宋和強(qiáng) 張大偉 王鵬 陳永鋒 孫強(qiáng)
股骨頭壞死(osteonecrosis of femoral head,ONFH)是指由于各種原因?qū)е卵\(yùn)受損、骨細(xì)胞壞死、無菌性炎癥直至晚期出現(xiàn)髖關(guān)節(jié)疼痛及功能嚴(yán)重受限的進(jìn)展性疾病,需通過人工關(guān)節(jié)置換手術(shù)恢復(fù)髖關(guān)節(jié)功能[1]。對(duì)于中青年ONFH 患者,由于人工關(guān)節(jié)的使用壽命及髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)難度高、風(fēng)險(xiǎn)大、并發(fā)癥多的問題,保髖手術(shù)具有明確的現(xiàn)實(shí)意義[2]。
對(duì)于中日友好醫(yī)院分型(China-Japan Friendship Hospital,CJFH)L2型股骨頭壞死的保髖治療[3],日本醫(yī)生Sugioka等[4]提出了股骨轉(zhuǎn)子間旋轉(zhuǎn)截骨術(shù),用正常的股骨頭替代負(fù)重區(qū)壞死的部分,避免股骨頭繼續(xù)塌陷。之后保髖手術(shù)不斷創(chuàng)新改進(jìn),如經(jīng)外科脫位入路股骨頸基底部旋轉(zhuǎn)截骨術(shù),取得了更好的療效[5-6]。Sugioka 在術(shù)中使用松質(zhì)骨螺釘進(jìn)行固定[4],有固定不穩(wěn)定的情況[7]。股骨頸內(nèi)固定系統(tǒng)(femoral neck system,F(xiàn)NS)是近年來治療股骨頸骨折的新型固定裝置,具有穩(wěn)定固定、損傷小的特點(diǎn)[8]。其能否應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)截骨術(shù),國內(nèi)外的研究罕有報(bào)道。本研究通過有限元分析方法,比較FNS和空心螺釘作為內(nèi)固定裝置應(yīng)用于股骨頸基底部旋轉(zhuǎn)截骨的生物力學(xué)特點(diǎn),為臨床實(shí)踐提供了理論依據(jù)。
招募1名健康男性青年,身高186 cm,體重70 kg,體重指數(shù)20.23 kg/m2,無骨結(jié)核、骨折、骨腫瘤、骨質(zhì)疏松等運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)異常,自愿成為本次實(shí)驗(yàn)的志愿者。使用聯(lián)影uCT 760 128 排螺旋CT 自第5 腰椎平面至脛骨中上段進(jìn)行掃描得到二維橫斷圖像,球管電壓140 kV,電流216 mA,掃描層厚1.0 mm,以DICOM格式保存。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 21.0 軟件,通過閾值劃分、蒙版編輯、區(qū)域增長等命令建立股骨皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、CJFH 分型L2 型的壞死區(qū)域模型(壞死累及股骨頭外側(cè)柱,中央、內(nèi)側(cè)柱存留)[9-10]。將模型以STL 格式導(dǎo)入圖形處理軟件Geomagic 2013 軟件中,進(jìn)行刪除釘狀物、松弛、重劃網(wǎng)格和擬合曲面,建立股骨皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、壞死區(qū)的三維實(shí)體模型(見圖1)。
圖1 股骨三維模型及截骨后旋轉(zhuǎn)的三維模型:A. 股骨模型;B. 模擬股骨頸基底部截骨;C. 截骨后向前旋轉(zhuǎn)90°的模型;D. 截骨后向后旋轉(zhuǎn)180°的模型
