股骨頭壞死三維有限元研究.pdf

1、背景：
　　股骨頭壞死是由于股骨頭內(nèi)部供血中斷或者損傷，引起骨細胞級骨髓成分死亡，繼而導(dǎo)致股骨頭結(jié)構(gòu)改變，甚至導(dǎo)致股骨頭塌陷，引起髖關(guān)節(jié)疼痛、功能障礙的一組疾病。目前對于股骨頭壞死的研究包括傳統(tǒng)力學(xué)研究與現(xiàn)代三維有限元研究，有限元分析（Finite Element Analysis，F(xiàn)EA）是近年來被廣泛采用的生物力學(xué)研究手段,可以對股骨頭受力部位、受力大小進行模擬量化。三維重建和有限元分析可以從壞死區(qū)形態(tài)和生物力學(xué)方面進行定量研

2、究，完善了股骨頭壞死圍塌陷期相關(guān)理論，有助于進一步明確股骨頭壞死的手術(shù)指征，優(yōu)化手術(shù)方案，并且提高手術(shù)療效。通過建立股骨頭壞死有限元模型可以有效地進行預(yù)測塌陷，并對當(dāng)前股骨頭壞死手術(shù)治療有一定的指導(dǎo)作用。學(xué)者們已運用有限元分析方法對股骨頭壞死進行研究并取得了實質(zhì)性進展，同時也驗證了這項技術(shù)的實用性與科學(xué)性。對于早期股骨頭壞死，保存髖關(guān)節(jié)的手術(shù)可有效限制股骨頭壞死繼續(xù)進展。股骨頭壞死常用的保存髖關(guān)節(jié)手術(shù)包括單純髓芯減壓術(shù)、髓芯減壓后結(jié)合人

3、工骨植入術(shù)及髓芯減壓后結(jié)合鉭棒植入術(shù)等，而對于已發(fā)生塌陷的股骨頭壞死保髖手術(shù)效果有限，通常采用人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)。
　　目的：
　　運用三維有限元分析的方法，建立多種股骨頭壞死術(shù)前術(shù)、術(shù)后有限元模型，包括正常股骨頭模型、單純壞死股骨頭模型、4種單純髓芯減壓術(shù)模型及髓芯減壓后結(jié)合人工骨植入術(shù)及髓芯減壓后結(jié)合鉭棒植入術(shù)模型。探討不同的髓芯減壓術(shù)在早期股骨頭壞死治療中的應(yīng)力變化規(guī)律及鉭金屬棒置入治療股骨頭缺血性壞死的獨特優(yōu)勢。

4、>　　方法：
　　研究對象為健康成人右側(cè)股骨頭，經(jīng)螺旋CT掃描獲得股骨頭各斷面薄層圖像，將圖像輸入計算機并對股骨頭進行三維重建。依據(jù)生理狀態(tài)下股骨頭載荷的三維空間分布，股骨遠端采用完全固定的設(shè)置方式，股骨頭上方施加與股骨干呈25°夾角、方向向下的570N壓力。建立壞死范圍分別為15％與30％的多組股骨頭三維有限元模型，通過運算得到股骨頭不同部位皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨的應(yīng)力分布狀況和應(yīng)力集中特點，股骨頭外上方承力點區(qū)、股骨頸區(qū)、股骨大轉(zhuǎn)子下

5、減壓入口區(qū)應(yīng)力值明顯增加，為了進一步觀察反映不同髓芯減壓術(shù)后股骨頭應(yīng)力分布情況，建立各三維有限元模型的截面圖，計算股骨頭轉(zhuǎn)子下區(qū)、股骨頸區(qū)、股骨頭承力點區(qū)的皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨對應(yīng)的區(qū)域平均應(yīng)力值，并進行統(tǒng)計學(xué)處理。為評估3種治療早期股骨頭缺血性壞死方法的療效，探討髓芯減壓術(shù)對股骨頭機械支撐力的影響及鉭塊置入治療與人工骨植入治療股骨頭缺血性壞死的獨特優(yōu)勢。分別計算單純壞死股骨頭模型的塌陷值，以及壞死范圍分別為15％與30％時單純髓心減壓術(shù)后、

