股骨质量对人工股骨头置换术后股骨应力改变的生物力学影响
作者：桂鉴超 顾湘杰 沈海琦 马昕 陈劲松 姜建元 夏新雷 王以进
单位：桂鉴超 沈海琦(南京医科大学附属南京第一医院骨科 210006)；顾湘杰 马昕 陈劲松 姜建元 夏新雷(上海医科大学华山医院骨科)；王以进(上海大学)
关键词：股骨；骨密度；生物力学；髋假体
中华骨科杂志001111
【摘要】目的 探讨股骨质量对人工股骨头置换术后股骨应力改变的影响。方法 对10具尸体20侧股骨标本分别行非骨水泥有肩托(non-cemented collared，NCC)、非骨水泥无肩托(non-cemented non-collared，NCNC)、骨水泥有肩托(cemented collared，CC)、骨水泥无肩托(cemented non-collared，CNC)假体置换。在生物力学试验机上行轴向1000N载荷下股骨应变测定。结果 随着骨质量的减少，股骨应变有增加的趋势(P<0.01)，但在股骨矩处差异无显著性意义(P>0.05)。在同样的骨质量条件下，股骨大转子区域的股骨应变表现为：NCNC>NCC>CNC>CC假体，股骨矩区域股骨应变表现为：NCC>NCNC>CC>CNC假体，杆端区域股骨应变表现为：CC=CNC>NCC>NCNC假体。在不同骨质量情况下具有相同的规律(P>0.05)。在杆端区域，骨水泥假体的应变稍大于非骨水泥假体，而在其他区域，骨水泥假体的应变普遍较小。正常骨质组与骨质疏松组的应力遮挡和应力集中比较，差异有显著性意义(P<0.05)。结论 骨质量是影响股骨头置换前后股骨应力改变的因素。骨质疏松者，股骨大转子与股骨矩区域的应力遮挡较大，而在杆端区域的应力集中明显。因此，骨质正常者应该选用非骨水泥假体，以减少大转子与股骨矩区域的应力遮挡；而骨质疏松者最好选用有肩托的假体，以减少股骨矩处的应力遮挡作用。
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Biomechanical study of the effect of femoral quality on femoral stress change after femoral head prosthesis replacement
GUI Jianchao
(Department of Orthopaedics, Affiliated Nanjing First Hospital, Nanjing Medical University, Nanjing 210006， China)
GU Xiangjie, SHEN Haiqi, et al.
【 Abstract】 Objective To study the influence of femoral biological quality on femoral stress change after femoral head prosthesis replacement. Methods Cemented collared(CC), cemented non-collared(CNC), non-cemented collared(NCC), non-cemented non-collared(NCNC) femoral head prosthesis replacement were performed in ten cadaver femur specimens; and femoral strains were determined with 1 000 N axial load. Results Femoral strains increased as bone mineral density decreased(P< 0.01), except in the calcar region. Under identical bone quality, point ‘ A’ of large trochanter showed strains as: NCNC >NCC >CNC >CC, point ‘ B’ of calcar as: NCC >NCNC >CC >CNC, point ‘ C’ of stem tip zone as: CC=CNC >NCC >NCNC. Different bone quality groups had identical tendency( P >0.05) . Strains of cemented groups were usually less than that of non-cemented ones for all zones except the stem tip zone. Normal group and osteoporosis group had different stress shielding and concentration(P< 0.05). Conclusion Femoral quality has influence on femoral stress change after hip prosthesis replacement. Patients with osteoporosis have larger stress shielding at greater trochanter and calcar and larger stress concentration at stem tip zone. Non-cemented prosthesis should be better for normal bone quality patients because they could reduce stress shielding at greater trochanter and calcar. Collared device for reducing stress shielding of calcar should be recommended for osteoporosis patients.
