股骨近端良性病變不同固定方式的有限元分析及臨床應用價值

楊朝昕，牛夢曄，馬雅昌，曹海營，趙景新，金 宇

(承德醫學院附屬醫院創傷骨科，河北承德 067000)

骨腫瘤及良性骨病變的好發部位為人體骨生長活躍處，如骨端及干骺端，腫瘤發病率從高到低依次為股骨遠端、脛骨近端、肱骨遠端，股骨近端發病率較低，相關文獻報道較少，但近年來發病率呈上升趨勢[1]，且該處常為惡性腫瘤及轉移瘤發生部位，供臨床醫生參考數據不足。骨良性腫瘤及病變刮除術后常需要進行骨替代治療對病灶空洞填塞，常見材料為骨水泥，現階段臨床上應用較多的術式有單純骨水泥填塞(術式1)、骨水泥填塞+拉力螺釘(術式2)、骨水泥填塞+解剖鋼板+鎖定螺釘(術式3)3種手術內固定方式，這幾種手術方式可不同程度降低病灶處骨折風險，避免二次損傷，但尚無明確數據支持何種手術方式為最佳選擇，計算機生物力學分析可將不規則股骨放置在模擬環境中，分析各點應力、形變，得出傳統力學分析中無法明確得出的數值，本文主要通過計算機輔助模擬探討不同術式后股骨近端應力分布情況，觀察術后骨表面的力學分布差異，并與正常股骨對比，通過模型對比，分析較合理的手術治療方式，為臨床醫生提供治療思路，現報道如下。

1 資料與方法

1.1一般資料 選取承德醫學院附屬醫院確診為單側股骨近端良性病變且不合并其他損傷的男性患者1例，身高173 cm，體質量70 kg，行雙側髖關節及雙側股骨全長CT、磁共振成像(MRI)檢查，并對雙下肢軟組織進行超聲檢查，排除健側肢體骨骼和軟組織良、惡性疾病及其他損傷。患者因右髖部疼痛3個月，入院X線檢查顯示右股骨近端病變，進一步行雙側CT、髖關節MRI檢查，病變處穿刺活檢確診為骨巨細胞瘤，相關檢查見圖1。該實驗已征得受試者本人同意，并經過承德醫學院附屬醫院倫理委員會審查通過。

1.2方法

1.2.1建立股骨及內固定物三維模型 將CT(TOSHIBA 64排螺旋CT，Windows10專業版64位操作系統)掃描所得到的股骨及內固定物數據導入CT數據分析軟件Mimics(購自比利時Materialise 公司)中進行解析，通過設定閾值、手動填塞修復、消除等方法分別生成健側與患側的實體3D股骨近端、鋼板、螺釘模型，并對其進行光順處理得到最終模型。

1.2.2建立病變骨刮除術后缺損模型 在計算機虛擬環境中按照患者病變實際大小模擬刮除病變，建立病變刮除后的骨缺損模型，并對缺損區域進行三維重建模型。

1.2.3計算機模型的裝配及網格劃分 模型裝配和設計過程中的病變刮除范圍、鋼板和螺釘的位置及置入方向均在高年資醫師指導下建立，將缺損骨模型、骨水泥模型、內固定物模型分別裝配，最終建立5種三維模型(圖2)。利用3-matic軟件對三維模型行三角面片、非流形裝配、網格優化、調整參數，在CT中通過灰度值，按照公式：Density=-13.4+1 017×Grayvalue，E-Modulus=-388.8+5 925×Density完成材料的彈性模量賦值，泊松比為0.3，保存模型后導入ANSYS軟件進行有限元模型分析。

A：入院X線檢查；B：雙側CT檢查；C：髖關節MRI檢查；D：病理檢測(HE，×100)

圖1患者入院后相關輔助檢查

A：健側正常股骨近端模型；B：模擬病變側病變刮除術后缺損模型；C：術式1模型；D：術式2模型；E：術式3模型

圖2計算機模擬最終裝配后三維模型示圖

1.2.4有限元邊界條件及附加載荷 (1)邊界條件：①將5種模型股骨遠端底部進行約束，各節點所在X軸、Y軸、Z軸均無移動；②本文將螺釘制作簡化模型，故為模擬螺釘加壓效果，螺釘模型與余模型為有限滑移接觸，摩擦系數0.15，余材質接觸均為綁定接觸。(2)附加載荷：健康成年人在水平面靜態直立時，雙側股骨形態、承受力基本一致，雙下肢所承受力大致一致，且在站立位時髖關節受力最大[2-4]，查詢相關文獻[5]，給予股骨頭承重面施加垂直地面向下的力2 100 N，模擬5種模型的受力情況。

