鉭棒聯(lián)合帶血管蒂髂骨瓣轉(zhuǎn)移治療股骨頭缺血性壞死的有限元研究

趙杰趙德偉許東田豐德連志強(qiáng)劉保一

（1.山東省曹縣人民醫(yī)院骨科，山東曹縣274400；2.大連大學(xué)附屬中山醫(yī)院骨科，遼寧大連116001；3.大連理工大學(xué)工程力學(xué)系，遼寧大連116023）

鉭棒聯(lián)合帶血管蒂髂骨瓣轉(zhuǎn)移治療股骨頭缺血性壞死的有限元研究

趙杰1趙德偉2*許東1田豐德2連志強(qiáng)3劉保一2

（1.山東省曹縣人民醫(yī)院骨科，山東曹縣274400；2.大連大學(xué)附屬中山醫(yī)院骨科，遼寧大連116001；3.大連理工大學(xué)工程力學(xué)系，遼寧大連116023）

背景：鉭棒聯(lián)合帶血管蒂髂骨瓣轉(zhuǎn)移治療股骨頭缺血性壞死的近期臨床效果滿意，然而目前其相關(guān)生物力學(xué)特性變化的報(bào)道較少。目的：探索鉭棒聯(lián)合帶血管蒂髂骨瓣轉(zhuǎn)移治療股骨頭缺血性壞死的力學(xué)安全性及有效性。方法：選取單側(cè)ARCOⅢa期股骨頭壞死并行帶血管蒂髂骨瓣轉(zhuǎn)移患者1例，術(shù)前及術(shù)后6個(gè)月行股骨近段的螺旋CT掃描。應(yīng)用專業(yè)醫(yī)學(xué)建模軟件Mimics及逆向工程軟件Geomagic建立正常組、壞死組、鉭棒聯(lián)合骨瓣修復(fù)組三組有限元模型。應(yīng)用有限元分析軟件Msc.Patran分析不同載荷下股骨近端的力學(xué)特性變化。結(jié)果：三組模型與實(shí)際股骨的情況完全吻合。壞死模型呈囊性變的壓力骨小梁與正常骨小梁交界處存在應(yīng)力集中。鉭棒聯(lián)合骨瓣修復(fù)模型股骨近端的力學(xué)特性接近正常，結(jié)果明顯優(yōu)于壞死模型。結(jié)論：鉭棒聯(lián)合帶血管蒂髂骨瓣轉(zhuǎn)移治療股骨頭缺血性壞死是安全、有效的手術(shù)方案。

