股骨近端良性病變不同固定方式的有限元分析及臨床應(yīng)用價(jià)值

楊朝昕，牛夢(mèng)曄，馬雅昌，曹海營(yíng)，趙景新，金 宇

(承德醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院創(chuàng)傷骨科，河北承德 067000)

骨腫瘤及良性骨病變的好發(fā)部位為人體骨生長(zhǎng)活躍處，如骨端及干骺端，腫瘤發(fā)病率從高到低依次為股骨遠(yuǎn)端、脛骨近端、肱骨遠(yuǎn)端，股骨近端發(fā)病率較低，相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道較少，但近年來(lái)發(fā)病率呈上升趨勢(shì)[1]，且該處常為惡性腫瘤及轉(zhuǎn)移瘤發(fā)生部位，供臨床醫(yī)生參考數(shù)據(jù)不足。骨良性腫瘤及病變刮除術(shù)后常需要進(jìn)行骨替代治療對(duì)病灶空洞填塞，常見(jiàn)材料為骨水泥，現(xiàn)階段臨床上應(yīng)用較多的術(shù)式有單純骨水泥填塞(術(shù)式1)、骨水泥填塞+拉力螺釘(術(shù)式2)、骨水泥填塞+解剖鋼板+鎖定螺釘(術(shù)式3)3種手術(shù)內(nèi)固定方式，這幾種手術(shù)方式可不同程度降低病灶處骨折風(fēng)險(xiǎn)，避免二次損傷，但尚無(wú)明確數(shù)據(jù)支持何種手術(shù)方式為最佳選擇，計(jì)算機(jī)生物力學(xué)分析可將不規(guī)則股骨放置在模擬環(huán)境中，分析各點(diǎn)應(yīng)力、形變，得出傳統(tǒng)力學(xué)分析中無(wú)法明確得出的數(shù)值，本文主要通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助模擬探討不同術(shù)式后股骨近端應(yīng)力分布情況，觀察術(shù)后骨表面的力學(xué)分布差異，并與正常股骨對(duì)比，通過(guò)模型對(duì)比，分析較合理的手術(shù)治療方式，為臨床醫(yī)生提供治療思路，現(xiàn)報(bào)道如下。

1 資料與方法

1.1一般資料 選取承德醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院確診為單側(cè)股骨近端良性病變且不合并其他損傷的男性患者1例，身高173 cm，體質(zhì)量70 kg，行雙側(cè)髖關(guān)節(jié)及雙側(cè)股骨全長(zhǎng)CT、磁共振成像(MRI)檢查，并對(duì)雙下肢軟組織進(jìn)行超聲檢查，排除健側(cè)肢體骨骼和軟組織良、惡性疾病及其他損傷?；颊咭蛴殷y部疼痛3個(gè)月，入院X線檢查顯示右股骨近端病變，進(jìn)一步行雙側(cè)CT、髖關(guān)節(jié)MRI檢查，病變處穿刺活檢確診為骨巨細(xì)胞瘤，相關(guān)檢查見(jiàn)圖1。該實(shí)驗(yàn)已征得受試者本人同意，并經(jīng)過(guò)承德醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院倫理委員會(huì)審查通過(guò)。

1.2方法

1.2.1建立股骨及內(nèi)固定物三維模型 將CT(TOSHIBA 64排螺旋CT，Windows10專業(yè)版64位操作系統(tǒng))掃描所得到的股骨及內(nèi)固定物數(shù)據(jù)導(dǎo)入CT數(shù)據(jù)分析軟件Mimics(購(gòu)自比利時(shí)Materialise 公司)中進(jìn)行解析，通過(guò)設(shè)定閾值、手動(dòng)填塞修復(fù)、消除等方法分別生成健側(cè)與患側(cè)的實(shí)體3D股骨近端、鋼板、螺釘模型，并對(duì)其進(jìn)行光順處理得到最終模型。

