骨蚀症“血瘀-疼痛-功能障碍-力学不稳轴”的初步探究与有限元研究

发布时间：2020-08-01 16:01

【摘要】：目的:1、血瘀证在股骨头坏死患者的中医证候中最为多见,而且在对股骨头坏死的治疗上,活血化瘀占了非常重要的位置。目前临床上对股骨头坏死中“疼痛-血瘀-生存质量”的研究由于缺少客观的研究,就通过收集患者的血瘀评分与多项评分量表,先建立“血瘀-疼痛-功能障碍轴”,为后文的打下研究基础。通过采集股骨头坏死患者中医证候资料,并利用血瘀证评分标准对血瘀证进行评分,配合多种髋关节功能评价表与生存质量表,观察评分的可靠程度及在股骨头坏死应用的可行性,重新审视血瘀证评分标准在股骨头坏死中的应用价值;2、本研究利用现有的计算机辅助设计软件,对上一章节纳入的股骨头坏死患者的CT冠状位骨窗图像进行处理,根据坏死区不同的灰度值,重建出坏死区的三维模型,并进一步计算坏死区的表面积、体积、各平面的投影、头占比,将坏死区参数化,观察坏死区的几何特征,为用“功能障碍—力学不稳轴”建立基础。3、基于三维空间立体化地了解坏死区的形状、位置和与临床症状的关系。通过重建坏死区不同几何形态的股骨头模型,分析、比较几种日常活动中坏死区的最大应力值,探讨容易导致股骨头力学结构失效的危险因素,最终确立并论证股骨头坏死“血瘀—疼痛—功能障碍—力学不稳轴”。方法:1.对符合标准并经过筛选的患者,在安排入院后或门诊接诊过程中,按要求填写VAS评分表、HHS评分表、iHOT评分表、SF-12评分表、SDS、SAS量表,收集患者中医四诊信息,同时按照血瘀证评分标准对患者进行血瘀证的评分。参照国家中医药管理局医政司中的血瘀证辨证标准对患者进行辨证。2.患者的纳入同上一章节提及的患者一致,提取与血瘀证关系呈强相关的iHOT评分作为临床症状评判参考。采集患者CT图像。将获得的CT原始图像通过DICOM格式保存。应用MIMICS 19.0,读取DICOM数据,通过“threshold”“Region grow”等功能,根据不同灰度重建坏死区、髋臼、股骨皮质骨、和股骨整体模型,应用布尔运算计算股骨松质骨模型,拟合轮廓线,填充个别孔洞后,输出为stl文件。将stl文件输入到Geomagic Studio 2013软件中,通过有限的“松弛”和“去除钉状物”平滑模型,检查模型中可能存在可能会影响后续处理的特征并给予处理。后利用“精确曲面”“探测轮廓线”“构建曲面片”“构建格栅”功能,最后拟合曲面,部件输出为igs文件。计算坏死区几何参数,将坏死区的igs文件导入Solidworks 2017,保存为prt文件,利用质量参数查询,求出坏死区的表面积、体积(单位为mm2,mm3)。利用“参考基准面”功能,在冠状面、水平面、矢状面分别建立参考面,在该三面上紧贴坏死区几何体描绘轮廓,在利用测量功能,查询在不同参考面描绘出的几何面的面积(单位mm2);3.有限元模型的建立,患者的纳入同上一章节提及的患者一致,提取与坏死区在各平面的投影面积作为判断与有限元力学集中相关性的评判参考,提取髋臼关节软骨、皮质骨、松质骨、坏死区的Igs文件,在Solidworks中找到股骨头近似的旋转中心,根据日常生活常见的2种活动:站立、上楼梯,设置髋关节软骨在股骨头表面的位置关系,然后分别导入到Hypermesh中,完成模型的网格化,导出为inp文件,导入到Abaqus中,建立包含髋臼软骨、完整股骨近端的髋关节模型。将inp格式文件导入Abaqus中,材料均定义为均质、各向同性,材料赋值及边界条件的设置均参考相关文献。其中皮质骨弹性模量为15100MPa、泊松比为0.3,松质骨弹性模量为445MPa、泊松比为0.22,软骨弹性模量为+10.5MPa、泊松比为0.45。设定完毕后,固定股骨远端,在垂直关节面方向进行力的加载。计算所有模型坏死区在各个工况下的应力云图、最大冯米塞斯应力值(Von Mises Stress)。应力云图显示不同区域的应力分布情况;最大米塞斯应力反映骨强度。成果:1.本次研究共调查24例早期股骨头坏死(ARCO 2期)患者,其中有效的病例为24例。本研究24例早期股骨头坏死患者中,其中双侧发病15例,单侧例9例;女性9例,占37.5%,男性15例62.5%。男性患者的最大的年龄为53岁,最小年龄为19岁,平均的年龄为34.4±11.9岁;女性患者的最大的年龄为47岁,最小年龄为25岁,平均的年龄为37.9±7.4岁,患者与男性患者之间的年龄比较没有统计学差异。血瘀证与VAS评分Pearson相关性检验提示,二者有明显的正相关关系(r=0.45,P=0.03)。血瘀证与HHS评分Pearson相关性检验提示,二者有明显的负相关关系(r=-0.55,P=0.006)。血疲证与iHOT评分Pearson相关性检验提示,二者有明显的负相关关系(r=-0.63,P=0.001)。