带血管蒂髂骨瓣移植治疗股骨头缺血性坏死填充位置的有限元分析*

李伯瑞 赵德伟 覃开蓉 刘保一 吴斌 程亮亮 王铁男 应嘉蔚

（1.大连理工大学电子信息与电气工程学部生物医学工程学院，辽宁大连 116024；2.大连大学附属中山医院骨科，辽宁大连 116001）

股骨头缺血性坏死（ischemic necrosis of femoral head,INFH）的治疗是骨科临床的难题之一，主要影响年轻人，且发病初期症状较隐匿，如得不到及时正确的治疗，病情将逐步进展发生股骨头软骨下骨塌陷、进行性骨关节炎等[1-3]。股骨头塌陷的最终结果，需要进行髋关节置换。为了防止股骨头塌陷，人们尝试各种各样的保头方法。保留股骨头的治疗能够有效推迟患者人工关节置换的时间，同时由于手术风险和经济负担，年轻患者不愿意接受进一步的翻修手术[4,5]。对于青壮年股骨头坏死早中期患者，带血管蒂的骨瓣移植手术是一种积极的治疗措施，它既可以重建股骨头部的血液循环，又提供了代替坏死骨的活骨，经临床应用目前显示出较明显的优越性，有可能成为保留股骨头的主要手术治疗方法[6]。

在带血管蒂的骨瓣移植手术过程中，股骨头坏死骨组织清除后如何正确地将移植骨（膜）瓣嵌入坏死区域是带血管蒂的骨（膜）瓣移植术治疗INFH 的关键。为此，我们运用三维有限元分析方法检测骨瓣转移治疗股骨头坏死放置位置的最佳效果，为临床工作提供帮助。

1 资料与方法

1.1 图像资料来源

本研究采用计算机模拟实验于大连大学附属中山医院骨科实验室完成。

临床采集1例单侧股骨头坏死ARCOⅢ期患者资料，男，35 岁，病史5 年，有大量饮酒史。从双侧股骨头上方起，由近段向远侧垂直于股骨纵轴进行连续CT 断层扫描，扫描条件120 kV，200 mA，层厚1 mm，窗宽设为250，窗位35，每个扫描层的像素矩阵度为512×512，CT 图像中每个像素分配2 个字节，共获得164张断层影像，以DICOM格式储存。

本研究获得伦理委员会的批准，入选患者签署知情同意书。

1.2 主要仪器及软件

采用飞利浦16排螺旋CT机，联想牌电脑基本配置：CPU Pentium (R) 4 3.06 GHz，内存2 G，硬盘200 G。Mimics19.0 software（Materialise Company，比利时）。Geomagic Studio 2013 software（Raindrop Company，美国）。Solidworks 2017 software（Dassault System，美国）。ANSYS 17.0 software（ANSYS Company,美国）。

1.3 分析流程(图1)

图1 分析流程

1.4 建模过程

Mimics19.0 建模过程：将CT 扫描图像文件导入Mimics19.0软件中，调节图像适合的灰度值，根据设置好的阈值，利用手工编辑图层工具将多余的部分擦除或者补上缺失的部分，从修补好的图层中合成3D 模型，对3D模型分别进行收缩和光滑处理，填补孔和光滑表面，最后将股骨模型导出为STL 格式文件保存。其中，正常股骨近端三维有限元模型有节点85476个，单元有46514个。股骨头缺血坏死骨缺损三维有限元模型有节点84291个，单元46130个（图2）。

图2 STL模型

Geomagic Studio 2013建模过程：从Geomagic Studio 2013软件中打开上一步从Mimics19.0保存出来的STL文件，对模型进行去除钉状物和多余特征处理后得到准确的几何模型，然后对模型进行优化光滑处理，使用精确曲面模块探测模型轮廓线，对变形或者不合理的轮廓进行编辑，适当添加轮廓线方便生成曲面片；生成曲面片后再拟合曲面，然后将拟合完成的曲面导出为通用的STP股骨模型格式（图3）。