1.2.5觀察指標 定義股骨頸區域為股骨頭與轉子間中間部分(見圖3)；忽略股骨遠端，以股骨近端20 cm定義為股骨表面。人體兩側股骨在正常情況下受力分布大致一致，本研究通過有限元分析軟件觀察并分析股骨病灶刮除后，未置入內固定物的缺損模型(模型B)及置入內固定物的模型(模型C、D、E)的應力分布情況與健側模型(模型A)的應力分布對比，并分析5種模型中，股骨頸區域與股骨表面應力情況，評價股骨頭處骨折風險。術后患者復查，根據Harris評分評價患者預后情況。

2 結 果

2.1有限元數據結果 通過有限元技術對各組三維模型進行分析最終制作出5種模型的應力云圖，模型A：骨表面模型應力峰值為54.24 MPa，位于股骨內側，模型股骨頸周圍最大應力為30.03 MPa；模型B：骨表面最大應力為77.60 MPa，模型股骨頸周圍最大應力為77.60 MPa，位于股骨頸下方；模型C：骨表面最大應力為34.90 MPa，位于大轉子與骨水泥結合處，模型股骨頸周圍最大應力為25.22 MPa；模型D：骨表面最大應力為39.83 MPa，位于釘道處，模型股骨頸周圍最大應力36.59 MPa；模型E：骨表面最大應力為43.54 MPa，位于釘道處，模型股骨頸周圍最大應力24.51 MPa，見表1、圖4。

圖3 紅色區域為股骨頸區域

項目模型A模型B模型C模型D模型E股骨頸區域最大應力30.0377.6025.2236.5924.51股骨表面最大應力54.2477.6034.9039.8343.54

A:模型A受力分布；B:模型B受力分布；C:模型B股骨頸處受力情況；D:模型C受力分布；E:模型D受力分布；F:模型E受力分布

圖4 5種模型有限元分析結果

2.2手術治療及療效觀察 借鑒該技術，根據模型結果分析，并根據臨床經驗，最終擬病灶刮除+骨水泥填塞+鋼板、螺釘內固定術為患者具體術式。該患者無明確手術禁忌證，并按術前計劃實施手術。麻醉成功后，術區消毒、鋪單、依此切開軟組織到達骨端，按術前計劃刮除范圍刮除病變組織，高速磨鉆擴大范圍，無水乙醇滅活，置入骨水泥，并根據術前模擬釘道最佳位置進行內固定物置入，手術順利。患者術后恢復順利，術后復查X線顯示內固定物位置與術前模擬方案基本吻合。隨訪該患者至術后16個月，術后定期復查X線，肺部CT、皮下軟組織超聲，未出現腫瘤復發，未出現二次骨折現象，未發生手術部位退行性改變及股骨頭壞死；依據術后復查得出Harris評分(表2)，影像學資料復查均顯示內固定物固定良好，未發現骨折及內固定物斷裂情況，見圖5。

表2 Harris髖關節術后評分(分)

A：術后3 d復查；B：術后3個月復查；C：術后6個月復查；D：術后12個月復查；E：患者術后12個月

圖5患者髖關節術后復查情況

3 討 論

3.1骨良性病變治療選擇 骨良性病變通常采用局部病灶切除后重建手術，與惡性腫瘤相比，因其病變局限，腫瘤細胞分化程度高，異型性小，采用局部手術切除聯合輔助治療后多能獲得良好的預期效果。以前大多數研究主要針對不同手術方法在降低良性腫瘤復發率方面，由于股骨近端解剖復雜，術后受力分布不明確，研究局部穩定性文獻較少，本研究通過有限元分析研究不同模型中股骨各點應變化與差異，得出傳統力學分析中無法明確得出的數值，比較不同手術方式的穩定性。

本研究通過有限元分析，驗證模型B中未置入骨水泥、鋼板螺釘時，股骨受力后，股骨頸處壓力帶側出現高應力集中區域，雖未達到骨的屈服應力[6]，但易發生病理性骨折[7]，無法達到穩定支撐效果。在置入內植物后，置入的骨水泥、鋼板螺釘開始承受較大部分的載荷，使股骨受到的載荷減小，對抗更大載荷的緩沖增加。參照模型A，模型C、D、E均可滿足該患者日常行走需求，本研究模型骨缺損較大，針對日常活動需求量大的中青年患者，在模型E中置入鋼板螺釘后，股骨頸區域應力明顯縮小，應力數值接近健側模型數據，可作為該患者手術首選方式。除正常模型與缺損模型中應力峰值，余下3種術式模型的應力峰值均位于鋼板螺釘結合處及釘道位置，釘道與骨質結合處應力數值均小于骨屈服應力。

