股骨成形术预防老年髋部骨折的断裂分析

孙文涛++++++李鹏飞++++++林梓凌++++++何祥鑫++++++李红庚++++++鲁荣贵++++++冯莲影

[摘要] 目的 基于断裂力学模拟股骨成形术前后股骨颈的断裂过程，分析骨水泥干预对老年骨质疏松性髋部骨折的疗效。 方法 选取1例骨质疏松股骨颈骨折的健侧髋部CT资料以Dicom格式保存，导入Mimics三维建模软件重建髋部骨骼有限元模型，将模型导入工程力学软件HYPERMESH划分网格、定义材料属性、设置边界条件，生成的为对照模型；在边界条件不变的情况下，对股骨颈区域内部的有限元网格重新定义材料属性，生成的为实验模型；分别将两个模型导入动力求解软件LS-DYNA中进行运算，比较动态断裂过程以及Von Mises云图。 结果 对照模型股骨颈断裂，骨折线由内下向外上方走行，Von Mises云图上显示股骨颈骨折部位应力较高；实验模型股骨颈部位未见明显骨折线，Von Mises云图上显示髋部骨骼周围应力较对照组明显降低。 结论 从生物力学角度上，股骨成形术对于预防骨质疏松性股骨颈骨折具有可行性、实用性，为临床运用提供参考依据。

[关键词] 股骨成形术；骨水泥；预防；骨质疏松；髋部骨折；断裂分析

[中图分类号] R683 [文献标识码] A [文章编号] 1673-7210（2017）07（c）-0094-03

[Abstract] Objective To analyze effect of bone cement intervention on osteoporotic hip fracture in elderly patients based on biomechanical simulation of femoral neck fracture before and after femoroplasty. Methods CT image data of one case of femoral neck fracture was collected. Mimics software was used to rebuild the three-dimensional finite element model of femoral. Model was imported in HYPERMESH software for meshing， defining material properties， setting the boundary conditions， loading the force curve and the role of points such as pre-processing， generated model for the control model. In the case of the same boundary conditions， the finite element grid inside the femoral neck region was redefined the material properties， and the generated model was selected as the experimental model. Then the two models were imported into the solver LS-DYNA software for operating respectively， then dynamic fracture processes and Von Mises cloud maps were observed. Results The Von Mises cloud showed a high stress on the femoral neck fracture. There was no obvious fracture line in the femoral neck of the experimental model， and the Von Mises cloud showed a hip bone around the hip stress was significantly lower than the control model. Conclusion From the perspective of biomechanics， femoral angioplasty is feasible and practical for the prevention of osteoporotic femoral neck fractures， and provides reference for clinical application

[Key words] Femoroplasty； Cemented； Prevention； Osteoporosis； Hip fracture； Fracture analysis

老年髖部骨折是最常见的损伤之一，随着全球老龄化人口的增加，这一问题更加突出。在美国，与骨质疏松性骨折相关的费用估计高达10亿～20亿美元/年，其中约30万人由于髋关节骨折入院[1-3]，估计有90亿美元的直接医疗费将用于髋部骨折的治疗[4-5]。据推测，到2025年，全球髋骨骨折的年发病率估计将增至300万增至1000万[6]。显然，预防髋部骨折对于降低发病率、死亡率和减轻社会经济负担具有战略性意义[7]。

骨质疏松主要表现为骨小梁减少，且骨小梁的抗断裂减弱，轻微跌倒暴力即可导致骨质疏松性骨折。目前预防髋部骨折主要的措施是一方面口服刺激骨生成、抑制骨吸收的药物[8]，另一方面适当运动锻炼肌肉协调性防止跌倒以及佩戴髋保护垫[9]，临床上有取得一定疗效，但仍没达到理想的标准。因此，人们开始着手进行外科微创手术进行预防髋部骨折的探索，国外研究的“股骨成形术”（股骨近端骨水泥强化增强骨小梁抗压抗剪切力）[10]，它具有与骨组织良好的结合性，并表现出强大的抗断裂作用[11-13]，可有效预防髋部骨折，但其动态的断裂力学研究国内外尚未见报道。

團队成员李鹏飞等[14]在髋部骨折的有限元仿真模拟中，开创性的运用LS-DYNA动态分析软件模拟跌倒状态下的股骨颈骨折过程，并且验证仿真度高达83%，但股骨转子间骨折由于边界条件的设置以及技术原因等限制尚未模拟。基于此，本文仅以股骨颈骨折为模型探讨股骨颈局部骨水泥强化前后的断裂过程并作相关分析。

1 材料与方法

1.1 材料

选取2016年12月11日于广州中医药大学第一附属医院（以下简称“我院”）一骨科经诊断为老年骨质疏松性股骨颈骨折1例（女性，68岁），症状：左侧髋部肿痛，双髋关节正位+左侧髋部侧位X线片报告：左侧股骨颈骨折（Garden Ⅲ型）。诊断标准：①明显外伤史；②有髋部疼痛、肿胀、活动受限等症状；③腹股沟中点处压痛、下肢纵向叩击痛，患肢呈外旋、短缩畸形；④X线片证实股骨颈骨折。经我院伦理委员会批准并与患者签署知情同意书后，采用GE 64排螺旋CT对右侧股骨全段螺旋扫描并三维重建（患者仰卧位），然后数据以Dicom格式保存。扫描条件：扫描电压120 kV，扫描电流250 mA，自髋臼至股骨中上段层厚2 mm，层距5 mm，每个扫描层的象素矩阵密度大小为512×512。

