骨水泥聚乙烯内衬技术的临床与生物力学研究

发布时间：2018-12-26 14:09

【摘要】：研究背景全髋人工关节置换术成功开展数十年,用于治疗多种晚期髋关节疾病包括骨关节炎、类风湿性关节炎、股骨头缺血性坏死、髋臼发育不良等,手术技术日臻成熟,大宗病例证实疗效肯定,已成为临床常用的标准手术之一。1971年Harris首次采用模块化假体,促进了各类材料、界面组合的发展,为关节外科医师提供了更多的选择,同时也带来了内衬磨损、分离、假体不稳等并发症。过去20年多数人工全髋关节置换术采用金属或陶瓷对聚乙烯界面,由于传统聚乙烯的特点,容易发生聚乙烯磨损,磨损颗粒引起假体周围骨溶解,随之人工假体无菌性松动、下沉、移位。骨溶解和假体松动是影响人工全髋关节置换术远期疗效的主要原因。磨损及其引起的一系列生物学反应是造成骨溶解和假体松动的主要因素及机制。源于聚乙烯内衬磨损导致的假体松动是髋臼翻修的主要原因之一。人工髋臼翻修术主要有两种方式：髋臼假体松动时行全髋臼翻修,在骨缺损处植骨已成为共识；对于金属髋臼稳定伴有聚乙烯内衬磨损和髋臼假体周围程度不一的骨溶解的病例,选择取出金属髋臼还是单纯更换内衬仍存在争论。后者主要适用于金属髋臼稳定、聚乙烯内衬磨损伴骨溶解或内衬失败的病例,优点是手术损伤较小、出血少、手术时间短、保留患者髋臼骨量,可同时行清除磨损碎屑及界膜组织,并通过髋臼螺钉孔植骨或者在患者髋臼开窗植骨治疗骨溶解,避免全髋臼假体翻修可能导致的患者髋臼骨缺损、骨盆不连续,降低患者费用、减少手术致残、致死率。更换聚乙烯内衬有两种方式：1、单纯更换新聚乙烯内衬；2、用骨水泥将新聚乙烯内衬固定于原金属髋臼内,可称为骨水泥聚乙烯内衬技术,亦有作者称之为“双杯”技术(Double-socket technique)。前者常由于锁定装置损坏、新聚乙烯内衬不匹配、难以找到原型号内衬等原因而难以实现；而后者用骨水泥将新内衬固定于原金属髋臼内解决上述问题,此外可使用含抗生素骨水泥减少翻修术后感染,可改变假体界面,例如使用金属内衬,还可以在原金属髋臼允许范围内选择不同大小的内衬,但其选择由于对内衬厚度及股骨头直径的要求而有所限制。骨水泥聚乙烯内衬技术在患者的应用由Heck与Murray于1986年首次报道,此后得到广泛应用与研究。生物力学研究表明聚乙烯内衬-骨水泥-金属髋臼界面的固定强度优于或相当于髋臼标准锁定装置,骨水泥-金属髋臼界面未见失败记录,对聚乙烯内衬外表面的处理及水泥层厚度有较一致的结果。临床病例经过中短期随访,临床及影像学结果良好。更换聚乙烯内衬及股骨头可以减少磨损,减缓骨溶解进展,更换内衬尤其是使用高交联聚乙烯内衬替换原传统聚乙烯内衬后,高交联聚乙烯磨损率降低,陶瓷对聚乙烯或金属对聚乙烯界面产生磨损颗粒减少,骨溶解进展减缓,联合金属髋臼螺钉孔或者开窗骨溶解区病灶清除异体骨植骨可以清除骨溶解区域界膜组织、减少局部磨损颗粒、填充骨溶解区域,恢复患者髋臼周围骨量。但该手术技术并发症不容忽视：15%-30%的脱位发生率；骨水泥聚乙烯内衬技术不能改变金属髋臼外倾、前倾角度,对于位置不良的金属髋臼,如：后倾或者过度外倾的金属髋臼,更换聚乙烯内衬术后可能出现关节不稳；该手术技术增加了聚乙烯内衬-骨水泥-金属髋臼界面,可能增加界面分离的风险；手术入路对术后关节脱位的发生有一定的影响。