Page 222 - 《摩擦学学报》2021年第6期

第 6 期 杨抒, 等: 国内全髋关节置换磨损测试及数值模拟研究进展 1007

运动的幅度，这可能是由国人的骨骼尺寸较小引起的.
此外国内力学曲线的整体数值低于国外，存在较大的
差异. 可能原因是由于国内采用足底测力板的方法获
取关节力，且国人计算的肌肉力可能不够精确，所以
国内关节力的测量方法有待进一步完善. 最后国人与
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西方人在步态时的受力也可能确实存在差异，这有待
Upside 通过相同的测试方法进行进一步的研究. 总体来说，
国人与西方人在行走时的运动曲线间差异不大，主要
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Right Front 的差异还是在髋关节的受力上. 综上所述，尚无基于
国人行为力学的曲线被用于髋关节的磨损研究，造成

Fig. 1 Diagram of three-dimensional coordinates of load and 这种现象的主要原因为国内采用理论计算的方法获
motion on the right side of hip joint
图 1 髋关节(右侧)载荷和运动三维坐标示意图 取髋关节关节力，无法等同于患者髋关节的真实受
力，然而由于国外和国内患者的生活习惯及生物力学
学者通过测量和计算得到的髋关节步态下的动力学 环境存在一定的差异，基于国人的运动和力学曲线是
曲线有：上海交通大学团队 [42-43] 测量的运动和力学曲 评估国内患者体内假体耐磨性能的最佳输入条件，为
线(图2曲线Wang、Tang)，北京体育大学刘筱璨 绘制 了解决国人行为力学曲线适用性低与提升国内髋关
[25]
[21]
的运动曲线(图2曲线Liu)，上海大学张书涛 绘制的 节磨损研究质量之间的矛盾，带有力学传感器的假体
运动曲线(图2曲线Zhang)，图2对这些运动和载荷曲线 植入患者体内直接测量关节力的方法应该被采用和
进行了汇总. 需要说明的是为了方便比较，运动曲线 推广.

的空间坐标系按图1的坐标系进行了转化(屈曲为正、
3 国内髋关节假体体外磨损测试
外展为正、内旋为正). 另外由于个别曲线的初始位置
不统一，在本文中统一以足跟着地为起始位置 [3, 19, 21-25, 40-41] ， 体外磨损试验主要是以人工关节模拟试验机为
因此Tang曲线向前平移了40%相位，此外关节力的单 载体，通过模拟关节的运动和承载，进而模拟人工关
[22]
位统一为体重百分比，计算时体重取85.2 kg . 节在体内所受到的摩擦磨损情况. 最早的髋关节模拟
[44]
从图2中可以看出，屈伸(F/E)相上ISO-3、ISO-1、 机是上世纪90年代末出现的 ，发展至今市面上的髋
Bergmann、Hua、Wang、Johnston、Liu及Zhang的曲线 关节模拟机已有数十种 . 按模拟机的运动合成方式
[45]
都很相似. 而Prosim曲线与其他曲线间存在相位差， 不同，可以大致分为轨道轴承型(Orbital hip joint simulator)
ASTM曲线的幅度最为平缓与ISO-1曲线相比约降低 和多轴型(Anatomic or multi-axis hip joint simulator) .
[5]
了70%. 外展内收(A/A)除了ASTM和Prosim曲线，其 轨道轴承型的运动是在360°的周向内合成摆动，而多
余曲线的走势都类似. Wang、Tang、Johnston、Liu和 轴型由于各运动轴间相对独立，能够分别进行运动调
Zhang曲线的幅度与ISO-1曲线相当，Hua曲线幅度与 整，但其传动系统相对复杂，增加了许多额外的影响
ISO-3曲线相同. Bergmann曲线与其他曲线相比在 因素(如系统的装配误差等) . 而根据关节的安装位
[38]
A/A相上整体处于内收位，而Prosim曲线在A/A相上没 置不同，可以将模拟机大致分为正生理位置安装的关
有施加运动. 在内外旋(I/E-R)相上Bergmann曲线相较 节模拟机(髋臼在上，股骨头在下)和反生理位置安装
于其他曲线整体偏外旋，所以曲线位置整体偏下. ISO-3 的模拟机(髋臼在下，股骨头在上)，其中正生理位置由
曲线在I/E-R相上没有施加运动. 其余曲线在I/E-R相 于能够有效避免第三方颗粒和蛋白析出物附着在关
上的数值相当，走势相似. 另一方面，从图2中可以看 节运动表面，因此这种设计的模拟机更符合实际 .
[19]
出用于磨损研究的力学加载曲线中只有Bergmann 国内髋关节模拟机的研究起步较晚，中国矿业大学黄
[46]
曲线有完整3个方向上的受力，ProSim、ISO-1、ISO-3 传辉等 自主研发了国内第一台两轴髋关节模拟机，
和Paul曲线只有上下方向上的载荷. 通过对比图2中国 且在髋关节磨屑分离提取方面做了大量工作. 上海大
内与国外测绘的曲线，国人在步态支撑相上普遍较西 学华子恺等 自主研发了国内第一台多站台髋关节
[38]
方人偏外旋，在摆动相上普遍偏内旋和内收. 而在整 多轴型试验机，能够很好地进行假体的磨损测试. 除
个步态周期内，国人步态运动的整体幅度要小于国外 此之外，国内许多检测机构、公司和科研机构也配备