李伯瑞 趙德偉 覃開(kāi)蓉 劉保一 吳斌 程亮亮 王鐵男 應(yīng)嘉蔚

（1.大連理工大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)部生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，遼寧大連 116024；2.大連大學(xué)附屬中山醫(yī)院骨科，遼寧大連 116001）

股骨頭缺血性壞死（ischemic necrosis of femoral head,INFH）的治療是骨科臨床的難題之一，主要影響年輕人，且發(fā)病初期癥狀較隱匿，如得不到及時(shí)正確的治療，病情將逐步進(jìn)展發(fā)生股骨頭軟骨下骨塌陷、進(jìn)行性骨關(guān)節(jié)炎等[1-3]。股骨頭塌陷的最終結(jié)果，需要進(jìn)行髖關(guān)節(jié)置換。為了防止股骨頭塌陷，人們嘗試各種各樣的保頭方法。保留股骨頭的治療能夠有效推遲患者人工關(guān)節(jié)置換的時(shí)間，同時(shí)由于手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，年輕患者不愿意接受進(jìn)一步的翻修手術(shù)[4,5]。對(duì)于青壯年股骨頭壞死早中期患者，帶血管蒂的骨瓣移植手術(shù)是一種積極的治療措施，它既可以重建股骨頭部的血液循環(huán)，又提供了代替壞死骨的活骨，經(jīng)臨床應(yīng)用目前顯示出較明顯的優(yōu)越性，有可能成為保留股骨頭的主要手術(shù)治療方法[6]。

在帶血管蒂的骨瓣移植手術(shù)過(guò)程中，股骨頭壞死骨組織清除后如何正確地將移植骨（膜）瓣嵌入壞死區(qū)域是帶血管蒂的骨（膜）瓣移植術(shù)治療INFH 的關(guān)鍵。為此，我們運(yùn)用三維有限元分析方法檢測(cè)骨瓣轉(zhuǎn)移治療股骨頭壞死放置位置的最佳效果，為臨床工作提供幫助。

1 資料與方法

1.1 圖像資料來(lái)源

本研究采用計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)于大連大學(xué)附屬中山醫(yī)院骨科實(shí)驗(yàn)室完成。

臨床采集1例單側(cè)股骨頭壞死ARCOⅢ期患者資料，男，35 歲，病史5 年，有大量飲酒史。從雙側(cè)股骨頭上方起，由近段向遠(yuǎn)側(cè)垂直于股骨縱軸進(jìn)行連續(xù)CT 斷層掃描，掃描條件120 kV，200 mA，層厚1 mm，窗寬設(shè)為250，窗位35，每個(gè)掃描層的像素矩陣度為512×512，CT 圖像中每個(gè)像素分配2 個(gè)字節(jié)，共獲得164張斷層影像，以DICOM格式儲(chǔ)存。

本研究獲得倫理委員會(huì)的批準(zhǔn)，入選患者簽署知情同意書(shū)。

1.2 主要儀器及軟件

采用飛利浦16排螺旋CT機(jī)，聯(lián)想牌電腦基本配置：CPU Pentium (R) 4 3.06 GHz，內(nèi)存2 G，硬盤(pán)200 G。Mimics19.0 software（Materialise Company，比利時(shí)）。Geomagic Studio 2013 software（Raindrop Company，美國(guó)）。Solidworks 2017 software（Dassault System，美國(guó)）。ANSYS 17.0 software（ANSYS Company,美國(guó)）。

1.3 分析流程(圖1)

圖1 分析流程

1.4 建模過(guò)程

Mimics19.0 建模過(guò)程：將CT 掃描圖像文件導(dǎo)入Mimics19.0軟件中，調(diào)節(jié)圖像適合的灰度值，根據(jù)設(shè)置好的閾值，利用手工編輯圖層工具將多余的部分擦除或者補(bǔ)上缺失的部分，從修補(bǔ)好的圖層中合成3D 模型，對(duì)3D模型分別進(jìn)行收縮和光滑處理，填補(bǔ)孔和光滑表面，最后將股骨模型導(dǎo)出為STL 格式文件保存。其中，正常股骨近端三維有限元模型有節(jié)點(diǎn)85476個(gè)，單元有46514個(gè)。股骨頭缺血壞死骨缺損三維有限元模型有節(jié)點(diǎn)84291個(gè)，單元46130個(gè)（圖2）。

