HCD和CD不同減壓通道治療股骨頭壞死的生物力學研究

張宏健，張國梁，張 偉，王躍文

（內蒙古醫科大學附屬醫院骨科，內蒙古 呼和浩特010050）

早中期股骨頭壞死（Osteonecrosis of the Femoral head，ONFH）應用髓芯減壓術（Core decompression surgery，CD）治療能夠降低股骨頭內的壓力，緩解疼痛，恢復血運，幫助壞死股骨頭愈合[1，2]。療效得到國內外學者的一致肯定[3]。傳統CD的減壓通道直徑約10～12mm，這種大直徑通道會削弱軟骨下骨板的力學支撐，與其他改良CD比較，此方法對ONFH的治療作用有限[4]。HCD也是一種改良CD，采用多個5mm孔徑減壓通道對股骨頭內壞死區域進行減壓，可以有效減壓和避免應力集中，避免股骨頭塌陷[5]。HCD同樣有導致股骨頭機械支撐力下降的問題。在改良CD后既要保證充分減壓的同時，又要盡可能少的破壞股骨頭的機械支撐力，是一個值得探討的問題[6，14，24]，因此，我們對HCD和CD不同減壓通道數進行生物力學研究并優化選擇。

1 材料與方法

1.1一般資料

采用2019國際骨循環學會（Association Research Circulation Osseous，ARCO）標準[1]，隨機選擇2020年在我院住院治療的ONFH（ARCO分期I期）1例進行研究，患者知情同意使用其影像資料。典型臨床表現和影像學資料，符合診斷標準。已經排除髖部感染、髖部外傷、髖關節腫瘤、髖關節炎、先天性髖關節發育異常、骨質疏松、自體免疫性疾病等。

1.2方法

1.2.1 主要設備CT機：GE64排螺旋CT（GE，美國）；計算機：IBM w520筆記本電腦；軟件：Geomagic Studio 2013（Geomagic公司，美國）；Hypermesh 2019（Altair公司，美國）；Mimics 21.0（Materialise公司，比利時）；ANSYS 19.2（Ansys公司，美國）；Abaqus 2020（Dassault公司，美國）；SPSS 20.0（IBM公司，美國）；Pro/E（PTC公司，美國）

1.2.2 數據采集及建立幾何模型 使用CT對仰臥位患者的股骨頭最高點至股骨上1/3段進行橫斷面連續掃描，層厚0.625mm。CT數據以Dicom格式導入到Mimics 21.0中。對提取后的模型設置Bone Scale范圍，進行區域增長，利用Region Growth、3D Calculation功能分別進行圖像分割和初步重建股骨頭模型，并以.stl格式保存。重建的股骨頭模型數據導入Pro/E 5.0軟件中進行平滑、去噪等優化處理。最后將其導入Geomagic Studio 2013中分別建立0、3、4、5、6孔的HCD和CD的實體模型并分別保存。

1.2.3 網格劃分及優化 上述模型導入Hypermesh 2019中進行面網格優化及體網格劃分，面網格類型為三角形，網格單元尺寸大小為1mm；通過優化過程使股骨頭模型面網格均勻，從而降低面網格錯誤率，再進行體網格劃分，體網格類型為四面體，網格單元尺寸大小為1mm（面、體網格數見表1）

表1 加載，三維有限元節點及單元數

1.2.4 有限元分析 把優化后的股骨近端模型導入到Abaqus 2020軟件中，對模型進行裝配，設定載荷量，約束條件的界定等處理后再進行有限元分析，計算股骨頭內應力值。在股骨頭內應力部位均勻選取30個節點，并計算其均值，進行有限元仿真實驗。固定每個模型的股骨遠端同一處表面，在每個股骨頭模型最高點處施加相當于正常人體質量一半的垂直向下的壓應力約300N（見表1），且持續對股骨頭表面施加相應載荷，通過在股骨頭截面應力集中部位均勻選取30個節點，并計算其均值（見表2），應力分布云圖提示應力變化情況（見圖1～9）。

圖1 0孔ONFH模型應力云圖

表2 不同通道數的HCD和CD應力值（MPa）的比較

2 統計學方法

運用SPSS 20.0軟件對數據進行分析處理，計量資料以均數±標準差表示。多組間比較采用單因素方差分析，兩組間比較采用獨立樣本t檢驗，檢驗水準為α＝0.05，以P<0.05說明有統計學意義。