1.2.2建立病變骨刮除術(shù)后缺損模型 在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中按照患者病變實(shí)際大小模擬刮除病變，建立病變刮除后的骨缺損模型，并對(duì)缺損區(qū)域進(jìn)行三維重建模型。

1.2.3計(jì)算機(jī)模型的裝配及網(wǎng)格劃分 模型裝配和設(shè)計(jì)過(guò)程中的病變刮除范圍、鋼板和螺釘?shù)奈恢眉爸萌敕较蚓诟吣曩Y醫(yī)師指導(dǎo)下建立，將缺損骨模型、骨水泥模型、內(nèi)固定物模型分別裝配，最終建立5種三維模型(圖2)。利用3-matic軟件對(duì)三維模型行三角面片、非流形裝配、網(wǎng)格優(yōu)化、調(diào)整參數(shù)，在CT中通過(guò)灰度值，按照公式：Density=-13.4+1 017×Grayvalue，E-Modulus=-388.8+5 925×Density完成材料的彈性模量賦值，泊松比為0.3，保存模型后導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行有限元模型分析。

A：入院X線檢查；B：雙側(cè)CT檢查；C：髖關(guān)節(jié)MRI檢查；D：病理檢測(cè)(HE，×100)

圖1患者入院后相關(guān)輔助檢查

A：健側(cè)正常股骨近端模型；B：模擬病變側(cè)病變刮除術(shù)后缺損模型；C：術(shù)式1模型；D：術(shù)式2模型；E：術(shù)式3模型

圖2計(jì)算機(jī)模擬最終裝配后三維模型示圖

1.2.4有限元邊界條件及附加載荷 (1)邊界條件：①將5種模型股骨遠(yuǎn)端底部進(jìn)行約束，各節(jié)點(diǎn)所在X軸、Y軸、Z軸均無(wú)移動(dòng)；②本文將螺釘制作簡(jiǎn)化模型，故為模擬螺釘加壓效果，螺釘模型與余模型為有限滑移接觸，摩擦系數(shù)0.15，余材質(zhì)接觸均為綁定接觸。(2)附加載荷：健康成年人在水平面靜態(tài)直立時(shí)，雙側(cè)股骨形態(tài)、承受力基本一致，雙下肢所承受力大致一致，且在站立位時(shí)髖關(guān)節(jié)受力最大[2-4]，查詢相關(guān)文獻(xiàn)[5]，給予股骨頭承重面施加垂直地面向下的力2 100 N，模擬5種模型的受力情況。

1.2.5觀察指標(biāo) 定義股骨頸區(qū)域?yàn)楣晒穷^與轉(zhuǎn)子間中間部分(見(jiàn)圖3)；忽略股骨遠(yuǎn)端，以股骨近端20 cm定義為股骨表面。人體兩側(cè)股骨在正常情況下受力分布大致一致，本研究通過(guò)有限元分析軟件觀察并分析股骨病灶刮除后，未置入內(nèi)固定物的缺損模型(模型B)及置入內(nèi)固定物的模型(模型C、D、E)的應(yīng)力分布情況與健側(cè)模型(模型A)的應(yīng)力分布對(duì)比，并分析5種模型中，股骨頸區(qū)域與股骨表面應(yīng)力情況，評(píng)價(jià)股骨頭處骨折風(fēng)險(xiǎn)。術(shù)后患者復(fù)查，根據(jù)Harris評(píng)分評(píng)價(jià)患者預(yù)后情況。

