股骨远端肿瘤手术重建方式的生物力学研究

发布时间：2017-10-01 17:01

  本文关键词：股骨远端肿瘤手术重建方式的生物力学研究

  更多相关文章： 生物力学 有限元 步态分析 膝关节 股骨远端 骨肿瘤

【摘要】：[背景]膝关节是人体最大的负重关节,附近的骺板处组织增生活跃,是各种骨肿瘤的好发部位。据统计发生在膝关节附近的骨肿瘤占全部骨肿瘤及肿瘤样病变的约30%,股骨远端占15.7%。针对股骨远端肿瘤,表现为骨质破坏或骨质改变,病变的大小,首先影响骨骼的生物力学强度,存在病理性骨折风险。如何从生物力学角度,在手术前准确量化病理骨折风险大小,准确把握手术时机和指征,都是目前国内外困扰临床医生及研究的重要问题。对于范围较大的侵袭性肿瘤和恶性肿瘤,手术方式可进行广泛切除并重建。重建方式包括自体或异体骨移植、肿瘤假体置换、瘤段骨灭活再植等。自体骨移植被认为是骨修复治疗的金标准,但是骨质来源有限,并且供区可出现感染、局部疼痛等并发症。异体骨移植也具有临床优势,但骨质吸收、感染风险等限制其临床广泛运用。另外,人工假体置换的近期效果好,可早期负重,关节活动度大,受到一些学者的推崇。但其远期问题较多,而且价格昂贵。瘤段骨灭活再植方法简单,不存在排斥反应,但灭活过程可能破坏关节软骨并且术后出现骨不连,也不适用于骨质破坏严重的病例。采用原位微波消融治疗四肢骨肿瘤,可最大程度地保全骨骼支架作用,可避免再植后的骨不连。然而,该技术依然面临着骨折发生率及复发率较高的问题。膝关节周围肿瘤手术重建的具体适应条件、不同的重建方式的早期及远期力学效果尚不明确。因此,从生物力学的角度,如何客观、量化评价不同重建方式优劣,如何在手术后客观、量化评价膝关节运动功能恢复情况,一直是临床医生必须面对和思考的问题。自2009年以来,作者单位在股骨远端侵袭性及恶性肿瘤的手术治疗方面,采用了原位微波消融加内固定与人工膝关节假体置换2种方式,并且积累了-定数量的病例,从生物力学角度,总结、客观评价2种方式的优劣,可以为临床工作提供指导,为同行提供借鉴。[目的]本次研究采用新的计算机仿真软件(计算机辅助人机工程学和生物力学分析软件：AnyBody)和先进的在体运动学评估系统(Opti_Knee膝关节运动学评估系统),从生物力学的角度试图解决以下问题：1.利用有限元的方法,模拟人体最佳边界条件,探寻人体行走过程中股骨的生物力学情况,为后面的缺损模型的建立及分析提供基础。2.根据前面的研究结果,从生物力学角度,探讨股骨远端肿瘤病变大小与病理骨折风险的关系。3.研究局部微波高温加热对股骨生物力学的影响。4.依靠新的检测方法,建立国人膝关节运动学量化数据,为膝关节周围肿瘤术后患者的康复评估提供客观参照标准。5.评价两种股骨远端肿瘤重建方法(主要为假体置换及原位微波灭活)的手术后膝关节功能,为临床工作提供指导。[方法]1.根据志愿者的全股骨CT数据进行三维重建,重建及网格化操作均使用Simpleware医学图像处理软件。利用计算机仿真软件AnyBody模拟正常人平地行走时的动作,导出股骨在整个运动过程中受到的肌肉力。利用Geomagic studio和Hypermesh软件完成目标模型与AnyBody模型的坐标匹配,将肌肉力加载在股骨上,在有限元分析软件Abaqus实现有限元分析,分析步态过程中股骨受到的von Mises应力、应变的大小及其集中部位。2.将AnyBody与Abaqus成功形成对接后,开始关注股骨远端缺损范围对骨折风险的影响。利用志愿者的股骨CT数据进行三维重建,在股骨远端人为模拟数个不同范围的骨缺损：松质骨缺损、皮质骨缺损50%缺损、皮质骨70%缺损、皮质骨85%缺损。再按照方法1中的步骤分别载入股骨在步态过程中的肌肉力,进行有限元分析,评估von Mises应力及应变的大小及集中部位,预测出现骨折风险的条件。3.将一根正常成人股骨标本切割成规格为0.5×0.5×1cm3的试样,共40块,随机平均分成微波组和对照组。微波组试样在功率100W、消融时间30分钟、温度80℃条件下进行微波消融处理。用生物力学试验机对两组试样进行静态生物力学测试,计算两组试样的弹性模量、屈服强度。同时将另一根股骨标本予相同的参数进行微波消融。微波处理前后各进行一次Micro-CT扫描,计算两次股骨的矿物质浓度(BMD, bone mineral density),进行前后对比,同时观察微波辐射范围。4.选取28例(56侧膝)健康成年中国人进行平板步态中的膝关节运动学分析。分析采用一种基于红外光追踪的技术,根据大腿及小腿上的刚体部件的数据捕捉来进行膝关节运动学分析。采集下肢解剖体表标志相对于刚体部件的位置来建立股骨和胫骨的坐标系,据此可计算出志愿者在平板上行走时膝关节6个自由度上的运动学数据。计算6个自由度(DOF, degree of freedom)上的活动范围(ROM, range of freedom),和5个运动学参数,并且进行男女之间及左右膝关节间的比较。统计学分析方法采用双独立样本的T检验。5.选取在2009年3月到2014年10月的所有接受过股骨远端肿瘤微波灭活或肿瘤假体置换的患者,共11例,其中微波组有6例,假体置换组有5例。微波组的平均术后时间为28个月,假体组的为31.5个月。数据采集按照方法4中所描述的步骤来进行。患者所采用自己选择一个最适宜的速度,只进行患侧的测量。统计两组患者的6个自由度上的ROM值,并进行组间比较,统计学分析采用双独立样本的T检验。数据与正常人进行比较,评估术后康复水平。[结果]1.根据有限元分析的结果,股骨在整个平走过程中,在站立相受到的von Mises应力最大。其中在站立初期,应力集中在小转子外侧及上方的股骨颈,大小为22.6MPa；在站立相中期,即承重期,应力最大,达到27.7 MPa,应力集中在小转子稍下方偏内侧。股骨在对侧承重期的应力最小,为0.62 MPa,摆动期应力集中在股骨中下段的内侧,最大约3.52 MPa。位移的改变、分布与应力的相似,位移最大改变在股骨头,在站立相中期,数值为0.39mm；在摆动期,应变最大在股骨中段,应变大小约0.12 mm；对侧承重期应变最小,最大应变在股骨头,约0.03 mm。这些结果与既往的报道有相似之处。2.四个模型的von Mises应力变化趋势基本一致,均是在站立相中期达到应力最大值。85%皮质缺损模型的局部力最大,达到172MPa,接近屈服强度,并且高于其他3个模型的应力。其余3个模型的应力大小及变化趋势基本一致。从部位上来说,应力的集中点出现在股骨内髁上方以及髁间窝后上方。各组之间没有进行统计学比较。3.对照组和微波组的屈服应力分别为105.8±15.7MPa、101.2±20.7MPa,无统计学差异；对照组和微波组的弹性模量分别为4.5±1.1GPa、4.3±1.4GPa,无统计学差异。Micro-CT扫描结果提示微波加热后在微波中心附近可见BMD的下降。范围约4cm。但并未做统计学分析。4.在屈伸角度的曲线上,可以观察到2个明显曲线波峰。分别出现在站立相初期和摆动相中期。膝关节的内外翻、内外旋、内外侧位移、上下位移都体现出了这一运动学特征。然而前后位移的运动学轨迹并未出现此特征。它的两个波峰分别出现在脚跟着地时以及摆动相后期。这些数据都与前面的研究报导有相似之处。在性别及左右脚之间分别对比发现无论是6个自由度上的活动范围数值还是5个常见的运动学参数,在左右脚之间都没有统计学上的差异。但是男女之间的运动学数据是存在统计学差异的。男性在整个行走过程中股骨相对与胫骨的ROM明显大于女性(P=0.006)。同时,在站立相,女性的股骨相对于胫骨的内旋角度明显大于男性(P=0.011)。5.微波组和假体置换组的6个自由度上的ROM均无统计学差异。同时,除了屈伸角度、内外旋角度与正常人值接近,其余自由度上的运动范围均较小。[结论]1.在人体行走过程中,在站立相中期股骨受到的局部应力最大,集中在小转子下方至股骨中段；2.股骨远端达到85%的皮质缺损时,骨折风险会明显增大,尤其在站立相中期股骨内髁骨折风险较大。3.微波灭活后股骨皮质骨存在生物力学性能下降的可能,需要进一步研究。4.文章介绍的在体膝关节运动评估系统可有效、准确地获地获得膝关节运动学数据。5.在平地步态上膝关节运动学特点存在性别之间的差异,左右脚之间无差异。6.从中早期的生物力学评估来看,微波消融术能达到假体置换术相同的功能效果,但与正常功能仍有较大差距。
【关键词】：生物力学 有限元 步态分析 膝关节 股骨远端 骨肿瘤
【学位授予单位】：南方医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R738.1
【目录】：