圖2 HCD 3孔模型應力云圖

圖3 HCD 4孔模型應力云圖

圖4 HCD 5孔模型應力云圖

圖5 HCD 6孔模型應力云圖

圖7 CD 4孔模型應力云圖

圖8 CD 5孔模型應力云圖

圖9 CD 6孔模型應力云圖

3 結果

3.1 HCD組內比較：HCD組股骨頭內的應力值：0孔：0.168MPa，3孔：0.250MPa，4孔：0.264MPa，5孔：0.272MPa，6孔：0.378MPa，3、4、5孔間應力值無統計學意義（P>0.05）；5、6孔間應力值有統計學意義（P<0.05）（見表2，圖1～5）

2.2 CD組內比較：3孔：0.686MPa，4孔：0.963MPa，5孔：1.077MPa，6孔：0.985MPa。3、4孔間應力值有統計學意義；3、6孔之間應力值有統計學意義；其余各孔之間應力值無統計學意義（見表2，圖6～9）。

圖6 CD 3孔模型應力云圖

2.3相同孔數HCD和CD比較：孔數相同時，HCD組應力值均比CD組應力值更小，應力值有統計學意義（見表3）。

表3 相同通道數HCD和CD應力值（MPa）的比較

4 討論

ONFH平均發病年齡在30～40歲，亞洲國家發病率較歐美國家高[6]，是青壯年致殘的主要原因之一，大約10%的人工全髖關節置換術（Total Hip arthroplasty，THA）是ONFH導致的[7，8]。是一種骨科常見且難治性疾病，預后較差。Mont在近期指出，導致股骨頭內部血液供應中斷的原因是多樣的，無明確定論[6，11]，如不在早期進行干預，70%的患者將在數年內發生股骨頭塌陷，致殘率很高，最終只能行THA治療，其高昂的治療費用以及不得不接受的多次返修手術將給患者和社會帶來沉重的負擔。所以，ONFH早中期的保髖治療是十分必要的，能延緩或避免THA[9，10，12，13]。

大量研究指出CD并沒有改良CD療效好[5，6，15～18，23，24]。對于不同孔數，不同孔徑的改良CD治療ONFH的研究已有很多文獻報道。張國梁等[15]在HCD療效觀察中比較了單純CD和HCD治療ONFH的療效，結果表明，I期的優良率達100%，II期優良率達89.5%，III期優良率達33.3%，5個5mm的平行減壓通道減壓面積比CD多19.625mm2，且減壓通道在股骨頭內空間構型好，均勻散布在壞死區內，每個減壓通道間有整齊規則的骨墻相連接成為一個整體，可以得到較為堅強的支撐，在軟骨下方有松質骨支撐，而不是單純CD形成的中心型空洞。Miao等在一項至少隨訪1年的前瞻性研究中對比了傳統CD并多孔鉭棒與多個小孔徑CD治療尚未塌陷的ONFH，納入了60例（70髖），結果顯示兩組術前術后Harris評分差異無統計學意義，且對I期ONFH療效更好，在更長期的隨訪中，多個小孔徑CD要優于CD并鉭棒植入，可能是因為小孔徑完全不影響新骨長入，MRI顯示鉭棒植入物周圍有微小縫狀的液體信號，提示骨未完全長入。Thilo Floerkemeier等在一項有限元分析中對比了單孔CD（10mm）并植入鈦金屬棒與多個小孔徑CD，發現小孔徑CD有更好的預后。Mont等的研究也證實了使用5個3.2mm的多孔CD比單孔CD（10mm）有更好的結果，對股骨頸生物力學的影響更小，術后可早期負重，相較于單孔CD有更好的骨長入。Steinberg等報道，使用10mm鉆頭進行CD后發生骨折的風險在0%～10%之間，另外一項使用多個小孔徑CD的分析研究顯示沒有出現骨折病例，說明這種改良手術的并發癥很低。以上觀點與本研究結果是相符的，本研究通過有限元分析的方法，對兩種不同置孔方式的股骨頭內應力進行了有限元分析顯示：1.在綜合考慮術中安全性、術后并發癥發生率、骨折風險等因素，多通道小孔徑相較于傳統CD更安全，更穩定，并發癥更少，骨折風險更小。

