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。