圖2 STL模型

Geomagic Studio 2013建模過(guò)程：從Geomagic Studio 2013軟件中打開(kāi)上一步從Mimics19.0保存出來(lái)的STL文件，對(duì)模型進(jìn)行去除釘狀物和多余特征處理后得到準(zhǔn)確的幾何模型，然后對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化光滑處理，使用精確曲面模塊探測(cè)模型輪廓線，對(duì)變形或者不合理的輪廓進(jìn)行編輯，適當(dāng)添加輪廓線方便生成曲面片；生成曲面片后再擬合曲面，然后將擬合完成的曲面導(dǎo)出為通用的STP股骨模型格式（圖3）。

圖3 股骨實(shí)體模型

Solidworks 2017 建模過(guò)程：將從Geomagic Studio 2013 軟件中保存出來(lái)的STP 股骨模型文件用Solidworks 2017軟件打開(kāi)，根據(jù)軟件提示對(duì)幾何模型進(jìn)行特征識(shí)別和曲面診斷。對(duì)有問(wèn)題的曲面進(jìn)行修復(fù)，使用特征/曲面等模塊進(jìn)行操作。分別建立皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨和壞死骨，對(duì)模型進(jìn)行保存，文件格式保存為SLDPRT零件格式。在裝配界面完成裝配過(guò)程，最終建立分析模型。

帶血管蒂髂骨瓣位于股骨頭正位軸位中央設(shè)定為模型1，其他情況由模型1上下左右各偏移20°得到（圖4）。

圖4 髂骨瓣植入模型

1.5 ANSYS17.0有限元分析過(guò)程

將幾何模型導(dǎo)入到ANSYS17.0 有限元分析軟件中，建立Static Structural 分析類(lèi)型，在分析材料庫(kù)中分別建立皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、壞死骨、髂骨瓣的材料屬性參數(shù)，進(jìn)入Mechanical 工作界面，在Geometry 中對(duì)股骨皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、壞死骨、髂骨瓣等模型賦予相關(guān)的材料[7-9]（表1）。接下來(lái)對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

表1 材料屬性參數(shù)

設(shè)置邊界條件和載荷：將股骨三維有限元模型內(nèi)外髁下緣全部節(jié)點(diǎn)的自由度約束為0作為邊界條件，即遠(yuǎn)端各節(jié)點(diǎn)在x、y、z 軸上的位移為0，忽略股骨前傾角影響，模擬體重80 kg成人雙足站立，骨盆水平中立位時(shí)股骨近端的應(yīng)力分布。受力情況簡(jiǎn)化為R 和M兩個(gè)力的合力，R為作用于股骨頭向下的壓力，M為作用于大轉(zhuǎn)子向上的拉力。R：1730 N（Rx=-300 N，Ry=-310 N，Rz=-1670 N），M=1270 N（Mx=300 N，My=310 N，Mz=1190 N），加載于有限元模型，沿軸向向下，運(yùn)行分析，得到應(yīng)力、位移云圖（圖5-8、表2、3）。

圖5 模型應(yīng)力云圖

圖6 模型位移云圖

圖7 髂骨瓣移植模型應(yīng)力云圖

圖8 髂骨瓣移植模型位移云圖

表2 模型應(yīng)力峰值及最大位移

表3 移植骨瓣前股骨頭模型應(yīng)力峰值及最大位移

2 結(jié)果

從正常、壞死及骨瓣移植后的股骨頭的應(yīng)力及位移云圖看，股骨頭頸交界內(nèi)側(cè)及轉(zhuǎn)子間溝中點(diǎn)外下方（或大轉(zhuǎn)子向股骨干移行處）有較高的應(yīng)力分布，位移情況是股骨頭壞死區(qū)域位移最大，由此向下呈環(huán)形依次遞減。