股骨頭缺血性壞死；鉭棒；骨瓣；有限元

目前多數(shù)學(xué)者認(rèn)為股骨頭壞死塌陷是生物學(xué)因素和力學(xué)因素共同導(dǎo)致的結(jié)果[1]。近年來，髖周帶血管蒂大轉(zhuǎn)子骨瓣以及髂骨瓣轉(zhuǎn)移治療股骨頭壞死已經(jīng)在臨床廣泛應(yīng)用，獲得了良好的臨床療效[2]，但對(duì)于壞死體積較大的患者，由于清除壞死骨后骨缺損體積較大，股骨頭在術(shù)后早期缺少有效的力學(xué)支撐，使得股骨頭有繼續(xù)塌陷的可能。多孔鉭重建棒可以對(duì)軟骨下骨提供生物力學(xué)支持，對(duì)壞死區(qū)域提供再血管化和骨長入途徑，因此，國內(nèi)外骨科醫(yī)師將其應(yīng)用于早期股骨頭壞死的病例[3,4]。雖然單純應(yīng)用多孔鉭重建棒治療股骨頭壞的療效不佳[5]，但是它近似于骨的力學(xué)性質(zhì)、優(yōu)良的生物相容性以及滿意的骨長入性得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛認(rèn)可[6,7]。基于鉭棒優(yōu)良的力學(xué)和生物學(xué)特性以及帶血運(yùn)髖周骨移植對(duì)股骨頭可提供穩(wěn)定的血供，我們?cè)O(shè)計(jì)了鉭棒聯(lián)合帶血管蒂骨瓣轉(zhuǎn)移治療股骨頭缺血性壞死（鉭棒聯(lián)合帶血管蒂髂骨瓣387例，鉭棒聯(lián)合大轉(zhuǎn)子骨瓣194例），經(jīng)實(shí)踐證明近期臨床療效滿意[8-10]。然而其生物力學(xué)特性變化，目前并無相關(guān)報(bào)道。為了深入了解鉭棒聯(lián)合帶血管蒂骨瓣的力學(xué)性質(zhì)，本研究采用三維有限元方法分析鉭棒聯(lián)合帶血管蒂髂骨瓣修復(fù)前后股骨近端力學(xué)特性變化，從而探索該術(shù)式安全性和有效性。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選擇1名單側(cè)股骨頭缺血性壞死男性志愿者，35歲，體重74 kg，病史1年，ARCOⅢa期，術(shù)前可見股骨頭囊性壞死改變，部分皮質(zhì)塌陷。行頭頸部開窗壞死骨清除、鉭棒聯(lián)合帶旋股外側(cè)血管升支的髂骨瓣轉(zhuǎn)移術(shù)。術(shù)后6個(gè)月顯示股骨頭內(nèi)骨瓣及松質(zhì)骨與周圍骨質(zhì)愈合佳，無明顯骨質(zhì)疏松現(xiàn)象，無進(jìn)一步塌陷。鉭棒位置滿意，無明顯透光帶，無松動(dòng)及移位。選取對(duì)側(cè)股骨頭作為正常對(duì)照。

1.2 建立模型

采用64排螺旋CT薄層掃描獲取股骨近端圖像，以Dicom格式保存后導(dǎo)入Mimics軟件中，依據(jù)灰度閥值分割出股骨近端的外輪廓線，以Stl格式導(dǎo)入Geomagic Studio軟件中，通過采樣、光滑、NURBS曲面重建等逆向工程技術(shù)建立股骨近端三維幾何模型。將得到的模型以IGES格式導(dǎo)入MSC.Patran軟件中，以高精度十節(jié)點(diǎn)四面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，從而獲得三組有限元模型。正常組有限元模型節(jié)點(diǎn)43643個(gè)，四面體單元30130個(gè)；壞死組有限元模型節(jié)點(diǎn)43533個(gè)，四面體單元30130個(gè)；鉭棒聯(lián)合骨瓣轉(zhuǎn)移修復(fù)組有限元模型節(jié)點(diǎn)37424個(gè)，四面體單元54413個(gè)（圖1）。

1.3 材料分配方法

依據(jù)股骨近端Hounsfield Unit（HU）值的大小，對(duì)三組有限元模型的四面體單元進(jìn)行材料性質(zhì)分配,區(qū)分出松質(zhì)骨和皮質(zhì)骨。骨與四周組織在CT掃描中由于密度不同而形成對(duì)比，Mimics基于對(duì)灰度矩陣進(jìn)行運(yùn)算，依據(jù)HU值-表觀密度-彈性模量之間的轉(zhuǎn)換，完成將股骨CT灰度圖像數(shù)據(jù)向骨的材料屬性的轉(zhuǎn)換，具體見公式⑴、公式⑵[11]。

公式⑴：密度值公式：ρ=1.067×HU+131（kg/m3）

公式⑵：彈性模量公式：E=0.01×ρ1.86（MPa）

將HU區(qū)間分成10等份，對(duì)應(yīng)10種不同的材料性質(zhì)。多孔鉭金屬植入物彈性模量為3.0 GPa，泊松比為0.3。

1.4 邊界及負(fù)載條件

按照人體正常解剖位置固定模型，限制遠(yuǎn)端各節(jié)點(diǎn)所有方向的運(yùn)動(dòng)。模擬存在髖關(guān)節(jié)外展肌力時(shí)的情形，通過股骨頭中心并沿髖關(guān)節(jié)合力方向進(jìn)行加載。加載區(qū)域?yàn)楣晒穷^負(fù)重區(qū)，加載大小為分別相當(dāng)與0.5、2.75、4、7倍體重的合力[12]。

