3 mm; case 3: 3.6 mm) was very small and the caused maximum accumulated sliding distance of the liner outer surface (case 1: 4.6 mm; case 2: 4.0 mm; case 3: 16.3 mm) was a bit higher than itself. The maximum contact pressure of the liner inner and outer surfaces as well as liner inner rim under sitting-down/up, stair-climbing, and combined movements are also shown in Table2．在这些活动中的每个活动下的双移动性臀部植入物的ROM也显示出三个不同位置的差异很小（如表所示2)．同样，尽管在这些运动过程中，撞击发生且持续时间很短，但造成的尾管内缘最大接触压力非常高。

4.讨论

双迁移率臀部植入物可以在阶段爬升之类的极端运动下经历冲击和随后的相对滑动和外部剖视。然而，在冲击条件下，在冲击条件下的双迁移率植入物的运动学和接触机制仍然不明朗。如果衬里处于高反向角度，则已被证明导致其内边缘和前一项研究中的茎颈之间的冲击[8，这种撞击在极端的活动范围下可能会加重。因此，本研究采用先前发展的动态显式有限元方法，研究不同运动和位置对双移动性髋关节植入物运动学和接触力学的影响。本研究预测了在不同运动和倾斜/前倾角度下双移植物衬垫内、衬垫内缘和外表面的接触压力和相对滑动。输出累计滑动距离和接触压力，显示运动和倾斜/前倾角度对双移动性髋关节假体运动学和接触力学的影响。

预计接触压力和接触压力和累积的滑动距离和覆盖的双迁移率植入物在不同日常活动下的植入物。本研究的主要结果可以得出结论为三点。首先，杆颈和线的内缘之间的冲击发生在坐姿/竖立，楼梯和组合运动期间发生。只有冲击导致衬里与杆一起旋转，最后导致在外部铰接性髋部植入物的外部铰接处相对运动。然而，冲击没有增加UHMWPE衬里的内表面和外表面的接触压力。其次，如果衬里最初设定了高反向角度，则它将延长冲击的时期并增加外部铰接的外部铰接的随后的相对滑动距离。同样，这仍然没有明显恶化衬里的接触机制。第三，双部移动性臀部确实经历了膝盖弯曲，坐姿/竖立，楼梯和组合运动的大型rom。在这些不同的活动下，持续的调查期并没有显然影响双行动性髋关节植入物。

法布里等人的研究。[11.]表明，双流动性髋关节植入物的衬垫从其初始位置到新位置下膝盖弯曲，坐在向下/立起，楼梯攀登转动百个步态周期后，与组合运动，因此，倾斜角衬垫的过程中，这些日常活动也发生了变化。在该研究期间，衬管的旋转造成的衬里内轮缘和所述杆颈部之间的冲击，因为这两个铰接件被很好地润滑（此润滑条件将根据Rowe等不会导致衬套的双移动性髋关节植入物的旋转al.’s study [20.])。目前的研究还表明，双移动性髋关节植入物在坐下/站立、爬楼梯和联合运动下经历了衬垫撞击和随之而来的外部关节相对运动。因此，本研究再次提示，患者大范围的运动会导致衬板撞击，最终导致双活动髋关节内、外关节相对旋转。然而，本研究预测的膝关节弯曲步态周期中直线的相对运动与Fabry等人的结果不同。目前的研究表明,衬的撞击和顺向外清晰度没有发生相对旋转下的双重移动臀部植入knee-bending步态周期如果子宫前倾角度作为零度(甚至倾角达到华氏70度),而他们发生在Fabry等的研究。然而，撞击确实发生在步态周期中，这最终导致衬垫外相对滑动时，衬垫的前倾角设置为25°。对于那些导致双活动髋关节假体衬垫撞击的运动，目前的研究表明，在整个步态周期中，内关节相对旋转占主导地位，而外关节相对旋转仅占小部分。因此，虽然双移动性髋关节假体的衬垫撞击确实发生在大范围的运动中，但双移动性在这些运动中仍然保持稳定。这项研究的主要好处是，在不同患者的日常活动中，验证了双活动髋部植入物衬垫的详细撞击情况。此外，本研究获得了不同患者日常活动情况下各接触区滑动距离的定量值。