对合适的患者选择合适的手术方式是取得手术成功的关键。目前骨水泥聚乙烯内衬技术主要应用于聚乙烯内衬磨损、股骨头穿透内衬、金属髋臼锁定装置损坏、没有匹配原金属髋臼聚乙烯内衬的病例,对于伴有髋臼假体周围骨溶解的病例,要制定个体化的治疗策略。如局限性骨溶解病灶,可以更换聚乙烯内衬联合骨溶解病灶清除加异体骨植骨；广泛的骨溶解或连续的髋臼假体周围透亮线应考虑全髋臼翻修；如髋臼假体使用时间较长,需查阅关于该种假体寿命的记录作为参考；如患者有人工髋关节不稳定的历史,聚乙烯内衬更换需慎重；而对于髋臼假体位置不良但稳定的病例,由于单纯更换聚乙烯内衬术后脱位风险较高,目前认为以全髋臼翻修为佳。人工髋臼位置不良并不少见,如中立位或后倾放置、过度外倾,人工全髋关节置换术中过分追求髋臼外上方的骨性包容,虽然骨组织对金属髋臼覆盖满意,但容易发生髋臼外倾角过大,导致聚乙烯内衬外上方的磨损。对于这类病例,采用骨水泥聚乙烯内衬技术将新的聚乙烯内衬放置于较佳的髋臼外翻角度是否可行与可靠,是一个非常实用的研究课题。在这种情况下,聚乙烯内衬非高边赤道面与金属髋臼的赤道面出现交角,两者之间的水泥层能否提供足够的固定强度,目前尚无报道。人工全髋关节置换术后金属髋臼外倾角度过大的发生率也需要进一步调查。能否将骨水泥聚乙烯内衬技术指征扩大,使金属髋臼固定牢固、外倾角度过大的患者避免全髋臼假体翻修,为远期翻修手术保留骨量,令这部分患者受益呢?有必要对骨水泥聚乙烯内衬技术作进一步的研究。目的 1、对全髋关节置换术后患者进行随访,了解髋关节Harris评分由患者自评的结果与医师评分有无差异。调查人工全髋关节置换术后髋臼假体外倾角≥50。与≥55。的发生率及髋臼外倾角与聚乙烯内衬线性磨损的关系,探讨固定稳定、位置不良的金属髋臼应用骨水泥聚乙烯内衬技术的必要性。 2、了解骨水泥聚乙烯内衬技术应用于聚乙烯内衬翻修时聚乙烯内衬-骨水泥-金属界面的生物力学强度；评估金属髋臼与聚乙烯内衬存在交角时,聚乙烯内衬-骨水泥-金属界面能否提供与标准锁定装置相当或更大的固定强度。使聚乙烯内衬外表面“纹理化”处理简单化,并对简单“纹理化”的聚乙烯-骨水泥界面力学强度作出评价。评估聚乙烯内衬中心化的效果。 3、初步探讨骨水泥聚乙烯内衬技术用于聚乙烯髋臼翻修的技术要点、可行性,并观察手术早期效果。方法 1、临床调查：对1993年1月至2006年5月在广医一院所行全髋关节置换术147例165髋进行随访,医生对获得随访的32例36髋进行Harris评分,并由患者对自身做Harris评分,两组资料作配对t检验。选取2011年5月前我院骨外科所行126例145髋人工全髋关节置换术的末次随访骨盆前后位X线片,由放射科医师及骨科医师测量髋臼外倾角,采用配对t检验比较两者测量结果有无差异；统计外倾角≥50。及≥55。的发生率。测量聚乙烯内衬线性磨损值,采用线性回归分析评估外倾角大小与聚乙烯内衬线性磨损值的相关性,比较外倾角50。与≥50。时聚乙烯内衬线性磨损值的差异,比较内衬使用时间5年与大于5年聚乙烯内衬线性磨损值的差异。 2、生物力学实验：抗杠杆力实验组：25对金属髋臼及聚乙烯内衬假体随机平均分为5组,以标准锁定装置组作为对照组,其余4组应用骨水泥聚乙烯内衬技术在聚乙烯内衬与金属髋臼不同交角(0。,10。,20。)