1.5 應(yīng)力計(jì)算分析

將上述邊界及負(fù)載條件輸入有限元軟件MSC. Patran，加載于股骨上段三維有限元模型上進(jìn)行生物力學(xué)分析，從而得到股骨近端應(yīng)力、位移分布結(jié)果。

2 結(jié)果

2.1 三組模型整體應(yīng)力、位移分布

負(fù)重狀態(tài)下三組模型股骨內(nèi)側(cè)主要承受壓應(yīng)力，股骨外側(cè)則為拉應(yīng)力。股骨頸內(nèi)側(cè)應(yīng)力明顯高于外側(cè)及前后側(cè)，應(yīng)力最高部位為股骨矩。股骨頸前方的應(yīng)力值較內(nèi)、外及后方低。壞死模型呈囊性變的壓力骨小梁與正常骨小梁交界處存在應(yīng)力集中。鉭棒聯(lián)合骨瓣修復(fù)模型降低了壞死囊性變周圍的應(yīng)力集中。三組模型最大位移均出現(xiàn)在股骨頭負(fù)重區(qū)，并沿大轉(zhuǎn)子區(qū)域由上向下、由內(nèi)向外逐漸減小（圖2）。

2.2 三組模型最大應(yīng)力分布

隨著載荷的增大，股骨近端的最大應(yīng)力值增加；在同一載荷下，三組模型中，壞死模型的最大應(yīng)力值較正常模型明顯增大，鉭棒聯(lián)合骨瓣修復(fù)模型與正常模型接近。在單腿站立時(shí)（2.75倍體重）分別為正常組：16.7 MPa，壞死組：26.0 MPa，鉭棒聯(lián)合骨瓣修復(fù)組：17.0 MPa（表1）。

圖1 股骨近端的幾何、有限元模型圖

圖2 正常組（上）、壞死組（中）及鉭棒聯(lián)合骨瓣修復(fù)組（下）應(yīng)力、位移分布圖

表1 不同載荷下三組模型的最大應(yīng)力（xx±ss，aMPa）

2.3 三組模型最大位移分布

隨著載荷的增大，股骨近端的最大位移值增加；在同一載荷下，三組模型中，壞死模型的最大位移值較正常模型顯著增大，而鉭棒聯(lián)合骨瓣修復(fù)模型的最大位移值較壞死模型顯著降低。在單腿站立時(shí)（2.75倍體重）分別為正常組：0.3892 mm，壞死組：0.5314 mm，鉭棒聯(lián)合骨瓣組：0.3843 mm。這提示表明：①在應(yīng)力作用下股骨頭會(huì)產(chǎn)生彈性形變，從而適應(yīng)頭臼關(guān)系的改變；②壞死組最大形變出現(xiàn)在正常骨與壞死骨之間，此處應(yīng)力最為集中，一旦形變超出壞死骨的形變能力，將導(dǎo)致該區(qū)域發(fā)生節(jié)段性塌陷；③鉭棒對(duì)移植的骨瓣提供了強(qiáng)大的生物力學(xué)支撐（表2）。

2.4 鉭棒周圍應(yīng)力分布

鉭棒周圍整體應(yīng)力分布均勻，沒有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，鉭棒半球性尖端及鉭棒遠(yuǎn)端與股骨外側(cè)皮質(zhì)接觸區(qū)域應(yīng)力相對(duì)較高（圖3）。

3 討論

3.1 有限元分析的研究特點(diǎn)

