陶瓷髋关节异响的研究进展和展望_范娜

第31卷第3期摩擦学学报Vol31No3 2011年5月Tribology May，2011陶瓷髋关节异响的研究进展和展望范娜，陈光雄*，钱林茂(西南交通大学摩擦学研究所，四川成都610031)摘要:分别从假体外科植入因素、假体设计因素和假体的摩擦振动因素3个方面，评述了近10年来国内外学者在陶瓷髋关节异响的产生机理及其影响因素等方面所做的研究工作和取得的进展．目前，在关节异响研究领域的主要进展是认识到髋关节植入假体的磨损和假体设计的缺陷会导致关节异响，但这些认识不能完全解释关节异响的物理现象．此外，一些学者已经注意到假体摩擦自激振动可能是关节异响的发生机理，但研究工作才刚起步．关节异响的发生机理尚不明确，许多问题还有待深入研究．为了更好地探究关节异响的发生机理，建议从摩擦自激振动与髋关节体内动力学交叉的角度来研究和分析关节异响．关键词:陶瓷;全髋置换;关节异响;摩擦振动中图分类号:R687．4文献标志码:A文章编号:1004－0595(2011)05－0311－06 Current State and Progress in the Research of Squeakingin Ceramic－on－ceramic Hip ProsthesisFAN Na，CHEN Guang－xiong*，QIAN Lin－mao(Tribology research institute，Southwest Jiaotong University，Chengdu610031，Sichuan，China)Abstract:The research work and progress in squeaking of ceramic－on－ceramic hip prosthesis in the past ten years are reviewed from three viewpoints of surgical implantation，design of partner components and friction－induced vibration．So far，the generation mechanisms of squeaking in ceramic－on－ceramic hips are mainly attributed to the wear of implanted hips and shortcomings in prosthetic design．However，these mechanisms can not statistically explain all the physical phenomena of squeaking in ceramic－on－ceramic hips．Several investigators suggested that the squeaking of ceramic－on－ceramic hip prosthesis may be induced by the friction－induced vibration of ceramic－on－ceramic hip prosthesis，but their work has just got going．Up to now，the main mechanism of squeaking generation has not been completely understood．It is suggested that the further study on the hips squeaking should be carried out from the interdisciplines of friction－induced vibration and in vivo kinetics of hip prosthesis，so as to better acquire the understanding of the squeaking generation mechanism．