股骨模型以STEP 文件導(dǎo)入三維工程軟件SolidWorks 2017中,按照改良的旋轉(zhuǎn)截骨術(shù)式于股骨頸基底部創(chuàng)建橫斷面[5-6],截骨面垂直于股骨頸軸線,以股骨頸軸線旋轉(zhuǎn)截骨塊,近端截骨塊與遠(yuǎn)端股骨于截骨面對(duì)合。選擇力學(xué)性能較好的兩種旋轉(zhuǎn)角度,即向前旋轉(zhuǎn)90°及向后旋轉(zhuǎn)180°[11],分別創(chuàng)建股骨截骨模型(見圖1)。
在SolidWorks 2017中,參照強(qiáng)生公司FNS及空心螺釘數(shù)據(jù)建立兩組內(nèi)固定裝置模型。FNS組:動(dòng)力棒直徑為10 mm,與鎖定板成130°角,與動(dòng)力棒位于同一套筒的防旋釘直徑為6.4 mm,與動(dòng)力棒成7.5°角。鎖定板遠(yuǎn)端以2 枚鎖定螺釘與股骨干連接,鎖定螺釘直徑為5 mm;空心螺釘組:螺釘長90 mm,中空直徑為2.6 mm,光桿部分直徑為4.8 mm,螺紋部分直徑為7.3 mm,螺紋長度16 mm。將內(nèi)固定模型與股骨截骨模型進(jìn)行裝配,F(xiàn)NS及空心螺釘組參考臨床固定方式置入,完成旋轉(zhuǎn)截骨后植入內(nèi)固定的模型創(chuàng)建(見圖2)。
圖2 四種截骨后內(nèi)固定的三維模型:A. 前旋90°FNS固定的模型;B. 前旋90°空心螺釘固定的模型;C. 后旋180°FNS 固定的模型;D. 后旋180°空心螺釘固定的模型
在ANSYS 的庫中輸入皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、壞死區(qū)、內(nèi)固定的材料參數(shù)[12-13]。為簡化模型及節(jié)省求解時(shí)間,將所有模型的材質(zhì)簡化,均為連續(xù)均勻并具有各向同性的線彈性材料,內(nèi)固定裝置由鈦合金材料組成[13](見表1)。
表1 有限元模型材料屬性
模型的網(wǎng)格劃分設(shè)置:將相關(guān)性設(shè)置為100,相關(guān)中心設(shè)置為“Fine”,單元尺寸設(shè)置為2.0 mm,過渡設(shè)置為“Slow”(見圖3、圖4)。網(wǎng)格劃分后單元數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)見表2。
表2 四種有限元模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)
圖3 模型結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分:A. FNS模型;B. 空心螺釘模型;C. FNS內(nèi)固定植入模型;D. 三枚空心螺釘植入模型
圖4 截骨后內(nèi)固定模型:A. 前旋90°FNS固定的模型;B. 前旋90°空心螺釘固定的模型;C. 后旋180°FNS固定的模型;D. 后旋180°空心螺釘固定的模型
根據(jù)相關(guān)生物力學(xué)研究,載荷為自身質(zhì)量的2 ~ 3倍,將2 100 N載荷引入近端截骨塊中心,接觸面為截骨旋轉(zhuǎn)后股骨頭上方負(fù)重區(qū)。設(shè)置載荷方向在冠狀面上與股骨干軸成13°角,在矢狀面上與股骨干軸成8°角[12]。設(shè)置內(nèi)固定裝置與骨、螺釘與骨、內(nèi)固定之間的接觸面為綁定連接,設(shè)置模型截骨面的接觸面為摩擦接觸,摩擦系數(shù)設(shè)置為0.46。設(shè)置股骨遠(yuǎn)端為固定界面不可移動(dòng)。通過比較先前研究的最大應(yīng)力和位移來驗(yàn)證該模型,結(jié)果相似,筆者認(rèn)為該模型是可靠的[12](見圖5)。
圖5 施加載荷及約束條件:A. 施加載荷示意圖;B. 股骨遠(yuǎn)端固定面
