股骨骨锚定假体患者日常活动中的骨折风险：有限元模型验证与安全性评估

《Journal of Orthopaedic Surgery and Research》：Femoral fracture risk in transfemoral amputees with bone-anchored prosthetic limbs during activities of daily living

本研究针对骨锚定假体(BAPs)患者股骨骨折风险增高的问题，通过尸体实验验证了基于CT的个体化有限元(FE)建模方法，并评估了日常活动中的骨折风险。结果显示，经验证的FE模型能准确预测骨应变(R2=0.91)，且所有低冲击活动（如平地行走、上下楼梯/斜坡）的安全系数(FOS)均高于1.8，表明骨折风险较低，但斜坡上行活动风险最高(FOS=1.9)。该研究为BAPs患者的康复指导提供了重要生物力学依据。

　　

对于全球超过3600万下肢截肢者来说，传统接受腔假体虽是目前的主流选择，但约四分之一的使用者最终会因其带来的组织刺激、适配不良和活动受限等问题而放弃使用。骨锚定假体(Bone-anchored prostheses, BAPs)的出现为这些患者带来了新的希望。它通过金属植入体直接与骨骼相连，绕过了软组织问题，提供了更好的稳定性、肢体控制和感觉反馈（即骨感知，osseoperception）。然而，这种直接力传导的方式也带来了一个严峻的挑战——更高的股骨骨折风险。数据显示，BAP使用者在植入后4年内的骨折风险高达6.3%，远高于接受腔假体使用者（2-3%）。尽管步行等低冲击活动下的力学行为已被广泛研究，但上下楼梯、斜坡行走等更具挑战性的日常活动对植入股骨的影响却鲜为人知。此外，以往大多数针对骨整合植入物(Osseointegrated Implant)的个体化有限元(Finite Element, FE)模型缺乏实验数据的验证，其预测结果的可靠性存疑。因此，Ryan Tiew等研究人员在《Journal of Orthopaedic Surgery and Research》上发表的研究，旨在填补这一空白，他们不仅要验证一种精确的FE建模方法，更要首次全面评估BAP使用者在多种日常活动中的股骨骨折风险。

本研究主要采用了以下几种关键技术方法：首先，利用4具男性尸体股骨标本，在其表面特定位置粘贴应变花，并通过力学试验机施加模拟日常活动（如平地行走、上下楼梯和斜坡）的载荷，测量骨表面的应变响应。其次，基于术前CT（Computed Tomography）扫描数据，建立了每个股骨标本的个体化三维几何模型，并研究了五种不同的亨氏单位(Hounsfield Units, HU)与杨氏模量(Young‘s Modulus)的转换关系，以确定最准确的FE模型材料属性赋值方法。最后，使用经过实验验证的FE模型，模拟在体(in-vivo)测得的峰值载荷，并采用安全系数(Factor of Safety, FOS)来量化骨折风险，其中FOS=1表示预测在该载荷下会发生骨折。

实验验证

研究人员将FE模型预测的骨应变与尸体实验测量结果进行了比较。结果显示，在研究的五种HU-杨氏模量关系中，使用公式E=8,920ρ_app^1.83的FE模型预测最为准确，其线性回归的决定系数(R²)达到0.91，均方根误差(RMSE)为81.27微应变(μ?)。这表明该建模方法能够高度精确地模拟植入股骨在载荷下的力学响应，为后续的骨折风险分析提供了可靠的工具。其中一具标本因捐赠者患有终末期肾病，骨质量可能受损，导致应变测量值异常，最终被排除在最终分析之外。

骨折风险评价

利用验证后的FE模型，研究人员计算了股骨在五种日常活动（平地行走、上楼梯、下楼梯、上斜坡、下斜坡）峰值载荷下的安全系数(FOS)。结果表明，所有活动的FOS范围在1.8至5.0之间，均大于1，意味着在当前分析的载荷下发生骨折的风险较低。具体而言，平地行走（平均FOS=4.3）和楼梯行走（平均FOS=4.0）的风险相似，且安全性较高。然而，斜坡行走的整体平均FOS（2.2）显著较低，风险相对更高，尤其是上斜坡活动，其平均FOS最低，仅为1.9，是日常活动中骨折风险最高的项目。分析认为，这可能是由于斜坡行走产生了更大的前后方向(Anterior-Posterior, AP)的力，而股骨对这些方向的力更为敏感。

结论与讨论

本研究成功验证了一种基于CT的个体化FE建模方法，可用于精确预测带有骨整合植入物的股骨的力学行为。风险评估结果表明，对于本研究中所用的男性股骨和特定植入体配置，进行常规的低冲击日常活动是相对安全的，骨折风险较低。然而，需要特别警惕的是，斜坡上行活动带来的骨折风险最高，应予以关注。更重要的是，研究结果提示，高冲击活动（如跑步、跳跃）所产生的载荷可能远超股骨的承载能力，因此应建议BAP使用者避免此类活动。该研究的局限性包括仅使用了老年男性的股骨标本和单一型号的植入体，未来研究需要扩展到更广泛的人群和不同的植入体设计，以增强结果的普适性。总之，这项工作为临床评估BAPs的安全性、制定个性化的康复指导方案提供了重要的生物力学证据，有助于推动该技术的安全应用与发展。