钽棒支撑术治疗早期股骨头坏死的有限元分析

摘要:目的　观察坏死股骨头行钽棒支撑手术前后塌陷风险的变化。方法　首先获取一健康成年男性志愿者的股骨横断位的CT扫描图像文件，导入图像处理软件Mimics10．0;初步处理获得Iges格式文件后导入建模软件UG6．0，获得股骨上段的三维有限元模型。将三维有限元模型导入有限元分析软件Ansys12．1，在股骨头上方，以股骨头中心为顶点画一倒圆锥形区域;计算坏死体积为10%、15%、20%时，钽棒支撑手术前与手术后加载相同的载荷(700 N)后可能塌陷区域体积占总体积的百分比。结果　坏死体积分别为10%、15%、20%时，股骨头有塌陷危险的区域分别为37．6%、40．6%、44．6%，钽棒支撑治疗后有塌陷危险的区域缩小了14．5%、23．4%、29．8%。结论多孔钽金属棒支撑术可有效减少股骨头大于临界应力的区域，提供有效支撑，避免股骨头受压塌陷。

doi: 10．3969/j．issn．1002-266X．2015．38．017

文献标志码: B

文章编号: 1002-266X(2015)38-0044-02

早期股骨头坏死治疗的关键在于保存股骨头的外形及正常的关节功能，尽可能延缓，甚至阻止病程进展对患者意义重大。目前，对于早期患者疗效较好且常用的治疗方法是髓芯钻孔减压与带血管蒂腓骨植骨，但单纯髓芯减压缺乏对软骨下骨板的结构性支撑，可增加骨折的风险;而带血管蒂腓骨植骨对手术技巧要求较高，且并发症多。植入多孔钽金属棒是近年来治疗早期股骨头坏死的一种全新选择，具有可有效减压、结构支撑、微创、手术时间短等优点 ［1］。目前有关钽棒植入后的临床疗效观察国内已有多篇报道，但有关钽棒支撑术后的股骨头生物力学方面的研究较少。有关预测股骨头坏死后塌陷的研究也很多，但有关植入钽棒之后塌陷风险的预测、股骨头受力情况国内研究较少。本研究用有限元分析法观察钽棒植入治疗坏死股骨头术后股骨应力变化，为临床应用多孔钽棒治疗股骨头坏死提供实验数据。

1材料与方法

1．1　模型的建立　用德国西门子公司生产Light Speeding 16 CT为一健康成年男性志愿者行双侧股骨CT扫描，序列间距0．8 mm，图像分辨率512×512像素。共得到523层全股骨横断位Dicom格式的二维CT图像。将CT数据导入Mimics10．0中处理形成模型曲面，后导入建模软件UG6．0建立Iges格式的股骨三维CAD模型。仅建立股骨上部模型。多孔钽金属棒为美国Zimmer公司生产，长70～130 mm，直径10 mm，弹性模量E =3GPa，泊松比γ=0．3，孔隙率为75%～80%，孔直径平均为430 μm ［2］。

1．2有限元分析方法　采用Ansys12．1软件。在股骨头的上方，以股骨头的中心为顶点画一倒圆锥形区域为研究对象。假设坏死组织体积占此区域总体积10%、15%、20%。正常组织为各向同性的材料，弹性模量E = 445 MPa，泊松比γ= 0．3，屈服应力δy = 19．4 MPa;视坏死组织亦为各向同性的材料，弹性模量E = 218 MPa，泊松比γ= 0．3，屈服应力δy =5．5 MPa。植入钽棒前后分别加载相同载荷(700 N)，载荷施加范围分布在120°圆心角的圆锥表面区域，按余弦规律分布，加载中心最大，随离开中心的距离增加而逐渐减弱。计算此6种情况下股骨头塌陷面积。坏死组织的屈服应力δy = 5．5 MPa，应力指标为0．1，所以临界塌陷应力δy = 0．1 ×5．5 =0．55 MPa ［2］。计算各种坏死程度下植入钽棒前后应力超过临界塌陷应力的区域体积占总体积的百分比。

2　结果

坏死体积分别为为10%、15%、20%时，股骨头有塌陷危险的区域分别为为37．6%、40．6%、44．6%，钽棒支撑治疗后有塌陷危险的区域缩小了14．5%、23．4%、29．8%。

