基于有限元分析3D重建技術(shù)在髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中的應(yīng)用*

胡華平 彭炳龍 文毅英 敖沸 楊慧文

全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)是目前臨床中廣泛應(yīng)用的手術(shù)方案之一，其在臨床中廣泛應(yīng)用于創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎、股骨頭壞死、強直性脊柱炎、先天性髖關(guān)節(jié)脫位、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等關(guān)節(jié)疾病患者的治療中[1]。隨著我國經(jīng)濟及醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展，全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)在我國臨床實踐應(yīng)用過程中出現(xiàn)并逐漸受到人們的廣泛關(guān)注[2]。人工全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)在臨床實踐過程中存在術(shù)后假體松動等缺點，其也是目前臨床中最為常見的問題，其中力學(xué)因素和生物因素均是導(dǎo)致假體松動的主要原因之一[3]。有限元分析是近年來受到人們廣泛關(guān)注的技術(shù)方案，其主要通過連續(xù)求解區(qū)域行離散后組成有限個特定方式連接的單元組合體，對不同幾何形狀求解區(qū)進行模型，并對每個單元的力學(xué)情況進行綜合分析后再行整體分析[4]。有限元分析屬于經(jīng)典的數(shù)值分析，在工程學(xué)多個領(lǐng)域中均得以廣泛應(yīng)用，其在處理復(fù)雜物體力學(xué)方面具有明確的優(yōu)越性，并在臨床中逐漸受到骨科醫(yī)師的重視。近年來隨著影像學(xué)技術(shù)、3D 重建技術(shù)等日臻成熟，髖關(guān)節(jié)的有限元力學(xué)分析計算也得以長足發(fā)展，并在臨床中充分證實了其科學(xué)性和實用性[5]。因此本研究擬分析基于有限元分析3D 重建技術(shù)在髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中的應(yīng)用價值。

1 資料與方法

1.1 一般資料 回顧性分析2019 年1 月-2021 年10 月萍鄉(xiāng)市人民醫(yī)院收治的80 例行髖關(guān)節(jié)置換術(shù)患者的臨床資料，其中2019 年1 月-2020 年6 月43 例采用全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)治療的患者為對照組，2020 年7 月-2021 年10 月37 例采用基于有限元分析3D 重建技術(shù)的髖關(guān)節(jié)置換術(shù)患者為觀察組。納入標準：（1）患者均行髖關(guān)節(jié)置換術(shù)治療；（2）臨床資料完整。排除標準：（1）合并腫瘤；（2）合并臟器嚴重惡性器質(zhì)性疾病。本研究經(jīng)本院倫理委員會審議批準。

1.2 方法 本研究中所有患者均在手術(shù)前行骨盆正位X 線片掃描檢查，采用CT 平掃及3D 重建行髖關(guān)節(jié)處理，獲取髖關(guān)節(jié)連續(xù)性斷層數(shù)據(jù)后進行存儲，使用Mimics 10.0 軟件數(shù)字化三維重建，確定假體型號和大小。觀察組在對照組的基礎(chǔ)上完成3D 重建后行有限元分析，使用Geomagic Studio 軟件打開數(shù)據(jù)，并對3D 模型進行光滑和優(yōu)化處理，生成擬合曲面，并通過擬合曲面導(dǎo)出幾何模型。模型使用Solid Works 打開，后利用軟件行曲面診斷，有效識別模型特征并對模型進行修復(fù)，建立假體特征/曲面模塊模型，并保存文件。使用ANSYS 有限元分析軟件打開幾何模型，依照骨質(zhì)參數(shù)及假體材料賦值，并建立3D 有限元模型并進行分析，通過有限元分析對手術(shù)方案及假體進行優(yōu)化，提升假體在不同應(yīng)力條件下的整體力學(xué)特征，并基于應(yīng)力特點進行定向優(yōu)化。

