钽棒联合带血管蒂髂骨瓣转移治疗股骨头缺血性坏死的有限元研究

赵杰赵德伟许东田丰德连志强刘保一

（1.山东省曹县人民医院骨科，山东曹县274400；2.大连大学附属中山医院骨科，辽宁大连116001；3.大连理工大学工程力学系，辽宁大连116023）

钽棒联合带血管蒂髂骨瓣转移治疗股骨头缺血性坏死的有限元研究

赵杰1赵德伟2*许东1田丰德2连志强3刘保一2

（1.山东省曹县人民医院骨科，山东曹县274400；2.大连大学附属中山医院骨科，辽宁大连116001；3.大连理工大学工程力学系，辽宁大连116023）

背景：钽棒联合带血管蒂髂骨瓣转移治疗股骨头缺血性坏死的近期临床效果满意，然而目前其相关生物力学特性变化的报道较少。目的：探索钽棒联合带血管蒂髂骨瓣转移治疗股骨头缺血性坏死的力学安全性及有效性。方法：选取单侧ARCOⅢa期股骨头坏死并行带血管蒂髂骨瓣转移患者1例，术前及术后6个月行股骨近段的螺旋CT扫描。应用专业医学建模软件Mimics及逆向工程软件Geomagic建立正常组、坏死组、钽棒联合骨瓣修复组三组有限元模型。应用有限元分析软件Msc.Patran分析不同载荷下股骨近端的力学特性变化。结果：三组模型与实际股骨的情况完全吻合。坏死模型呈囊性变的压力骨小梁与正常骨小梁交界处存在应力集中。钽棒联合骨瓣修复模型股骨近端的力学特性接近正常，结果明显优于坏死模型。结论：钽棒联合带血管蒂髂骨瓣转移治疗股骨头缺血性坏死是安全、有效的手术方案。

股骨头缺血性坏死；钽棒；骨瓣；有限元

目前多数学者认为股骨头坏死塌陷是生物学因素和力学因素共同导致的结果[1]。近年来，髋周带血管蒂大转子骨瓣以及髂骨瓣转移治疗股骨头坏死已经在临床广泛应用，获得了良好的临床疗效[2]，但对于坏死体积较大的患者，由于清除坏死骨后骨缺损体积较大，股骨头在术后早期缺少有效的力学支撑，使得股骨头有继续塌陷的可能。多孔钽重建棒可以对软骨下骨提供生物力学支持，对坏死区域提供再血管化和骨长入途径，因此，国内外骨科医师将其应用于早期股骨头坏死的病例[3,4]。虽然单纯应用多孔钽重建棒治疗股骨头坏的疗效不佳[5]，但是它近似于骨的力学性质、优良的生物相容性以及满意的骨长入性得到了国内外学者的广泛认可[6,7]。基于钽棒优良的力学和生物学特性以及带血运髋周骨移植对股骨头可提供稳定的血供，我们设计了钽棒联合带血管蒂骨瓣转移治疗股骨头缺血性坏死（钽棒联合带血管蒂髂骨瓣387例，钽棒联合大转子骨瓣194例），经实践证明近期临床疗效满意[8-10]。然而其生物力学特性变化，目前并无相关报道。为了深入了解钽棒联合带血管蒂骨瓣的力学性质，本研究采用三维有限元方法分析钽棒联合带血管蒂髂骨瓣修复前后股骨近端力学特性变化，从而探索该术式安全性和有效性。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选择1名单侧股骨头缺血性坏死男性志愿者，35岁，体重74 kg，病史1年，ARCOⅢa期，术前可见股骨头囊性坏死改变，部分皮质塌陷。行头颈部开窗坏死骨清除、钽棒联合带旋股外侧血管升支的髂骨瓣转移术。术后6个月显示股骨头内骨瓣及松质骨与周围骨质愈合佳，无明显骨质疏松现象，无进一步塌陷。钽棒位置满意，无明显透光带，无松动及移位。选取对侧股骨头作为正常对照。

1.2 建立模型

采用64排螺旋CT薄层扫描获取股骨近端图像，以Dicom格式保存后导入Mimics软件中，依据灰度阀值分割出股骨近端的外轮廓线，以Stl格式导入Geomagic Studio软件中，通过采样、光滑、NURBS曲面重建等逆向工程技术建立股骨近端三维几何模型。将得到的模型以IGES格式导入MSC.Patran软件中，以高精度十节点四面体单元划分网格，从而获得三组有限元模型。正常组有限元模型节点43643个，四面体单元30130个；坏死组有限元模型节点43533个，四面体单元30130个；钽棒联合骨瓣转移修复组有限元模型节点37424个，四面体单元54413个（图1）。

