股骨成形術(shù)預(yù)防老年髖部骨折的斷裂分析

孫文濤++++++李鵬飛++++++林梓凌++++++何祥鑫++++++李紅庚++++++魯榮貴++++++馮蓮影

[摘要] 目的 基于斷裂力學(xué)模擬股骨成形術(shù)前后股骨頸的斷裂過程，分析骨水泥干預(yù)對老年骨質(zhì)疏松性髖部骨折的療效。 方法 選取1例骨質(zhì)疏松股骨頸骨折的健側(cè)髖部CT資料以Dicom格式保存，導(dǎo)入Mimics三維建模軟件重建髖部骨骼有限元模型，將模型導(dǎo)入工程力學(xué)軟件HYPERMESH劃分網(wǎng)格、定義材料屬性、設(shè)置邊界條件，生成的為對照模型；在邊界條件不變的情況下，對股骨頸區(qū)域內(nèi)部的有限元網(wǎng)格重新定義材料屬性，生成的為實驗?zāi)Ｐ?；分別將兩個模型導(dǎo)入動力求解軟件LS-DYNA中進行運算，比較動態(tài)斷裂過程以及Von Mises云圖。 結(jié)果 對照模型股骨頸斷裂，骨折線由內(nèi)下向外上方走行，Von Mises云圖上顯示股骨頸骨折部位應(yīng)力較高；實驗?zāi)Ｐ凸晒穷i部位未見明顯骨折線，Von Mises云圖上顯示髖部骨骼周圍應(yīng)力較對照組明顯降低。 結(jié)論 從生物力學(xué)角度上，股骨成形術(shù)對于預(yù)防骨質(zhì)疏松性股骨頸骨折具有可行性、實用性，為臨床運用提供參考依據(jù)。

[關(guān)鍵詞] 股骨成形術(shù)；骨水泥；預(yù)防；骨質(zhì)疏松；髖部骨折；斷裂分析

[中圖分類號] R683 [文獻標(biāo)識碼] A [文章編號] 1673-7210（2017）07（c）-0094-03

[Abstract] Objective To analyze effect of bone cement intervention on osteoporotic hip fracture in elderly patients based on biomechanical simulation of femoral neck fracture before and after femoroplasty. Methods CT image data of one case of femoral neck fracture was collected. Mimics software was used to rebuild the three-dimensional finite element model of femoral. Model was imported in HYPERMESH software for meshing， defining material properties， setting the boundary conditions， loading the force curve and the role of points such as pre-processing， generated model for the control model. In the case of the same boundary conditions， the finite element grid inside the femoral neck region was redefined the material properties， and the generated model was selected as the experimental model. Then the two models were imported into the solver LS-DYNA software for operating respectively， then dynamic fracture processes and Von Mises cloud maps were observed. Results The Von Mises cloud showed a high stress on the femoral neck fracture. There was no obvious fracture line in the femoral neck of the experimental model， and the Von Mises cloud showed a hip bone around the hip stress was significantly lower than the control model. Conclusion From the perspective of biomechanics， femoral angioplasty is feasible and practical for the prevention of osteoporotic femoral neck fractures， and provides reference for clinical application

[Key words] Femoroplasty； Cemented； Prevention； Osteoporosis； Hip fracture； Fracture analysis

老年髖部骨折是最常見的損傷之一，隨著全球老齡化人口的增加，這一問題更加突出。在美國，與骨質(zhì)疏松性骨折相關(guān)的費用估計高達10億～20億美元/年，其中約30萬人由于髖關(guān)節(jié)骨折入院[1-3]，估計有90億美元的直接醫(yī)療費將用于髖部骨折的治療[4-5]。據(jù)推測，到2025年，全球髖骨骨折的年發(fā)病率估計將增至300萬增至1000萬[6]。顯然，預(yù)防髖部骨折對于降低發(fā)病率、死亡率和減輕社會經(jīng)濟負擔(dān)具有戰(zhàn)略性意義[7]。

