人工髋关节置换术后短柄假体疲劳断裂的电镜观察：失败原因分析和文献回顾

病例简介

病例报告:

患者女性，57岁（体重100kg，身高1.62m，BMI 38.1kg/m2），于2001年因严重的右侧髋关节炎行全髋关节置换术。尽管患者肥胖，考虑到患者年龄和良好的骨质情况，我们使用股骨颈保留型ESKA假体（ESKA Cut 非骨水泥型短柄假体）为其实施全髋关节置换术（图1）。

这种钴铬钼合金非骨水泥型假体采用组配式设计（连接器和体部）。假体表面具有三维海绵状金属结构（Tripo-Metal），微孔直径为800~1500μm。手术选择Bauer外侧经臀肌入路。假体柄使用10°的组配接头及相应的非骨水泥ESKA臼杯，以及直径28mm的陶瓷头和陶瓷内衬。患者术后6周扶拐部分负重（10kg）活动。

术后6个月，患者诉大腿中度疼痛，给予间断口服非甾体抗炎药治疗。2005年春季，患者自觉疼痛加重，被迫再次扶拐。患者无外伤史。2005年11月患者再次就诊，此时已无法去拐行走。X线检查显示股骨柄严重内翻偏移，侧方有5mm宽的骨溶解区域，股骨矩萎缩，以及破坏的三脚架征。此时即进一步怀疑假体柄断裂（图2）。

使用特殊的冲击凿削系统（SwissOrthoClast）取出部分骨整合的假体。调整切除股骨颈，小心显露股骨柄近端的碎片。分离股骨矩区在假体表面的松质骨。最终使用凿削系统取出断裂股骨柄的远端1/3（图3）。不更换髋臼，但更换新的陶瓷内衬，使用MS30骨水泥柄（Zimmer，Warsaw，Ind）更换股骨假体。术后病程顺利，患者扶拐完全负重。术后3个月随访时，患者可无痛活动，髋关节活动范围佳。

对断裂假体进行疲劳测试分析。由于远端碎片在电镜扫描（SEM）的真空箱中更容易处理，仅远端碎片接受SEM扫描。假体断裂面电镜扫描结果清晰地显示了断裂起始于外侧（A），终止于内侧（C）（图4）。

电镜30倍视野下显示疲劳断裂的缝隙由三脚架结构处开始延伸（图5）。200倍视野下可见断裂残留部分呈栅栏状（图6）。

 

电镜扫描分析证实，不存在可能引起柄断裂的假体材料缺陷。

最终认为假体远端的超负荷造成了断裂。假体表面特有的海绵状金属结构在应力集中的产生中发挥了重要作用。因此，断裂的缝隙起始于三脚架处。如图5所示，中心钻孔刚好位于断裂下方。假体外形缩小也是应力增加的原因。假体柄疲劳断裂的主要原因是侧方骨溶解，随后股骨柄近端内翻移位，与骨长入紧密的远端产生巨大负荷。

假体柄周围的关节囊和骨结构的组织学分析提示异物肉芽肿。

讨论要点：

有报道指出，现代髋关节置换仍可能发生股骨柄断裂。相比第一代假体，由高强度钛或钴铬钼合金材料制成的股骨柄很少发生断裂。 据我们所知，这是ESKA Cut假体柄断裂的首例报告。已有关于组配式假体断裂的报道，但还没有关于保留股骨颈或短柄假体疲劳断裂的文献描述。

Chao和Coventry最先在58例大样本病例中分析了假体柄断裂的机制，认为股骨柄断裂通常由以下诸因素中的一个或几个共同造成：（1）患者体重大、活动量大或假体相对过小造成柄的高应力；（2）近端柄的支撑或固定欠佳，可能与股骨矩缺失有关；（3）股骨柄内翻位；（4）存在应力集中点；（5）材料缺陷。

近期超过4年的放射学追踪报道显示，ESKA Cut假体会发生较大程度的内翻移位。同时柄侧方出现骨溶解，股骨矩萎缩。除此以外，我们发现柄远端1/3骨长入程度良好。组织学研究结果也提示柄移位可导致近端固定不佳，断裂柄的近段侧方覆盖了纤维组织。

Kishida等报道了相似的研究，观察5例表面海绵状金属结构的非骨水泥型Lübeck髋关节（S&G，Lübeck，Germany）断裂假体。该假体表面与ESKA Cut假体同样具有三脚架结构。尚不清楚是否因应力集中导致三脚架结构出现裂缝，因为该研究未采用电镜扫描等进行分析。本研究组织学检查证实，断裂的股骨柄近端实际上不是骨长入，而是纤维组织增生。这种非正常长入导致的结果与本研究类似，股骨柄近端缺乏支撑。

另一个导致股骨柄疲劳断裂的因素是假体柄型号。由于这一原因，FDA建议使用小直径的假体柄时应配合多孔涂层，以降低假体断裂的风险。如前所述，中心钻孔刚好位于断裂下方。显然，股骨柄外形减小也可以导致应力增加。

Hampton等通过有限元分析发现应力集中于股骨柄中1/3外侧。Koebke等分析ESKA Cut假体的光弹性模型，发现柄近端的生理负荷几乎全部传递给股骨。Decking等对ESKA Cut假体置换随访超过12个月的患者进行双能X线骨密度仪（DEXA）全身扫描，发现标准柄假体在Gruen 2、3区骨密度显著降低，而短柄假体在相同区域的骨密度可能增加。参照这一结果以及本研究的影像学观察结果可以推测，ESKA Cut假体不像标准柄假体可调节适应生理减震，而像一个刚性体。

因此，轴向负荷可转化为假体近端内侧和远端外侧的应力。显而易见，股骨矩区域因负荷增加而萎缩，因而不可避免地出现股骨柄内翻移位。Thomsen等通过测量股骨柄的初始旋转稳定性和倾斜位置，得出了相似的结论。

总之，关于短柄假体疲劳断裂的首例报道首次证实了股骨柄近端缺乏支撑会导致应力集中，甚至在刚性短柄假体中也会造成裂缝。此外，为了与股骨近端的生理变化相适应，股骨柄假体的外形和长度进行调节的余地很小。

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