本研究中所有患者均在入組后由同一組醫(yī)師進行手術(shù)操作，患者行吸入式全身麻醉方案干預(yù)，取側(cè)臥位，固定骨盆，后外側(cè)入路行12～18 cm 切口，臀大肌鈍性分離，剝離表面脂肪組織，切斷大轉(zhuǎn)子止點處，后呈倒T 形將關(guān)節(jié)囊切開，脫位髖關(guān)節(jié)充分顯露，截骨平面標記，截骨后封閉，重建髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心解剖位置，適當松解闊筋膜，保留骨量。髖臼頂上緣使用兩枚螺釘固定，安裝假體，將試模假體取出，并植入相應(yīng)型號假體或經(jīng)有限元分析后優(yōu)化結(jié)構(gòu)的假體，穩(wěn)定后填塞松質(zhì)骨泥，清創(chuàng)并留置引流管。

1.3 觀察指標及判定標準（1）比較兩組術(shù)中出血量、手術(shù)時間、術(shù)后健側(cè)和患側(cè)下肢長度差。（2）術(shù)后3 個月對患者行髖關(guān)節(jié)X 線掃描檢查，評估受試者植骨愈合、假體位置等情況，其中植骨處達到融合則判定為植骨愈合，利用X 線掃描檢查和分析假體位置。（3）比較兩組髖關(guān)節(jié)功能（Harris）評分情況，依照患者Harris 評分進行療效評估，共包括優(yōu)良中差四級，滿分100分，≥85 分以上為優(yōu)，70～84 分記為良，60～69 分記為中，≤59 分以下為差。

1.4 統(tǒng)計學(xué)處理 利用SPSS 20.0 行統(tǒng)計學(xué)分析，計量資料用（）表示，組間比較采用獨立樣本t檢驗，組內(nèi)比較采用配對t檢驗；計數(shù)資料以率（%）表示，比較采用χ2檢驗；等級資料比較采用秩和檢驗。P＜0.05 為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 兩組一般資料比較 對照組男19例，女24 例；年齡（49.38±7.40）歲；Crowe 分型：Ⅰ型5例，Ⅱ型23例，Ⅲ型13例，Ⅳ型2 例；患肢較健側(cè)下肢縮短（3.23±1.02）cm，原發(fā)性退行性骨關(guān)節(jié)炎共22例，股骨頭缺血性壞死18例，其他3 例。觀察組男16例，女21 例；年齡（50.01±8.08）歲；Crowe 分型：Ⅰ型2例，Ⅱ型21例，Ⅲ型13例，Ⅳ型1例，患肢較健側(cè)下肢縮短（3.25±1.13）cm，原發(fā)性退行性骨關(guān)節(jié)炎共15例，股骨頭缺血性壞死20例，其他2 例。兩組一般資料比較，差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05），具有可比性。

2.2 兩組手術(shù)指標比較 觀察組術(shù)中出血量少于對照組，手術(shù)時間短于對照組，術(shù)后健側(cè)和患側(cè)下肢長度差均低于對照組（P＜0.05），見表1。

表1 兩組手術(shù)指標比較（）

表1 兩組手術(shù)指標比較（）

2.3 兩組植骨愈合率和假體位置吻合率比較 觀察組植骨愈合率和假體位置吻合率均高于對照組（P＜0.05），見表2。

表2 兩組植骨愈合率和假體位置吻合率比較[例（%）]

2.4 兩組Harris 評分比較 術(shù)前，兩組Harris 評分比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。術(shù)后，兩組Harris 評分均高于術(shù)前，且觀察組高于對照組（P＜0.05）。見表3。

表3 兩組Harris評分比較[分，（）]

表3 兩組Harris評分比較[分，（）]

2.5 兩組療效比較 觀察組臨床療效優(yōu)于對照組（U=12.099，P＜0.05），見表4。

表4 兩組療效比較[例（%）]