骨質(zhì)疏松主要表現(xiàn)為骨小梁減少，且骨小梁的抗斷裂減弱，輕微跌倒暴力即可導(dǎo)致骨質(zhì)疏松性骨折。目前預(yù)防髖部骨折主要的措施是一方面口服刺激骨生成、抑制骨吸收的藥物[8]，另一方面適當(dāng)運動鍛煉肌肉協(xié)調(diào)性防止跌倒以及佩戴髖保護墊[9]，臨床上有取得一定療效，但仍沒達到理想的標(biāo)準(zhǔn)。因此，人們開始著手進行外科微創(chuàng)手術(shù)進行預(yù)防髖部骨折的探索，國外研究的“股骨成形術(shù)”（股骨近端骨水泥強化增強骨小梁抗壓抗剪切力）[10]，它具有與骨組織良好的結(jié)合性，并表現(xiàn)出強大的抗斷裂作用[11-13]，可有效預(yù)防髖部骨折，但其動態(tài)的斷裂力學(xué)研究國內(nèi)外尚未見報道。

團隊成員李鵬飛等[14]在髖部骨折的有限元仿真模擬中，開創(chuàng)性的運用LS-DYNA動態(tài)分析軟件模擬跌倒?fàn)顟B(tài)下的股骨頸骨折過程，并且驗證仿真度高達83%，但股骨轉(zhuǎn)子間骨折由于邊界條件的設(shè)置以及技術(shù)原因等限制尚未模擬?；诖耍疚膬H以股骨頸骨折為模型探討股骨頸局部骨水泥強化前后的斷裂過程并作相關(guān)分析。

1 材料與方法

1.1 材料

選取2016年12月11日于廣州中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院（以下簡稱“我院”）一骨科經(jīng)診斷為老年骨質(zhì)疏松性股骨頸骨折1例（女性，68歲），癥狀：左側(cè)髖部腫痛，雙髖關(guān)節(jié)正位+左側(cè)髖部側(cè)位X線片報告：左側(cè)股骨頸骨折（Garden Ⅲ型）。診斷標(biāo)準(zhǔn)：①明顯外傷史；②有髖部疼痛、腫脹、活動受限等癥狀；③腹股溝中點處壓痛、下肢縱向叩擊痛，患肢呈外旋、短縮畸形；④X線片證實股骨頸骨折。經(jīng)我院倫理委員會批準(zhǔn)并與患者簽署知情同意書后，采用GE 64排螺旋CT對右側(cè)股骨全段螺旋掃描并三維重建（患者仰臥位），然后數(shù)據(jù)以Dicom格式保存。掃描條件：掃描電壓120 kV，掃描電流250 mA，自髖臼至股骨中上段層厚2 mm，層距5 mm，每個掃描層的象素矩陣密度大小為512×512。

1.2 方法

1.2.1 實驗軟件與設(shè)備 Mimics 19.0軟件（Materialise公司，比利時），由廣州中醫(yī)藥大學(xué)國家重點學(xué)科中醫(yī)骨傷科學(xué)數(shù)字骨科與生物力學(xué)實驗室提供；GE 64排螺旋CT，由廣州中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院提供；Hypermesh 14.0軟件（Altair公司，美國），由廣州有道計算機有限公司提供；大型有限元分析軟件LS-DYNA軟件（Lstc公司，美國），由湖南大學(xué)提供。

1.2.2 三維重建 將保存的Dicom格式的影像資料導(dǎo)入Mimics19.0，通過區(qū)域增長、編輯蒙罩、Calculate 3D重建，并通過包裹、光滑等工具對模型進行光順，得到理想的髖部三維有限元模型，導(dǎo)出為igs格式文件。

1.2.3 有限元網(wǎng)格劃分與定義材料屬性、邊界條件 將igs文件在Hypermesh中進行體網(wǎng)格劃分，并參考李鵬飛等[14]的模型定義材料屬性和邊界條件模型設(shè)定好以后導(dǎo)出為對照模型。

1.2.4 骨水泥干預(yù) 新建一個單元體，參考邱興等[15]定義骨水泥的材料屬性；隱藏股骨頸表面以及股骨頭和股骨干，將股骨頸內(nèi)部的有限元網(wǎng)格通過Organize-move，使其轉(zhuǎn)移到新建的單元體，導(dǎo)出為實驗?zāi)Ｐ?。見圖1，封三。

1.2.5 運算處理 將生成的兩個模型依次在LS-DYNA中進行運算，運算結(jié)果可在Hyperview中動態(tài)展示。

1.3 觀察指標(biāo)