, 百拇医药
【Key words】 Femur; Bone density; Biomechanics; Hip prosthesis
人工股骨头置换前后，股骨受力情况不一样。置换前，应力主要通过股骨传递；置换后，应力由股骨、假体和(或)骨水泥共同承担，这样必然导致股骨上的应力较置换前减少，我们称之为应力遮挡。应力遮挡能导致骨的溶解，并最终导致人工股骨头假体的松动。在临床上，我们发现，骨质疏松的患者应力遮挡性骨吸收明显。可见，应力遮挡可能与股骨质量有关。另外，中国人股骨的几何形态及内在质量均与西方人不同。我们采用中国人股骨标本，通过测定干骺端骨密度(DEXA法)对股骨质量进行准确的定量分析，并拟通过生物力学试验，阐明中国人股骨质量对不同类型人工股骨头假体置换后股骨上应力变化的影响，以提高对假体选择和预后的认识水平。
材料与方法
一、试验标本
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(一)股骨标本：本试验采用10具新鲜成人尸体的20侧股骨标本，男6具，女4具；年龄40～86岁，平均63岁；平均身高168cm；平均体重60kg；储存时间平均3.8个月。均摄正、侧位X线片以排除先天性畸形、骨折或肿瘤等病变，并要求股骨峡部髓腔直径为10mm。
(二)假体标本：(1)非骨水泥假体，选用北京人工关节厂生产的巨孔表面钴铬钼合金假体，带肩托；(2)骨水泥假体，选用北京航空材料研究所生产的不锈钢假体，有肩托；(3)骨水泥，上海珊瑚化工厂生产。
二、骨密度测定
采用美国NORLAND公司生产的XR-36型双能X线吸收骨密度仪，测试每个股骨干骺端骨密度。设定骨密度(bonemineraldensity，BMD)>1.06g/cm2为正常骨密度。
三、标本分组
, 百拇医药
根据骨密度测定结果，分为正常组(normalgroup,NG)4具，骨质疏松组(osteoporosisgroup,OG,BMD≤1.06g/cm2)6具。
四、试验步骤
先测定每具标本一侧的原始骨的应变值，再行NCC假体固定及测试。另一侧同样先测定原始骨的应变值，再行NCNC假体固定及测试。应变值测定完毕后，在行NCC假体的一侧行CC假体固定，进行测试，再行CNC假体固定及测试。
五、手术方法
(一)NCC假体固定：按假体肩托-柄角度做股骨颈截骨，用匹配的髓腔扩大器和髓腔锉扩髓，股骨矩锉刀磨平股骨矩，顺利装入假体。本组无一例发生股骨干骨折。
(二)NCNC假体固定：按NCC假体固定手术技术，并采用Markolf等[1]方法，用摆锯去掉股骨矩约3～4mm，以模拟NCNC假体固定。
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(三)CC假体固定:用髓腔锉扩髓后，调骨水泥至面团状后，加压置入髓腔，再装入假体，1d后待骨水泥完全硬化，再行测试。
(四)CNC假体固定：按CC假体固定手术技术，采用Markolf等[1]方法，用摆锯去掉股骨矩3～4mm，以模拟CNC假体固定。
六、X线片评估
所有标本均摄X线片，确保假体位于中立位，无内外翻。
七、装置的制备
(一)制作夹具：采用盒式穿针固定方式，模拟单足站立时股骨负重。
(二)股骨上粘贴应变片(图1)：沿股骨干轴线方向粘贴电阻应变片(BHF120-2AA,高精密级)。其中，A点位于近端股骨外侧皮质骨上，B点位于小转子内侧，C点位于近杆端股骨内侧皮质骨上。粘贴应变片技术应按照试验应力分析方法进行。由于骨结构热传导性能很差，故选用电阻应变片，其阻值应尽量一致，并有良好的电阻温度特性以及零漂、绝缘电阻、横向效应、疲劳寿命、机械滞后和蠕变性能，为高精密级小标距应变片。为了使试验具有良好的应变传递性，先暴露粘贴片位置，打磨皮质骨，丙酮、酒精清洁股骨并烘干、涂胶、贴片、封蜡，再进行温度补偿。
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八、试验方法
试件在WD-5A万能试验机上安装，用滚珠对准中心加载，夹具下端置于试验机基座上，对准试验机轴线及测量点后，应变片连接数字式SWYJ-15应变仪，以速率1.5mm/min液压加载，每次试验前预加载100N，载荷级别以100N分隔，加载至1000N的生理载荷为止。同时，预先对数字式应变仪进行标定、基零、测量、衰减等调整，保证电阻应变的平稳，不产生零漂现象。为保证各试件阻值一致，衰减挡为10，仪器灵敏系数与电阻片灵敏系数一致，测定1000N载荷下的应变值。所有试验重复测定2次，取均值。
图1试验示意图
九、统计学处理
(一)本试验为随机区组设计，样本均数间的比较首先采用Bartlett法进行方差齐性检验，如方差齐性，则进行方差分析，均数间两两比较采用Student-Newman-Keuls法；如方差不齐，则采用近似F检验法。
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(二)两个样本均数的比较首先进行方差齐性检验，如方差齐性，进行t检验；如方差不齐，则采用t检验。
结果
一、骨质量对置换术后股骨上应变的影响
人工股骨头置换术后,股骨上应变发生逆转,最大应变从股骨矩处转移到杆端处,在股骨大转子和股骨矩区域存在应力遮挡,而杆端处则存在应力集中。
随着骨质量的减少，股骨上应变有增加的趋势(不同骨质量股骨间比较：A点，Bartlett法，χ2=2.16，P>0.05，F=42.19，P<0.01；C点，Bartlett法，χ2=0.26，P>0.05，F=636.53，P<0.01)，但股骨矩处差异无显著性意义(B点，Bartlett法，χ2=7.01，P>0.05，F=1.20，P>0.05)。