• 摘要3-8
• ABSTRACT8-16
• 前言16-21
• 第一章 正常人行走时股骨的生物力学分析21-30
• 1.1 引言21
• 1.2 实验材料21-22
• 1.3 实验方法22-26
• 1.4 实验结果26-29
• 1.5 讨论29-30
• 第二章 股骨远端缺损大小与骨折风险相关性的有限元分析30-35
• 2.1 引言30
• 2.2 实验材料30-31
• 2.3 实验方法31-32
• 2.4 实验结果32-34
• 2.5 实验讨论34-35
• 第三章 微波对股骨生物力学的影响35-40
• 3.1 引言35
• 3.2 实验材料35-36
• 3.3 实验方法36-37
• 3.4 实验结果37-39
• 3.5 实验讨论39-40
• 第四章 正常人膝关节的6自由度运动学分析40-52
• 4.1 引言40-41
• 4.2 实验材料41-42
• 4.4 实验方法42-45
• 4.5 实验结果45-50
• 4.6 实验讨论50-52
• 第五章 股骨远端肿瘤两种重建方式的生物力学效果对比52-55
• 5.1 引言52
• 5.2 实验材料52-53
• 5.3 实验方法53
• 5.4 实验结果53
• 5.5 实验讨论53-55
• 全文讨论55-57
• 总结57
• 展望57-58
• 参考文献58-67
• 附录67-75
• 攻读硕士学位期间成果75-76
• 致谢76-78

【参考文献】

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1 张帅;屠重棋;段宏;闵理;周勇;张树良;姜勇;冯品;;股骨近端骨缺损与骨折相关性的有限元分析[J];四川大学学报(医学版);2011年02期

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本文编号：954582