2 結(jié) 果

2.1有限元數(shù)據(jù)結(jié)果 通過(guò)有限元技術(shù)對(duì)各組三維模型進(jìn)行分析最終制作出5種模型的應(yīng)力云圖，模型A：骨表面模型應(yīng)力峰值為54.24 MPa，位于股骨內(nèi)側(cè)，模型股骨頸周圍最大應(yīng)力為30.03 MPa；模型B：骨表面最大應(yīng)力為77.60 MPa，模型股骨頸周圍最大應(yīng)力為77.60 MPa，位于股骨頸下方；模型C：骨表面最大應(yīng)力為34.90 MPa，位于大轉(zhuǎn)子與骨水泥結(jié)合處，模型股骨頸周圍最大應(yīng)力為25.22 MPa；模型D：骨表面最大應(yīng)力為39.83 MPa，位于釘?shù)捞帲Ｐ凸晒穷i周圍最大應(yīng)力36.59 MPa；模型E：骨表面最大應(yīng)力為43.54 MPa，位于釘?shù)捞?，模型股骨頸周圍最大應(yīng)力24.51 MPa，見(jiàn)表1、圖4。

圖3 紅色區(qū)域?yàn)楣晒穷i區(qū)域

項(xiàng)目模型A模型B模型C模型D模型E股骨頸區(qū)域最大應(yīng)力30.0377.6025.2236.5924.51股骨表面最大應(yīng)力54.2477.6034.9039.8343.54

A:模型A受力分布；B:模型B受力分布；C:模型B股骨頸處受力情況；D:模型C受力分布；E:模型D受力分布；F:模型E受力分布

圖4 5種模型有限元分析結(jié)果

2.2手術(shù)治療及療效觀察 借鑒該技術(shù)，根據(jù)模型結(jié)果分析，并根據(jù)臨床經(jīng)驗(yàn)，最終擬病灶刮除+骨水泥填塞+鋼板、螺釘內(nèi)固定術(shù)為患者具體術(shù)式。該患者無(wú)明確手術(shù)禁忌證，并按術(shù)前計(jì)劃實(shí)施手術(shù)。麻醉成功后，術(shù)區(qū)消毒、鋪單、依此切開軟組織到達(dá)骨端，按術(shù)前計(jì)劃刮除范圍刮除病變組織，高速磨鉆擴(kuò)大范圍，無(wú)水乙醇滅活，置入骨水泥，并根據(jù)術(shù)前模擬釘?shù)雷罴盐恢眠M(jìn)行內(nèi)固定物置入，手術(shù)順利?；颊咝g(shù)后恢復(fù)順利，術(shù)后復(fù)查X線顯示內(nèi)固定物位置與術(shù)前模擬方案基本吻合。隨訪該患者至術(shù)后16個(gè)月，術(shù)后定期復(fù)查X線，肺部CT、皮下軟組織超聲，未出現(xiàn)腫瘤復(fù)發(fā)，未出現(xiàn)二次骨折現(xiàn)象，未發(fā)生手術(shù)部位退行性改變及股骨頭壞死；依據(jù)術(shù)后復(fù)查得出Harris評(píng)分(表2)，影像學(xué)資料復(fù)查均顯示內(nèi)固定物固定良好，未發(fā)現(xiàn)骨折及內(nèi)固定物斷裂情況，見(jiàn)圖5。

表2 Harris髖關(guān)節(jié)術(shù)后評(píng)分(分)

A：術(shù)后3 d復(fù)查；B：術(shù)后3個(gè)月復(fù)查；C：術(shù)后6個(gè)月復(fù)查；D：術(shù)后12個(gè)月復(fù)查；E：患者術(shù)后12個(gè)月

圖5患者髖關(guān)節(jié)術(shù)后復(fù)查情況

3 討 論

3.1骨良性病變治療選擇 骨良性病變通常采用局部病灶切除后重建手術(shù)，與惡性腫瘤相比，因其病變局限，腫瘤細(xì)胞分化程度高，異型性小，采用局部手術(shù)切除聯(lián)合輔助治療后多能獲得良好的預(yù)期效果。以前大多數(shù)研究主要針對(duì)不同手術(shù)方法在降低良性腫瘤復(fù)發(fā)率方面，由于股骨近端解剖復(fù)雜，術(shù)后受力分布不明確，研究局部穩(wěn)定性文獻(xiàn)較少，本研究通過(guò)有限元分析研究不同模型中股骨各點(diǎn)應(yīng)變化與差異，得出傳統(tǒng)力學(xué)分析中無(wú)法明確得出的數(shù)值，比較不同手術(shù)方式的穩(wěn)定性。