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在同样的骨质量条件下，股骨大转子区域，以NCNC假体的应变最大，其次是NCC、CNC假体，最后是CC假体(不同假体间比较：F=118.97，P<0.01；CC、CNC、NCC、NCNC假体两两比较：NCNC与NCC假体比较，q=5.85，P<0.05；NCNC与CNC假体比较，q=7.07，P<0.05；NCNC与CC假体比较，q=7.80，P<0.05；NCC与CNC假体比较，q=5.85，P<0.05；NCC与CC假体比较，q=7.07，P<0.05；CNC与CC假体比较，q=5.85，P<0.05)。不同的骨质量情况下具有相同的规律(对不同骨质量情况下的四种假体应变的比值进行方差分析，Bartlett法，χ2=0.91，P>0.05，F=2.94，P>0.05)。
在同样的骨质量条件下，股骨矩区域，以NCC假体的应变最大，其次是NCNC、CC假体，而CNC假体的应变最小(不同假体间比较：F=876.62，P<0.01；CC、CNC、NCC、NCNC假体两两比较：NCC与NCNC假体比较，q=11.57，P<0.05；NCC与CC假体比较，q=13.97，P<0.05；NCC与CNC假体比较，q=15.41，P<0.05；NCNC与CC假体比较，q=11.57，P<0.05；NCNC与CNC假体比较，q=13.97，P<0.05；CC与CNC假体比较，q=11.57，P<0.05)。不同的骨质量情况下具有相同的规律(对不同骨质量情况下的四种假体应变的比值进行方差分析，Bartlett法，χ2=0.15，P>0.05，F=2.68，P>0.05)。
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在同样的骨质量条件下，杆端区域，以CC、CNC假体的应变最大(CNC与CC假体比较，q=3.27，P>0.05)，其次是NCC假体，最小的是NCNC假体(不同假体间比较：F=20.90，P<0.01；CC、CNC、NCC、NCNC假体两两比较：CC与NCNC假体比较，q=3.95，P<0.05；CNC与NCNC假体比较，q=4.35，P<0.05；CC与NCC假体比较，q=3.27，P<0.05；CNC与NCC假体比较，q=3.95，P<0.05；NCC与NCNC假体比较，q=3.27，P<0.05)。不同的骨质量情况下具有相同的规律(对不同骨质量情况下的四种假体应变的比值进行方差分析，Bartlett法，χ2=6.41，P>0.05，F=1.47，P>0.05)。在杆端区域，骨水泥假体的应变稍大于非骨水泥假体，而在其它区域，骨水泥假体的应变普遍要小。
二、骨质量对置换后股骨上应力改变的影响
由于在股骨大转子和股骨矩区域存在应力遮挡，故利用公式η=(1-Δ置换后/Δ置换前)×100%，求得应力遮挡率，而在杆端区域存在应力集中，利用公式α=Δ置换后/Δ置换前，求得应力集中率。
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骨质量是影响置换前后股骨应力改变的因素(P<0.05)。对骨质疏松的患者来说，股骨大转子和股骨矩区域的应力遮挡要大(P<0.05)，而在杆端区域的应力集中也要明显(P<0.05，表1)。肩托能明显减少股骨矩处的应力遮挡(OG组，CC与CNC假体比较：t=3.64，P<0.01，NCC与NCNC假体比较：t=8.24，P<0.01；NG组，CC与CNC假体比较：t=4.61，P<0.01，NCC与NCNC假体比较：t=39.66，P<0.01)，但同时增加了股骨大转子处的应力遮挡(OG组，CC与CNC假体比较：t=0.94，P>0.05，NCC与NCNC假体比较：t=2.33，P<0.05；NG组，CC与CNC假体比较：t=3.04，P<0.05，NCC与NCNC假体比较：t=4.58，P<0.01，因此，骨质疏松骨水泥假体组，肩托并不同时增加大转子处的应力遮挡)。不同的骨质量下具有相似的规律(除A点OG组与NG组CC与CNC假体间应力改变结果不一致外，其余OG组与NG组假体间应力改变结果均一致)。
非骨水泥假体的应力遮挡要小于骨水泥假体(A点，OG组，CC与NCC假体比较：t=5.37，P<0.01，CNC与NCNC假体比较：t=8.80，P<0.01，NG组，CC与NCC假体比较：t=7.34，P<0.01，CNC与NCNC假体比较：t=7.34，P<0.01；B点，OG组，CC与NCC假体比较：t=10.30，P<0.01，CNC与NCNC假体比较：t=10.79，P<0.01，NG组，CC与NCC假体比较：t=43.41，P<0.01，CNC与NCNC假体比较：t=12.01，P<0.01)。不同的骨质量下具有相似的规律(OG组与NG组假体间应力改变结果均一致)。
, 百拇医药
表1正常组与骨质疏松组应力改变比较(
±s)
应变片位置
假体类型
OG(n=6)
NG(n=4)
t值
P值
A点
CC
0.47±0.03
0.42±0.03
, 百拇医药
2.74
<0.05
CNC
0.46±0.03
0.36±0.02
5.84
<0.01
NCC
0.36±0.04
0.31±0.01
2.85
<0.05
, http://www.100md.com NCNC
0.32±0.03
0.26±0.02
3.93
<0.01
B点
CC
0.83±0.02
0.79±0.01
2.96
<0.05
CNC
0.88±0.02
, 百拇医药
0.84±0.02
2.85
<0.05
NCC
0.50±0.08
0.37±0.03
3.96
<0.05
NCNC
0.76±0.02