依據(jù)CT數(shù)據(jù)的股骨有限元建模方法，可以充分利用CT數(shù)據(jù)所提供的股骨材料特性和幾何形態(tài)信息，建立精確的股骨有限元模型，保證有限元分析結(jié)果的相對(duì)準(zhǔn)確性[13]。近年來隨著顯微CT的發(fā)明和應(yīng)用，重建骨模型中已經(jīng)具有詳細(xì)的骨小梁結(jié)構(gòu)，可以計(jì)算有效的骨小梁剛度和骨小梁的個(gè)體應(yīng)力水平，使模型達(dá)到了顯微水平，因而結(jié)果更真實(shí)可信。通過這些顯微建模技術(shù)可以在體外評(píng)估骨小梁結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能，能夠準(zhǔn)確評(píng)估每個(gè)骨小梁發(fā)生壞死微骨折的風(fēng)險(xiǎn)。目前有限元分析法在股骨頭壞死預(yù)防、塌陷預(yù)測及修復(fù)重建研究中已得到廣泛應(yīng)用，成為模擬手術(shù)、預(yù)測塌陷風(fēng)險(xiǎn)、評(píng)估手術(shù)力學(xué)性能的一種簡單、實(shí)用、可靠的應(yīng)力分析方法。田豐德等[14]選取1例ARCOⅡ期股骨頭壞死患者行股骨近段螺旋CT掃描，建立三維有限元模型,分析步幅大小不一及髖關(guān)節(jié)外展角度對(duì)壞死股骨頭的影響。朱剛等[15]選取1例志愿者行股骨螺旋CT掃描，創(chuàng)建正常股骨頭三維有限元模型以及直徑分別為15、20、30 mm的壞死灶股骨頭三維有限元模型，分析鉭棒置入不同大小股骨頭壞死灶區(qū)前后的應(yīng)力分布。

圖3 鉭棒周圍應(yīng)力分布圖

3.2 鉭棒的生物力學(xué)作用

多孔鉭金屬具有介導(dǎo)骨生成特性及優(yōu)良的生物相容性，其表面結(jié)構(gòu)接近股骨頭骨小梁結(jié)構(gòu)，適合骨組織快速長入。Bobyn等[16]的研究表明,多孔鉭金屬植入動(dòng)物模型后骨長入迅速、固定力牢固。鉭棒近似于骨的力學(xué)性質(zhì)，對(duì)軟骨下骨提供了強(qiáng)大的生物力學(xué)支持。近期Varitimidis、汪亮、Liu等[3,4,17,18]的臨床研究也取得了令人鼓舞的結(jié)果。Shi等[19]的三維有限元分析表明，當(dāng)股骨頭壞死角度小于60°時(shí)，鉭棒植入會(huì)明顯降低負(fù)重區(qū)域的塌陷值。Heiner等[20]研究發(fā)現(xiàn)鉭棒植入的最佳位置在股骨外上側(cè)，以便其接觸并支持軟骨下骨板。然而本研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)植入物位于移植骨瓣下方時(shí)，最大應(yīng)力和最大位移明顯減小。分析原因，鉭棒植入有嚴(yán)格的手術(shù)適應(yīng)證，主要適用于股骨頭缺血性壞死ARCO分期中Ⅰ～Ⅱ期患者，而本研究所選患者為ARCO分期Ⅲa期患者，其生物力學(xué)特點(diǎn)與塌陷前期患者有較大的不同。它從生物力學(xué)方面提示了股骨頭缺血性壞死中晚期患者單純鉭棒植入臨床療效不佳的原因。本研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)，鉭棒半球性尖端及鉭棒遠(yuǎn)端與股骨外側(cè)皮質(zhì)接觸區(qū)域應(yīng)力相對(duì)較高。分析原因，鉭棒近端是抵抗壓力及支撐移植骨瓣的部位，而鉭棒末端的螺紋設(shè)計(jì)可與骨質(zhì)產(chǎn)生高摩擦力，使植入物位置穩(wěn)定，故這兩處的應(yīng)力相對(duì)較高，但與股骨近段的最大應(yīng)力相比，相對(duì)較小。