下固定聚乙烯内衬,分为无钢珠聚乙烯内衬与金属髋臼0。交角组、带钢珠聚乙烯内衬与金属髋臼0。交角组、带钢珠聚乙烯内衬与金属髋臼10。交角组、带钢珠聚乙烯内衬与金属髋臼20。交角组(分别简称为无钢珠0。组,0。交角组,10。交角组,20。交角组)。部分组别在固定聚乙烯内衬时在聚乙烯内衬外表面放置4个2mm直径球形钢珠,使骨水泥层厚度均匀。通过生物力学杠杆实验,测定各组界面抗杠杆力强度。抗扭转力实验组：25对金属髋臼及聚乙烯内衬假体随机平均分为5组,以标准锁定装置组做为对照组,其余4组应用骨水泥聚乙烯内衬技术在聚乙烯内衬与金属髋臼不同交角(0。,10。,20。)下固定聚乙烯内衬,分为无钢珠聚乙烯内衬与金属髋臼0。交角组、带钢珠聚乙烯内衬与金属髋臼0。交角组、带钢珠聚乙烯内衬与金属髋臼10。交角组、带钢珠聚乙烯内衬与金属髋臼20。交角组(分别简称为无钢珠0。组,0。交角组,10。交角组,20。交角组)。部分组别在固定聚乙烯内衬时在聚乙烯内衬外表面放置4个2mm直径球形钢珠,使骨水泥层厚度均匀。通过生物力学扭转实验,测定各组界面抗扭力强度。“纹理化”聚乙烯内衬组：5对金属髋臼与聚乙烯内衬假体以骨水泥固定,进行生物力学扭转实验。对本组聚乙烯内衬的开孔填充部分骨蜡,在聚乙烯内衬外表面形成榫孔,使骨水泥溢入,形成聚乙烯内衬与骨水泥之间的“咬合”。测定其界面抗扭力强度与扭转实验中标准锁定装置组比较,评估简单“纹理化”聚乙烯内衬采用水泥固定后的抗扭力强度。 3、对2例髋臼翻修术采用骨水泥聚乙烯内衬技术更换内衬,进行短期随访,观察临床及影像学结果。结果 1、末次随访医师Harris评分为90.01±7.75分(68.5-100分),排除“体征”及“活动范围”两部分内容后的医师评分为：83.39±7.591(62-91分),患者自评为84.36±6.974(66-91分),采用配对样本t检验,t=-0.1567,P=0.126,差异无统计学意义。关节外科与放射科医师所测髋臼外倾角均数分别为47.56。+8.826。、48.41。±9.395。,配对样本t检验显示t=2.978,P=0.003,差异有统计学意义。髋臼外倾角≥55。的百分率为22.1%(32/145,15.3%-28.9%),髋臼外倾角≥50。的百分率为42.1%(61/145,34.1%-50.1%)。所有聚乙烯均可见不同程度的磨损,剔除双髋置换病例后,107个单侧全髋关节置换术后聚乙烯内衬线性磨损均值为0.832±0.7069mm。对107个髋的髋臼外倾角与聚乙烯线性磨损值做散点图及简单线性回归分析,采用曲线拟合的方法,结果显示,二次多项式曲线拟合效果较好,拟合优度(R Square)为0.697,聚乙烯线性磨损值与髋臼外倾角同向相关,其回归方程为y＝4.431-0.21x+0.003x2。 2、生物力学实验：抗杠杆力实验组：各组抗杠杆力分别为无钢珠0。交角组915.04±197.49N、0°交角组449.02±119.78N、10。交角组814.68±53.89N、20。交角组1033.05±226.44N、标准锁定组626.68±206.12N,各组样本的总体方差齐性一致,单因素方差分析显示F为8.989,P0.001,提示各组间抗杠杆力存在差异。20。交角组、10。交角组、无钢珠0。交角组抗杠杆力均大于标准锁定组。