0.73±0.03
3.67
, 百拇医药
<0.01
C点
CC
1.22±0.05
1.13±0.01
2.81
<0.05
CNC
1.20±0.04
1.13±0.01
3.90
<0.05
NCC
, 百拇医药
1.17±0.03
1.11±0.01
3.83
<0.05
NCNC
1.15±0.03
1.09±0.01
4.04
<0.01
讨论
人工股骨头置换术后，一个重要的力学问题是股骨上应力改变，主要是应力遮挡。McCarthy等[2]发现术后3年，人工股骨头假体近端、远端周围骨丢失分别为40%和28%，而术后7～14年分别为47%和49%。应力集中能引起大腿疼痛，而应力遮挡会导致骨吸收。骨吸收一方面会引起假体微动增加，使大腿疼痛，另一方面将导致假体松动。
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骨质量是影响人工股骨头置换术后应力改变的重要因素。Engh等[3]做了应力遮挡所致股骨骨吸收的定量分析，结果显示，假体固定侧较对侧骨密度明显下降，骨丧失在干骺端最明显，平均达45%。人工股骨头置换术后骨质疏松患者的股骨大转子和股骨矩区域的应力遮挡较置换前增大，在杆端区域的应力集中也增大。
影响股骨应力改变的因素很多，包括股骨质量、假体、骨水泥强度、手术技术、载荷方式等。Walker等[4]认为：非骨水泥假体置换术后股骨上的应力水平更接近于正常骨，对非骨水泥假体来说，股骨矩的压应变是正常的56%，而骨水泥假体是30%。严建军等[5]通过临床观察发现，骨水泥假体能加速股骨大转子处骨质疏松的发生。本组结果与其相符。骨水泥假体固定，稳定性好，应力分布较均匀，能够把应力从假体传到股骨远端，造成股骨近端应力遮挡。而非骨水泥假体固定，其稳定性不如骨水泥假体，且仅为几点接触，应力分布不均匀，易造成股骨近端应力增加。由于骨水泥假体把较多的应力传向远端，所以其远端应力集中的程度也较高。Walker等[4]报告非骨水泥假体杆端的压应变和张应变为正常的135%和109%，而骨水泥假体为151%和115%。肩托的应用不但能增加股骨矩处的压应力，同时也能增加张应力[6]。增大肩托及股骨矩的接触面积，能使应力恢复30%～40%。对于没有肩托的假体置换来说，股骨矩的应力下降很多，有时应力甚至是“0”或接近“0”[7]。肩托对应力的影响取决于扩髓的大小、骨质量、肩托在股骨矩上的接触情况，在某些设计下，股骨矩的应变能接近正常[1]。有肩托的假体能增加其与股骨矩的接触面积，从而增加应力的传递，但肩托同时限制了假体的紧密嵌入，不能达到与股骨上端髓腔的最大接触，而产生“悬吊样”固定，因而有肩托假体的股骨大转子处应力要小于无肩托假体。无肩托的情况下，假体近端紧密嵌入股骨髓腔内壁，有利于应力的传递。由于假体承受的是偏心载荷，有肩托的情况下，以肩托作为支点产生杠杆作用，从而导致杆端应力增加。而无肩托的情况下，应力较多地传递到股骨近端，从而杆端的应力相应减少。对于骨质疏松的患者来说，应该选用有肩托的假体，这样既能增加初始稳定性，又能减少股骨矩处的应力遮挡。
, 百拇医药
参考文献
1，Markolf KL,Amstutz HC,Hirschowitz DL.The effect of calcar contact on femoral component micromovement:a mechanical study.J Bone Joint Surg(Am),1980,62:1315-1323.
2，McCarthy CK, Steinberg GG, Agren M, et al. Quantifying bone loss from the proximal femur after total hip arthroplasty. J Bone Joint Surg(Br),1991,73:774- 778.
3，Engh CA, McGovern TF, Bobyn JD, et al. A quantitative evaluation of periprosthetic bone remodeling after cementless total hip arthroplasty. J Bone Joint Surg(Am), 1992,74:1009- 1020.
, 百拇医药
4，Walker PS, Schneeweis D, Murphy S, et al. Strains and micromotions of press-fit femoral stem prostheses. J Biomech， 1987,20: 693- 702.
5，严建军，杨建，许金峰.人工股骨头置换术后骨质疏松病因分析.骨与关节损伤杂志,1996，11:27-29.
6，Crowninshield RD, Brand RA, Johnston RC, et al. An analysis of femoral component stem design in total hip arthroplasty. J Bone Joint Surg(Am),1980,62:68- 78.
7，Oh I, Harris WH. Proximal strain distribution in the loaded femur: an in vitro comparison of the distributions in the intact femur and after insertion of different hip-replacement femoral components. J Bone Joint Surg(Am)， 1978,60:75- 85.
