有限元分析股骨頭壞死的臨床研究與進展

王宏潤, 李宏宇

(1.右江民族醫(yī)學院, 廣西 百色 533000 2.廣西壯族自治區(qū)人民醫(yī)院骨科， 廣西 南寧 530021)

股骨頭壞死作為骨科常見疾病，生物學因素和機械因素在其進展過程中導致了股骨頭塌陷，在股骨頭壞死的疾病進展過程中，一旦股骨頭發(fā)生塌陷，負重區(qū)軟骨將出現(xiàn)不可修復性壞死，最終導致不可逆損害[1]。近年來對股骨頭壞死的研究中，對機械性因素的研究主要通過生物力學研究方法，而有限元分析(finite element analysis，F(xiàn)EA)作為生物力學的分析手段，通過變分法原理求解物理模型，把復雜的髖關節(jié)劃分為有限個小單元，對其受力進行數(shù)字化分析，從而得出應力分布云圖。1972 年 Brekelmans 等于1927年已經(jīng)在骨外科領域嘗試應用有限元方法，其研究最先展示了股骨頭中心部的應力變化，從此開創(chuàng)了骨科有限元研究的先河。20世紀80年代，有限元分析能夠計算出骨骼內(nèi)部的應力分布并對應力集中進行定量分析[2]。隨著計算機技術的飛速進步，高級建模軟件及大型力學分析軟件如Mimics、 Geomagic Studio、 ANSYS、 Abaqus等的出現(xiàn)，骨骼及周圍軟組織模型越來越精細，工況的設置越來越復雜，模擬的程度越來越高，分析出來的結(jié)果也越來越接近現(xiàn)實情況。有限元分析在股骨頭壞死方面的應用主要包括建立模型、分析硬化帶的力學特性、預測塌陷、評價保髖手術力學重建效果及制定保髖手術方案等方面。骨科有限元分析過程首先要將骨骼視為實體材料，在計算機上通過影像表現(xiàn)對想要的模型進行初步建模，再對材料賦予相關材料屬性，通過靜態(tài)力學分析對模型施加應力，得出相關結(jié)論[3]。有限元分析在骨骼方面的應用主要是在面顱、脊柱、髖關節(jié)及其他四肢大關節(jié)。

1 股骨頭有限元建模過程

股骨頭壞死三維有限元模型的建立首先需要提取股骨及髖關節(jié)CT或MRI數(shù)據(jù)，使用影像科專用軟件導出DICOM格式，應用mimics(比利時Materialise公司發(fā)明的一種醫(yī)學影像控制系統(tǒng))提取出影像資料，通過閾值分割(Thresholding)、編輯蒙板(Edit masks)、區(qū)域增長(Region growing)等命令對每一層骨組織進行初步處理，仔細劃分出皮質(zhì)骨及松質(zhì)骨外殼，這一步為材料賦值打下基礎，將劃分好的模型重建成三維圖像并導入3- matic( Materialise公司出品的基于數(shù)字化 CAD的正向工程軟件)進一步做光滑，補洞等處理，其中類似椎間盤，韌帶，軟骨組織由于在CT上無法顯影，部分學者利用3-matic對這些組織進行模擬，同時3-matic的測量工具也全面的應用在有限元分析中，經(jīng)過3-matic處理好的模型以STL格式轉(zhuǎn)入geomagic(正逆向混合設計軟件)，利用反轉(zhuǎn)選取，刪除等命令處理內(nèi)部多余三角面，再將圖像進行網(wǎng)格化，逆向處理，根據(jù)具體需要，還可以應用3D設計軟件進行內(nèi)植物的裝配，再將模型導入有限元分析軟件，目前骨科公認的有限元軟件包括ansys、abaqus，在軟件中根據(jù)材料屬性對模型進行賦值，確定接觸面關系，在研究位置施加應力，以及不同角度施加應力，通過精確計算后，得出相關結(jié)論[4,5]。目前在建模方面有許多方法，根據(jù)不同的建模思路，設計個性化的分析模型是有限元分析的特色之一。

2 應力區(qū)與壞死區(qū)的有限元分析

有限元研究股骨頭應力區(qū)與壞死區(qū)主要探討機械因素在股骨頭缺血壞死中的作用，通過有限元建模，可以清晰的觀察髖臼內(nèi)部及股骨頭上表面的應力情況，以及壞死區(qū)域應力特點。J.-C. Escudier等[6]利用mimics，3-matic初步為壞死股骨頭建模，并標記最大應力區(qū)及壞死區(qū)，利用Abaqus對相關區(qū)域賦予材料屬性后分析最大應力區(qū)與壞死區(qū)的關系發(fā)現(xiàn)，通過測量最大應力區(qū)體積和相交區(qū)體積的比例N/I%和壞死區(qū)體積與相交區(qū)體積的比例S/I%，結(jié)果表明：壞死體積與相交區(qū)體積之間存在很強的負相關關系，最大應力區(qū)體積與相交區(qū)體積之間存在很強的直接相關性。壞死區(qū)<7000mm的S/I%更大。這一結(jié)論表明可以間接的證明股骨頭缺血性壞死的過程中，壞死區(qū)主要是在最大壓力區(qū)域內(nèi)發(fā)展的。對不同壞死體積分數(shù)的股骨頭進行有限元分析發(fā)現(xiàn)，當壞死體積分數(shù)為30%時，應力最大峰值位于壞死帶與應力區(qū)交界處，當壞死體積分數(shù)為50%時，應力區(qū)的最大值位于股骨頭后外側(cè)，而壞死帶應力占比明顯增高，股骨頭塌陷風險明顯增高。