Key words:ceramic，total hip arthroplasty，squeaking，friction－induced vibration自1970年Boutin［1］首先将氧化铝陶瓷应用于全髋关节置换术(THA)后(如没有特殊说明，下面说到的陶瓷都是指氧化铝陶瓷)，陶瓷股骨假体头的应用逐渐普遍．近几年出现的第三代氧化铝陶瓷假体［2］以其优越的摩擦学性能、极高的硬度和良好的生物相容性，日益得到医学界的认可．韩国、日本、美国、法国、澳大利亚等国的临床研究结果证明［3－7］，陶瓷－陶瓷(COC)全髋关节置换术非常可靠，翻修率与脱位率底、骨溶解甚少．这些优点使其在年轻患者和既往手术史患者中得到了大量的应用．但是，近几年陶瓷假体出现的“咯吱”声异响(Squeaking，以下简称“异响”)问题逐渐引起了患者Received19May2010，revised19July2010，accepted10September2010，available online28May2011．*Corresponding author．E－mail:chen-guangx@163．com，Tel:+86－28－87634973．The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(50875220，50821063)．国家自然科学基金项目资助(50875220、50821063)．和研究者的重视．在美国和英国，使用者对关节异响很敏感，常常因关节异响而向厂商进行法律索赔，这严重阻碍了陶瓷髋关节假体的广泛应用［8－9］．要能有效地预防及控制关节异响的发生，需对其成因及相关的因素有更好的了解．现在对关节异响的研究是全球性的，许多著名的学者都参与相关的研究工作，包括Komistek(美国田纳西大学)、Murphy(新英格兰Baptis医院)、Walter(悉尼)、Morlock(德国汉堡－哈堡工业大学)和Stewart(英国利兹大学)等．国内对人工关节异响的研究刚起步．为了更好地开展有关的研究工作，本文在国内外有关人工关节异响文献综合分析的基础上，对近年来陶瓷髋关节异响的研究现状与进展作了综合评述，并进一步提出未来的研究方向．1人工关节异响的物理特征关节异响(“咯吱”声)是1种具有特定频率的、可听得见的响声．Charnley［10］指出，所有常见的关节材料在摩擦过程中都有可能产生声响．但是，关节异响主要发生在硬对硬的接触摩擦配合面上［11－12］，如金属－金属(MOM)、陶瓷－陶瓷(COC)．而高分子假体材料(应用较多的超高分子量聚乙烯)为黏弹性材料，摩擦时一般不会产生异响．但是，高分子材料的耐磨性较金属和陶瓷差，而且摩擦负重面所产生的聚乙烯磨损颗粒会引起组织坏死、骨溶解并最终造成人工关节晚期假体松动手术的失败［13］．所以，越来越多的研究者开始关注耐磨性极好的生物陶瓷材料．对于陶瓷人工髋关节异响的发生情况，国内外的研究结果表明:当假体设计正确时，关节异响发生的概率一般小于1%．Walter等［14］在1997 2004年对2716个陶瓷全髋置换假体进行研究，发现异响的发生率为0．48%;Murphy等［15］对假体进行分组研究，其试验结果和Walter的相似，分别为0．4%和0．6%．但是，若假体设计不当，导致股骨柄颈部和髋臼边缘撞击时，异响发生的概率会明显增高．Restrepo 等［16］对1056个陶瓷全髋关节置换假体进行研究，统计出异响发生的概率为2．7%;Jarrett等［11］的统计结果为7%;Murphy等［15］的结果为7．6%，他们都在翻修的假体上观察到股骨柄颈部和髋臼边缘撞击的痕迹．关节异响出现的概率如此之高，引起了研究者的广泛关注，探究关节异响的产生机理成为了研究者重点关注的问题．2关节异响的发生机理关节异响很难人为再现，仅在特殊的活动和负重状态下才会发生［11，17］．迄今为止的试验和模拟试验研究均表明人工髋关节的异响是多因素共同作用的结果，其中一些因素的相互作用关系尚待认识．笔者对文献进行了综合研究，下面将分别从假体外科植入因素、假体设计与选择因素和假体的摩擦与振动因素3个方面论述关节异响的发生机理以及影响因素．2．1植入假体的磨损导致异响2．1．1髋臼和球头的微分离导致“条状磨损”氧化铝陶瓷应用于全髋置换已有40年的历史，从翻修手术中获得的陶瓷假体来看，第一代和第二代陶瓷球头和陶瓷髋臼内衬中都有明显的“条状磨损”(Stripe wear)［18］．