1.3 材料分配方法

依据股骨近端Hounsfield Unit（HU）值的大小，对三组有限元模型的四面体单元进行材料性质分配,区分出松质骨和皮质骨。骨与四周组织在CT扫描中由于密度不同而形成对比，Mimics基于对灰度矩阵进行运算，依据HU值-表观密度-弹性模量之间的转换，完成将股骨CT灰度图像数据向骨的材料属性的转换，具体见公式⑴、公式⑵[11]。

公式⑴：密度值公式：ρ=1.067×HU+131（kg/m3）

公式⑵：弹性模量公式：E=0.01×ρ1.86（MPa）

将HU区间分成10等份，对应10种不同的材料性质。多孔钽金属植入物弹性模量为3.0 GPa，泊松比为0.3。

1.4 边界及负载条件

按照人体正常解剖位置固定模型，限制远端各节点所有方向的运动。模拟存在髋关节外展肌力时的情形，通过股骨头中心并沿髋关节合力方向进行加载。加载区域为股骨头负重区，加载大小为分别相当与0.5、2.75、4、7倍体重的合力[12]。

1.5 应力计算分析

将上述边界及负载条件输入有限元软件MSC. Patran，加载于股骨上段三维有限元模型上进行生物力学分析，从而得到股骨近端应力、位移分布结果。

2 结果

2.1 三组模型整体应力、位移分布

负重状态下三组模型股骨内侧主要承受压应力，股骨外侧则为拉应力。股骨颈内侧应力明显高于外侧及前后侧，应力最高部位为股骨矩。股骨颈前方的应力值较内、外及后方低。坏死模型呈囊性变的压力骨小梁与正常骨小梁交界处存在应力集中。钽棒联合骨瓣修复模型降低了坏死囊性变周围的应力集中。三组模型最大位移均出现在股骨头负重区，并沿大转子区域由上向下、由内向外逐渐减小（图2）。

2.2 三组模型最大应力分布

随着载荷的增大，股骨近端的最大应力值增加；在同一载荷下，三组模型中，坏死模型的最大应力值较正常模型明显增大，钽棒联合骨瓣修复模型与正常模型接近。在单腿站立时（2.75倍体重）分别为正常组：16.7 MPa，坏死组：26.0 MPa，钽棒联合骨瓣修复组：17.0 MPa（表1）。

图1 股骨近端的几何、有限元模型图

图2 正常组（上）、坏死组（中）及钽棒联合骨瓣修复组（下）应力、位移分布图

表1 不同载荷下三组模型的最大应力（xx±ss，aMPa）

2.3 三组模型最大位移分布

随着载荷的增大，股骨近端的最大位移值增加；在同一载荷下，三组模型中，坏死模型的最大位移值较正常模型显著增大，而钽棒联合骨瓣修复模型的最大位移值较坏死模型显著降低。在单腿站立时（2.75倍体重）分别为正常组：0.3892 mm，坏死组：0.5314 mm，钽棒联合骨瓣组：0.3843 mm。这提示表明：①在应力作用下股骨头会产生弹性形变，从而适应头臼关系的改变；②坏死组最大形变出现在正常骨与坏死骨之间，此处应力最为集中，一旦形变超出坏死骨的形变能力，将导致该区域发生节段性塌陷；③钽棒对移植的骨瓣提供了强大的生物力学支撑（表2）。

2.4 钽棒周围应力分布

钽棒周围整体应力分布均匀，没有明显的应力集中现象，钽棒半球性尖端及钽棒远端与股骨外侧皮质接触区域应力相对较高（图3）。

3 讨论

3.1 有限元分析的研究特点

依据CT数据的股骨有限元建模方法，可以充分利用CT数据所提供的股骨材料特性和几何形态信息，建立精确的股骨有限元模型，保证有限元分析结果的相对准确性[13]。近年来随着显微CT的发明和应用，重建骨模型中已经具有详细的骨小梁结构，可以计算有效的骨小梁刚度和骨小梁的个体应力水平，使模型达到了显微水平，因而结果更真实可信。通过这些显微建模技术可以在体外评估骨小梁结构的机械性能，能够准确评估每个骨小梁发生坏死微骨折的风险。目前有限元分析法在股骨头坏死预防、塌陷预测及修复重建研究中已得到广泛应用，成为模拟手术、预测塌陷风险、评估手术力学性能的一种简单、实用、可靠的应力分析方法。田丰德等[14]选取1例ARCOⅡ期股骨头坏死患者行股骨近段螺旋CT扫描，建立三维有限元模型,分析步幅大小不一及髋关节外展角度对坏死股骨头的影响。朱刚等[15]选取1例志愿者行股骨螺旋CT扫描，创建正常股骨头三维有限元模型以及直径分别为15、20、30 mm的坏死灶股骨头三维有限元模型，分析钽棒置入不同大小股骨头坏死灶区前后的应力分布。