對于缺損范圍較小的可直接確定手術方式；對于缺損范圍不確定或刮除范圍不確定的病例，可應用該技術測量局部骨應力數據，選擇合理手術方式，減少過度醫療，減少手術剝離范圍大及手術時間長造成的副損傷，為臨床醫師及患者提供更加信服的治療方案。在本研究模型中，由于瘤體范圍較大，刮除前后力學分布情況不能可視化，應用有限元分析可以更加清楚受力分布。

對于刮除后存在較大區域的骨缺損患者，填塞常采用骨替代治療，到目前為止治療骨缺損的金標準仍是自體骨移植[8]，但病變復發后難以鑒別，且較難獲取足夠的自體骨，目前多采用刮除術后填塞骨水泥。由于骨水泥的抗壓能力與骨質相比相對較低[8]，因張力帶原理，開窗刮除后單純骨水泥填塞增加骨折風險，需要額外的固定裝置即鎖定鋼板與螺釘來減少骨的應力集中。以模型E為例，該模型以保持骨本身生物學特性為最初理念，通過解剖鋼板與鎖定螺釘固定為相對穩定，遠端螺釘橋接分散應力，可降低骨質斷裂的風險[9-10]，在應力集中區域，凸顯了鎖定鋼板的重要性[11]。

3.2計算機輔助模擬生物力學分析對臨床的指導意義及要點 股骨近端骨質分布不均，生理結構復雜，計算機模擬力學分析較傳統實驗具有較大優勢，通過運用軟件逆向重建，將病變處情況用可量化的數據展現，其相較于傳統實驗具有更直觀、更精確等優勢。

與常規手術不同，計算機輔助模擬生物力學的臨床指導意義在于：(1)從術前開始，依據病情，應用三維圖像制定具體方案，彌補了二維圖像限制，使術者術前充分了解患者病情，減少反復調整內固定造成人為破壞骨質及術后并發癥的發生率。(2)術前應用建模軟件及有限元分析，可明確病灶的位置、刮除范圍及周圍重要結構；通過測量選擇合適內固定，包括鋼板及螺釘的型號、長度、數量及置入方向[12]；并評估置入物術后活動時斷裂風險。(3)在醫療水平不足時，常需要高年資醫師根據既往經驗對疑難疾病制訂較為合理的手術方案。且手術需要在高年資骨科醫師的指導下完成。有限元可以更準確地提供可視化數據，通過制訂不同手術方式，選取最佳方案；骨科醫生可在軟件中反復模擬手術操作，增強醫師對解剖層次、復雜結構的理解，增加手術熟練度，縮短手術時間，減少出血等影響手術效果的副損傷，提高疑難疾病的手術成功率；同時結合高年資醫師臨床經驗，為患者疾病治療提供“雙保險”。為不同年齡層次患者提供不同需求的手術方式，用合理的耗材達到比較完美的人體生物力學支撐的手術效果，為患者提供了個性化、高質量的診療需求，并增加患者治療滿意度。

通過應用力學模擬分析技術，總結該技術的應用要點如下：(1)在系統自動完成閾值選取劃分后，初始模型往往不能達到預期模型效果，需進一步手動選取，需要操作者熟練掌握正常解剖結構及層次，還原骨原有形態，以降低誤差率。(2)病變刮除范圍、內固定裝配，磨鉆打磨深度需要在高年資醫師的指導下完成。根據軟件測量，避免進入過深損傷關節面。(3)術前計算機模擬力學分析只是在理想化的環境下模擬手術，為輔助手段，具體手術方式及預后還需考慮患者年齡、是否合并其他疾病、骨密度、病變范圍、依從性等因素。(4)3種術式模型的應力峰值均位于鋼板螺釘結合處及釘道位置，術后復查時應給與關注，觀察骨與內固定是否存在斷裂與松動現象。

綜上所述，在骨良性病變治療中運用有限元，可為該類患者提供較為合理的治療選擇，對同類疾病治療的選擇有一定的指導意義。本研究為個體病變，存在偶然性，不具有普遍性，且模型較為簡單，忽略了人體股骨周圍肌群的力學作用，與實際情況有所差異，所以不能等同于臨床實際治療中所有患者股骨近端受力分析，有待增加患者樣本量及改進軟件技術應用能力進一步觀察和研究。