(收稿日期：1999-12-28), 百拇医药
单位：桂鉴超 沈海琦(南京医科大学附属南京第一医院骨科 210006)；顾湘杰 马昕 陈劲松 姜建元 夏新雷(上海医科大学华山医院骨科)；王以进(上海大学)
关键词：股骨；骨密度；生物力学；髋假体
中华骨科杂志001111
【摘要】目的 探讨股骨质量对人工股骨头置换术后股骨应力改变的影响。方法 对10具尸体20侧股骨标本分别行非骨水泥有肩托(non-cemented collared，NCC)、非骨水泥无肩托(non-cemented non-collared，NCNC)、骨水泥有肩托(cemented collared，CC)、骨水泥无肩托(cemented non-collared，CNC)假体置换。在生物力学试验机上行轴向1000N载荷下股骨应变测定。结果 随着骨质量的减少，股骨应变有增加的趋势(P<0.01)，但在股骨矩处差异无显著性意义(P>0.05)。在同样的骨质量条件下，股骨大转子区域的股骨应变表现为：NCNC>NCC>CNC>CC假体，股骨矩区域股骨应变表现为：NCC>NCNC>CC>CNC假体，杆端区域股骨应变表现为：CC=CNC>NCC>NCNC假体。在不同骨质量情况下具有相同的规律(P>0.05)。在杆端区域，骨水泥假体的应变稍大于非骨水泥假体，而在其他区域，骨水泥假体的应变普遍较小。正常骨质组与骨质疏松组的应力遮挡和应力集中比较，差异有显著性意义(P<0.05)。结论 骨质量是影响股骨头置换前后股骨应力改变的因素。骨质疏松者，股骨大转子与股骨矩区域的应力遮挡较大，而在杆端区域的应力集中明显。因此，骨质正常者应该选用非骨水泥假体，以减少大转子与股骨矩区域的应力遮挡；而骨质疏松者最好选用有肩托的假体，以减少股骨矩处的应力遮挡作用。
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Biomechanical study of the effect of femoral quality on femoral stress change after femoral head prosthesis replacement
GUI Jianchao
(Department of Orthopaedics, Affiliated Nanjing First Hospital, Nanjing Medical University, Nanjing 210006， China)
GU Xiangjie, SHEN Haiqi, et al.
【 Abstract】 Objective To study the influence of femoral biological quality on femoral stress change after femoral head prosthesis replacement. Methods Cemented collared(CC), cemented non-collared(CNC), non-cemented collared(NCC), non-cemented non-collared(NCNC) femoral head prosthesis replacement were performed in ten cadaver femur specimens; and femoral strains were determined with 1 000 N axial load. Results Femoral strains increased as bone mineral density decreased(P< 0.01), except in the calcar region. Under identical bone quality, point ‘ A’ of large trochanter showed strains as: NCNC >NCC >CNC >CC, point ‘ B’ of calcar as: NCC >NCNC >CC >CNC, point ‘ C’ of stem tip zone as: CC=CNC >NCC >NCNC. Different bone quality groups had identical tendency( P >0.05) . Strains of cemented groups were usually less than that of non-cemented ones for all zones except the stem tip zone. Normal group and osteoporosis group had different stress shielding and concentration(P< 0.05). Conclusion Femoral quality has influence on femoral stress change after hip prosthesis replacement. Patients with osteoporosis have larger stress shielding at greater trochanter and calcar and larger stress concentration at stem tip zone. Non-cemented prosthesis should be better for normal bone quality patients because they could reduce stress shielding at greater trochanter and calcar. Collared device for reducing stress shielding of calcar should be recommended for osteoporosis patients.
