髋关节术後骨质密度变化之电脑模拟分析-JMBE-JournalofMedical.PDF

Journal of Medical and Biological Engineering, 21(3): 161-166 2001 161 髖關節術後骨質密度變化之電腦模擬分析 * 1 2 1 3 林峻立 張志涵 賴國安 林子弘 張文珍 長庚大學機械工程研究所 1 國立成功大學醫學工程研究所 2 國立成功大學醫學院骨科 3 大華技術學院工業工程管理學系 1999 4 26 2001 5 15 摘 要 髖關節莖鬆動是目前人工髖關節長期植入後失敗最主要的現象，而以生物力學的考量因素來說，應力遮 蔽效應是導致髖關節術後骨質流失並引發髖關節莖鬆動最重要的原因之一，由於術後髖關節莖周圍骨質所承 受的應力和應變與術前正常狀態不同，在長期的作用下會促使骨質產生重建的現象，股骨近端的骨質會因而 產生流失使髖關節莖無法穩定固定於骨髓腔中而導致最後手術的失敗。本研究利用已量化的數學模式描述骨 質重建現象，配合影像處理、電腦輔助設計及有限元素分析法等技術於電腦中模擬人工髖關節長期植入後骨 質密度的變化。電腦模擬結果顯示術後一段時間股骨內側近端骨質有變鬆之趨勢，而遠端則有變密的現象， 與臨床骨質變化的結果吻合。故整合電腦斷層掃描、CAD 系統以及有限元素分析法，能有效的模擬出髖關 節植入後骨質變化的趨勢，此項技術加以修正、改進，日後應可作為術前臨床評估長期骨質流失的工具。 關鍵詞 ：應力遮蔽效應、有限元素法、骨質重建 前 言 當存在於骨骼中的感測器，偵測到負荷狀態變化之後 ，會 先將其轉換為生理訊號 ，並與遺傳（genetics ）、荷爾蒙 近年來由於醫學工程在生物力學的進展，全人工髖關 （hormone ）、新陳代謝（metabolic factors ）等因素整合後 ， 節的設計及製造已有長足的進步，但隨著時代的進步，患 骨質便開始產生重建，造骨和蝕骨細胞也開始調整其運作 者對全人工髖關節的要求亦隨之提高，加上施行髖關節手 的均衡性，如此一來，便使得骨骼部份區域質量（bone 術的病患有逐漸年輕化的趨勢，因此如何增加髖關節的使 mass ）有所變化（增加或減少），而這種現象稱為骨頭重 用年限及負荷的加重就成為一極為重要的課題。人工髖關 建理論 （bone remodeling theory ）。當施行髖關節手術後， 節手術失敗的臨床現象主要包括：感染 （infection ）、脫臼 由於在應力遮蔽效應的作用下，股骨受力狀態已產生巨大 （dislocation ）、莖之斷裂 （stem fracture ）及髖關節莖鬆動 變化 ，髖關節莖周圍骨質所承受的應力和應變和手術前正 （stem loosening ）等因素。其中髖關節莖鬆動（stem 常狀態不同，便會促使骨質重建的現象開始運作 ，此種現 loosening ）是目前造成全人工髖關節長期穩定失敗最主要 象於髖關節近端及遠端尤為嚴重，若骨質重建的結果不利 的現象，而應力遮蔽效應（stress-shielding ）為大多數學者 公認為促使髖關節莖鬆動最重要的原因之一[1-6] 。所謂應 於關節莖之固定，則易導致人工髖關節術後的失敗。 力遮蔽效應是因一般植入之