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发布时间：2020-04-28
版权归属原文（原创 2020-04-27 CMDE 中国器审）
前言
监管科学的目的之一是将创新方法和工具运用到医疗器械技术审评中，更好地解决新材料/技术和全新治疗方式对医疗器械监管的挑战。重建人体生物力学功能是很复杂的过程，需要考虑骨、肌肉、韧带、神经、血管等多种组织的相互作用，个性化医疗器械的使用增加了产品性能评价的复杂性。本文通过对不同步态下正常骨盆和重建骨盆的生物力学模型研究，初步判定临床前个性化假体的强度和稳定性，为产品设计研发和技术审评提供参考。
一、介绍
骨盆是人体最重要的受力结构之一，由于肿瘤或外伤引发的骨盆缺损可能导致力学支撑失效，严重影响到下肢功能。然而，由于复杂的解剖结构和邻近的重要神经血管组织，给骨盆大面积切除后的重建带来困难。个性化假体的设计和安装的匹配性好，是获得满意的骨盆重建效果的最佳选择。
骨盆的生物力学分析是设计和评价个性化假体的基础。但是，目前骨盆的生物力学情况并没有得到充分研究。Hao等对骨盆在站立态的生物力学性能进行了尸体研究。但是由于个体的解剖结构差异和骨盆材质属性，评估不同个性化假体比较困难。
有限元分析可以应用于跨度范围较大的解剖差异和材料属性差异，所以广泛地应用于骨骼生物力学研究。Iqbal等采用了有限元分析研究了健康和个性化假体重建骨盆在站立下的生物力学；Bridget Volinski等研究了行走步态下健康骨盆环所受应力；Liu等评估了行走、上下台阶中可调半骨盆假体的骨盆生物力学性能。然而尽管已经采用有限元方法进行了很多骨盆生物力学研究，但是骨盆在不同活动状态下的力学模型仍未明晰。
本研究中，建立了正常骨盆和个性化假体应用的重建骨盆的有限元模型，对重建骨盆模型在站立、屈膝、坐下、起立、行走，以及上下台阶中的生物力学进行研究，可用于个性化假体力学强度和稳定性的评估。
二、材料和方法
（一）临床信息
43岁女性患者，身高160cm，体重51kg，由于左骨盆肿瘤在西京医院（空军军医大学第一附属医院）治疗。进行II+III型切除，并使用3D打印的个性化假体进行骨盆重建。同时植入4枚螺钉，从骨盆内侧到外侧分别编号为1到4（图1）。
图1对于（a）正常骨盆、（b）重建骨盆和（c）假体设计的载荷和边界条件。Rcf和Lcf分别指右和左髋接触力
（二）三维（3D）建模
经医院伦理委员会批准，获得患者CT影像并导入Mimic 16.0建立骨盆的三角曲面模型。再将骨盆表面模型导入Geomagic Studio 2012形成骨盆实体模型。然后，将实体模型导入Solidworks 2013进行错误校验和螺钉装配。个性化假体的设计采用拓扑优化方法。此外，通过Abaqus/CAE软件在髋臼处增加两个球面壳以模拟股骨头。至此，重建骨盆的3D模型建立完成。正常骨盆模型通过患者右侧髂骨镜面图像获得。
（三）有限元建模
根据Leung等，由Hounsfield单位（H.U）和骨密度（ρ）关系，杨氏模量（E）和骨密度的关系计算获得骨的材料属性。公式如下：
（1）ρ=0.00069141×H.U+1.026716
（2）E=2017.3𝜌2.46
假体和螺钉的实体部分的材料属性定义为钛合金。假体多孔结构的杨氏模量由试验获得，值为0.8GPa。所有材料属性见表1。
在骶骨和髂骨间进行约束限制模拟骶髂关节。骨和螺钉界面同样进行约束，模拟螺纹适配。假体和骨、假体和螺钉之间的接触点的摩擦系数设为0.1。根据Hao等的研究使用弹簧元件模拟骨盆韧带。弹簧元件的参数见表2。由于大范围切除，仅将骶髂韧带纳入左侧重建骨盆考虑。
正常骨盆和重建骨盆的S1椎体上表面被完全约束，沿着X、Y、Z坐标轴（图1a，1b）向刚性球壳中心施加图2所示分力，模拟骨盆的常规活动。髋接触力取自HIP 98数据库。