3　讨论

基于CT数据的股骨三维有限元模型的建模方法，可以充分利用CT数据所提供的关于股骨的几何形态和材料特性信息，能够精确建立股骨三维有限元模型，从而保证有限元分析结果的准确性 ［5］。

股骨头并非是由均质线弹性材料组成的，正常股骨头内的不同区域松质骨力学性质不同，同一区域的骨质也为各向异性，在进行模型设计和计算时我们将股骨头内复杂的结构进行了简化，将股骨头视为具有线弹性特性的均质材料组成，并将不同层面间的力学传导简化为面对面的极端方式。因此所计算出的结果精度将不可避免的受到影响，但我们认为计算结果仍具有参考价值。而有限元分析法在对股骨头坏死后塌陷风险的预测有着无法比拟的优势，术前便可对患者的治疗方案进行个性化的设计，对钽棒支撑术后股骨头的受力情况进行分析预测结果。

股骨头坏死的病因众多，其病理过程也不尽相同，但其病理组织学表现却基本一致。缺血后数小时，细胞开始损伤坏死，此时骨髓的组织学检查可以发现细胞死亡、水肿和出血，水肿加重缺血，形成恶性循环。此后出现组织修复过程，血管长入，巨噬细胞和破骨细胞进入病灶，清理坏死的骨髓和死骨，并伴随肉芽组织和纤维组织形成。由于血管穿透能力有限，无法到达较大病灶的深部，因此深部修复中断，这些死骨可出现碎裂骨折，在坏死区修复过程中，由于死骨吸收快于新骨形成，坏死区骨强度明显不足，关节面下的骨小梁出现塌陷 ［6］。如未行治疗股骨头将很快出现塌陷，所以早期的保头治疗尤显重要。

钽棒的设计原理是提供支撑、防止塌陷和限制坏死进展。纯钽化学性质极为稳定与体液无反应、对机体无刺激，是外科植入物的理想材料。由钽制备而成的多孔钽金属棒具有人体松质骨结构特点的蜂窝状立体棒状结构，孔隙率为75%～80%，孔直径平均为430 μm，与人体腓骨弹性模量(3 GPa)相似，可以刺激股骨修复，增强坏死区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长入，良好的弹性模量使其在植入后更少引起应力遮挡，从而更加有利于骨的重塑 ［9］。在狗模型中，软组织和血管迅速生长，于术后4～8周软组织广泛长入多孔钽金属材料。现已证实在股骨头坏死过程中，股骨头负重区软骨下骨的力学性能降低，随着应力增大，软骨下骨板断裂，而最终导致塌陷。因此为坏死早期的股骨头软骨下骨提供有效地力学支撑能够预防股骨头塌陷。本研究结果显示，多孔钽金属棒支撑坏死股骨头可以有效地减少股骨头大于临界应力的区域，即有塌陷风险的区域体积，表明钽棒可以为坏死股骨头提供结构性支撑，降低股骨头受压塌陷的风险。

有学者认为多孔钽棒可以刺激股骨修复，增强坏死区的再血管化并避免出现应力遮挡，同时可以提供结构性支撑，减少股骨头塌陷的可能 ［7，8］。但也有学者认为其效果有限。Tanzer等 ［11］对15例钽棒支撑治疗SteinbergⅡ期股骨头坏死失败而转归为全髋关节置换的患者进行回顾性分析，对置换下的股骨头、股骨颈和留在其内的钽棒进行组织病理学分析，其中14例残存骨坏死，均发生股骨头软骨下骨折; 9例发生股骨头塌陷;电镜证实13例(87%)有骨内向生长。失败的病例中只有轻度的骨内向生长，造成软骨下骨机械支撑力不足。因此手术应在C臂或手术导航设备的辅助下进行，规范细致操作，以保证将钽棒准确置入坏死区域并同周围骨质紧密接触，以有效支撑软骨下骨。

综上，多孔钽金属棒支撑治疗早期股骨头坏死可以有效地减少股骨头大于临界应力的区域，在髓芯减压的同时提供了有效地结构性支撑，重构了股骨头的应力分布情况，降低了股骨头受压塌陷的风险，从实验生物力学的角度验证了钽棒支撑手术是一种有效的治疗早期股骨头坏死的方法。