鉭棒支撐術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前后塌陷風險的變化。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，導入圖像處理軟件Mimics10．0;初步處理獲得Iges格式文件后導入建模軟件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畫一倒圓錐形區域;計算壞死體積為10%、15%、20%時，鉭棒支撐手術前與手術后加載相同的載荷(700 N)后可能塌陷區域體積占總體積的百分比。結果　壞死體積分別為10%、15%、20%時，股骨頭有塌陷危險的區域分別為37．6%、40．6%、44．6%，鉭棒支撐治療后有塌陷危險的區域縮小了14．5%、23．4%、29．8%。結論多孔鉭金屬棒支撐術可有效減少股骨頭大于臨界應力的區域，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

文獻標志碼: B

文章編號: 1002-266X(2015)38-0044-02

早期股骨頭壞死治療的關鍵在于保存股骨頭的外形及正常的關節功能，盡可能延緩，甚至阻止病程進展對患者意義重大。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構性支撐，可增加骨折的風險;而帶血管蒂腓骨植骨對手術技巧要求較高，且并發癥多。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、結構支撐、微創、手術時間短等優點 ［1］。目前有關鉭棒植入后的臨床療效觀察國內已有多篇報道，但有關鉭棒支撐術后的股骨頭生物力學方面的研究較少。有關預測股骨頭壞死后塌陷的研究也很多，但有關植入鉭棒之后塌陷風險的預測、股骨頭受力情況國內研究較少。本研究用有限元分析法觀察鉭棒植入治療壞死股骨頭術后股骨應力變化，為臨床應用多孔鉭棒治療股骨頭壞死提供實驗數據。

1材料與方法

1．1　模型的建立　用德國西門子公司生產Light Speeding 16 CT為一健康成年男性志愿者行雙側股骨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數據導入Mimics10．0中處理形成模型曲面，后導入建模軟件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，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畫一倒圓錐形區域為研究對象。假設壞死組織體積占此區域總體積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域，按余弦規律分布，加載中心最大，隨離開中心的距離增加而逐漸減弱。計算此6種情況下股骨頭塌陷面積。壞死組織的屈服應力δy = 5．5 MPa，應力指標為0．1，所以臨界塌陷應力δy = 0．1 ×5．5 =0．55 MPa ［2］。計算各種壞死程度下植入鉭棒前后應力超過臨界塌陷應力的區域體積占總體積的百分比。

2　結果

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

3　討論

基于CT數據的股骨三維有限元模型的建模方法，可以充分利用CT數據所提供的關于股骨的幾何形態和材料特性信息，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果的準確性 ［5］。

股骨頭并非是由均質線彈性材料組成的，正常股骨頭內的不同區域松質骨力學性質不同，同一區域的骨質也為各向異性，在進行模型設計和計算時我們將股骨頭內復雜的結構進行了簡化，將股骨頭視為具有線彈性特性的均質材料組成，并將不同層面間的力學傳導簡化為面對面的極端方式。因此所計算出的結果精度將不可避免的受到影響，但我們認為計算結果仍具有參考價值。而有限元分析法在對股骨頭壞死后塌陷風險的預測有著無法比擬的優勢，術前便可對患者的治療方案進行個性化的設計，對鉭棒支撐術后股骨頭的受力情況進行分析預測結果。

股骨頭壞死的病因眾多，其病理過程也不盡相同，但其病理組織學表現卻基本一致。缺血后數小時，細胞開始損傷壞死，此時骨髓的組織學檢查可以發現細胞死亡、水腫和出血，水腫加重缺血，形成惡性循環。此后出現組織修復過程，血管長入，巨噬細胞和破骨細胞進入病灶，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，無法到達較大病灶的深部，因此深部修復中斷，這些死骨可出現碎裂骨折，在壞死區修復過程中，由于死骨吸收快于新骨形成，壞死區骨強度明顯不足，關節面下的骨小梁出現塌陷 ［6］。如未行治療股骨頭將很快出現塌陷，所以早期的保頭治療尤顯重要。

鉭棒的設計原理是提供支撐、防止塌陷和限制壞死進展。純鉭化學性質極為穩定與體液無反應、對機體無刺激，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骨結構特點的蜂窩狀立體棒狀結構，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，增強壞死區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，于術后4～8周軟組織廣泛長入多孔鉭金屬材料。現已證實在股骨頭壞死過程中，股骨頭負重區軟骨下骨的力學性能降低，隨著應力增大，軟骨下骨板斷裂，而最終導致塌陷。因此為壞死早期的股骨頭軟骨下骨提供有效地力學支撐能夠預防股骨頭塌陷。本研究結果顯示，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力的區域，即有塌陷風險的區域體積，表明鉭棒可以為壞死股骨頭提供結構性支撐，降低股骨頭受壓塌陷的風險。

有學者認為多孔鉭棒可以刺激股骨修復，增強壞死區的再血管化并避免出現應力遮擋，同時可以提供結構性支撐，減少股骨頭塌陷的可能 ［7，8］。但也有學者認為其效果有限。Tanzer等 ［11］對15例鉭棒支撐治療SteinbergⅡ期股骨頭壞死失敗而轉歸為全髖關節置換的患者進行回顧性分析，對置換下的股骨頭、股骨頸和留在其內的鉭棒進行組織病理學分析，其中14例殘存骨壞死，均發生股骨頭軟骨下骨折; 9例發生股骨頭塌陷;電鏡證實13例(87%)有骨內向生長。失敗的病例中只有輕度的骨內向生長，造成軟骨下骨機械支撐力不足。因此手術應在C臂或手術導航設備的輔助下進行，規范細致操作，以保證將鉭棒準確置入壞死區域并同周圍骨質緊密接觸，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力的區域，在髓芯減壓的同時提供了有效地結構性支撐，重構了股骨頭的應力分布情況，降低了股骨頭受壓塌陷的風險，從實驗生物力學的角度驗證了鉭棒支撐手術是一種有效的治療早期股骨頭壞死的方法。