图3 股骨实体模型

Solidworks 2017 建模过程：将从Geomagic Studio 2013 软件中保存出来的STP 股骨模型文件用Solidworks 2017软件打开，根据软件提示对几何模型进行特征识别和曲面诊断。对有问题的曲面进行修复，使用特征/曲面等模块进行操作。分别建立皮质骨、松质骨和坏死骨，对模型进行保存，文件格式保存为SLDPRT零件格式。在装配界面完成装配过程，最终建立分析模型。

带血管蒂髂骨瓣位于股骨头正位轴位中央设定为模型1，其他情况由模型1上下左右各偏移20°得到（图4）。

图4 髂骨瓣植入模型

1.5 ANSYS17.0有限元分析过程

将几何模型导入到ANSYS17.0 有限元分析软件中，建立Static Structural 分析类型，在分析材料库中分别建立皮质骨、松质骨、坏死骨、髂骨瓣的材料属性参数，进入Mechanical 工作界面，在Geometry 中对股骨皮质骨、松质骨、坏死骨、髂骨瓣等模型赋予相关的材料[7-9]（表1）。接下来对模型进行网格划分。

表1 材料属性参数

设置边界条件和载荷：将股骨三维有限元模型内外髁下缘全部节点的自由度约束为0作为边界条件，即远端各节点在x、y、z 轴上的位移为0，忽略股骨前倾角影响，模拟体重80 kg成人双足站立，骨盆水平中立位时股骨近端的应力分布。受力情况简化为R 和M两个力的合力，R为作用于股骨头向下的压力，M为作用于大转子向上的拉力。R：1730 N（Rx=-300 N，Ry=-310 N，Rz=-1670 N），M=1270 N（Mx=300 N，My=310 N，Mz=1190 N），加载于有限元模型，沿轴向向下，运行分析，得到应力、位移云图（图5-8、表2、3）。

图5 模型应力云图

图6 模型位移云图

图7 髂骨瓣移植模型应力云图

图8 髂骨瓣移植模型位移云图

表2 模型应力峰值及最大位移

表3 移植骨瓣前股骨头模型应力峰值及最大位移

2 结果

从正常、坏死及骨瓣移植后的股骨头的应力及位移云图看，股骨头颈交界内侧及转子间沟中点外下方（或大转子向股骨干移行处）有较高的应力分布，位移情况是股骨头坏死区域位移最大，由此向下呈环形依次递减。

根据正常人体股骨头和坏死时股骨头的应力云图对比可知，股骨头坏死应力峰值（60.72 MPa）在坏死部位更加集中，且比正常股骨头应力峰值（53.40 MPa）高出约7.00 MPa。而正常股骨头应力峰值（53.40 MPa）高于经过骨瓣移植后的股骨头应力峰值（51.10±0.10）MPa，但与坏死模型比较骨瓣移植后的股骨头与正常股骨头应力接近。在图中看出，坏死模型的最大位移（1.34 mm）大于骨瓣移植后的股骨头最大位移（1.22±0.02）mm，更比正常股骨头最大位移（1.08 mm）高约0.30 mm。

骨瓣移植后的骨瓣应力峰值：模型2（21.51 MPa）和模型5（21.96 MPa）出现了比另外3 种情况更大的应力集中，且比应力峰值最小模型4 高出10.00 Mpa左右；模型1（17.86 Mpa）和模型3（16.44 Mpa）次之。对于模型4，应力峰值为11.38 MPa，出现在与坏死区域与骨瓣相接处的下端。

骨瓣移植后的骨瓣位移没有显著差异。

3 讨论

股骨头缺血性坏死是骨科领域中至今尚未解决的疑难疾病之一，目前本病的发病有年轻化的趋势。股骨头坏死的最后结局会因全髋关节严重的骨关节炎而需行全髋关节置换术，而人工关节的寿命及功能又受多种因素的制约[10]。股骨头坏死早、中期的保头治疗可以改善股骨头的血液循环，促进坏死修复，预防股骨头塌陷，恢复关节功能。