本研究結果與文獻的觀點相符，通過對ONFH 0孔和3、4、5、6孔HCD以及3、4、5、6孔CD后股骨頭生物力學的應力變化比較，進行有限元分析，顯示HCD組股骨頭內的應力值0孔：0.168MPa，3孔：0.250MPa，4孔：0.264MPa，5孔：0.272MPa，6：0.378MPa，3、4、5孔之間應力值差異無統計學意義（P>0.05），但是對于3、4孔而言，5孔減壓更徹底，5、6孔間應力值差異有統計學意義（P<0.05），且6孔應力值激增；從HCD后股骨頭應力值變化及股骨頭塌陷風險方面綜合考慮，5孔減壓效果最佳。

本研究中，HCD組股骨頭內的應力值如上述，CD組 股 骨 頭 內 應 力 值：3孔：0.686MPa，4孔：0.963MPa，5孔：1.077MPa，6孔：0.985MPa，同孔數HCD股骨內頭的應力值均小于CD組，其應力值差異均有統計學意義（P＜0.05）。這說明在減壓孔數相同時，HCD組在股骨頭內形成了如同蜂巢樣的空間構型，均勻地分布在股骨頭內，每個減壓通道間都有整齊規則的骨間壁形成，使得軟骨下骨獲得有效支撐，生物力學優良。而CD組應力值偏大，可能是由于未形成整齊規則的骨間壁，軟骨下機械支撐減少，這與文獻的觀點相符，通過與CD的比較，相同減壓孔數的HCD股骨近端應力值更小，股骨頭內應力分散均勻，減壓孔之間有完整且整齊的骨間壁形成[5，15]，對股骨近端生物力學影響較小，骨折風險更低，更為安全[17，18]。股骨頭內部的松質骨對其皮質骨有較強的支撐作用，是防止股骨頭塌陷的重要因素。Volokh等通過研究發現正常股骨頭內的松質骨對股骨頭的皮質骨有較強的支撐作用，可防止皮質殼屈曲。Etienne G.等通過有限元分析發現股骨頭深面的松質骨強度下降是導致股骨頭塌陷的主要原因。何偉偉等通過對比研究也從另一方面證實了此觀點，他們發現正常股骨頭各區域骨小梁排列規則有序，壞死股骨頭壞死區及硬化區骨小梁排列紊亂無序。壞死股骨頭的壞死區內，相對骨體積分數（BV/TV）顯著降低，平均骨小梁數目（Tb.N）減少，平均骨小梁間距（Tb.Sp）顯著增寬。壞死區骨小塊的生物力學性能明顯降低，彈性模量下降近70%，屈服強度下降35%，極限強度下降35%。因此，CD的同時保留股骨近端的生物力學顯得至關重要，HCD是一個很好的選擇，在充分減壓的同時，盡量少的破壞股骨近端生物力學性能，還具有創傷小，出血少，股骨骨折風險大大降低，可早期負重下地行走等諸多優點。JI YONG BAE等利用有限元分析的方法，通過改變鉆孔位置以及通道數量發現多個小孔道鉆孔術具有較高的安全性，Mont等在一項臨床對比研究中也發現：45例患者在多個小孔道CD后5～6周未觀察到骨折征象。

綜上所述，與CD比較，HCD治療ONFH，雖然股骨近端應力值隨著HCD打孔數的增加而稍增加，說明HCD降低了股骨近端的生物力學性能，但HCD又能夠有效地分散股骨頭內的應力集中。在綜合考慮手術安全性及生物力學的情況下，5孔HCD減壓最徹底。對股骨近端應力值破壞更小，生物力學性能也更穩定，因此骨折風險更小，更安全，是眾多保髖方式中一種較好的選擇。

CD的置孔方式不是平行置孔，所以沒有在股骨頭內形成平行的骨間壁作為支撐，孔間距隨意且不定，易造成通道間融合而形成大的通道或大空洞，導致應力集中，股骨近端生物力學性能變差，骨折風險較高。其中5孔的壓力值還大于6孔，這可能是由于骨間壁破壞導致。