图3 钽棒周围应力分布图

3.2 钽棒的生物力学作用

多孔钽金属具有介导骨生成特性及优良的生物相容性，其表面结构接近股骨头骨小梁结构，适合骨组织快速长入。Bobyn等[16]的研究表明,多孔钽金属植入动物模型后骨长入迅速、固定力牢固。钽棒近似于骨的力学性质，对软骨下骨提供了强大的生物力学支持。近期Varitimidis、汪亮、Liu等[3,4,17,18]的临床研究也取得了令人鼓舞的结果。Shi等[19]的三维有限元分析表明，当股骨头坏死角度小于60°时，钽棒植入会明显降低负重区域的塌陷值。Heiner等[20]研究发现钽棒植入的最佳位置在股骨外上侧，以便其接触并支持软骨下骨板。然而本研究发现，当植入物位于移植骨瓣下方时，最大应力和最大位移明显减小。分析原因，钽棒植入有严格的手术适应证，主要适用于股骨头缺血性坏死ARCO分期中Ⅰ～Ⅱ期患者，而本研究所选患者为ARCO分期Ⅲa期患者，其生物力学特点与塌陷前期患者有较大的不同。它从生物力学方面提示了股骨头缺血性坏死中晚期患者单纯钽棒植入临床疗效不佳的原因。本研究同时发现，钽棒半球性尖端及钽棒远端与股骨外侧皮质接触区域应力相对较高。分析原因，钽棒近端是抵抗压力及支撑移植骨瓣的部位，而钽棒末端的螺纹设计可与骨质产生高摩擦力，使植入物位置稳定，故这两处的应力相对较高，但与股骨近段的最大应力相比，相对较小。

3.3 钽棒联合带血管蒂骨瓣转移的生物力学作用

带血管蒂骨瓣联合钽棒植入结合了带血管蒂骨瓣和钽棒生物力学方面的优势。头颈部开窗、坏死骨清除降低了股骨头内的压力，带血管蒂骨瓣诱导新骨形成，股骨头血供得以改善；钽棒腾起移植的骨瓣，股骨头的外形得以恢复，从而为塌陷区提供了强大的生物力学支撑[8,9,21]。本研究结果表明，无论是最大应力、位移分布，还是在各个标记点的对比中，钽棒联合骨瓣修复模型的力学性能均明显优于坏死组，说明此方法在修复股骨头力学性能方面具有一定的优越性。

本研究经三维有限元方法分析证明了钽棒联合带血管蒂髂骨瓣转移治疗股骨头缺血坏死没有破坏股骨近端的主要应力传导结构，同时消除了坏死囊性变四周的应力集中，改善了股骨头内的血供，并且钽棒对转移的骨瓣提供了强大的力学支撑，明显改善了股骨头的力学性能，此方法是安全、有效的。不足之处在于样本量小，模型的构建存在许多简化和假设，仅分析了钽棒整体的应力分布趋势等，进一步研究还有待于我们大家共同探索。

[1]Volokh KY,Yoshida H,Leali A,et al.Prediction of femoral head collapse in osteonecrosis.J Biomech Eng,2006,128 (3):467-470.

[2]Mont MA,Jones LC,Hungerford DS.Nontraumatic osteonecrosis of the femoral head:ten years later.J Bone Joint Surg Am,2006,88(5):1117-1132.

[3]Varitimidis SE,Dimitroulias AP,Karachalios TS,et al.Outcome after tantalum rod implantation for treatment of femoral head osteonecrosis:26 hips followed for an average of 3 years.Acta Orthop,2009,80(1):20-25.

[4]汪亮,刘耀升,刘蜀彬,等.多孔钽棒植入治疗早中期股骨头坏死的生存率分析和预后因素评估.中华骨与关节外科杂志,2015,8(5):396-402.

[5]Tanzer M,Bobyn JD,Krygier JJ,et al.Histopathologic retrieval analysis of clinically failed porous tantalum osteonecrosis implants.J Bone Joint Surg Am,2008,90(6):1282-1289.

[6]Veillette CJ,Mehdian H,Schemitsch EH,et al.Survivorship analysis and radiographic outcome following tantalum rod insertion for osteonecrosis of the femoral head.J Bone Joint Surg Am,2006,88 Suppl 3:48-55.

[7]Schildhauer TA,Robie B,Muhr G,et al.Bacterial adherence to tantalum versus commonly used orthopedic metallic implant materials.J Orthop Trauma,2006,20(7):476-484.

[8]王本杰,赵德伟,郭林.单纯带血管蒂骨瓣转移与联合钽棒植入治疗股骨头缺血性坏死的比较研究.中华显微外科杂志,2009,32(4):271-273.