血疲证与SF-12 PCS评分Pearson相关性检验提示,二者无明显关系(r=-0.13,P=0.54)。血疲证与SF-12 MCS评分Pearson相关性检验提示,二者有明显的负相关关系(r=-0.44,P=0.03)。血瘀证与焦虑自评评分Pearson相关性检验提示,二者无明显关系(r=0.06,P=0.78)。血瘀证与抑郁自评评分Pearson相关性检验提示,二者无明显关系(r=0.13,P=0.55)。2.iHOT与坏死灶体积的Pearson相关性检验提示,二者有明显的负相关关系(r=-0.48,P=0.02)。iHOT与坏死灶表面积Pearson相关性检验提示,二者无明显的相关关系(r=-0.11,P=0.62)。iHOT与坏死灶冠状面投影Pearson相关性检验提示,二者无明显的相关关系(r=-0.6,P=0.78)。iHOT与坏死灶矢状面投影Pearson相关性检验提示,二者无明显关系(r=-0.17,P=0.43)。iHOT与坏死灶水平面投影Pearson相关性检验提示,二者有明显的强负相关关系(r=-0.63,P=0.001)。iHOT与头占比Pearson相关性检验提示,二者有明显的负相关关系(r=-0.47,P=0.0226)。3.iHOT功能量表与股骨头坏死区在站立位的最大应力值呈负相关(r=-0.51,p=0.01);坏死区在冠状面的投影面积与站立位的最大应力值呈正相关(r=0.59,p=0.003);冠状位的投影面积与上楼梯时坏死区的力学最高值呈正相关(r=0.71,p0.01)。结论:1.血瘀证的整体严重程度与早期股骨头坏死的发生发展息息相关,具体不仅仅表现在髋关节局部的疼痛、功能表现上,长期的血瘀证状态还会严重影响到患者的心理状态,产生一定程度的焦虑等负面情绪,股骨头坏死作为慢性病,患者不可避免地长期带病状态,在用药时,在祛瘀的同时可同时应用安神定惊之法,配合心理教育,可起事半功倍的效果。通过建立血瘀和疼痛、功能障碍的联系,初步确立了股骨头坏死中“血瘀—疼痛—功能障碍轴”的存在。2.髋关节症状与水平面的投影的负相关性比体积与头占比更大,在负重面的坏死受累面积比体积更容易引起临床症状。坏死面积的水平面上的投影大部分直接投射在负重面上,髋关节是一个典型的球窝关节,在行走、上下楼梯等活动中,股骨头在髋臼窝里面的活动主要为前后内外滚动,负重面会随股骨头的活动改变,除了在站立负重位置,在髋关节前屈、后伸、外展的动作中,水平面的坏死区都会与关节下软骨产生剪切力,这种剪切力长期存在可能会产生关节下骨、坏死骨之间的不稳,这种“头内不稳”可能就是造成早期股骨头坏死产生疼痛的原因之一,结合髋关节久行、活动后症状加重的症状特点,不排除正是在负重面的坏死骨与软骨下骨之间的剪切力长期作用,使局部连接处产生微骨折,不断发展最终导致塌陷。水平面的坏死面积反映的是坏死灶在内外径与前后径,这两种参数正是股骨头坏死多种分型的参考标准,内外径在本研究中,因为所有病例皆为C1与C2型,所以差异较少,前后径(在正位片中无法观察)可以在很大程度上影响本组病人的水平面投影,所以水平面的大小可以反映股骨头软骨下骨与坏死骨的连接面积,而这种结果与过往的研究结果相似,可能也与塌陷密切相关。通过参数化坏死区的形态特点,可以功能障碍为连接枢纽,沟通功能障碍与坏死形态的关系,为后文的“功能障碍—力学不稳轴”的确立打下基础。3.水平面坏死投影面积大部分直接投射到髋关节股骨头的负重面上,当水平的投影扩大时,意味着在坏死的面积逐渐往后方发展并占据所有应力传导路径,故可见当水平位的坏死面积投影上升时,最大应力值也会逐渐上升。同时,坏死区的在上楼梯时的应力到了一定最大值后并没有随着冠状位的投影面积的增大而继续增大。这可能是因为当髋关节在上楼梯的工况时,股骨头的应力中心向前移,但前移的重心有一定的限度,当坏死区在冠状位的面积未超过该中心时,坏死区的应力最大值尚未到上限,当坏死区累及足够大的前方皮质时,则会出现明显的应力升高,当坏死区累及前方皮质超过前移的重心时,该处的应力最大值并没有发生明显的继续上升的现象,这就能解释在分析相关性时,在上楼梯的应力最大值处会有“上限”的情况出现。前方的投影面积在500mm2左右时,反映上楼梯位的坏死区应力最大,当面积继续上升时,并未见明显的伴随应力上升。通过对临床上血瘀、疼痛、功能障碍、力学不稳的全面评估与探讨其中的联系,基本可以确定股骨头坏死中,“血瘀—疼痛—功能障碍—力学不稳轴”确实存在,患者的血瘀证的严重程度往往预兆着患者的坏死股骨头存在力学集中、力学不稳的情况,临床上疼通明显的患者应进一步考虑头内不稳、容易继发股骨头关节面塌陷的情况。
【学位授予单位】：广州中医药大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R274.9
【图文】：