, 百拇医药
【Key words】 Femur; Bone density; Biomechanics; Hip prosthesis
人工股骨头置换前后，股骨受力情况不一样。置换前，应力主要通过股骨传递；置换后，应力由股骨、假体和(或)骨水泥共同承担，这样必然导致股骨上的应力较置换前减少，我们称之为应力遮挡。应力遮挡能导致骨的溶解，并最终导致人工股骨头假体的松动。在临床上，我们发现，骨质疏松的患者应力遮挡性骨吸收明显。可见，应力遮挡可能与股骨质量有关。另外，中国人股骨的几何形态及内在质量均与西方人不同。我们采用中国人股骨标本，通过测定干骺端骨密度(DEXA法)对股骨质量进行准确的定量分析，并拟通过生物力学试验，阐明中国人股骨质量对不同类型人工股骨头假体置换后股骨上应力变化的影响，以提高对假体选择和预后的认识水平。
材料与方法
一、试验标本
, http://www.100md.com
(一)股骨标本：本试验采用10具新鲜成人尸体的20侧股骨标本，男6具，女4具；年龄40～86岁，平均63岁；平均身高168cm；平均体重60kg；储存时间平均3.8个月。均摄正、侧位X线片以排除先天性畸形、骨折或肿瘤等病变，并要求股骨峡部髓腔直径为10mm。
(二)假体标本：(1)非骨水泥假体，选用北京人工关节厂生产的巨孔表面钴铬钼合金假体，带肩托；(2)骨水泥假体，选用北京航空材料研究所生产的不锈钢假体，有肩托；(3)骨水泥，上海珊瑚化工厂生产。
二、骨密度测定
采用美国NORLAND公司生产的XR-36型双能X线吸收骨密度仪，测试每个股骨干骺端骨密度。设定骨密度(bonemineraldensity，BMD)>1.06g/cm2为正常骨密度。
三、标本分组
, 百拇医药
根据骨密度测定结果，分为正常组(normalgroup,NG)4具，骨质疏松组(osteoporosisgroup,OG,BMD≤1.06g/cm2)6具。
四、试验步骤
先测定每具标本一侧的原始骨的应变值，再行NCC假体固定及测试。另一侧同样先测定原始骨的应变值，再行NCNC假体固定及测试。应变值测定完毕后，在行NCC假体的一侧行CC假体固定，进行测试，再行CNC假体固定及测试。
五、手术方法
(一)NCC假体固定：按假体肩托-柄角度做股骨颈截骨，用匹配的髓腔扩大器和髓腔锉扩髓，股骨矩锉刀磨平股骨矩，顺利装入假体。本组无一例发生股骨干骨折。
(二)NCNC假体固定：按NCC假体固定手术技术，并采用Markolf等[1]方法，用摆锯去掉股骨矩约3～4mm，以模拟NCNC假体固定。
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(三)CC假体固定:用髓腔锉扩髓后，调骨水泥至面团状后，加压置入髓腔，再装入假体，1d后待骨水泥完全硬化，再行测试。
(四)CNC假体固定：按CC假体固定手术技术，采用Markolf等[1]方法，用摆锯去掉股骨矩3～4mm，以模拟CNC假体固定。
六、X线片评估
所有标本均摄X线片，确保假体位于中立位，无内外翻。
七、装置的制备
(一)制作夹具：采用盒式穿针固定方式，模拟单足站立时股骨负重。
(二)股骨上粘贴应变片(图1)：沿股骨干轴线方向粘贴电阻应变片(BHF120-2AA,高精密级)。其中，A点位于近端股骨外侧皮质骨上，B点位于小转子内侧，C点位于近杆端股骨内侧皮质骨上。粘贴应变片技术应按照试验应力分析方法进行。由于骨结构热传导性能很差，故选用电阻应变片，其阻值应尽量一致，并有良好的电阻温度特性以及零漂、绝缘电阻、横向效应、疲劳寿命、机械滞后和蠕变性能，为高精密级小标距应变片。为了使试验具有良好的应变传递性，先暴露粘贴片位置，打磨皮质骨，丙酮、酒精清洁股骨并烘干、涂胶、贴片、封蜡，再进行温度补偿。
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八、试验方法
试件在WD-5A万能试验机上安装，用滚珠对准中心加载，夹具下端置于试验机基座上，对准试验机轴线及测量点后，应变片连接数字式SWYJ-15应变仪，以速率1.5mm/min液压加载，每次试验前预加载100N，载荷级别以100N分隔，加载至1000N的生理载荷为止。同时，预先对数字式应变仪进行标定、基零、测量、衰减等调整，保证电阻应变的平稳，不产生零漂现象。为保证各试件阻值一致，衰减挡为10，仪器灵敏系数与电阻片灵敏系数一致，测定1000N载荷下的应变值。所有试验重复测定2次，取均值。
图1试验示意图
九、统计学处理
(一)本试验为随机区组设计，样本均数间的比较首先采用Bartlett法进行方差齐性检验，如方差齐性，则进行方差分析，均数间两两比较采用Student-Newman-Keuls法；如方差不齐，则采用近似F检验法。
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(二)两个样本均数的比较首先进行方差齐性检验，如方差齐性，进行t检验；如方差不齐，则采用t检验。
结果
一、骨质量对置换术后股骨上应变的影响
人工股骨头置换术后,股骨上应变发生逆转,最大应变从股骨矩处转移到杆端处,在股骨大转子和股骨矩区域存在应力遮挡,而杆端处则存在应力集中。
随着骨质量的减少，股骨上应变有增加的趋势(不同骨质量股骨间比较：A点，Bartlett法，χ2=2.16，P>0.05，F=42.19，P<0.01；C点，Bartlett法，χ2=0.26，P>0.05，F=636.53，P<0.01)，但股骨矩处差异无显著性意义(B点，Bartlett法，χ2=7.01，P>0.05，F=1.20，P>0.05)。
