股骨颈骨折空心螺钉内固定术后股骨头坏死的随访调查及相关生物力学研究

发布时间：2019-10-13 14:03

【摘要】：目的:(1)通过三维重建技术定量描述股骨颈骨折术前空间移位及术后复位质量,揭示基于二维X线平片的评估手段的局限性,调查股骨颈骨折空心螺钉内固定术后股骨头坏死发生率,探究术前空间移位及术后残留空间移位与股骨头坏死的相关性。(2)制作股骨颈下后方不同程度的骨缺损模型,利用有限元方法探究骨缺损后股骨近端生物力学改变,比较不同数量及构型的空心螺钉固定内收型股骨颈骨折伴下后方不同程度骨缺损的生物力学效果。方法:(1)收集2010年1月至2013年12月在天津医院治疗的1000余股骨颈骨折患者,最终纳入符合标准的163例,回顾性分析其临床资料;其中男61例,女102例;年龄45~78岁,平均(55.7±7.9)岁;左侧88例,右侧85例;Garden分型:GardenⅠ型20例、GardenⅡ型30例、GardenⅢ型57例、Garden IV型56例;电话随访2.5~5.4年,平均随访(3.1±1.3)年,通过OHS评分和BI指数评估患者髋关节功能及生活质量。收集所有患者术前及术后股骨近端多层螺旋CT扫描的原始数据,通过Mimics10.01软件重建健侧及患侧股骨近端三维模型,配准后测量术前股骨头中心移位、股骨头小凹最低点移位、股骨头空间偏转角度及术后股骨头中心残留移位、股骨头小凹最低点残留移位、股骨头残留空间偏转角度;依据患者预后将患者分为股骨头坏死组和非坏死组,利用单因素χ2检验和多因素Logistic回归分析探究股骨头坏死危险因素。(2)对一名成年健康男性志愿者股骨近端进行CT扫描,获得DICOM原始数据,利用MIMICS 10.01软件、Rhino3D NURBS软件制作内收型股骨颈骨折伴后下方不同程度骨缺损的模型、不同数量和构型空心螺钉模型,装配完成后利用Simpleware 6.0软件进行网格划分、材料属性赋值;通过ABAQUS 6.12软件建立股骨头中心和表面的耦合关系,对所有模型施加缓慢行走时的载荷和约束,观察下后方不同程度骨缺损对股骨近端生物力学影响,比较不同数量及构型空心螺钉固定后股骨头、股骨颈压力侧及张力侧、空心螺钉尾部平均应力峰值。结果:(1)截至2015年6月,33例患者发生股骨头坏死,坏死率为20.2%,坏死发现时间为平均为术后(1.9±0.6)年,坏死组患者OHS评分及BI指数均低于非坏死组。坏死组患者术前股骨头中心移位、股骨头小凹最低点移位、股骨头空间偏转角度、股骨头中心残留移位、股骨头小凹最低点残留移位、股骨头残留空间偏转角度均高于非坏死组患者,差异统计学意义(P0.05),单因素 χ2检验提示Garden分型是股骨头坏死的相关因素,Logistic回归分析提示术前Garden分型、术前股骨头空间移位及术后股骨头残留空间移位均为股骨头坏死相关因素。(2)未缺损模型的股骨颈内侧承受压应力,外侧承受张应力,股骨头应力分布较为均匀,随着股骨颈下后方缺损程度的增加,压力侧和张力侧空心螺钉、空心螺钉尾部及股骨头的平均应力峰值逐渐上升,对于不稳定内收型股骨颈骨折,尤其是伴有下后方较大骨缺损的股骨颈骨折,四枚空心螺钉组的压力侧和张力侧平均应力峰值显著低于正三角构型和倒三角构型(P0.05),对于中缺损模型及大缺损模型,四枚空心螺钉组的股骨头平均应力峰值显著低于其余两组(P0.05),正三角组和倒三角组的股骨头平均应力峰值均无统计学差异(P0.05),对于下后方骨缺损模型,倒三角组的空心螺钉尾部平均应力峰值显著高于其余两组(P0.05),四枚空心螺钉组的空心螺钉尾部平均应力峰值显著低于其余两组(P0.05)。结论:(1)三维重建可全面多角度观察术前骨折的严重程度及术后复位情况,定量描述股骨颈骨折术前空间移位、术后残留空间移位,术前股骨头空间移位程度、Garden分型、术后股骨头残留空间移位是决定股骨头坏死的主要因素。(2)下后方不同程度骨缺损可影响股骨近端力学性能,导致空心螺钉应力分布不均匀、出现应力集中,对于不稳定内收型股骨颈骨折,尤其是伴有下后方较大骨缺损的股骨颈骨折,四枚空心螺钉的生物力学效果优于正三角构型和倒三角构型。
【图文】：

CT三维重建,股骨颈骨折,股骨近端

便于对密度不同的部位进行分割，调整窗宽和窗位，设置合理的方位参数，详见图1.1。阈值分割是数字骨科的最常用的图像分割方法和图像预处理过程，具有性能稳定、计算量小、分析和处理步骤简单、易于实现的特点，适用于感兴趣区域和背景具有不同灰度值的图像。目前常用的阈值分割法包括大津法、迭代法、双峰法、灰度拉伸等，本研究采用大律法，通过 Thresholding 功能可选定阈值，其中阈值设置越高，股骨近端与周围软组织区别越明显，股骨近端轮廓清晰度越差；反之股骨近端与周围软组织不易区分，股骨近端轮廓清晰度越高，故需要依据CT 资料的灰度值反复调整并选择最佳分割阈值，在能区分软组织与骨的情况下，尽量保留股骨近端的轮廓。阈值分割完成后，大多数患者髋臼与股骨头间仍存在较多像素单元，若直接进行区域增长，计算机无法单纯提取股骨近端区域，故此时需通过 Draw 和 Erase 功能对髋关节周围像素单元进行手动编辑，即擦除髋关节间隙多余像素单元、修补股骨头表面缺失的像素单元，然后赋予左右侧感兴趣区域不同颜色，区域增长后形成双侧股骨近端的蒙罩，详见图 1.2。图 1.1 股骨颈骨折 CT 三维重建不同窗口

股骨近端,区域增长,双侧,股骨头

图 1.2 区域增长联合手动编辑后的双侧股骨近端蒙罩1.4 股骨近端三维模型的建立、配准及空间参数测量通过 Calculation 3D 模块读取双侧股骨近端的蒙罩，构建并命名高质量股端实体三维模型，通过 Smoothing 功能适度光滑模型，尽可能减少模型精度失。点击 CMF/Simulation，以健侧股骨近端三维模型为基准，通过软件中irror 功能生成患侧股骨近端三维模型的镜像模型，，然后利用 Reposition 功能镜像模型的位置和角度，尽可能让远端骨折部与健侧得到最大程度重合，和患侧的配准标志点包括大转子最高点、小转子最低点，详见图 1.3。配准后在 CT 冠状位、矢状位、水平位重新形成镜像模型的蒙罩，点MF/Simulation，通过软件的 Cut 功能切割健侧和患侧的股骨头与股骨颈，然股骨头定义为多义线的集合，采用软件中 Fit Sphere 功能将此集合进一步拟一个球体，定义该球体的球心为股骨头中心点，并在二维平面上标记股骨心点；观察健侧和患侧股骨近端 CT 图像，定义股骨头表面与股骨头中心点最短的位置为股骨头小凹最低点，并标记股骨头小凹最低点。利用软件easure and analysis 功能设定并计算空间移位参数：（1）股骨头中心移位距离
【学位授予单位】：天津医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：R687.3

【参考文献】