根據(jù)正常人體股骨頭和壞死時(shí)股骨頭的應(yīng)力云圖對(duì)比可知，股骨頭壞死應(yīng)力峰值（60.72 MPa）在壞死部位更加集中，且比正常股骨頭應(yīng)力峰值（53.40 MPa）高出約7.00 MPa。而正常股骨頭應(yīng)力峰值（53.40 MPa）高于經(jīng)過(guò)骨瓣移植后的股骨頭應(yīng)力峰值（51.10±0.10）MPa，但與壞死模型比較骨瓣移植后的股骨頭與正常股骨頭應(yīng)力接近。在圖中看出，壞死模型的最大位移（1.34 mm）大于骨瓣移植后的股骨頭最大位移（1.22±0.02）mm，更比正常股骨頭最大位移（1.08 mm）高約0.30 mm。

骨瓣移植后的骨瓣應(yīng)力峰值：模型2（21.51 MPa）和模型5（21.96 MPa）出現(xiàn)了比另外3 種情況更大的應(yīng)力集中，且比應(yīng)力峰值最小模型4 高出10.00 Mpa左右；模型1（17.86 Mpa）和模型3（16.44 Mpa）次之。對(duì)于模型4，應(yīng)力峰值為11.38 MPa，出現(xiàn)在與壞死區(qū)域與骨瓣相接處的下端。

骨瓣移植后的骨瓣位移沒(méi)有顯著差異。

3 討論

股骨頭缺血性壞死是骨科領(lǐng)域中至今尚未解決的疑難疾病之一，目前本病的發(fā)病有年輕化的趨勢(shì)。股骨頭壞死的最后結(jié)局會(huì)因全髖關(guān)節(jié)嚴(yán)重的骨關(guān)節(jié)炎而需行全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)，而人工關(guān)節(jié)的壽命及功能又受多種因素的制約[10]。股骨頭壞死早、中期的保頭治療可以改善股骨頭的血液循環(huán)，促進(jìn)壞死修復(fù)，預(yù)防股骨頭塌陷，恢復(fù)關(guān)節(jié)功能。

隨著對(duì)股骨頭壞死研究不斷深入，生物力學(xué)作用因素在治療股骨頭壞死的作用也越來(lái)越多被人重視，目前較多認(rèn)為股骨頭壞死是生物學(xué)及力學(xué)共同作用的結(jié)果。隨著顯微外科技術(shù)的發(fā)展，采用帶血運(yùn)的骨（骨膜）瓣植入治療股骨頭壞死因有較多優(yōu)勢(shì)已被多數(shù)學(xué)者認(rèn)可。帶血運(yùn)的骨（膜）瓣植入可改善股骨頭的血液循環(huán)；清除股骨頭內(nèi)病變壞死組織后，起到股骨頭減壓，可以改善股骨頭血液循環(huán)；去除壞死的骨組織，促進(jìn)新骨成骨；新骨重建骨小梁，支撐起塌陷的軟骨。因此能大大提高治療效果。而股骨頭壞死骨組織清除后如何正確地將移植骨（膜）瓣嵌入壞死區(qū)域成為治療股骨頭缺血性壞死的關(guān)鍵。為此我們利用應(yīng)用有限元分析法來(lái)探尋髂骨瓣修復(fù)股骨頭壞死放置位置的最佳力學(xué)效果。