图2 不同常规活动中髋接触力：（a）双腿和单腿站立；（b）屈膝；（c）坐下；（d）起立；（e）正常行走；（f）快速行走；（g）下台阶；（h）上台阶。L和R分别指代左腿和右腿。X、Y和Z下标分别指代Z、Y和Z坐标轴（图1）
对于网格3D模型，骨和假体选用4节点四面体单元（C3D4），螺钉选用8节点六面体线性非协调模式（C3D8I）。球壳选用4结点三维双线性刚性四边形（R3D4）。为了消除网格大小的影响，进行网格敏感性分析。骨的最佳网格尺寸为2mm，假体的最佳网格尺寸为1mm，螺钉的最佳尺寸为1mm。正常骨盆和重建骨盆的单元总数分别为118496和300772。
三、结果和讨论
（一）结果
如图3所示，通过有限元模拟对不同常规活动下正常骨盆和重建骨盆模型中骨、螺钉和假体的最大冯米塞斯应力进行预测。其中，双腿站立和单腿站立是静态的，只有最大冯米塞斯应力，而非应力曲线。双腿站立和单腿站立时，正常骨盆模型的最大应力分别为11.9MPa和32.6MP。在重建模型中，双腿站立时骨、螺钉和假体上的最大应力分别为10.1MPa、16.5MPa和38.2MPa，单腿站立时则分别为38.4MPa、31.5MPa和68.4MPa。其他七个步态时，步态周期中正常骨盆和重建骨盆的最大应力的大小如图3（b）-（h）所示。
图3 正常骨盆模型和重建骨盆模型中最大冯米塞斯应力：（a）双腿和单腿站立；（b）屈膝；（c）坐下；（d）站起；（e）正常行走；（f）快速行走；（g）下台阶；（h）上台阶
日常活动中，正常骨盆模型发生最大应力时的应力分布如图4所示。所有活动下正常骨盆模型的应力主要集中在骶骨上部和骶髂关节周围。在所有的活动中，最小和最大冯米塞斯应力分别为11.9MPa和73.8MPa，分别在单腿站立和上台阶过程中观察到。在所有活动中，均观察到在S1椎体上表面周围存在最大应力。坐下和站起时骨盆的应力分布相似。然而，站起时骨盆的最大冯米塞斯应力为57.3MPa，大于坐下时的峰值应力45.8MPa。此外，在下台阶和上台阶过程中，骨盆的应力分布是相似的，但是，在上台阶过程中最大的冯米塞斯应力要高于下台阶过程。
图4 不同日常活动下正常骨盆模型的冯米塞斯应力分布
对于重建骨盆模型，骨和假体在常规活动下的应力分布分别如图5和图6所示。重建骨盆其余部分的应力分布与正常骨盆相似。对于骨，最大冯米塞斯应力出现在起立时，值为67.9MPa。对于假体，应力主要集中在骨与假体的交界处，以及实体部分与多孔部分的交界处。在上台阶过程中，假体的最大冯米塞斯应力为180.2MPa。对于螺钉，预测应力主要集中在靠近骨盆内侧的螺钉1和螺钉2上，最大冯米塞斯应力出现在下台阶过程中螺钉2的顶部，为117.9MPa。图7总结了常规活动下正常骨盆和重建骨盆各组成部分的最大应力值。
图5 重建骨盆患者日常活动中骨的冯米塞斯应力分布
图6 重建骨盆患者日常活动中假体的冯米塞斯应力分布
图7 日常活动中正常骨盆和重建骨盆各组成部分的最大冯米塞斯应力。参考典型3D打印Ti6Al4V的皮质骨强度和疲劳强度
假体采用20-53μm直径的Ti6Al4V粉末，经过电子束融化（EBM）技术加工制造。打印工艺参数包括：层厚50μm、扫描距离0.08-0.1mm，扫描速度1000-1300mm/s。在西京医院完成假体植入患者体内（图8）。病人术后卧床两周，等待盆腔周围组织愈合。此后，患者可以在拐杖或助行器的帮助下行走，重量主要由侧肢体承担，患肢可以脚趾触地。
图8 （a）3d打印假体及（b）临床植入后重建骨盆的x线图像（西京医院提供）
（二）讨论