股骨頸骨折的裂紋走向，髖部骨骼模型的Von Mises云圖。

2 結(jié)果

對照模型在垂直股骨頭向下的壓力加載時，股骨頸斷裂并發(fā)生骨折，且骨折裂紋走向為內(nèi)下向外上方向（圖2，封三），實驗?zāi)Ｐ凸晒穷i部位未見明顯的骨折裂紋，且股骨轉(zhuǎn)子間亦無明顯骨折裂紋（圖3，封三）。比較兩種模型股骨近端的Von Mises云圖（應(yīng)力越高，云圖中顏色越鮮艷，紅色區(qū)域應(yīng)力最高，為骨折危險區(qū)），可以發(fā)現(xiàn)：在相同的載荷等邊界條件下，對照模型股骨頸部位應(yīng)力集中，為骨折斷裂區(qū)域；實驗?zāi)Ｐ凸墙耍òü晒寝D(zhuǎn)子間）應(yīng)力均較低；由此，股骨頸骨水泥填充可以有效預(yù)防骨質(zhì)疏松性股骨頸骨折，而且可以減輕股骨轉(zhuǎn)子間、股骨干等部位的應(yīng)力。見圖3～4，封三。

3 討論

張國棟等[16]根據(jù)Mimics提供的經(jīng)驗公式[17]：Density=-13.4+1017×Grayvalue，E-Modulus=-388.8+5925×Density對骨骼定義多種材料屬性（密度、彈性模量、泊松比），并驗證了10種材料屬性即可滿足有限元分析要求，但是并未劃分股骨10種材料屬性的區(qū)域。林梓凌等[18]基于靜態(tài)力學(xué)探討了區(qū)域骨密度的老年性骨質(zhì)疏松性的相關(guān)性，并建立了基于Abaqus靜態(tài)力學(xué)分析的有限元骨質(zhì)疏松，為分析老年髖部骨折奠定基礎(chǔ)。運用斷裂力學(xué)研究分析問題，要求根據(jù)失效準(zhǔn)則明確材料失效參數(shù)。然而Mimics經(jīng)驗公式尚不能定義10種材料失效參數(shù)，無法精確導(dǎo)入LS-DYNA動態(tài)力學(xué)軟件分析，因此無法精確進行骨質(zhì)疏松建模。本研究中進行簡化模型，視股骨為均質(zhì)性材料，將骨密度定義為正常骨密度的2/3進行仿真骨質(zhì)疏松模型，陳振沅[19]在有限元分析中使用該種模型模擬股骨轉(zhuǎn)子間骨折，并驗證了其有效性。

股骨成形術(shù)預(yù)防髖部骨折尚處于研究階段，因為技術(shù)的不成熟以及可能導(dǎo)致并發(fā)癥的發(fā)生，致使其尚未在臨床全面應(yīng)用。由于骨水泥填充股骨近端造成的局部壓力增大可能會出現(xiàn)微血管栓塞，以及骨水泥放熱出現(xiàn)局部骨組織壞死等并發(fā)癥的問題[13]，Sutter等[20]研究發(fā)現(xiàn)40～50 mL骨水泥填充股骨干、股骨頸、股骨頭、股骨轉(zhuǎn)子間都具有抗骨脆性骨折的作用，但是填充股骨頸部位最具有顯著性意義；通過計算機軟件編程智能化控制經(jīng)皮股骨近端骨水泥的用量與部位，可以達到增強骨密度的同時也減少了因骨水泥的熱效應(yīng)產(chǎn)生的并發(fā)癥，也只是處于初步研究階段[21]。

本文的不足之處以及改進措施：首先，僅僅只模擬了股骨頸局部骨水泥強化對于抗骨質(zhì)疏松骨折的斷裂分析，實驗尚不完整，后期再深入的基礎(chǔ)上可以進一步對股骨轉(zhuǎn)子間的骨水泥干預(yù)進行斷裂模擬，觀察其抗骨質(zhì)疏松效果；第二，填充股骨近端骨水泥的容量是股骨成形術(shù)的一個研究重點，而生物有限元無法進行精確的定量模擬，或者說以筆者現(xiàn)有的有限元技術(shù)還不能進行此類操作，股骨成形的有限元斷裂研究尚處于起步階段，隨著計算機有限元的發(fā)展以及工程力學(xué)軟件性能的提升，對骨水泥進行精準(zhǔn)定量模擬肯定能成為現(xiàn)實；第三，將股骨近端有限元模型簡化為均質(zhì)的材料屬性，運算方便快捷，然而卻忽略了Wardˊ三角區(qū)對于髖部骨折的重大意義[22]，因此，將股骨材料屬性定義精準(zhǔn)化是提高仿真度的重要一步。

[參考文獻]

[1] Elffors L. Are osteoporotic fractures due to osteoporosis？Impacts of a frailty pandemic in an aging world [J]. Aging （Milano），1998，10（3）：191-204.