本研究通過(guò)有限元分析，驗(yàn)證模型B中未置入骨水泥、鋼板螺釘時(shí)，股骨受力后，股骨頸處壓力帶側(cè)出現(xiàn)高應(yīng)力集中區(qū)域，雖未達(dá)到骨的屈服應(yīng)力[6]，但易發(fā)生病理性骨折[7]，無(wú)法達(dá)到穩(wěn)定支撐效果。在置入內(nèi)植物后，置入的骨水泥、鋼板螺釘開始承受較大部分的載荷，使股骨受到的載荷減小，對(duì)抗更大載荷的緩沖增加。參照模型A，模型C、D、E均可滿足該患者日常行走需求，本研究模型骨缺損較大，針對(duì)日?；顒?dòng)需求量大的中青年患者，在模型E中置入鋼板螺釘后，股骨頸區(qū)域應(yīng)力明顯縮小，應(yīng)力數(shù)值接近健側(cè)模型數(shù)據(jù)，可作為該患者手術(shù)首選方式。除正常模型與缺損模型中應(yīng)力峰值，余下3種術(shù)式模型的應(yīng)力峰值均位于鋼板螺釘結(jié)合處及釘?shù)牢恢?，釘?shù)琅c骨質(zhì)結(jié)合處應(yīng)力數(shù)值均小于骨屈服應(yīng)力。

對(duì)于缺損范圍較小的可直接確定手術(shù)方式；對(duì)于缺損范圍不確定或刮除范圍不確定的病例，可應(yīng)用該技術(shù)測(cè)量局部骨應(yīng)力數(shù)據(jù)，選擇合理手術(shù)方式，減少過(guò)度醫(yī)療，減少手術(shù)剝離范圍大及手術(shù)時(shí)間長(zhǎng)造成的副損傷，為臨床醫(yī)師及患者提供更加信服的治療方案。在本研究模型中，由于瘤體范圍較大，刮除前后力學(xué)分布情況不能可視化，應(yīng)用有限元分析可以更加清楚受力分布。

對(duì)于刮除后存在較大區(qū)域的骨缺損患者，填塞常采用骨替代治療，到目前為止治療骨缺損的金標(biāo)準(zhǔn)仍是自體骨移植[8]，但病變復(fù)發(fā)后難以鑒別，且較難獲取足夠的自體骨，目前多采用刮除術(shù)后填塞骨水泥。由于骨水泥的抗壓能力與骨質(zhì)相比相對(duì)較低[8]，因張力帶原理，開窗刮除后單純骨水泥填塞增加骨折風(fēng)險(xiǎn)，需要額外的固定裝置即鎖定鋼板與螺釘來(lái)減少骨的應(yīng)力集中。以模型E為例，該模型以保持骨本身生物學(xué)特性為最初理念，通過(guò)解剖鋼板與鎖定螺釘固定為相對(duì)穩(wěn)定，遠(yuǎn)端螺釘橋接分散應(yīng)力，可降低骨質(zhì)斷裂的風(fēng)險(xiǎn)[9-10]，在應(yīng)力集中區(qū)域，凸顯了鎖定鋼板的重要性[11]。

3.2計(jì)算機(jī)輔助模擬生物力學(xué)分析對(duì)臨床的指導(dǎo)意義及要點(diǎn) 股骨近端骨質(zhì)分布不均，生理結(jié)構(gòu)復(fù)雜，計(jì)算機(jī)模擬力學(xué)分析較傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)具有較大優(yōu)勢(shì)，通過(guò)運(yùn)用軟件逆向重建，將病變處情況用可量化的數(shù)據(jù)展現(xiàn)，其相較于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)具有更直觀、更精確等優(yōu)勢(shì)。