3 股骨頭塌陷壞死的預測

在股骨頭壞死的病程中，股骨頭發(fā)生塌陷意味著保髖治療的失敗，在股骨頭壞死的治療期間，患者若未接受及時治療，塌陷的風險將逐漸增高，所以準確評估股骨頭塌陷的風險十分重要。精準的評判塌陷風險后，對患者進行個體化治療，使患者獲得更好的康復效果，延緩股骨頭塌陷壞死。目前在臨床上通過CT及MRI數(shù)據(jù)對股骨頭進行塌陷預測已獲得廣泛應用，但其準確性仍需要進一步研究。近年來，有限元分析股骨頭缺血性壞死近年獲得了學術界的認可，通過有限元分析法分析早期股骨頭壞死患者壞死區(qū)應力情況，從而指導早期患者的治療[7]。有限元分析用于塌陷方面的研究主要是設置不同的情景，包括不同壞死部位、壞死面積、壞死形狀等，分析股骨頭內(nèi)的應力情況，根據(jù)材料學上發(fā)生塌陷的臨界值，如塌陷值、應力/強度比值、“塌陷準則”等，來評估股骨頭塌陷的風險。應力指數(shù)(Stress Index)，即有效應力與屈服應力的比值。正常股骨頭的應力指數(shù)在0.05～0.1之間，當應力指數(shù)大于0.1就可能發(fā)生骨折。壞死骨的屈服應力為5.5MPa，換言之，當骨折發(fā)生時，骨折處的應力需大于0.55MPa。實際情況中，壞死骨、硬化帶及松質(zhì)骨的彈性模量與泊松比相差很大，這一差距導致了各個接觸面的應力分布有所不同，通過有限元建模，利用馮·米塞斯應力(Von Mises Stress)來評估壞死股骨頭軟骨下骨折區(qū)的應力分布情況，可以清晰的觀察不同截面的力學表現(xiàn)，在ANSYS中可以清晰地發(fā)現(xiàn)壞死區(qū)與壞死帶連接處的臨界壓力，從未判斷出有無塌陷風險。當導入位移情況時，同樣可以清晰地顯示股骨頭塌陷趨勢，對最終結(jié)果作出預判[8]。

4 股骨頭缺血性壞死塌陷后的有限元分析

經(jīng)過保守治療后，股骨頭發(fā)生嚴重塌陷則意味著保守治療的失敗，臨床中的大量案例表明，在股骨頭缺血壞死過程中部分塌陷是可以通過治療獲得康復的，研究表明：確診股骨頭壞死后，平均塌陷率約50%。通過對大量的缺血性股骨頭壞死患者進行流行病學調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在影像上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)股骨頭塌陷，但是并未影響患者的日常生活，查體發(fā)現(xiàn)部分患者髖關節(jié)功能良好，這部分患者通過保守治療可以正常的工作、生活，但具體髖關節(jié)的內(nèi)部情況僅僅通過影像學難以得出結(jié)論，通過有限元分析對這部分帶塌陷生存的患者進行相關研究，其壞死區(qū)僅少部分或幾乎沒有與應力區(qū)重疊，這一類患者可以積極地采取保髖治療，同時可以針對不同個體實施個體化方案，這一系列診療方式可以使這部分帶塌陷生存的患者獲得滿意的療效。通過有限元模擬日常常規(guī)動作，如慢走、正常步行、上下樓梯、單足站立、下蹲等，Wei Wei等[9]發(fā)現(xiàn)，在股骨頭表面施加應力后，股骨近端皮質(zhì)骨應力明顯高于松質(zhì)骨及壞死骨，壞死區(qū)應力主要集中在靠近松質(zhì)骨的區(qū)域，利用三維軟件模擬并設置塌陷深度1 mm、3 mm、5 mm后，最大應力分別出現(xiàn)在下樓梯、下樓梯、上樓梯三個工況下。通過比較不同工況下的最大位移值發(fā)現(xiàn)，塌陷1mm時壞死區(qū)最大位移值較小，此研究表明：上下樓梯可以導致股骨頭應力明顯增加，早期診斷的股骨頭缺血壞死患者在日常生活中盡量避免上下樓梯，如有需要，應使用助行器等輔助上下樓梯。