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在同样的骨质量条件下，股骨大转子区域，以NCNC假体的应变最大，其次是NCC、CNC假体，最后是CC假体(不同假体间比较：F=118.97，P<0.01；CC、CNC、NCC、NCNC假体两两比较：NCNC与NCC假体比较，q=5.85，P<0.05；NCNC与CNC假体比较，q=7.07，P<0.05；NCNC与CC假体比较，q=7.80，P<0.05；NCC与CNC假体比较，q=5.85，P<0.05；NCC与CC假体比较，q=7.07，P<0.05；CNC与CC假体比较，q=5.85，P<0.05)。不同的骨质量情况下具有相同的规律(对不同骨质量情况下的四种假体应变的比值进行方差分析，Bartlett法，χ2=0.91，P>0.05，F=2.94，P>0.05)。
在同样的骨质量条件下，股骨矩区域，以NCC假体的应变最大，其次是NCNC、CC假体，而CNC假体的应变最小(不同假体间比较：F=876.62，P<0.01；CC、CNC、NCC、NCNC假体两两比较：NCC与NCNC假体比较，q=11.57，P<0.05；NCC与CC假体比较，q=13.97，P<0.05；NCC与CNC假体比较，q=15.41，P<0.05；NCNC与CC假体比较，q=11.57，P<0.05；NCNC与CNC假体比较，q=13.97，P<0.05；CC与CNC假体比较，q=11.57，P<0.05)。不同的骨质量情况下具有相同的规律(对不同骨质量情况下的四种假体应变的比值进行方差分析，Bartlett法，χ2=0.15，P>0.05，F=2.68，P>0.05)。
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在同样的骨质量条件下，杆端区域，以CC、CNC假体的应变最大(CNC与CC假体比较，q=3.27，P>0.05)，其次是NCC假体，最小的是NCNC假体(不同假体间比较：F=20.90，P<0.01；CC、CNC、NCC、NCNC假体两两比较：CC与NCNC假体比较，q=3.95，P<0.05；CNC与NCNC假体比较，q=4.35，P<0.05；CC与NCC假体比较，q=3.27，P<0.05；CNC与NCC假体比较，q=3.95，P<0.05；NCC与NCNC假体比较，q=3.27，P<0.05)。不同的骨质量情况下具有相同的规律(对不同骨质量情况下的四种假体应变的比值进行方差分析，Bartlett法，χ2=6.41，P>0.05，F=1.47，P>0.05)。在杆端区域，骨水泥假体的应变稍大于非骨水泥假体，而在其它区域，骨水泥假体的应变普遍要小。
二、骨质量对置换后股骨上应力改变的影响
由于在股骨大转子和股骨矩区域存在应力遮挡，故利用公式η=(1-Δ置换后/Δ置换前)×100%，求得应力遮挡率，而在杆端区域存在应力集中，利用公式α=Δ置换后/Δ置换前，求得应力集中率。
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骨质量是影响置换前后股骨应力改变的因素(P<0.05)。对骨质疏松的患者来说，股骨大转子和股骨矩区域的应力遮挡要大(P<0.05)，而在杆端区域的应力集中也要明显(P<0.05，表1)。肩托能明显减少股骨矩处的应力遮挡(OG组，CC与CNC假体比较：t=3.64，P<0.01，NCC与NCNC假体比较：t=8.24，P<0.01；NG组，CC与CNC假体比较：t=4.61，P<0.01，NCC与NCNC假体比较：t=39.66，P<0.01)，但同时增加了股骨大转子处的应力遮挡(OG组，CC与CNC假体比较：t=0.94，P>0.05，NCC与NCNC假体比较：t=2.33，P<0.05；NG组，CC与CNC假体比较：t=3.04，P<0.05，NCC与NCNC假体比较：t=4.58，P<0.01，因此，骨质疏松骨水泥假体组，肩托并不同时增加大转子处的应力遮挡)。不同的骨质量下具有相似的规律(除A点OG组与NG组CC与CNC假体间应力改变结果不一致外，其余OG组与NG组假体间应力改变结果均一致)。
非骨水泥假体的应力遮挡要小于骨水泥假体(A点，OG组，CC与NCC假体比较：t=5.37，P<0.01，CNC与NCNC假体比较：t=8.80，P<0.01，NG组，CC与NCC假体比较：t=7.34，P<0.01，CNC与NCNC假体比较：t=7.34，P<0.01；B点，OG组，CC与NCC假体比较：t=10.30，P<0.01，CNC与NCNC假体比较：t=10.79，P<0.01，NG组，CC与NCC假体比较：t=43.41，P<0.01，CNC与NCNC假体比较：t=12.01，P<0.01)。不同的骨质量下具有相似的规律(OG组与NG组假体间应力改变结果均一致)。
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表1正常组与骨质疏松组应力改变比较(
±s)应变片位置
假体类型
OG(n=6)
NG(n=4)
t值
P值
A点
CC
0.47±0.03
0.42±0.03
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2.74
<0.05
CNC
0.46±0.03
0.36±0.02
5.84
<0.01
NCC
0.36±0.04
0.31±0.01
2.85
<0.05
, http://www.100md.com NCNC
0.32±0.03
0.26±0.02
3.93
<0.01
B点
CC
0.83±0.02
0.79±0.01
2.96
<0.05
CNC
0.88±0.02
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0.84±0.02
2.85
<0.05
NCC
0.50±0.08
0.37±0.03
3.96
<0.05
NCNC
0.76±0.02
0.73±0.03
3.67
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<0.01
C点
CC
1.22±0.05
1.13±0.01