LSD法以标准锁定组为对照组比较与其他各组的差异,发现标准锁定组与20。交角组(P=0.001)、无钢珠0。交角组之间(P=0.016)的比较有统计学差异,P值均小于0.05。与10。交角组比较,P＝0.102,无统计学差异。与标准锁定组比较,0。交角组的抗杠杆力较弱,P值为0.121,两组间没有统计学差异。抗扭转力实验组：各组最大扭矩分别为：无钢珠0。交角组6.39±1.03Nm,0。交角组7.60±1.73Nm、10。交角组7.01±2.25Nm、20。交角组7.32±1.56Nm、标准锁定组23.82±3.78Nm。Levene检验各组样本的总体方差不齐,单因素方差分析显示F=50.859,P0.001,提示各组间抗扭力扭矩存在差异。采用Gamse-Howell法比较两两组间差异,显示标准锁定组与其他各组比较有统计学差异,P值均等于0.001,其余各组间两两比较没有差异。标准锁定装置显示了较强的抗扭转性能。“纹理化”聚乙烯内衬组：纹理化组：31.03±1.58Nm,标准锁定组23.82±3.78Nm,采用独立样本t检验比较两组均值,两组间方差不齐,F=6.277,P=0.037,独立样本t检验显示t=-3.94,P=0.01,差异有统计学意义。 3、2个采用骨水泥聚乙烯内衬技术更换内衬的全髋关节翻修病例,其髋关节Harris评分分别由术前的53分、66分提高到随访时的97分、97.5分,手术效果满意,无并发症。骨盆及髋关节照片未见髋臼松动及新骨溶解区,植骨生长良好。结论 1、Harris评分表可制作成临床问卷调查,作为全髋关节置换术后临床随访工作的有益补充。人工全髋关节置换术后髋臼外倾角角度过大有一定的发生率,髋臼外倾角过大是聚乙烯内衬磨损的重要因素之一,初次手术中需要采取有效措施防止髋臼假体外倾角过大。由于髋臼前倾角没有统计,结合髋臼假体外倾角过大的发生率,金属髋臼假体位置不良的发生率不能低估,对其中金属髋臼稳定者行更换聚乙烯内衬翻修,并将聚乙烯内衬以骨水泥固定于正常位置是否可行及可靠,需要进一步研究。 2、生物力学实验：抗杠杆力实验组：与标准锁定装置相比,聚乙烯内衬与金属髋臼之间存在交角时用骨水泥固定,能够提供足够的早期固定强度。抗扭转力实验组：与标准锁定装置相比,聚乙烯内衬与金属髋臼之间以骨水泥固定强度减弱,这与研究采用的聚乙烯内衬外表面光滑、没有纹理化有关,需要对聚乙烯内衬外表面做“纹理化”提高其抗扭转性能。聚乙烯内衬外表面简单的“纹理化”处理加强了聚乙烯-骨水泥界面的抗扭转能力,结果优于标准锁定装置的固定强度。本研究中对聚乙烯内衬外表面纹理化的简单处理可作为研制新型聚乙烯内衬的参考。 3、骨水泥聚乙烯内衬技术上是可行的,手术效果显著,手术操作有其特点,相对于全髋臼翻修创伤小,恢复快,可保留宿主髋臼骨量,延缓全髋臼翻修,是髋臼翻修术中一个可选择的术式。主要创新点提出骨水泥内衬改向技术理念,应用于金属髋臼稳定、位置不良时的内衬改向翻修,并对内衬改向翻修的固定强度进行生物力学研究,目前尚未见报道。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：南方医科大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：R318.17

【参考文献】