鉭棒支撐術(shù)治療早期股骨頭壞死的有限元分析

摘要:目的　觀察壞死股骨頭行鉭棒支撐手術(shù)前后塌陷風(fēng)險的變化。方法　首先獲取一健康成年男性志愿者的股骨橫斷位的CT掃描圖像文件，導(dǎo)入圖像處理軟件Mimics10．0;初步處理獲得Iges格式文件后導(dǎo)入建模軟件UG6．0，獲得股骨上段的三維有限元模型。將三維有限元模型導(dǎo)入有限元分析軟件Ansys12．1，在股骨頭上方，以股骨頭中心為頂點(diǎn)畫一倒圓錐形區(qū)域;計(jì)算壞死體積為10%、15%、20%時，鉭棒支撐手術(shù)前與手術(shù)后加載相同的載荷(700 N)后可能塌陷區(qū)域體積占總體積的百分比。結(jié)果　壞死體積分別為10%、15%、20%時，股骨頭有塌陷危險的區(qū)域分別為37．6%、40．6%、44．6%，鉭棒支撐治療后有塌陷危險的區(qū)域縮小了14．5%、23．4%、29．8%。結(jié)論多孔鉭金屬棒支撐術(shù)可有效減少股骨頭大于臨界應(yīng)力的區(qū)域，提供有效支撐，避免股骨頭受壓塌陷。

doi: 10．3969/j．issn．1002-266X．2015．38．017

文獻(xiàn)標(biāo)志碼: B

文章編號: 1002-266X(2015)38-0044-02

早期股骨頭壞死治療的關(guān)鍵在于保存股骨頭的外形及正常的關(guān)節(jié)功能，盡可能延緩，甚至阻止病程進(jìn)展對患者意義重大。目前，對于早期患者療效較好且常用的治療方法是髓芯鉆孔減壓與帶血管蒂腓骨植骨，但單純髓芯減壓缺乏對軟骨下骨板的結(jié)構(gòu)性支撐，可增加骨折的風(fēng)險;而帶血管蒂腓骨植骨對手術(shù)技巧要求較高，且并發(fā)癥多。植入多孔鉭金屬棒是近年來治療早期股骨頭壞死的一種全新選擇，具有可有效減壓、結(jié)構(gòu)支撐、微創(chuàng)、手術(shù)時間短等優(yōu)點(diǎn) ［1］。目前有關(guān)鉭棒植入后的臨床療效觀察國內(nèi)已有多篇報道，但有關(guān)鉭棒支撐術(shù)后的股骨頭生物力學(xué)方面的研究較少。有關(guān)預(yù)測股骨頭壞死后塌陷的研究也很多，但有關(guān)植入鉭棒之后塌陷風(fēng)險的預(yù)測、股骨頭受力情況國內(nèi)研究較少。本研究用有限元分析法觀察鉭棒植入治療壞死股骨頭術(shù)后股骨應(yīng)力變化，為臨床應(yīng)用多孔鉭棒治療股骨頭壞死提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1材料與方法

1．1　模型的建立　用德國西門子公司生產(chǎn)Light Speeding 16 CT為一健康成年男性志愿者行雙側(cè)股骨CT掃描，序列間距0．8 mm，圖像分辨率512×512像素。共得到523層全股骨橫斷位Dicom格式的二維CT圖像。將CT數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics10．0中處理形成模型曲面，后導(dǎo)入建模軟件UG6．0建立Iges格式的股骨三維CAD模型。僅建立股骨上部模型。多孔鉭金屬棒為美國Zimmer公司生產(chǎn)，長70～130 mm，直徑10 mm，彈性模量E =3GPa，泊松比γ=0．3，孔隙率為75%～80%，孔直徑平均為430 μm ［2］。

1．2有限元分析方法　采用Ansys12．1軟件。在股骨頭的上方，以股骨頭的中心為頂點(diǎn)畫一倒圓錐形區(qū)域?yàn)檠芯繉ο蟆＜僭O(shè)壞死組織體積占此區(qū)域總體積10%、15%、20%。正常組織為各向同性的材料，彈性模量E = 445 MPa，泊松比γ= 0．3，屈服應(yīng)力δy = 19．4 MPa;視壞死組織亦為各向同性的材料，彈性模量E = 218 MPa，泊松比γ= 0．3，屈服應(yīng)力δy =5．5 MPa。植入鉭棒前后分別加載相同載荷(700 N)，載荷施加范圍分布在120°圓心角的圓錐表面區(qū)域，按余弦規(guī)律分布，加載中心最大，隨離開中心的距離增加而逐漸減弱。計(jì)算此6種情況下股骨頭塌陷面積。壞死組織的屈服應(yīng)力δy = 5．5 MPa，應(yīng)力指標(biāo)為0．1，所以臨界塌陷應(yīng)力δy = 0．1 ×5．5 =0．55 MPa ［2］。計(jì)算各種壞死程度下植入鉭棒前后應(yīng)力超過臨界塌陷應(yīng)力的區(qū)域體積占總體積的百分比。

2　結(jié)果

壞死體積分別為為10%、15%、20%時，股骨頭有塌陷危險的區(qū)域分別為為37．6%、40．6%、44．6%，鉭棒支撐治療后有塌陷危險的區(qū)域縮小了14．5%、23．4%、29．8%。

3　討論

基于CT數(shù)據(jù)的股骨三維有限元模型的建模方法，可以充分利用CT數(shù)據(jù)所提供的關(guān)于股骨的幾何形態(tài)和材料特性信息，能夠精確建立股骨三維有限元模型，從而保證有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性 ［5］。