5 發(fā)育性髖關節(jié)脫位有限元模型的建立

隨著有限元研究在髖關節(jié)應用的不斷深入，近期已有部分學者針對發(fā)育性髖關節(jié)脫位(developmental dysplasia of the hip，DDH)做出了特殊的參考模型，并對其進行相關分析[10,11]。在治療發(fā)育性髖關節(jié)脫位的過程中，Pavlik吊帶作為年齡小于6個月DDH的首選，但治療過程中由于機械原因造成的股骨頭缺血性壞死直接導致最終治療的失敗。Vafaeian Behzad等[12]首次利用發(fā)育性髖關節(jié)脫位進行特殊結(jié)構的建模，利用 Abaqus對髖關節(jié)建模，通過該軟件特有的線性連接方式模擬髖部肌肉組織，并在相應位置設置壓力，研究中模擬股骨外展角40度、60度、80度三種狀態(tài)下關節(jié)軟骨接觸壓力時發(fā)現(xiàn)，當外展角逐漸增大，關節(jié)軟骨壓力也隨之增大，應力主要集中在髖臼后外側(cè)，當外展角達到80度時，股骨頭上表面應力明顯增大，髖臼最大應力區(qū)的受力超過骨組織屈服強度，極容易出現(xiàn)髖臼外上緣的皮質(zhì)骨塌陷，這一壓應力同時直接影響了股骨頭內(nèi)血管血流量，從而容易發(fā)生股骨頭缺血性壞死。通過對外展角的研究，調(diào)整Pavlik吊帶的臨床應用，有助于進一步完善發(fā)育性髖關節(jié)脫位的治療。

6 總 結(jié)

有限元在骨科領域的應用具有其獨特的優(yōu)勢，與傳統(tǒng)生物力學實驗相比，其建模過程方便、節(jié)約資源、力學分析結(jié)果可靠，目前利用有限元方法預測股骨頭塌陷作為新興方式，其具有獨特的優(yōu)勢。有限元應力分析的方法同時應用于模擬手術，評價術后效果，尤其在骨科領域，分析內(nèi)植物應力不僅可以判斷治療效果，而且節(jié)約了大量科研成本。在建模過程中，需要根據(jù)實際情況賦予邊界條件、材料屬性及精確網(wǎng)格化后的模型，上述步驟如果未能按照實際情況作出判斷，結(jié)果可能會產(chǎn)生偏差。早期股骨頭壞死由于其壞死區(qū)體積較小，根據(jù)影像學資料可以準確的獲得壞死區(qū)位置及體積，當滿足相應條件可以積極地進行保髖治療，但是當壞死區(qū)結(jié)構及應力表現(xiàn)已不可避免地引起股骨頭塌陷，這時可以積極地考慮行髖關節(jié)置換術。Karasuyama 等[13]通過對髖關節(jié)置換術后的股骨頭樣本進行切割，分別獲得未塌陷且無硬化帶模型，未塌陷并有硬化帶模型及已塌陷且有硬化帶模型，利用有限元發(fā)現(xiàn)未塌陷且無硬化帶模型和正常股骨頭應力，應變分布相似，病理學發(fā)現(xiàn)塌陷區(qū)破骨細胞占比較大，塌陷風險增高。結(jié)果表明：當股骨頭壞死區(qū)出現(xiàn)硬化帶，其預示著將發(fā)生壞死塌陷。在早期骨壞死中，當股骨頭壞死區(qū)出現(xiàn)硬化帶，其預示著將發(fā)生壞死塌陷，其中松質(zhì)骨對股骨近端整體有較強的支撐作用，但隨著骨壞死的進一步加重，松質(zhì)骨的支撐作用也會逐漸下降，相關區(qū)域的骨皮質(zhì)的變性往往導致屈服強度降低，股骨頭會進一步塌陷。通過有限元分析模擬對股骨近端進行力學分析可以準確的獲得股骨頭壞死后的力學分布情況，在臨床中可以更準確的預測塌陷。

7 展 望

有限元在髖關節(jié)上的應用有其獨特的優(yōu)勢，但其中也包括一些亟待解決的問題，如通過CT及MRI獲取的圖像與真實情況有一定差距，建模過程中由于細節(jié)上需要手工處理，與實際情況有所不同，建模過程涉及的軟件相對復雜，不容易掌握，目前有限元分析僅限于靜態(tài)分析，但已有部分學者利用靜態(tài)模塊在頸椎分析過程中模擬動態(tài)過程，其研究結(jié)論與生物力學實驗結(jié)論一致[14]，這表明：隨著影像科技及計算機技術的不斷提高，這些問題在不久的將來都可以解決，其精確度也會進一步提高。隨著有限元分析各項數(shù)據(jù)的不斷精細，其在骨科領域及生物力學領域的地位將不斷提高。目前的研究中，我們可以先采取有限元分析方法，再通過進行生物實驗的方式，使實驗結(jié)果更可靠。