根据前一项研究，双移动性髋关节植入物还将在步行运动期间在极端的反向角度下撞击衬里的冲击[8]. 目前的研究还表明，当衬垫在坐下/站起来、爬楼梯和联合运动时设置更大的前倾角时，衬垫的冲击会加剧。然后，由于这种冲击的增加，外部铰接的相对滑动和相应的最大累积滑动距离都增加了。虽然缸套的前倾角过大使得缸套的撞击更加严重，但缸套仍然没有从后壳体上脱臼。此外，较高的倾角（高达70°）结合非倾斜角并不能增强患者日常活动中对衬垫的冲击。它甚至使衬垫在坐下/站起来步态循环下避免撞击阀杆颈部。但是，对于其他倾角和前倾角，撞击确实发生在该步态周期下（病例1和病例3）。这可能意味着，即使在衬垫方向不良和患者活动范围较大的情况下，双重移动仍能保持良好的稳定性。由于这种假体的双活动性，双活动性髋关节植入物衬垫的方向很难保持在静态位置，因此，衬垫可能无法像常规髋关节植入物那样保持在标准方向（45°倾角和0°前倾角）。由于患者日常活动的需要，双活动髋关节假体的大范围运动也是不可避免的。因此，本研究条件下，在不同的日常活动下，衬垫具有不同的倾斜或前倾角，可能更接近体内情况。根据这项研究的结果，尽管双活动性髋关节植入物在大范围运动和高前倾角下因衬垫撞击而导致的双旋转对于双活动性髋关节植入物是不可避免的，但在这些极端条件下，这并不会导致股骨头脱位。这相当有利于全髋关节置换术患者使用双活动性髋关节假体防止假体脱位。

当它指接触压力在所有接触对不同的倾向和子宫前倾角度为日常活动,之间的撞击杆的脖子和班轮内边缘导致非常高的接触压力在班轮内边缘碰撞期间衬这可能是有害的。然而，这种冲击并没有明显影响衬垫内外表面的接触压力。在所有的日常活动中，即使是在高前倾角的最差位置下，双移动性髋关节假体内关节的相对运动也占主导地位。这可能最终导致了在坐/上和爬楼梯等极端范围的运动下，双机动性髋的内饰主导。这与Imbert等人的研究结果一致[21]使内磨损是整体比从检索到的移动性双重植入检查的UHMWPE衬里的外耐磨高得多。

目前的研究中所预测的运动学和下的患者和高倾斜或前倾角的日常活动的双重移动性髋关节植入物的接触力学。然而，一些限制，应指出。首先，相关实验仍然无法在这项研究中进行。第二，冲击和随之而来的相对滑动所述双移动性髋外关节运动的依赖与几何和内衬的大小;但是，只有一种衬里和衬垫的大小不变的在这项研究中进行了调查，和其他几何形状和衬垫的大小应在今后加以考虑。第三，平均步态数据在本研究中使用;它仍然需要根据他或她的步态数据来研究运动学和流动性双髋关节植入物的接触力学为指定病人。此外，软组织还没有被列入双性髋关节植入物的有限元模型;然而，这可能导致插入阻塞和introprosthetic错位，这也应该在未来的研究中考虑。

5.结论

不同的日常活动和植入位置被认为是调查他们使用以前开发的动力显式有限元法运动学和双性髋关节植入物的接触力学效应。休憩唐宁/立起，楼梯攀登的运动期间所获得的衬里和随之而来的双相对旋转的冲击，和它们甚至在衬垫的适当倾斜和前倾角度的组合（45°和0°，分别地）．当一个较高的倾斜或前倾角是为衬垫，都冲击和外关节运动的相对滑动会增加双重移动性髋关节植入物设置。然而，无论是冲击和外关节运动相对滑动膝盖弯曲步态循环期间，即使在高倾斜或前倾角度并没有出现。运动的增加的范围，在流动性双髋关节植入物确实遇到冲击和衬套的相关旋转具有高的前倾角度特别组合。冲击和随之而来的相对滑动双性髋关节植入物外关节运动的可能是不可避免的，因为病人的日常活动和不确定性在体内的衬板方向为双性髋关节植入物，但内关节运动大概会占主导地位在两个相对运动和穿这些极端条件下的流动性双髋关节植入物。

数据可用性

用于支持本研究发现的数据可由通讯作者要求提供。

的利益冲突

有兴趣对此文件发表任何冲突。

致谢

该工作得到了中国国家自然科学基金的计划（授予了51775460），中央大学的基本研究资金（300102258202,300102258106和300102258104），以及中国博士后科学基金会（2015M582583)．

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