有限元分析法自20 世紀(jì)50 年代初期誕生，已廣泛應(yīng)用于骨科生物力學(xué)領(lǐng)域的研究[11-17]。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)性應(yīng)力分析相比，具有更多的優(yōu)點(diǎn)[11,18]，不僅具有較高的精度，可以完整地反映全域性的信息，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)方法難以進(jìn)行的研究，同時(shí)對(duì)研究對(duì)象無(wú)破壞，因此在人體生物力學(xué)研究中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在一定程度上替代生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)，模擬人體生物力學(xué)情況。通過(guò)對(duì)建立的股骨頭三維有限元模型施加載荷發(fā)現(xiàn)：股骨頭壞死時(shí)在壞死部位應(yīng)力更加集中，這樣能夠造成股骨頭進(jìn)一步塌陷從而導(dǎo)致病情惡化。帶血管蒂髂骨瓣移植改善了壞死股骨頭的力學(xué)性能。從正常、壞死及骨瓣移植后的股骨頭的應(yīng)力及位移云圖看，骨瓣移植后的股骨頭的各項(xiàng)參數(shù)與正常股骨頭的接近。這說(shuō)明髂骨瓣移植可以重建股骨頭骨小梁的支撐作用，使股骨頭頸部承重支架恢復(fù)，恢復(fù)了股骨頭的受力面積，使單位面積骨小梁承受的應(yīng)力減少，股骨頭的機(jī)械性能加強(qiáng)，有效地防止塌陷。同時(shí)，不同植入位置也會(huì)對(duì)股骨頭及髂骨瓣本身產(chǎn)生一定的影響。針對(duì)這種情況，本研究模擬了植入髂骨瓣在5 種不同植入位置情況下的受力，分別為髂骨瓣位于股骨頭正位軸位中央的位置及由其上下左右各偏移20°得到的位置，這幾種情況可以涵蓋植入情況的絕大部分。

有限元模擬結(jié)果表明，每一種情況都較好的舒緩了股骨頭壞死區(qū)的應(yīng)力集中、降低了應(yīng)力峰值且減小了股骨頭整體的變形。進(jìn)一步對(duì)比5 種不同植入位置的靜力學(xué)模擬的應(yīng)力云圖可知：在這5種情況中，股骨頭整體情況應(yīng)力和變形差別不大。具體的髂骨瓣植入，其最大應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)在壞死區(qū)域和植骨的銜接處，提示術(shù)中應(yīng)予以增大尺寸以降低應(yīng)力集中。對(duì)于骨瓣所受應(yīng)力，模型4，即骨瓣位于股骨頭內(nèi)部與冠狀面向前成20°的位置，其最大應(yīng)力峰值為11.38 MPa，出現(xiàn)在與骨瓣與壞死區(qū)域相接處的下端，遠(yuǎn)低于髂骨瓣13.00 MPa[19]屈服極限的條件下，所以使用這種植入方式可使植骨損傷降低到最小。

目前有限元法在國(guó)內(nèi)已經(jīng)得到了普遍應(yīng)用，取得了大量的成就。特別是在臨床上的應(yīng)用，骨骼系統(tǒng)的應(yīng)力分析、內(nèi)外固定系統(tǒng)的研究，以及人工各種假體的設(shè)計(jì)與優(yōu)化更具有一定的指導(dǎo)意義。有限元法是求解微分方程的一種非常有效的數(shù)值分析方法，其基本思想是用分片函數(shù)去逼近原函數(shù)，即把無(wú)限自由度問(wèn)題轉(zhuǎn)化為有限自由度的問(wèn)題，再求解一個(gè)線性方程組，得到原方程的近似解。既然是一種近似求解，就存在人為造成的誤差。另外有限元分析屬于理論性分析，其結(jié)論只有與臨床檢測(cè)結(jié)果相結(jié)合，才能真實(shí)的反映標(biāo)本的受力狀況；有限元模型的材料性質(zhì)不夠完善，韌帶、肌肉在不同狀態(tài)下力的方向和大小難以精確模擬，使得骨骼模型的應(yīng)力分析數(shù)據(jù)仍不夠準(zhǔn)確，應(yīng)是今后研究改善的重點(diǎn)。同時(shí)帶血管蒂髂骨移植多數(shù)是局部轉(zhuǎn)位移植，血管蒂的相對(duì)長(zhǎng)度、行走的路徑等直接影響骨塊的血供，也直接影響生物力學(xué)的結(jié)果?；颊咝g(shù)后開(kāi)始負(fù)重的時(shí)間、強(qiáng)度也會(huì)對(duì)臨床效果造成影響，所以在臨床工作中醫(yī)師需要對(duì)患者的病情進(jìn)行綜合考慮。