與常規(guī)手術(shù)不同，計(jì)算機(jī)輔助模擬生物力學(xué)的臨床指導(dǎo)意義在于：(1)從術(shù)前開始，依據(jù)病情，應(yīng)用三維圖像制定具體方案，彌補(bǔ)了二維圖像限制，使術(shù)者術(shù)前充分了解患者病情，減少反復(fù)調(diào)整內(nèi)固定造成人為破壞骨質(zhì)及術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生率。(2)術(shù)前應(yīng)用建模軟件及有限元分析，可明確病灶的位置、刮除范圍及周圍重要結(jié)構(gòu)；通過(guò)測(cè)量選擇合適內(nèi)固定，包括鋼板及螺釘?shù)男吞?hào)、長(zhǎng)度、數(shù)量及置入方向[12]；并評(píng)估置入物術(shù)后活動(dòng)時(shí)斷裂風(fēng)險(xiǎn)。(3)在醫(yī)療水平不足時(shí)，常需要高年資醫(yī)師根據(jù)既往經(jīng)驗(yàn)對(duì)疑難疾病制訂較為合理的手術(shù)方案。且手術(shù)需要在高年資骨科醫(yī)師的指導(dǎo)下完成。有限元可以更準(zhǔn)確地提供可視化數(shù)據(jù)，通過(guò)制訂不同手術(shù)方式，選取最佳方案；骨科醫(yī)生可在軟件中反復(fù)模擬手術(shù)操作，增強(qiáng)醫(yī)師對(duì)解剖層次、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的理解，增加手術(shù)熟練度，縮短手術(shù)時(shí)間，減少出血等影響手術(shù)效果的副損傷，提高疑難疾病的手術(shù)成功率；同時(shí)結(jié)合高年資醫(yī)師臨床經(jīng)驗(yàn)，為患者疾病治療提供“雙保險(xiǎn)”。為不同年齡層次患者提供不同需求的手術(shù)方式，用合理的耗材達(dá)到比較完美的人體生物力學(xué)支撐的手術(shù)效果，為患者提供了個(gè)性化、高質(zhì)量的診療需求，并增加患者治療滿意度。

通過(guò)應(yīng)用力學(xué)模擬分析技術(shù)，總結(jié)該技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)如下：(1)在系統(tǒng)自動(dòng)完成閾值選取劃分后，初始模型往往不能達(dá)到預(yù)期模型效果，需進(jìn)一步手動(dòng)選取，需要操作者熟練掌握正常解剖結(jié)構(gòu)及層次，還原骨原有形態(tài)，以降低誤差率。(2)病變刮除范圍、內(nèi)固定裝配，磨鉆打磨深度需要在高年資醫(yī)師的指導(dǎo)下完成。根據(jù)軟件測(cè)量，避免進(jìn)入過(guò)深損傷關(guān)節(jié)面。(3)術(shù)前計(jì)算機(jī)模擬力學(xué)分析只是在理想化的環(huán)境下模擬手術(shù)，為輔助手段，具體手術(shù)方式及預(yù)后還需考慮患者年齡、是否合并其他疾病、骨密度、病變范圍、依從性等因素。(4)3種術(shù)式模型的應(yīng)力峰值均位于鋼板螺釘結(jié)合處及釘?shù)牢恢?，術(shù)后復(fù)查時(shí)應(yīng)給與關(guān)注，觀察骨與內(nèi)固定是否存在斷裂與松動(dòng)現(xiàn)象。

綜上所述，在骨良性病變治療中運(yùn)用有限元，可為該類患者提供較為合理的治療選擇，對(duì)同類疾病治療的選擇有一定的指導(dǎo)意義。本研究為個(gè)體病變，存在偶然性，不具有普遍性，且模型較為簡(jiǎn)單，忽略了人體股骨周圍肌群的力學(xué)作用，與實(shí)際情況有所差異，所以不能等同于臨床實(shí)際治療中所有患者股骨近端受力分析，有待增加患者樣本量及改進(jìn)軟件技術(shù)應(yīng)用能力進(jìn)一步觀察和研究。