3 討論

一般情況下，在臨床應(yīng)用中髖關(guān)節(jié)置換術(shù)成本較低，且患者術(shù)后安全及術(shù)后恢復(fù)均較為理想[6]。有研究指出，假體無菌松動是導(dǎo)致臨床髖關(guān)節(jié)置換翻修的主要原因，且與患者假體消耗磨損關(guān)系密切[7]。因此通過對假體進行必要的術(shù)前模擬可有效避免術(shù)后出現(xiàn)過度消耗，降低磨損，確定假體最小負荷及最佳受力方向，以有效滿足患者需求。分析植入假體的受力情況，需對力的方向和大小進行分析，而常規(guī)的術(shù)前查找力的特征仍可能導(dǎo)致患者出現(xiàn)特定風(fēng)險[8]。臨床中還需充分考慮多種標準條件，如運動力量、幅度及范圍，對特異性目標區(qū)進行分析計算[9]。通過力學(xué)分析可有效確定手術(shù)前最大手術(shù)誤差，盡可能降低髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)風(fēng)險，由于人體數(shù)據(jù)龐大采用常規(guī)仿真計算需消耗大量的時間，因此可依靠計算機強大的計算能力行有限元計算和仿真[10]。采用3D 重建模型的有限元分析可提供醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)支持，目前在髖骨方面有限元方法并無法有效分析。通過構(gòu)建基于3D 重建的髖關(guān)節(jié)模型開展有限元分析，可有效分析和比較模型的受力情況和應(yīng)力分布，設(shè)計出符合患者髖關(guān)節(jié)磨損程度的假體模型，有助于髖關(guān)節(jié)假體的生物力學(xué)功能分析[11]。

通過有限元分析認為，相較于單軸椎弓根釘固定，采用多軸固定可顯著降低相鄰椎間盤內(nèi)壓力，且隨訪追蹤結(jié)果是多軸固定患者相鄰節(jié)段退行性病變臨床發(fā)生率也更低[12]。有研究應(yīng)用有限元應(yīng)力分析非骨水泥型股骨柄周圍應(yīng)力分布情況發(fā)現(xiàn)，其與骨密度呈良好相關(guān)性[13-14]。股骨柄假體與骨界面應(yīng)力則在采用置換術(shù)干預(yù)后主要集中于下端，且內(nèi)側(cè)壁應(yīng)力集中出現(xiàn)，并表現(xiàn)出明顯的應(yīng)力峰值[15-16]。全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)是治療髖關(guān)節(jié)終末期疾病的主要方法，在手術(shù)過程中為有效利用假體獲取足夠的骨性覆蓋，常采用髖臼假體內(nèi)移方法對患者進行干預(yù)，可有效建立髖關(guān)節(jié)力學(xué)平衡[17-18]。

觀察組術(shù)中出血量少于對照組，手術(shù)時間短于對照組，術(shù)后健側(cè)和患側(cè)下肢長度差均低于對照組（P＜0.05），觀察組植骨愈合率和假體位置吻合率均高于對照組（P＜0.05）。術(shù)后，兩組Harris 評分均高于術(shù)前，且觀察組高于對照組（P＜0.05）。通過基于有限元分析3D 重建技術(shù)對髖關(guān)節(jié)置換術(shù)患者進行干預(yù)，可有效量化分析應(yīng)力改變情況，并依照相應(yīng)數(shù)據(jù)對假體進行調(diào)整，分析模型中多點應(yīng)力數(shù)據(jù)及應(yīng)力離散程度，有效分析骨界面-假體應(yīng)力分布均勻程度，避免應(yīng)力過度集中于某一部分導(dǎo)致該部分出現(xiàn)骨機械性結(jié)構(gòu)受損而引起假體松動或移位。此外，通過基于有限元分析3D 重建技術(shù)的分析，在有效降低局部應(yīng)力的同時實現(xiàn)有效維持正常骨量的應(yīng)力刺激，避免出現(xiàn)骨吸收和骨溶解，降低假體松動概率，改善骨界面應(yīng)力分布，避免假體松動，提高假體-骨界面應(yīng)力分布均勻程度，降低臼緣與股骨頸撞擊風(fēng)險[19]。

綜上所述，基于有限元分析3D 重建技術(shù)在髖關(guān)節(jié)置換術(shù)應(yīng)用過程中可有效分析假體-骨界面的應(yīng)力特征，并利用有限元分析的應(yīng)力特征對假體進行再優(yōu)化設(shè)計，顯著提升髖關(guān)節(jié)置換術(shù)的臨床應(yīng)用質(zhì)量。