[2] Ray WA，Taylor JA，Meador KG，et al. A randomized trial of a consultation service to reduce falls in nursing homes [J]. JAMA，1997，278（7）：557-562.

[3] Johnell O. The socioeconomic burden of fractures：today and in the 21st century [J]. Am J Med，1997，103（2A）：20S-25S.

[4] Stevens JA，Olson S. Reducing falls and resulting hip fractures among older women [J].MMWR Recomm Rep，2000， 5（14）：134-139.

[5] Wehren LE，Magaziner J. Hip fracture：risk factors and outcomes [J]. Curr Osteoporos Rep，2003，1（2）：78-85.

[6] Resch H，Gollob E，KudlacekS，et al. Osteoporosis in the man [J]. Wien Med Wochenschr，2001，151（18-20）：457-463.

[7] Melton LR. How many women have osteoporosis now？[J] J Bone Miner Res，1995，10（2）：175-177.

[8] 劉飛，史曉林，吳連國，等.唑來膦酸治療骨質(zhì)疏松性股骨粗隆間骨折的臨床研究[J].中國中醫(yī)骨傷科雜志，2015（9）：19-21.

[9] Kannus P，Parkkari J，Niemi S，et al. Prevention of hip fracture in elderly people with use of a hip protector [J]. N Engl J Med，2000，343（21）：1506-1513.

[10] Oden ZM，Selvitelli DM， Bouxsein ML. Effect of local density changes on the failure load of the proximal femur [J]. J Orthop Res，1999，17（5）：661-667.

[11] Courtney AC，Wachtel EF，WyersER，et al. Effects of loading rate on strength of the proximal femur [J]. Calcif Tissue Int，1994，55（1）：53-58.

[12] Beckmann J，Springorum R，VettorazziE，et al. Fracture prevention by femoroplasty--cement augmentation of the proximal femur [J]. J Orthop Res，2011，29（11）：1753-1758.

[13] Beckmann J，F(xiàn)erguson SJ，GebauerM，et al. Femoroplasty—augmentation of the proximal femur with a composite bone cement——feasibility，biomechanical properties and osteosynthesis potential [J]. Med Eng Phys，2007，29（7）：755-764.

[14] 李鵬飛，杜根發(fā)，林梓凌，等.基于LS-DYNA模擬老年股骨頸骨折的有限元分析[J].中國組織工程研究，2016， 20（44）：6606-6611.

[15] 邱興，楊圣，蘆健民，等.骨質(zhì)疏松骨折椎體及相鄰椎體骨水泥注入前后的有限元分析[J].中國組織工程研究，2013，17（17）：3041-3048.

[16] 張國棟，廖維靖，陶圣祥，等.股骨頸有限元分析的賦材料屬性方法探討及有效性驗證[J].中國組織工程研究與臨床康復(fù)，2009，13（52）：10263-10268.

[17] Hobatho MC，Rho JY，Ashman RB. Anatomical variation of human cancellous bone mechanical properties in vitro [J]. Stud Health Technol Inform，1997，40（40）：157-173.

[18] 林梓凌，李鵬飛，龐智暉，等.骨密度與老年髖部骨折股骨近端三維有限元模型密度的關(guān)系[J].中國老年學(xué)雜志，2015，35（11）：3069-3070.

[19] 陳振沅.股骨轉(zhuǎn)子部骨折六部分骨折分型產(chǎn)生機制的有限元分析[D].遵義：遵義醫(yī)學(xué)院，2015.

[20] Sutter EG，Mears SC，Belkoff SM. Abiomechanical evaluation of femoroplasty under simulated fall conditions [J]. Orthop Trauma，2010，24（2）：95-99.

[21] Santana AM，Venetsanos DT. A new evolutionary optimization method for osteoporotic bone augmentation [J]. Comput Methods Biomech Biomed Engin，2017，20（7）：691-700.

[22] 唐瀟，錢競光，宋雅偉，等.股骨頸頸干角、骨密度與股骨頸骨折的關(guān)聯(lián)分析[J].南京體育學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2006，5（1）：29-32.