股骨头坏死三维有限元研究

发布时间：2018-01-20 04:45

本文关键词： 髓芯减压术多孔道钽金属棒股骨头坏死有限元分析　出处：《中国人民解放军军事医学科学院》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：背景股骨头坏死是由于股骨头内部供血中断或者损伤,引起骨细胞级骨髓成分死亡,继而导致股骨头结构改变,甚至导致股骨头塌陷,引起髋关节疼痛、功能障碍的一组疾病。目前对于股骨头坏死的研究包括传统力学研究与现代三维有限元研究,有限元分析(Finite Element Analysis,FEA)是近年来被广泛采用的生物力学研究手段,可以对股骨头受力部位、受力大小进行模拟量化。三维重建和有限元分析可以从坏死区形态和生物力学方面进行定量研究,完善了股骨头坏死围塌陷期相关理论,有助于进一步明确股骨头坏死的手术指征,优化手术方案,并且提高手术疗效。通过建立股骨头坏死有限元模型可以有效地进行预测塌陷,并对当前股骨头坏死手术治疗有一定的指导作用。学者们已运用有限元分析方法对股骨头坏死进行研究并取得了实质性进展,同时也验证了这项技术的实用性与科学性。对于早期股骨头坏死,保存髋关节的手术可有效限制股骨头坏死继续进展。股骨头坏死常用的保存髋关节手术包括单纯髓芯减压术、髓芯减压后结合人工骨植入术及髓芯减压后结合钽棒植入术等,而对于已发生塌陷的股骨头坏死保髋手术效果有限,通常采用人工髋关节置换术。目的运用三维有限元分析的方法,建立多种股骨头坏死术前术、术后有限元模型,包括正常股骨头模型、单纯坏死股骨头模型、4种单纯髓芯减压术模型及髓芯减压后结合人工骨植入术及髓芯减压后结合钽棒植入术模型。探讨不同的髓芯减压术在早期股骨头坏死治疗中的应力变化规律及钽金属棒置入治疗股骨头缺血性坏死的独特优势。方法研究对象为健康成人右侧股骨头,经螺旋CT扫描获得股骨头各断面薄层图像,将图像输入计算机并对股骨头进行三维重建。依据生理状态下股骨头载荷的三维空间分布,股骨远端采用完全固定的设置方式,股骨头上方施加与股骨干呈25°夹角、方向向下的570N压力。建立坏死范围分别为15%与30%的多组股骨头三维有限元模型,通过运算得到股骨头不同部位皮质骨、松质骨的应力分布状况和应力集中特点,股骨头外上方承力点区、股骨颈区、股骨大转子下减压入口区应力值明显增加,为了进一步观察反映不同髓芯减压术后股骨头应力分布情况,建立各三维有限元模型的截面图,计算股骨头转子下区、股骨颈区、股骨头承力点区的皮质骨与松质骨对应的区域平均应力值,并进行统计学处理。为评估3种治疗早期股骨头缺血性坏死方法的疗效,探讨髓芯减压术对股骨头机械支撑力的影响及钽块置入治疗与人工骨植入治疗股骨头缺血性坏死的独特优势。分别计算单纯坏死股骨头模型的塌陷值,以及坏死范围分别为15%与30%时单纯髓心减压术后、人工骨与钽块置入后股骨头外上方承力区的塌陷值。塌陷值为各相应区域软骨下节点位移平均值选取股骨头外上方承力区并计算平均塌陷值,对股骨头三维有限元模型进行计算,得到股骨头受力模型在不同坏死范围,不同治疗方法前后股骨头负重区表面的塌陷值,比较单纯髓芯减压术与减压结合钽棒植入术两种手术方式股骨头负重区表面塌陷值变化,得到钽棒植入术治疗股骨头坏死的独特优势。结果对建立的多组股骨头模型进行分组比较,首先将多种单纯髓芯减压术模型与术前股骨头模型对比分析发现:减压方法与孔道数目不同,得到的应力值也随之不同;髓芯减压术后股骨头内均出现应力集中,传统单孔道大直径髓芯减压术较改良多孔道小直径髓芯减压术术后有较强的应力集中;几种髓芯减压术减压后皮质骨、松质骨应力峰值均小于股骨头自身的抗拉强度(松质骨:3.5 MPa;皮质骨:122 MPa)。后然计算各个模型骨头外上方承力区并计算平均塌陷值,对比发现:股骨头髓芯减压后的塌陷值明显增大,以负重区最为明显;随着坏死范围的增大股骨头的塌陷值也随着增大;减压后予以多孔钽棒植入治疗后塌陷值明显降低。结论依据钻孔数目的不同,在减压孔入口处、股骨头承力点区、股骨颈处松质骨与皮质骨的应力分布较未处理的股骨头模型明显增加,所有的钻孔模型中松质骨与皮质骨应力值均低于股骨头抗拉强度,说明改良髓芯减压术可以在股骨头坏死早期给以有效的干预,且相对于传统的大直径髓芯减压术具有较小的术后风险。单纯髓芯减压术及髓芯减压后结合钽棒植入术均可有效治疗早期股骨头坏死,与传统大直径单孔道减压术相比,改良多孔道髓芯减压术治疗早中期股骨头坏死可降低股骨头内应力集中,其生物力学优势更加明显。而单纯髓芯减压虽能清除死骨、改善血运,但减压手术也导致股骨头的力学性能下降,改变了股骨头原本的结构支撑,髓芯减压基础上辅助以钽金属棒植入可以为股骨头及软骨下骨板提供安全而有效的力学支撑,能有效防止塌陷,并为骨组织的修复提供条件,具有独特优势。早期发现疾病并采用有效手段防治塌陷是保留患者自身股骨头的前提,早期股骨头坏死的治疗原理是依据股骨头生物力学,不仅生理上改善股骨头血运,还要使其在力学功能上得到恢复。股骨头坏死病灶的塌陷的生物力学因素是坏死部位应力水平改变、导致坏死部位与正常组织交界处应力集中,病理基础是骨小梁微骨折。植入钽金属棒可以减少股骨头内的不良应力,稳定股骨头内部结构,尽可能减少股骨头塌陷的发生。
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【学位授予单位】：中国人民解放军军事医学科学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：R687.3

【参考文献】