6、人工骨與鉭塊置入后股骨頭外上方承力區(qū)的塌陷值。塌陷值為各相應(yīng)區(qū)域軟骨下節(jié)點位移平均值選取股骨頭外上方承力區(qū)并計算平均塌陷值，對股骨頭三維有限元模型進行計算，得到股骨頭受力模型在不同壞死范圍，不同治療方法前后股骨頭負重區(qū)表面的塌陷值，比較單純髓芯減壓術(shù)與減壓結(jié)合鉭棒植入術(shù)兩種手術(shù)方式股骨頭負重區(qū)表面塌陷值變化，得到鉭棒植入術(shù)治療股骨頭壞死的獨特優(yōu)勢。
　　結(jié)果：
　　對建立的多組股骨頭模型進行分組比較，首先將多種單純髓芯減壓術(shù)

7、模型與術(shù)前股骨頭模型對比分析發(fā)現(xiàn)：減壓方法與孔道數(shù)目不同，得到的應(yīng)力值也隨之不同；髓芯減壓術(shù)后股骨頭內(nèi)均出現(xiàn)應(yīng)力集中，傳統(tǒng)單孔道大直徑髓芯減壓術(shù)較改良多孔道小直徑髓芯減壓術(shù)術(shù)后有較強的應(yīng)力集中；幾種髓芯減壓術(shù)減壓后皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨應(yīng)力峰值均小于股骨頭自身的抗拉強度（松質(zhì)骨：3.5 MPa；皮質(zhì)骨：122 MPa）。后然計算各個模型骨頭外上方承力區(qū)并計算平均塌陷值，對比發(fā)現(xiàn)：股骨頭髓芯減壓后的塌陷值明顯增大，以負重區(qū)最為明顯；隨著壞死范圍的

8、增大股骨頭的塌陷值也隨著增大；減壓后予以多孔鉭棒植入治療后塌陷值明顯降低。
　　結(jié)論：
　　依據(jù)鉆孔數(shù)目的不同，在減壓孔入口處、股骨頭承力點區(qū)、股骨頸處松質(zhì)骨與皮質(zhì)骨的應(yīng)力分布較未處理的股骨頭模型明顯增加，所有的鉆孔模型中松質(zhì)骨與皮質(zhì)骨應(yīng)力值均低于股骨頭抗拉強度，說明改良髓芯減壓術(shù)可以在股骨頭壞死早期給以有效的干預(yù)，且相對于傳統(tǒng)的大直徑髓芯減壓術(shù)具有較小的術(shù)后風(fēng)險。單純髓芯減壓術(shù)及髓芯減壓后結(jié)合鉭棒植入術(shù)均可有效治療早期股骨

9、頭壞死，與傳統(tǒng)大直徑單孔道減壓術(shù)相比，改良多孔道髓芯減壓術(shù)治療早中期股骨頭壞死可降低股骨頭內(nèi)應(yīng)力集中，其生物力學(xué)優(yōu)勢更加明顯。而單純髓芯減壓雖能清除死骨、改善血運，但減壓手術(shù)也導(dǎo)致股骨頭的力學(xué)性能下降，改變了股骨頭原本的結(jié)構(gòu)支撐，髓芯減壓基礎(chǔ)上輔助以鉭金屬棒植入可以為股骨頭及軟骨下骨板提供安全而有效的力學(xué)支撐，能有效防止塌陷，并為骨組織的修復(fù)提供條件，具有獨特優(yōu)勢。早期發(fā)現(xiàn)疾病并采用有效手段防治塌陷是保留患者自身股骨頭的前提,早期股骨頭