[9]Zhao D,Zhang Y,Wang W,et al.Tantalum rod implantation and vascularized iliac grafting for osteonecrosis of the femoral head.Orthopedics,2013,36(6):789-795.

[10]赵德伟,谢辉,王本杰,等.带血管蒂髂骨瓣转移联合多孔钽金属棒植入治疗股骨头缺血性坏死.中华显微外科杂志,2014,37(1):29-34.

[11]Sonoda N1,Chosa E,Totoribe K,et al.Biomechanical analysis for stress fractures of the anterior middle third of the tibia in athletes:nonlinear analysis using a three-dimensional finite element method.J Orthop Sci,2003,8(4):505-513.

[12]崔旭,赵德伟,古长江.股骨头缺血性坏死塌陷预测的生物力学研究.中国临床解剖学杂志,2005,23(2):193-198.

[13]彭亮,曾小丽,白净.基于CT数据的股骨三维有限元建模方法.清华大学学报(自然科学版),2007,47(3):416-419.

[14]田丰德,赵德伟,郭林.步幅人小及髋外展角度对坏死股头影响的三维有限元分析.中国组织过程研究,2012,16 (17):3052-3055.

[15]朱刚,张立贵,郑重,等.股骨头坏死区钽棒置入前后应力分布的三维有限元分析.中国组织工程研究,2016,20 (26):3883-3889.

[16]Bobyn JD,Stackpool GJ,Hacking SA,et al.Characteristics of bone ingrowth and interface mechanics of a new porous tantalum biomaterial.J Bone Joint Surg Br,1999,81(5): 907-914.

[17]王雨,王爱民,杜全印,等.单纯钽棒与钽棒联合自体骨移植治疗早期股骨头坏死的临床对比观察.中华显微外科杂志,2015,38(4):363-366.

[18]Liu Y,Yan L,Zhou S,et al.Tantalum rod implantation for femoral head osteonecrosis:survivorship analysis and determination of prognostic factors for total hip arthroplasty.Int Orthop,2016,40(7):1397-1407.

[19]Shi J,Chen J,Wu J,et al.Evaluation of the 3D finite element method using a tantalum rod for osteonecrosis of the femoral head.Med Sci Monit,2014,20(6):2556-2564.

[20]Heiner AD,Brown TD,Poggie RA.Structural efficacy of a novel porous tantalum implant for osteonecrosis grafting. Trans Orthop Res Soc,2001,26(3):480-488.

[21]Zhao D,Liu B,Wang B,et al.Autologous bone marrow mesenchymal stem cells associated with tantalum rod implantation and vascularized iliac grafting for the treatment of end-stage osteonecrosis of the femoral head.Biomed Res Int,2015,2015:240506.

Finite element study of tantalum screw combined with vascularizediliac bone flap grafting for osteonecrosis of femoral head

ZHAO Jie1,ZHAO Dewei2*,XU Dong1,TIAN Fengde2,LIAN Zhiqiang3,LIU Baoyi2
(1.Department of Orthopaedics,Caoxian People's Hospital,Caoxian 274400,Shandong; 2.Department of Orthopaedics,Zhongshan Hospital,Dalian University,Dalian 116001,Liaoning; 3.Department of Engineering Mechanics,Dalian University of Technology,Dalian 116023,Liaoning,China)

Background:Vascularized iliac bone flap transplantation combined with tantalum screw has highly short-term clinical success rate for treatment of osteonecrosis of the femoral head(ONFH),but the reports regarding the biomechanical safety and efficacy are rare.Objec:tive:To explore biomechanical safety and efficacy of tantalum screw combined with vascularized iliac bone flap grafting for the treatment of ONFH.Methods:A patient suffered from ONFH(ARCOⅢa)was selected and treated with tantalum screw combined with vascularized iliac bone flap grafting.64 CT scanning was performed on the upper femur preoperatively and 6 months postoperatively.Three finite element models(normal model,ONFH model and tantalum screw combined with bone grafting model)were built up with Mimics and Geomagic software.The biomechanical effects of the upper femur were analyzed under different loadings with Msc.Patran software.Results:The three models matched with the actuality of the femur.The strain concentrated on the juncture between bone trabecula associated cystic and normal bone trabecular.The mechanical property of tantalum screw combined with bone flap model was similar to that of normal model,which was superior to the ONFH one.Conclusions:Tantalum screw combined with vascularized iliac bone flap grafting is a safe and effective option for the treatment of ONFH.

Osteonecrosis of the Femoral Head;Tantalum Screw;Bone Flap;Finite Element

2095-9958（2017）04-0136-04

10.3969/j.issn.2095-9958.2017.02-11

*通信作者：赵德伟，E-mail：zhaodewei2000@163.com