1.2 方法

1.2.1 实验软件与设备 Mimics 19.0软件（Materialise公司，比利时），由广州中医药大学国家重点学科中医骨伤科学数字骨科与生物力学实验室提供；GE 64排螺旋CT，由广州中医药大学第一附属医院提供；Hypermesh 14.0软件（Altair公司，美国），由广州有道计算机有限公司提供；大型有限元分析软件LS-DYNA软件（Lstc公司，美国），由湖南大学提供。

1.2.2 三维重建 将保存的Dicom格式的影像资料导入Mimics19.0，通过区域增长、编辑蒙罩、Calculate 3D重建，并通过包裹、光滑等工具对模型进行光顺，得到理想的髋部三维有限元模型，导出为igs格式文件。

1.2.3 有限元网格划分与定义材料属性、边界条件 将igs文件在Hypermesh中进行体网格划分，并参考李鹏飞等[14]的模型定义材料属性和边界条件模型设定好以后导出为对照模型。

1.2.4 骨水泥干预 新建一个单元体，参考邱兴等[15]定义骨水泥的材料属性；隐藏股骨颈表面以及股骨头和股骨干，将股骨颈内部的有限元网格通过Organize-move，使其转移到新建的单元体，导出为实验模型。见图1，封三。

1.2.5 运算处理 将生成的两个模型依次在LS-DYNA中进行运算，运算结果可在Hyperview中动态展示。

1.3 观察指标

股骨颈骨折的裂纹走向，髋部骨骼模型的Von Mises云图。

2 结果

对照模型在垂直股骨头向下的压力加载时，股骨颈断裂并发生骨折，且骨折裂纹走向为内下向外上方向（图2，封三），实验模型股骨颈部位未见明显的骨折裂纹，且股骨转子间亦无明显骨折裂纹（图3，封三）。比较两种模型股骨近端的Von Mises云图（应力越高，云图中颜色越鲜艳，红色区域应力最高，为骨折危险区），可以发现：在相同的载荷等边界条件下，对照模型股骨颈部位应力集中，为骨折断裂区域；实验模型骨近端（包括股骨转子间）应力均较低；由此，股骨颈骨水泥填充可以有效预防骨质疏松性股骨颈骨折，而且可以减轻股骨转子间、股骨干等部位的应力。见图3～4，封三。

3 讨论

张国栋等[16]根据Mimics提供的经验公式[17]：Density=-13.4+1017×Grayvalue，E-Modulus=-388.8+5925×Density对骨骼定义多种材料属性（密度、弹性模量、泊松比），并验证了10种材料属性即可满足有限元分析要求，但是并未划分股骨10种材料属性的区域。林梓凌等[18]基于静态力学探讨了区域骨密度的老年性骨质疏松性的相关性，并建立了基于Abaqus静态力学分析的有限元骨质疏松，为分析老年髋部骨折奠定基础。运用断裂力学研究分析问题，要求根据失效准则明确材料失效参数。然而Mimics经验公式尚不能定义10种材料失效参数，无法精确导入LS-DYNA动态力学软件分析，因此无法精确进行骨质疏松建模。本研究中进行简化模型，视股骨为均质性材料，将骨密度定义为正常骨密度的2/3进行仿真骨质疏松模型，陈振沅[19]在有限元分析中使用该种模型模拟股骨转子间骨折，并验证了其有效性。

股骨成形术预防髋部骨折尚处于研究阶段，因为技术的不成熟以及可能导致并发症的发生，致使其尚未在临床全面应用。由于骨水泥填充股骨近端造成的局部压力增大可能会出现微血管栓塞，以及骨水泥放热出现局部骨组织坏死等并发症的问题[13]，Sutter等[20]研究发现40～50 mL骨水泥填充股骨干、股骨颈、股骨头、股骨转子间都具有抗骨脆性骨折的作用，但是填充股骨颈部位最具有显著性意义；通过计算机软件编程智能化控制经皮股骨近端骨水泥的用量与部位，可以达到增强骨密度的同时也减少了因骨水泥的热效应产生的并发症，也只是处于初步研究阶段[21]。

本文的不足之处以及改进措施：首先，仅仅只模拟了股骨颈局部骨水泥强化对于抗骨质疏松骨折的断裂分析，实验尚不完整，后期再深入的基础上可以进一步对股骨转子间的骨水泥干预进行断裂模拟，观察其抗骨质疏松效果；第二，填充股骨近端骨水泥的容量是股骨成形术的一个研究重点，而生物有限元无法进行精确的定量模拟，或者说以笔者现有的有限元技术还不能进行此类操作，股骨成形的有限元断裂研究尚处于起步阶段，随着计算机有限元的发展以及工程力学软件性能的提升，对骨水泥进行精准定量模拟肯定能成为现实；第三，将股骨近端有限元模型简化为均质的材料属性，运算方便快捷，然而却忽略了Wardˊ三角区对于髋部骨折的重大意义[22]，因此，将股骨材料属性定义精准化是提高仿真度的重要一步。

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