有限元分析中使用以下評(píng)價(jià)指標(biāo):①股骨近端截骨塊的Von Mises 應(yīng)力分布和峰值;②內(nèi)固定裝置的Von Mises應(yīng)力分布和峰值;③壞死區(qū)的Von Mises應(yīng)力分布和峰值;④股骨近端截骨塊的位移分布和最大位移;⑤內(nèi)固定裝置的位移分布和最大位移;⑥壞死區(qū)的位移分布和最大位移;⑦股骨的位移分布和最大位移。
截骨后旋轉(zhuǎn)內(nèi)固定模型的有限元分析結(jié)果如表3所示。
表3 截骨后旋轉(zhuǎn)內(nèi)固定模型的有限元分析結(jié)果
股骨近端截骨塊的Von Mises應(yīng)力主要分布在截骨面下方靠近股骨距處。應(yīng)力峰值為:前旋90°FNS組110.4 MPa;前旋90°空心螺釘組210.07 MPa;后旋180°FNS組33.878 MPa;后旋轉(zhuǎn)180°空心螺釘組39.227 MPa。FNS 組近端截骨塊的Von Mises應(yīng)力更?。ㄒ妶D6、表3)。
圖6 股骨近端截骨塊的應(yīng)力分布于截骨面下方靠近股骨距處:A. 前旋90°FNS組;B. 前旋90°空心螺釘組;C. 后旋180°FNS組;D. 后旋180°空心螺釘組
內(nèi)固定裝置的Von Mises應(yīng)力主要分布在截骨面附近內(nèi)固定裝置的表面,向近端及遠(yuǎn)端分散。應(yīng)力峰值為:前旋90°FNS組178.91 MPa;前旋90°空心螺釘組121.68 MPa;后旋180°FNS組148.89 MPa;后旋180°空心螺釘組97.747 MPa。FNS組承受的應(yīng)力更大(見圖7、表3)。
圖7 內(nèi)固定裝置的應(yīng)力分布:A. 前旋90°FNS組;B. 前旋90°空心螺釘組;C. 后旋180°FNS組;D. 后旋180°空心螺釘組
壞死區(qū)的Von Mises應(yīng)力主要分布在與內(nèi)固定裝置接觸面附近。應(yīng)力峰值為:前旋90°FNS 組1.146 6 MPa;前旋90°空心螺釘組2.083 2 MPa;后旋180°FNS組0.677 7 MPa;后旋180°空心螺釘組1.051 1 MPa。FNS組壞死區(qū)應(yīng)力更?。ㄒ妶D8、表3)。
圖8 壞死區(qū)的應(yīng)力分布:A. 前旋90°FNS組;B. 前旋90°空心螺釘組;C. 后旋180°FNS組;D. 后旋180°空心螺釘組
股骨近端截骨塊的位移峰值位于股骨頭負(fù)重區(qū)的頂端,從近端向遠(yuǎn)端逐漸減小。位移峰值為:前旋90°FNS組14.652 mm;前旋90°空心螺釘組14.89 mm;后旋180°FNS組14.563 mm;后旋180°空心螺釘組14.741 mm。FNS組近端截骨塊的位移峰值更?。ㄒ妶D9、表3)。
圖9 股骨近端截骨塊的變形云圖:A. 前旋90°FNS組;B. 前旋90°空心螺釘組;C. 后旋180°FNS組;D. 后旋180°空心螺釘組
內(nèi)固定裝置的位移集中于內(nèi)固定裝置的近端,最大位移位于內(nèi)固定裝置的上方最頂端。位移峰值為:前旋90°FNS 組14.115 mm;前旋90°空心螺釘組14.527 mm;后旋180°FNS 組13.983 mm;后旋180°空心螺釘組14.281 mm。FNS組的位移峰值更小(見圖10、表3)。
圖10 內(nèi)固定裝置的變形云圖:A. 前旋90°FNS組;B. 前旋90°空心螺釘組;C. 后旋180°FNS組;D. 后旋180°空心螺釘組
壞死區(qū)的最大位移位于旋轉(zhuǎn)后的壞死區(qū)上方最頂端,從近端向遠(yuǎn)端逐漸減小。位移峰值為:前旋90°FNS 組14.508 mm;前旋90°空心螺釘組14.741 mm;后旋180°FNS組14.256 mm;后旋180°空心螺釘組14.409 mm。FNS組壞死區(qū)的位移峰值更?。ㄒ妶D11、表3)。