3.3 鉭棒聯(lián)合帶血管蒂骨瓣轉(zhuǎn)移的生物力學(xué)作用

帶血管蒂骨瓣聯(lián)合鉭棒植入結(jié)合了帶血管蒂骨瓣和鉭棒生物力學(xué)方面的優(yōu)勢。頭頸部開窗、壞死骨清除降低了股骨頭內(nèi)的壓力，帶血管蒂骨瓣誘導(dǎo)新骨形成，股骨頭血供得以改善；鉭棒騰起移植的骨瓣，股骨頭的外形得以恢復(fù)，從而為塌陷區(qū)提供了強(qiáng)大的生物力學(xué)支撐[8,9,21]。本研究結(jié)果表明，無論是最大應(yīng)力、位移分布，還是在各個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的對(duì)比中，鉭棒聯(lián)合骨瓣修復(fù)模型的力學(xué)性能均明顯優(yōu)于壞死組，說明此方法在修復(fù)股骨頭力學(xué)性能方面具有一定的優(yōu)越性。

本研究經(jīng)三維有限元方法分析證明了鉭棒聯(lián)合帶血管蒂髂骨瓣轉(zhuǎn)移治療股骨頭缺血壞死沒有破壞股骨近端的主要應(yīng)力傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)，同時(shí)消除了壞死囊性變四周的應(yīng)力集中，改善了股骨頭內(nèi)的血供，并且鉭棒對(duì)轉(zhuǎn)移的骨瓣提供了強(qiáng)大的力學(xué)支撐，明顯改善了股骨頭的力學(xué)性能，此方法是安全、有效的。不足之處在于樣本量小，模型的構(gòu)建存在許多簡化和假設(shè)，僅分析了鉭棒整體的應(yīng)力分布趨勢等，進(jìn)一步研究還有待于我們大家共同探索。

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Finite element study of tantalum screw combined with vascularizediliac bone flap grafting for osteonecrosis of femoral head

ZHAO Jie1,ZHAO Dewei2*,XU Dong1,TIAN Fengde2,LIAN Zhiqiang3,LIU Baoyi2
(1.Department of Orthopaedics,Caoxian People's Hospital,Caoxian 274400,Shandong; 2.Department of Orthopaedics,Zhongshan Hospital,Dalian University,Dalian 116001,Liaoning; 3.Department of Engineering Mechanics,Dalian University of Technology,Dalian 116023,Liaoning,China)

Background:Vascularized iliac bone flap transplantation combined with tantalum screw has highly short-term clinical success rate for treatment of osteonecrosis of the femoral head(ONFH),but the reports regarding the biomechanical safety and efficacy are rare.Objec:tive:To explore biomechanical safety and efficacy of tantalum screw combined with vascularized iliac bone flap grafting for the treatment of ONFH.Methods:A patient suffered from ONFH(ARCOⅢa)was selected and treated with tantalum screw combined with vascularized iliac bone flap grafting.64 CT scanning was performed on the upper femur preoperatively and 6 months postoperatively.Three finite element models(normal model,ONFH model and tantalum screw combined with bone grafting model)were built up with Mimics and Geomagic software.The biomechanical effects of the upper femur were analyzed under different loadings with Msc.Patran software.Results:The three models matched with the actuality of the femur.The strain concentrated on the juncture between bone trabecula associated cystic and normal bone trabecular.The mechanical property of tantalum screw combined with bone flap model was similar to that of normal model,which was superior to the ONFH one.Conclusions:Tantalum screw combined with vascularized iliac bone flap grafting is a safe and effective option for the treatment of ONFH.

Osteonecrosis of the Femoral Head;Tantalum Screw;Bone Flap;Finite Element

2095-9958（2017）04-0136-04

10.3969/j.issn.2095-9958.2017.02-11

*通信作者：趙德偉，E-mail：zhaodewei2000@163.com