股骨頭并非是由均質(zhì)線彈性材料組成的，正常股骨頭內(nèi)的不同區(qū)域松質(zhì)骨力學(xué)性質(zhì)不同，同一區(qū)域的骨質(zhì)也為各向異性，在進(jìn)行模型設(shè)計(jì)和計(jì)算時我們將股骨頭內(nèi)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化，將股骨頭視為具有線彈性特性的均質(zhì)材料組成，并將不同層面間的力學(xué)傳導(dǎo)簡化為面對面的極端方式。因此所計(jì)算出的結(jié)果精度將不可避免的受到影響，但我們認(rèn)為計(jì)算結(jié)果仍具有參考價值。而有限元分析法在對股骨頭壞死后塌陷風(fēng)險的預(yù)測有著無法比擬的優(yōu)勢，術(shù)前便可對患者的治療方案進(jìn)行個性化的設(shè)計(jì)，對鉭棒支撐術(shù)后股骨頭的受力情況進(jìn)行分析預(yù)測結(jié)果。

股骨頭壞死的病因眾多，其病理過程也不盡相同，但其病理組織學(xué)表現(xiàn)卻基本一致。缺血后數(shù)小時，細(xì)胞開始損傷壞死，此時骨髓的組織學(xué)檢查可以發(fā)現(xiàn)細(xì)胞死亡、水腫和出血，水腫加重缺血，形成惡性循環(huán)。此后出現(xiàn)組織修復(fù)過程，血管長入，巨噬細(xì)胞和破骨細(xì)胞進(jìn)入病灶，清理壞死的骨髓和死骨，并伴隨肉芽組織和纖維組織形成。由于血管穿透能力有限，無法到達(dá)較大病灶的深部，因此深部修復(fù)中斷，這些死骨可出現(xiàn)碎裂骨折，在壞死區(qū)修復(fù)過程中，由于死骨吸收快于新骨形成，壞死區(qū)骨強(qiáng)度明顯不足，關(guān)節(jié)面下的骨小梁出現(xiàn)塌陷 ［6］。如未行治療股骨頭將很快出現(xiàn)塌陷，所以早期的保頭治療尤顯重要。

鉭棒的設(shè)計(jì)原理是提供支撐、防止塌陷和限制壞死進(jìn)展。純鉭化學(xué)性質(zhì)極為穩(wěn)定與體液無反應(yīng)、對機(jī)體無刺激，是外科植入物的理想材料。由鉭制備而成的多孔鉭金屬棒具有人體松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的蜂窩狀立體棒狀結(jié)構(gòu)，孔隙率為75%～80%，孔直徑平均為430 μm，與人體腓骨彈性模量(3 GPa)相似，可以刺激股骨修復(fù)，增強(qiáng)壞死區(qū)的再血管化且有良好的生物相容性 ［7，8］。更高的孔隙率有利于骨的長入，良好的彈性模量使其在植入后更少引起應(yīng)力遮擋，從而更加有利于骨的重塑 ［9］。在狗模型中，軟組織和血管迅速生長，于術(shù)后4～8周軟組織廣泛長入多孔鉭金屬材料。現(xiàn)已證實(shí)在股骨頭壞死過程中，股骨頭負(fù)重區(qū)軟骨下骨的力學(xué)性能降低，隨著應(yīng)力增大，軟骨下骨板斷裂，而最終導(dǎo)致塌陷。因此為壞死早期的股骨頭軟骨下骨提供有效地力學(xué)支撐能夠預(yù)防股骨頭塌陷。本研究結(jié)果顯示，多孔鉭金屬棒支撐壞死股骨頭可以有效地減少股骨頭大于臨界應(yīng)力的區(qū)域，即有塌陷風(fēng)險的區(qū)域體積，表明鉭棒可以為壞死股骨頭提供結(jié)構(gòu)性支撐，降低股骨頭受壓塌陷的風(fēng)險。

有學(xué)者認(rèn)為多孔鉭棒可以刺激股骨修復(fù)，增強(qiáng)壞死區(qū)的再血管化并避免出現(xiàn)應(yīng)力遮擋，同時可以提供結(jié)構(gòu)性支撐，減少股骨頭塌陷的可能 ［7，8］。但也有學(xué)者認(rèn)為其效果有限。Tanzer等 ［11］對15例鉭棒支撐治療SteinbergⅡ期股骨頭壞死失敗而轉(zhuǎn)歸為全髖關(guān)節(jié)置換的患者進(jìn)行回顧性分析，對置換下的股骨頭、股骨頸和留在其內(nèi)的鉭棒進(jìn)行組織病理學(xué)分析，其中14例殘存骨壞死，均發(fā)生股骨頭軟骨下骨折; 9例發(fā)生股骨頭塌陷;電鏡證實(shí)13例(87%)有骨內(nèi)向生長。失敗的病例中只有輕度的骨內(nèi)向生長，造成軟骨下骨機(jī)械支撐力不足。因此手術(shù)應(yīng)在C臂或手術(shù)導(dǎo)航設(shè)備的輔助下進(jìn)行，規(guī)范細(xì)致操作，以保證將鉭棒準(zhǔn)確置入壞死區(qū)域并同周圍骨質(zhì)緊密接觸，以有效支撐軟骨下骨。

綜上，多孔鉭金屬棒支撐治療早期股骨頭壞死可以有效地減少股骨頭大于臨界應(yīng)力的區(qū)域，在髓芯減壓的同時提供了有效地結(jié)構(gòu)性支撐，重構(gòu)了股骨頭的應(yīng)力分布情況，降低了股骨頭受壓塌陷的風(fēng)險，從實(shí)驗(yàn)生物力學(xué)的角度驗(yàn)證了鉭棒支撐手術(shù)是一種有效的治療早期股骨頭壞死的方法。