圖11 壞死區(qū)的變形云圖:A. 前旋90°FNS組;B. 前旋90°空心螺釘組;C. 后旋180°FNS組;D. 后旋180°空心螺釘組
股骨的最大位移位于旋轉(zhuǎn)后的股骨頭負(fù)重區(qū)頂端,從近端向遠(yuǎn)端逐漸減小。位移峰值為:前旋90°FNS 組14.652 mm;前旋90°空心螺釘組14.89 mm;后旋180°FNS組14.563 mm;后旋180°空心螺釘組14.741 mm。FNS組股骨的位移峰值更?。ㄒ妶D12、表3)。
圖12 股骨的變形云圖:A. 前旋90°FNS組;B. 前旋90°空心螺釘組;C. 后旋180°FNS組;D. 后旋180°空心螺釘組
據(jù)報(bào)道,我國成人非創(chuàng)傷性O(shè)NFH 的發(fā)病率為0.725%,具有逐漸年輕化的趨勢,多發(fā)生于20 ~ 50歲[14-15],若不及時(shí)采取干預(yù)措施,80%的患者4年內(nèi)將發(fā)生股骨頭塌陷,這意味著髖關(guān)節(jié)功能發(fā)生不可逆性的損毀,最終只能選擇人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)。鑒于人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)的翻修難度大,對(duì)于部分中青年患者在塌陷前期可以進(jìn)行保髖治療。及時(shí)進(jìn)行保留患者自身股骨頭的治療,可以達(dá)到推遲甚至避免人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)的目的。中國成人股骨頭壞死臨床診療指南推薦對(duì)中日友好醫(yī)院分型L2型患者采用經(jīng)股骨頸基底部旋轉(zhuǎn)截骨術(shù)[16]。傳統(tǒng)的股骨粗隆間旋轉(zhuǎn)截骨術(shù)可能會(huì)改變粗隆間線、股骨前傾角而導(dǎo)致術(shù)后撞擊、限制活動(dòng)度和股骨假體接觸面減少等問題[17]。目前改進(jìn)后經(jīng)外科脫位股骨頸基底部旋轉(zhuǎn)截骨術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn):①外科脫位技術(shù)可以安全完整地進(jìn)行手術(shù)操作,不影響股骨頭血供;②股骨頸形態(tài)類似圓形,于基底部旋轉(zhuǎn)截骨后截骨面對(duì)合良好,固定后股骨頸形態(tài)類似正常形態(tài),減小截骨塊前后突出的問題;③基底部截骨對(duì)股骨近端的髓腔形態(tài)就沒有影響,如保髖失敗轉(zhuǎn)行人工關(guān)節(jié)置換術(shù),對(duì)股骨近端的擴(kuò)髓及假體固定沒有影響[6,18]。此外,基底部旋轉(zhuǎn)截骨可相對(duì)增大旋轉(zhuǎn)角度,增加術(shù)后股骨頭完好率及三維動(dòng)態(tài)完好率,可獲得更高的Harris 評(píng)分及手術(shù)預(yù)后[19]。本研究模擬中日友好醫(yī)院分型L2型股骨頭壞死,根據(jù)既往對(duì)于旋轉(zhuǎn)截骨術(shù)旋轉(zhuǎn)角度的研究,選擇生物力學(xué)性能更好的前旋90°及后旋180°兩個(gè)角度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)截骨[11]。