对于正常骨盆模型，应力主要分布在骶骨上部和骶髂关节周围（图4）。上台阶是正常骨盆受力较大的步态，这一过程中最大冯米塞斯应力为73.8MPa，接近皮质骨的强度 （80-150MPa）。根据应力分布情况可为不同类型假体设计提供参考。例如由于应力主要通过骶髂关节传递，所以在设计用于I型重建连接骶髂关节的假体固定部分时应谨慎。此外，像本文中给出的假肢，Ⅱ+Ⅲ型切除后的坐骨没有重建，因为坐骨本身承受最小的压力，而且较小的假肢可以减少感染的风险。
重建骨盆模型中残余骨的应力分布与正常骨盆非常相似，即主要集中在骶骨上部和骶髂关节。同时，根据图3所示的结果，在所有常规活动中，正常骨盆和重建骨盆残余骨的最大冯米塞斯应力的大小和变化是相似的（低于25%）。然而，重建骨盆残余骨的最大冯米塞斯应力为67.9MPa，出现在站起时，而不是在爬台阶时。这可能是由于盆腔移动的大位移，以及髋关节的大范围运动，使得站起成为骨盆置换患者最危险的活动情况。
假体上的应力主要分布在残余骨与假体的交界面以及实体、多孔部分的交界处。在上台阶过程中，假体的最大冯米塞斯应力为180.2MPa，略低于3D打印的Ti6Al4V的疲劳强度（200-500MPa），远远低于Ti6Al4V的屈服强度（739-1013MPa）。虽然假体多孔结构的最大冯米塞斯应力已经超过了其疲劳强度（13.6MPa），但随着骨长入，多孔结构的疲劳强度将显著提高。同时，如图6所示，由于假体的实体部分与多孔部分之间存在刚度不匹配，使得多孔部分的应力主要集中在与实体部分的交界处。梯度多孔结构可以使材料性质从固体逐渐转变为多孔部分，从而降低应力集中。
术中使用四颗螺钉连接假体和左侧髂骨。在下台阶过程中观察到螺钉的最大冯米塞斯应力为117.9MPa，远远低于传统方法Ti6Al4V的疲劳强度（310-610MPa）。然而，结果显示在图6中，应力主要集中在靠近骨盆内侧的两个螺钉（螺钉1和2）。例如，上台阶时螺钉1到螺钉4的最大冯米塞斯应力分别为92.3MPa，117.9MPa，46.6MPa和34.9MPa，意味着这种设计可能不需要四个螺钉。而且并非越多的螺钉能有更好地固定效果，因为部分螺钉可能不怎么受力。此外，更多的螺钉可能引发更多的创伤和更大的感染风险。因此，在保证假体稳定性的同时，优化螺钉数目是非常重要的。
根据图2所示的髋关节接触力，在常规活动下，髋关节接触力的峰值是体重的0.7-2.6倍。在快走、上台阶和下台阶步态中，接触力的峰值是体重的2.5倍以上，说明这些步态是重建骨盆的危险活动。然而，关节接触力越大，并不一定意味着骨盆的风险越大。骨盆的个体化解剖及性质、手术切除方式、假体的设计、固定方式等都对其有一定的影响。例如，在本研究报道的病例中，上台阶是正常骨盆最危险的步态，然而，分别在站立、下台阶和上台阶时观察到重建骨盆的残余骨、假体和螺钉的最大冯米塞斯应力。因此，了解假肢的生物力学性能，评价个性化假体在所有日常活动中的强度和稳定性是非常重要的。
四、结论
本研究设计了一种用于Ⅱ+Ⅲ型切除后骨盆型重建的个性化假体。为评价假体功能，建立了正常骨盆和重建骨盆的有限元模型，研究了重建骨盆在多种活动下的生物力学。对于正常的骨盆模型，应力主要集中在骶骨上部和骶髂关节周围，在上台阶过程中应力最大。对于重建骨盆，所有活动过程中最大应力变化的应力分布和趋势与正常骨盆模型非常相似，说明个性化假体可以恢复重建骨盆的负荷传递功能。此外，个性化假体和螺钉的最大冯米塞斯应力低于3D打印Ti6Al4V的疲劳强度，说明个性化假体植入后具有可靠的力学性能。个性化假体在不同日常活动中的机械性能评估是非常必要的，通过确定最差情况，避免危险活动，并在临床应用前验证假体强度和稳定性。
原文登载于J Bionic Eng 16（2019）1092-1102
审评四部 刘斌 闵玥 甄珍 丁金聚 供稿
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