2.81
<0.05
CNC
1.20±0.04
1.13±0.01
3.90
<0.05
NCC
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1.17±0.03
1.11±0.01
3.83
<0.05
NCNC
1.15±0.03
1.09±0.01
4.04
<0.01
讨论
人工股骨头置换术后，一个重要的力学问题是股骨上应力改变，主要是应力遮挡。McCarthy等[2]发现术后3年，人工股骨头假体近端、远端周围骨丢失分别为40%和28%，而术后7～14年分别为47%和49%。应力集中能引起大腿疼痛，而应力遮挡会导致骨吸收。骨吸收一方面会引起假体微动增加，使大腿疼痛，另一方面将导致假体松动。
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骨质量是影响人工股骨头置换术后应力改变的重要因素。Engh等[3]做了应力遮挡所致股骨骨吸收的定量分析，结果显示，假体固定侧较对侧骨密度明显下降，骨丧失在干骺端最明显，平均达45%。人工股骨头置换术后骨质疏松患者的股骨大转子和股骨矩区域的应力遮挡较置换前增大，在杆端区域的应力集中也增大。
影响股骨应力改变的因素很多，包括股骨质量、假体、骨水泥强度、手术技术、载荷方式等。Walker等[4]认为：非骨水泥假体置换术后股骨上的应力水平更接近于正常骨，对非骨水泥假体来说，股骨矩的压应变是正常的56%，而骨水泥假体是30%。严建军等[5]通过临床观察发现，骨水泥假体能加速股骨大转子处骨质疏松的发生。本组结果与其相符。骨水泥假体固定，稳定性好，应力分布较均匀，能够把应力从假体传到股骨远端，造成股骨近端应力遮挡。而非骨水泥假体固定，其稳定性不如骨水泥假体，且仅为几点接触，应力分布不均匀，易造成股骨近端应力增加。由于骨水泥假体把较多的应力传向远端，所以其远端应力集中的程度也较高。Walker等[4]报告非骨水泥假体杆端的压应变和张应变为正常的135%和109%，而骨水泥假体为151%和115%。肩托的应用不但能增加股骨矩处的压应力，同时也能增加张应力[6]。增大肩托及股骨矩的接触面积，能使应力恢复30%～40%。对于没有肩托的假体置换来说，股骨矩的应力下降很多，有时应力甚至是“0”或接近“0”[7]。肩托对应力的影响取决于扩髓的大小、骨质量、肩托在股骨矩上的接触情况，在某些设计下，股骨矩的应变能接近正常[1]。有肩托的假体能增加其与股骨矩的接触面积，从而增加应力的传递，但肩托同时限制了假体的紧密嵌入，不能达到与股骨上端髓腔的最大接触，而产生“悬吊样”固定，因而有肩托假体的股骨大转子处应力要小于无肩托假体。无肩托的情况下，假体近端紧密嵌入股骨髓腔内壁，有利于应力的传递。由于假体承受的是偏心载荷，有肩托的情况下，以肩托作为支点产生杠杆作用，从而导致杆端应力增加。而无肩托的情况下，应力较多地传递到股骨近端，从而杆端的应力相应减少。对于骨质疏松的患者来说，应该选用有肩托的假体，这样既能增加初始稳定性，又能减少股骨矩处的应力遮挡。
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参考文献
1，Markolf KL,Amstutz HC,Hirschowitz DL.The effect of calcar contact on femoral component micromovement:a mechanical study.J Bone Joint Surg(Am),1980,62:1315-1323.
2，McCarthy CK, Steinberg GG, Agren M, et al. Quantifying bone loss from the proximal femur after total hip arthroplasty. J Bone Joint Surg(Br),1991,73:774- 778.
3，Engh CA, McGovern TF, Bobyn JD, et al. A quantitative evaluation of periprosthetic bone remodeling after cementless total hip arthroplasty. J Bone Joint Surg(Am), 1992,74:1009- 1020.
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4，Walker PS, Schneeweis D, Murphy S, et al. Strains and micromotions of press-fit femoral stem prostheses. J Biomech， 1987,20: 693- 702.
5，严建军，杨建，许金峰.人工股骨头置换术后骨质疏松病因分析.骨与关节损伤杂志,1996，11:27-29.
6，Crowninshield RD, Brand RA, Johnston RC, et al. An analysis of femoral component stem design in total hip arthroplasty. J Bone Joint Surg(Am),1980,62:68- 78.
7，Oh I, Harris WH. Proximal strain distribution in the loaded femur: an in vitro comparison of the distributions in the intact femur and after insertion of different hip-replacement femoral components. J Bone Joint Surg(Am)， 1978,60:75- 85.
(收稿日期：1999-12-28), 百拇医药