對(duì)于旋轉(zhuǎn)截骨術(shù)內(nèi)固定裝置的選擇,Sugioka報(bào)道的股骨轉(zhuǎn)子間旋轉(zhuǎn)截骨術(shù)最初選擇的是松質(zhì)骨螺釘[4]。既往研究中對(duì)旋轉(zhuǎn)截骨術(shù)患者進(jìn)行隨訪發(fā)現(xiàn)保髖成功率并不一致,為17% ~ 70%,可能的原因之一是內(nèi)固定裝置不夠穩(wěn)定牢固,影響到保髖手術(shù)的療效及轉(zhuǎn)行人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)[20]。目前沒有一種專門針對(duì)旋轉(zhuǎn)截骨固定的內(nèi)固定裝置。因此,如果能找到一種穩(wěn)定性及力學(xué)性能更加優(yōu)異的內(nèi)固定裝置,將能進(jìn)一步提高旋轉(zhuǎn)截骨術(shù)的保髖成功率。近年來,一種新型股骨頸內(nèi)固定系統(tǒng)被開發(fā)出來用于治療不穩(wěn)定性股骨頸骨折,已取得相對(duì)較好的臨床效果[21-22]。目前國內(nèi)外尚少見關(guān)于其是否能應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)截骨術(shù)的研究,其固定效果如何尚未見到相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表。本實(shí)驗(yàn)將新型股骨頸內(nèi)固定系統(tǒng)與空心螺釘進(jìn)行對(duì)比,探究兩者作為旋轉(zhuǎn)截骨術(shù)的內(nèi)固定裝置的生物力學(xué)性能。
不管是前旋90°還是后旋180°的模型中,從應(yīng)力峰值方面分析,股骨近端截骨塊和壞死區(qū)的應(yīng)力峰值FNS組小于空心螺釘組;從位移峰值方面分析,股骨近端截骨塊、內(nèi)固定裝置、壞死區(qū)和股骨整體的位移峰值FNS組小于空心螺釘組。此結(jié)果與Stoffel 等[23]對(duì)新鮮尸體標(biāo)本進(jìn)行力學(xué)分析的結(jié)果相似,均認(rèn)為與3 枚空心螺釘相比,F(xiàn)NS 顯示出更高的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。進(jìn)一步分析股骨近端截骨塊的應(yīng)力分布,F(xiàn)NS 組應(yīng)力峰值比空心螺釘組減少十分明顯(前旋90°減少47.45%;后旋180°減少13.64%),說明FNS力學(xué)性能更好,相比空心螺釘更不易出現(xiàn)術(shù)后股骨頸短縮、股骨短縮等并發(fā)癥。分析股骨近端截骨塊的位移分布,F(xiàn)NS組截骨塊的最大及最小位移的差值較?。ㄇ靶?0°2.371 mm<2.541 mm,后旋180°2.709 mm<2.826 mm),說明FNS 組截骨塊的形變更小,展示了FNS 的支撐效果。分析內(nèi)固定裝置的應(yīng)力分布,F(xiàn)NS的主要集中在截骨面附近動(dòng)力棒的表面,分布相比空心螺釘更加均勻??招穆葆攽?yīng)力集中于截骨面附近,接近螺釘中部,分布更加集中。雖然FNS組的應(yīng)力峰值更高,與相關(guān)有限元分析研究結(jié)果相同[12],但最大應(yīng)力峰值178.91 MPa仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鈦合金材料的屈服強(qiáng)度[24],故應(yīng)力對(duì)于內(nèi)固定裝置的影響非常小。分析內(nèi)固定裝置的位移,F(xiàn)NS的位移峰值更小,但最大及最小位移的差值相比空心螺釘大(前旋90° 4.385 mm>3.108 mm,后旋180°4.4639 mm>3.099 mm),這可能與FNS的整體長軸要比空心螺釘?shù)拈L度更長有關(guān)。本實(shí)驗(yàn)中特別對(duì)壞死區(qū)的應(yīng)力進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)FNS組明顯小于空心螺釘組,前旋90°的模型中,F(xiàn)NS組應(yīng)力峰值比空心螺釘組減小了44.96%,后旋180°模型中,F(xiàn)NS組應(yīng)力峰值減小了35.52%。