随着对股骨头坏死研究不断深入，生物力学作用因素在治疗股骨头坏死的作用也越来越多被人重视，目前较多认为股骨头坏死是生物学及力学共同作用的结果。随着显微外科技术的发展，采用带血运的骨（骨膜）瓣植入治疗股骨头坏死因有较多优势已被多数学者认可。带血运的骨（膜）瓣植入可改善股骨头的血液循环；清除股骨头内病变坏死组织后，起到股骨头减压，可以改善股骨头血液循环；去除坏死的骨组织，促进新骨成骨；新骨重建骨小梁，支撑起塌陷的软骨。因此能大大提高治疗效果。而股骨头坏死骨组织清除后如何正确地将移植骨（膜）瓣嵌入坏死区域成为治疗股骨头缺血性坏死的关键。为此我们利用应用有限元分析法来探寻髂骨瓣修复股骨头坏死放置位置的最佳力学效果。

有限元分析法自20 世纪50 年代初期诞生，已广泛应用于骨科生物力学领域的研究[11-17]。与传统实验性应力分析相比，具有更多的优点[11,18]，不仅具有较高的精度，可以完整地反映全域性的信息，能够实现实验方法难以进行的研究，同时对研究对象无破坏，因此在人体生物力学研究中得到越来越广泛的应用。在一定程度上替代生物力学实验，模拟人体生物力学情况。通过对建立的股骨头三维有限元模型施加载荷发现：股骨头坏死时在坏死部位应力更加集中，这样能够造成股骨头进一步塌陷从而导致病情恶化。带血管蒂髂骨瓣移植改善了坏死股骨头的力学性能。从正常、坏死及骨瓣移植后的股骨头的应力及位移云图看，骨瓣移植后的股骨头的各项参数与正常股骨头的接近。这说明髂骨瓣移植可以重建股骨头骨小梁的支撑作用，使股骨头颈部承重支架恢复，恢复了股骨头的受力面积，使单位面积骨小梁承受的应力减少，股骨头的机械性能加强，有效地防止塌陷。同时，不同植入位置也会对股骨头及髂骨瓣本身产生一定的影响。针对这种情况，本研究模拟了植入髂骨瓣在5 种不同植入位置情况下的受力，分别为髂骨瓣位于股骨头正位轴位中央的位置及由其上下左右各偏移20°得到的位置，这几种情况可以涵盖植入情况的绝大部分。

有限元模拟结果表明，每一种情况都较好的舒缓了股骨头坏死区的应力集中、降低了应力峰值且减小了股骨头整体的变形。进一步对比5 种不同植入位置的静力学模拟的应力云图可知：在这5种情况中，股骨头整体情况应力和变形差别不大。具体的髂骨瓣植入，其最大应力集中区出现在坏死区域和植骨的衔接处，提示术中应予以增大尺寸以降低应力集中。对于骨瓣所受应力，模型4，即骨瓣位于股骨头内部与冠状面向前成20°的位置，其最大应力峰值为11.38 MPa，出现在与骨瓣与坏死区域相接处的下端，远低于髂骨瓣13.00 MPa[19]屈服极限的条件下，所以使用这种植入方式可使植骨损伤降低到最小。

目前有限元法在国内已经得到了普遍应用，取得了大量的成就。特别是在临床上的应用，骨骼系统的应力分析、内外固定系统的研究，以及人工各种假体的设计与优化更具有一定的指导意义。有限元法是求解微分方程的一种非常有效的数值分析方法，其基本思想是用分片函数去逼近原函数，即把无限自由度问题转化为有限自由度的问题，再求解一个线性方程组，得到原方程的近似解。既然是一种近似求解，就存在人为造成的误差。另外有限元分析属于理论性分析，其结论只有与临床检测结果相结合，才能真实的反映标本的受力状况；有限元模型的材料性质不够完善，韧带、肌肉在不同状态下力的方向和大小难以精确模拟，使得骨骼模型的应力分析数据仍不够准确，应是今后研究改善的重点。同时带血管蒂髂骨移植多数是局部转位移植，血管蒂的相对长度、行走的路径等直接影响骨块的血供，也直接影响生物力学的结果。患者术后开始负重的时间、强度也会对临床效果造成影响，所以在临床工作中医师需要对患者的病情进行综合考虑。