“条状磨损”是1种长而窄，形如新月牙的磨损形态，见图1［16］．早期的研究表明:松动的髋臼假体会慢慢移动到较直(外展角较大)的位置，当球头重新滑向髋臼边缘时，会在接触面上产生很高的接触压力并产生磨损，日积月累就行成了所谓的“条状磨损”．这些“条状磨损”会增加摩擦，与关节异响的产生有重要关系［18］．Fig．1Stripe wear on the femoral head andthe acetabular component图1髋臼和球头的“条状磨损”一些研究者认为只要通过改善材料的性能和提高髋臼置放的稳定性就可以防止“条状磨损”的产生．但是近几年的研究表明:在第三代陶瓷假体上即使材料性能更加优良，假体置放更加稳定，同样会产生“条状磨损”［19］．为此，研究者又提出了新的解释，髋臼和球头之间的微分离(Micro－separation)．Nevelos等［20］首先提出了陶瓷－陶瓷全髋置换假体在关节活动过程中的微分离现象．Nevelos认为在患213摩擦学学报第31卷髋摆动时，关节负重面之间会出现轻微分离，转至足跟着地时，假体头与髋臼的上缘就出现了边缘负重(Edge loading )，随之关节复位，在边缘负重与关节复位的过程中可加重假体磨损，进而形成“条状磨损”，见图2．Fig．2Microseparation in the simulator 图2模拟微分离Tipper 等［21］通过髋关节体外模拟试验，研究陶瓷假体处在微分离状态下假体的磨损情况．研究结果表明:在微分离状态下，假体表面出现的粗糙度增加以及磨损形貌和临床上翻修取出的股骨头假体表面的情况基本相同．Dennis 等［22］利用荧光透视影像(Fluoroscopic videos )和计算机交互式模型拟合技术(Interactive model －fitting technique )，在患者髋体内进行试验．试验结果证明了髋臼和球头微分离的存在．同时他还论证了球头和髋臼之间产生微分离是全髋置换术后髋关节周围的关节囊、韧带和肌肉等软组织受损或消失造成的．Tipper 和Dennis 的研究证实了微分离的存在以及微分离与“条状磨损”的产生有关．一些学者也支持微分离与关节声响有关，特别是与关节异响有关［10］．但是至今，所有的髋关节模拟试验都没有发现氧化铝陶瓷摩擦副在微分离情况下的关节异响［23－25］．Stewart 等［23－24］在近几年的氧化铝陶瓷与氧化铝陶瓷配副的髋关节体外模拟试验中，发现在有微分离的情况下，假体并没有产生异响，反而在氧化锆球头与氧化铝内衬臼配合的模拟试验中，由于磨损非常严重，发现了在微分离下的关节异响，而且产生的异响与实际情况极为相似．有趣的是，当给配合面添加润滑剂时，异响便消失了［25］．Sariali 等［26］应用三维计算机建模技术，建立了Leeds Ⅱ髋关节模拟器的三维动态模型，模拟了陶瓷髋关节在微分离状态下的动力学相互作用．研究结果表明:微分离可能与一些低频的关节声响有关，它并不是引起关节异响的直接原因，而第三体磨损和股骨颈与髋臼边缘的碰撞反而对关节异响有更大的影响．以上的模拟试验都是在体外环境进行的，也许在体内环境下试验所得到的结果有所变化．所以，微分离与关节异响究竟有何关系，如何更好地模拟髋关节体内情况，还需要做更多的研究工作．2．1．2髋臼植入位置的影响髋臼假体的置放位置在髋关节置换术中起到了非常重要的作用．以往的研究均表明假体置放位置不当将增加磨损［27］，导致假体骨溶解并最终失效［28］．既然植入髋臼位置如此重要，一些研究人员对髋臼位置与关节异响的相关性进行了研究．Walter 等［14］研究发现，髋臼置放位置与“咯吱”声有关，如果髋臼前倾过大，伸髋时易出现“咯吱”声，同样髋臼后倾过大，屈髋时易出现“咯吱”声．撞击、半脱位、边缘负重一般只发生在臼杯过度前倾、后倾，或在股骨柄翻修中或软组织松弛的时候．边缘负重磨损易发生在屈曲90ʎ，特别是深度屈曲的时候，如从椅子上站起或从地上捡东西，因为此时假体负重大于正常走路时．Walter 等还发现部分COC 假体出现“咯吱”声的患者存在共同的特点，即平均年龄小于56岁，身高179cm 以上，体重大于90kg ，因为他们的活动量更大，关节负重也更大，更容易产生异响．此外，植入髋臼位置不当还将引起股骨柄颈部与臼杯边缘的撞击．