自动计算,病历,体积,患者

图１两例患者（病历号：４８１１７３，邋４８６９０４）在Ｓｏｌ邋ｉｄｗｏｒｋｓ软件里自动计算的表与体积结果。逡逑’—、＇逦ｒ＾＼Ｋ逦ｊｊ＼逡逑Ａ逦NB逡逑．．逡逑ｔ．．逦／＾￣＾＼逦．邋＾ｆｅｌｋ逡逑＼ｍ逦Ｉ逦ｌ逦，逡逑＇‘－久、’＊“逦知＇．逡逑－．．：■：邋？．邋？■＇■逡逑

病历,投影面积,自动计算,股骨头

求出坏死区的表面积、体积（单位为ｍｍ２，ｍｍ３）。利用“参考基准面”功能，逡逑在冠状面、水平面、矢状面分别建立参考面，在该三面上紧贴坏死区几何体描绘轮廓，逡逑在利用测量功能，查询在不同参考面描绘出的几何面的面积（单位ｍｍ２）（图２）。逡逑３．邋１．１．邋６股骨头体积与头占比的计算逡逑在股骨头与股骨颈的交界的切线处标定三个点，以该三点为标志建立参考平面，逡逑以该参考平面为根据，切割股骨头与股骨颈的松质骨，该方法的好处是考虑到股骨头逡逑并非完美的球体，简单用半径拟合球形股骨头有可能会忽略男女和个体的股骨头体积逡逑差异。头占比＝坏死区体积／（股骨头松质骨＋坏死区体积）＊１００％逡逑２９逡逑

骨蚀症“血瘀-疼痛-功能障碍-力学不稳轴”的初步探究与有限元研究

图３ｆ逦图３ｇ逡逑图３ａ－ｇ．邋ｉＨＯＴ评分与坏死灶不同几何参?

【参考文献】