分析壞死區(qū)的位移,F(xiàn)NS組的壞死區(qū)最大及最小位移的差值較?。ㄇ靶?0°1.396 mm<1.493 mm,后旋180°1.498 mm<1.523 mm),說明FNS 組壞死區(qū)的形變更小。此外模型中股骨的整體位移均為由股骨近端向遠(yuǎn)端逐漸減小,符合人體股骨受力下的形變趨勢,且FNS組小于空心螺釘組。以上結(jié)果說明FNS作為內(nèi)固定裝置能夠更好地達(dá)到旋轉(zhuǎn)截骨術(shù)這一保髖手術(shù)的手術(shù)目的,即將位于負(fù)重區(qū)的股骨頭的壞死區(qū)轉(zhuǎn)至非負(fù)重區(qū),將尚完好的骨和軟骨移至負(fù)重區(qū),推遲或避免壞死區(qū)的進(jìn)一步塌陷[4]。
在維持截骨塊穩(wěn)定及預(yù)防股骨頸短縮方面,F(xiàn)NS 通過抗旋釘與動(dòng)力棒的成角固定,可以有效防止截骨塊的位移,同時(shí)通過動(dòng)力棒多達(dá)20 mm的滑動(dòng)加壓效果,可防止空心螺釘常見的并發(fā)癥(如退釘?shù)惹闆r)發(fā)生。在多循環(huán)的載荷下,具有成角穩(wěn)定的FNS可以提供有效的抗內(nèi)翻變形能力[25]。與動(dòng)力髖螺釘相比,F(xiàn)NS 可提供相似的力學(xué)支撐效果,但FNS應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)截骨術(shù)時(shí),股骨損失的骨量更少,對(duì)股骨近端的髓腔形態(tài)影響更小,對(duì)于壞死區(qū)進(jìn)一步塌陷的情況,對(duì)于轉(zhuǎn)行人工關(guān)節(jié)置換術(shù)的影響更小[18,23]。
此外,對(duì)比前旋90°和后旋180°兩種旋轉(zhuǎn)角度,不論是使用FNS還是空心螺釘作為內(nèi)固定裝置,后旋180°的手術(shù)方式表現(xiàn)出了更為優(yōu)秀的生物力學(xué)穩(wěn)定性。原因可能是旋轉(zhuǎn)180°之后,股骨的結(jié)構(gòu)改變相對(duì)更少,近端截骨塊與遠(yuǎn)端股骨接觸面更大,對(duì)于力的傳導(dǎo)性能更好。
本研究的局限性主要來自以下幾個(gè)方面:①股骨模型是定義為均值連續(xù)的具有各項(xiàng)同性彈性材料的前提下進(jìn)行的,實(shí)際上人體骨骼是具有各向異性的材料,但研究的目的是整體趨勢,這樣的設(shè)置認(rèn)為是合理的;②設(shè)定旋轉(zhuǎn)角度為前旋90°及后旋180°,實(shí)際上旋轉(zhuǎn)截骨術(shù)的旋轉(zhuǎn)角度可取決于壞死區(qū)的大小和旋轉(zhuǎn)后壞死區(qū)是否移出負(fù)重區(qū);③本研究模擬的截骨及內(nèi)固定裝置的手術(shù)過程為理想過程,即股骨頸截骨面于頸干角方向垂直,三枚空心螺釘?shù)目臻g排布均為互相平行,實(shí)際臨床實(shí)踐過程中較難達(dá)到理想程度;④FNS相較于空心螺釘還具有抗旋轉(zhuǎn)力上的優(yōu)勢,本研究團(tuán)隊(duì)將在進(jìn)一步研究過程中進(jìn)行探究。
總之,與空心螺釘相比,無論是向前旋轉(zhuǎn)90°還是向后旋轉(zhuǎn)180°,F(xiàn)NS提供了更優(yōu)秀的生物力學(xué)穩(wěn)定性,可以創(chuàng)造更有利于截骨面愈合的力學(xué)環(huán)境,是旋轉(zhuǎn)截骨術(shù)治療CJFH L2 型股骨頭壞死更為可靠的內(nèi)固定裝置,為臨床上將股骨頸內(nèi)固定系統(tǒng)用于旋轉(zhuǎn)截骨術(shù)提供了一定的理論依據(jù),減少這一保髖手術(shù)可能出現(xiàn)的并發(fā)癥,從而保證延緩股骨頭壞死進(jìn)展甚至避免人工關(guān)節(jié)置換的手術(shù)療效。