Eickmann 等［29］和Swanson 等［30］的研究均表明髋臼植入位置不当时股骨柄颈部与臼杯边缘会产生撞击．撞击产生的金属磨损颗粒会进入陶瓷关节负重面，破坏关节负重面之间的润滑从而增加陶瓷内衬的磨损，并产生陶瓷磨损颗粒，导致关节负重面之间的第三体磨损(Third bodywear )，并最终产生异响．不过，并不是所有学者都认同髋臼置放位置不当会产生关节异响．Restrep 等［16］对999组病例中发现异响的28个髋关节假体进行研究，结果显示髋臼的位置不当与异响的产生并没有很大的关系．Jarrett ［10］也认为髋臼的位置不当与异响的产生并没有很大的相关性．植入髋臼位置不当与异响的产生是否相关还需要进一步的研究，目前已达成共识的是:若植入髋臼位置准确、稳定，就一定可以减少磨损，这样也间接减少了关节异响的发生．2．2假体材料和设计缺陷导致的异响2．2．1假体摩擦副选择不合理使磨损增加Stewart 等［25］选择氧化锆假体头和氧化铝髋臼内衬配副，在髋关节体外模拟器上进行微分离的试313第3期范娜，等:陶瓷髋关节异响的研究进展和展望验．试验表明:当微分离非常小时，磨损并不大，但是当微分离变大后，磨损率呈2个数量级增加，产生严重的磨损，并伴随有关节异响．这说明配合面材料选择不当也会产生关节异响，所以一般都选择氧化铝陶瓷与氧化铝陶瓷进行配合．2．2．2假体设计不合理引起撞击假体设计不当容易引起股骨柄颈部与臼杯边缘的撞击．Swanson 等［30］从1999年开始从事陶瓷全髋关节置换，长达10年的研究发现，当使用Stryker Trident 髋臼假体和Accolade 股骨颈配合时，假体置换不久后就会产生强烈的异响．Stryker Trident 髋臼假体和其他的髋臼不同，Stryker Trident 髋臼有1个外展的金属底臼，主要用来防止陶瓷内衬臼和股骨颈的冲撞，以保证陶瓷假体的使用可靠性．但是正是由于金属臼底的外展反而增加了股骨颈和金属臼底的撞击，撞击产生的金属颗粒在关节负重面之间形成第三体磨损，破坏关节负重面之间的润滑，增加摩擦并最终产生异响．Swanson 的研究还证明了如果股骨颈太短也容易引起冲撞．这和Keurentjes ［8］得到的结论基本相同．Murphy 等［15］的研究结果也证明了当髋臼设计不当时，股骨柄颈部与外展的金属臼底产生严重撞击，导致异响的发生率很高，图3显示了撞击发生的地方．所以假体设计非常重要:既要保证足够的头臼覆盖率，又要有尽可能大的头臼运动范围．可以通过降底颈部直径或调整合适的颈长与偏心距，以减少股骨柄颈部与臼杯边缘的撞击．Fig．3Squeaking hip with metal －on －metal impingement 图3异响髋关节金属－金属产生的撞击2．3假体的摩擦振动因素迄今为止，研究者主要从假体工作表面磨损现象入手，研究关节异响的产生机理，而忽略了引起关节异响的本质－假体的摩擦振动．任何接触表面摩擦都有可能产生振动和声响．在许多摩擦系统中，振动引起的声响都与摩擦面间发生的粘－滑(Stick －slip )现象有关［31－32］．粘－滑会使摩擦增加，摩擦增加意味着关节系统运动消耗的能量也增加．关节系统从而承受更大的激励，因此产生振动，称之为摩擦引起的振动．老式木门的合页润滑不良时，木门的转动也会产生振动和声响．如果这一频率在20 20000Hz 范围内，且振动相对比较大时，便出现了我们听到的异响．在机械领域中，常用试验模态分析和有限元模拟仿真计算来研究结构的振动特性以控制机械设备的噪声．特别是在汽车制动噪声的研究中［33－35］，用有限元复特征值提取法来研究和控制制动噪声非常有效．类似制动噪声的研究，研究关节异响也可通过试验模态分析和有限元模拟仿真计算来确定假体结构振动的稳定性，以推测结构产生异响的趋势．德国的Morlock ［36－37］就将这种数值计算法与生物摩擦学相结合，开辟了用有限元模拟仿真计算来研究和分析关节异响产生机理的研究领域．其结果证实采用有限元复特征值提取法研究关节异响是可行的．Morlock 等［36］利用有限元软件对陶瓷髋关节假体进行建模和分析．初步的研究结果显示，当假体部件出现接近其固有频率的振动的时候，产生异响的危险性就会增加，这意味着除关节摩擦副表面的相对滑动外，各假体部件间也可能产生振动．样本统计结果显示，在异响发生时髋臼有最大程度的变形．髋臼与球头之间产生某种特定的运动，从而产生一系列振动，即所听到的响声．最新的研究中Morlock 等［37］将体内髋关节模拟试验和有限元复特征值计算的方法相结合，以证明摩擦振动与关节异响的关系．体内髋关节模拟试验证明了在特定的摩擦系数下，原本稳定的运动状态会变成高频自激振动的线性不稳定状态，并最终形成极限环．在有限元数值分析中，也对结构的自激振动进行了重点研究．复征值计算的结果与试验结果对应，在特定的摩擦系数下会出现负阻尼，并伴随模态偶合的现象，系统变得不稳定，出现自激振动，其振动频率在人的听觉范围内，所以有产生关节异响的趋势．Walter ［38］对产生异响的31对陶瓷配合面进行了声学分析，同时利用有限元方法计算假体各个部件的固有频率，将声音频率和假体的振动频率进行比较，结果表明异响的产生是源于假体的金属部件包括金属臼底和股骨颈引起的共振．陶瓷髋关节模拟试验表明［17，25，37］，假体刚开始413摩擦学学报第31卷工作时，由于各部件性能良好，特别是假体摩擦副润滑状态良好，假体并没有异响．但是当使用一段时间后，假体一些部件性能退化，特别是当假体摩擦副润滑状态变差(如图1所示)、滑动摩擦系数变大时，假体就会产生异响．在摩擦振动和噪声的研究领域中，也可观察到这个物理现象［35］．此外，Morlock和Walter［36－38］的试验结果均表明:异响的频率与假体系统的自然频率接近．可见，关节异响既与假体系统摩擦状态有关，也与假体系统动力学特性有关．摩擦使摩擦副产生运动耦合，当与系统自然频率相同或者接近时，就很容易引起自激振动从而发出异响．最近，Glaser等［39］提出1种非侵入式的声和振动分析技术(A non－invasive acoustic and vibration analysis technique)．这种技术将假体声和振动信号以及假体在体内的荧光透视影像结合起来，这样研究者就能够同时观察到假体在体内的动态运动情况以及由此产生的振动信号和声音信号．这种技术首次提供了1种髋关节体内试验与声信号结合的可视化界面．这种研究方法为更全面深入地评估髋关节体内动态变化提供了新的思路．但是，假体摩擦振动产生异响的研究才刚起步，亟待更进一步的研究工作．3展望国内外对髋关节异响的研究已经有10多年的历史了．到目前为止，研究者认为髋关节异响主要是髋关节假体磨损和假体设计缺陷造成的微分离和碰撞引起．但正如前面所述，一些学者的试验结果并不完全支持这些结论．作者认为，目前对髋关节异响产生机理的认识还比较肤浅，主要表现在目前的研究仍停留在关节异响物理现象的表面认识上．例如，并非所有出现“条状磨损”的关节都会出现异响，由此说明关节异响的实际机理还没有得到认识．有学者认为，关节异响是关节部件碰撞产生，但目前为止文献资料还没有从异响的振动信号特征来辨识这个原因，因此这个机理具有假设性．其实，关节碰撞产生的振动信号和关节自激振动产生的信号很容易区分．若关节异响是关节碰撞产生的噪声，则这个噪声多半是短时脉冲噪声，且噪声可能包含多个频率成分．若关节异响是关节自激振动辐射出的噪声，则该噪声信号会持续一段时间，且噪声的频率比较单一．由于关节异响是在关节运动过程中发生的，当给关节配合面添加润滑剂时异响便消失［27］，因此可以初步判断关节自激振动是摩擦振动．在摩擦振动和噪声研究领域，尽管对摩擦振动和噪声产生机理的认识还不全面，但也形成了1套自己的理论体系和研究方法［37－39］．因此，作者认为应从摩擦自激振动与髋关节体内动力学交叉的角度来研究关节异响作为今后的主要研究方向，应特别注意下面几个方面的研究:①区分髋关节假体的关节异响和低频声响;②深入分析假体关节负重面的摩擦学状态;③对髋关节假体进行摩擦耦合仿真分析;④提出抑制关节异响的技术和方法．参考文献:［1］Boutin P．Total arthroplasty of the hip by fritted aluminum prosthesis．Experimental study and1st clinical applications［J］．Rev Chir Orthop Reparatrice Appar 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