預防股骨頭壞死塌陷的內置物設計及有限元分析

毛瑞 郝鵬 黃鑫 羅艷

0 引言

盡管目前對股骨頭壞死的臨床治療沒有一種公認的理想治療方式，但早期治療以延緩股骨頭塌陷、保留股骨頭結構為主要目的。髓芯減壓結合鉭棒植入是一種常用的早期壞死治療方法，其設計原理是通過金屬鉭棒對軟骨下骨提供力學支撐，降低骨內壓力，同時利用其多孔特點保證股骨頭的血流[1-3]。理論上鉭棒植入為壞死區(qū)的骨修復提供了條件，但臨床跟蹤隨訪表明鉭棒植入的治療效果并不穩(wěn)定，尤其對大范圍壞死的患者，保髖成功率并不理想，有分析認為手術失敗的主要原因之一是鉭棒對軟骨下骨的機械支撐不足[4-6]。

近年來，研究人員設計了新型的機械支撐裝置例如超彈性籠植入物、傘形骨架記憶合金支撐裝置等，這些支撐裝置前端具有金屬絲或桿結構，在進入股骨頭刮除區(qū)后展開成膨大的骨架結構，擴大了支撐范圍，但由于軟骨下骨通過金屬絲或桿有限的表面區(qū)域進行接觸支撐，同時金屬絲或桿強度不足，容易出現(xiàn)變形松動的現(xiàn)象，影響治療效果[7-11]。基于上述問題，本研究針對股骨頭壞死但未發(fā)生塌陷的早期病程，設計一種帽形股骨頭內置物，擴大支撐接觸面積，并采用有限元仿真模擬方法分析術后遠期理想愈合情況下該帽形內置物對股骨的力學影響，評估其在臨床應用的前景。

1 材料及方法

1.1 股骨內支撐植入物設計和制造

根據(jù)股骨的球形受力區(qū)域和載荷傳遞路徑，本文設計的股骨內置物由展開的弧形帽和柱形柄部組成，見圖1(a)?；⌒蚊鄙媳砻媾c股骨頭球形結構相適應，弧面半徑22 mm，展開直徑24.5 mm，帽厚度4 mm。為促進植入后骨長入同時避免出現(xiàn)應力遮擋，弧形帽采用曲面形多孔結構[12]，采用選擇性激光熔融技術(selective laser melting,SLM)3D打印技術(湖南華曙高科技股份有限公司，F(xiàn)S271M，中國)制造，孔隙率65%。柄部采用與鉭棒或籠支架類似的柱形結構，直徑10 mm，采用實心金屬結構以傳遞載荷。為滿足內置物帽植入通道尺寸要求，選擇股骨頭外前側入路，柄部長度為26 mm，以降低手術創(chuàng)口尺寸。材料選用生物相容性較好的Ti-6Al-4V鈦合金。

1.2 股骨內支撐內置物的有限元模型分析

1.2.1 幾何模型構建

選取1名成年男性志愿者(年齡35歲，體質量70 kg)右側健康股骨的CT掃描圖像(設備型號：Revolution 256；品牌：GE；層厚：1 mm)，將CT圖像導入Mimics 19.0、Geomagic Studio 2013軟件進行重建和去噪處理，建立正常股骨頭三維實體模型。

內置物幾何模型采用三維機械設計軟件Solidworks 2019建立，然后在一名經(jīng)驗豐富的骨科醫(yī)生的指導下確定植入位置，其中內置物弧形帽對應股骨頭表面方向，柄部尾端位于股骨頸部，通過布爾操作獲得術后股骨頭結構。

采用ABAQUS/CAE 6.14分別對正常股骨模型和術后模型采用二階四面體單元劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸約1.5 mm，其中正常股骨頭模型共劃分299 710個節(jié)點和210 870網(wǎng)格單元，術后模型共劃分347 979個節(jié)點和243 777網(wǎng)格單元。

1.2.2 材料屬性

骨組織材料采用線彈性的異質材料，利用文獻描述的CT灰度值-彈性模量經(jīng)驗公式[13-15]計算獲取彈性模塊，見表1。將模型導入Mimics軟件，根據(jù)股骨CT圖像灰度值計算骨表觀密度并進一步計算獲得對應的彈性模量，對相應模型區(qū)域賦予材料屬性。骨組織模型共劃分15個彈性材料區(qū)域，泊松比為0.3。

表1 模型材料屬性Table 1 Material properties of finite element

內置物為各項同性、均勻的線彈性材料，根據(jù)Liu等[12]對曲面形結構多孔材料力學性能的測試實驗結果，弧形帽等效彈性模量為1 365 MPa，柄部彈性模量為111.13 GPa，泊松比均為0.3。

1.2.3 邊界條件

邊界條件賦值模擬雙足站立生理載荷條件，正常和內置物植入術后股骨頭加載的關節(jié)反作用力均為1 621 N，外展肌1 060 N。約束條件為股骨遠端固定，見圖1(b)。

圖1 股骨頭內置物結構和模型加載設置Figure 1 Implant structure used in the femoral head and the conditions imposed on the model

植入時在內置物周圍用自體骨夯實填充，本研究假設術后遠期進行了理想愈合，將內置物與骨組織之間綁定約束[16-17]，分別計算未處理的正常股骨頭模型和術后股骨頭模型的應力分布情況。

1.3 評價指標

為了探討內置物植入后對股骨頭的支撐效果和對其他區(qū)域的力學影響，本研究中擬分析內置物帽下區(qū)域、股骨頸、股骨粗隆、股骨骨干以及內置物的Von Mises應力分布[18]。其中內置物帽下區(qū)域、股骨粗隆和股骨骨干位置的應力采用5個相鄰節(jié)點的Von Mises應力平均值表示，運用SPSS 20.0軟件對術前、術后節(jié)點應力進行獨立樣本t檢驗，P<0.05認為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 有限元模型的驗證

對正常股骨頭計算結果顯示，雙足站立載荷下股骨頸部上側受拉、下側受壓，頸部上方應力峰值為19.16 MPa，下方應力峰值為34.17 MPa，與文獻報道的正常股骨頭應力分布具有一致性[19-21]，認為本研究建立的模型有效。

2.2 股骨應力分布

植入本研究設計的內置物后，股骨下方頸部區(qū)域的應力有所增加，峰值為35.31 MPa；股骨頭上方頸部區(qū)域應力峰值降低至17.32 MPa。股骨頸部與植入物柄部末端接觸區(qū)域的應力水平為8.47～15.17 MPa，正常股骨頸對應區(qū)域的應力范圍是5.68～10.88 MPa，植入內置物后股骨頸部區(qū)域的應力水平明顯升高。

在冠狀面上，分別對正常股骨頭模型和術后股骨頭模型相同位置處各截取5個Von Mises 應力剖面圖，如圖2所示，可以看出，在內置物植入?yún)^(qū)域周圍，股骨頭內部空間應力分布發(fā)生變化；在水平面上的應力分布剖面圖也表明股骨頭內部的應力重新分布，見圖3?？梢妰戎梦锔淖兞斯晒穷^內部的應力分布和載荷傳遞路徑。為獲取弧形帽下區(qū)域應力變化的具體情況，分別在術后模型和正常股骨頭模型中，在弧形帽下方、柄部外部周圍3個方位上選取3組位置A、B、C，取上述位置5個相鄰節(jié)點應力的平均值作為每組位置應力值，如表2所示，可以看出放入內置物后弧形帽下方區(qū)域的應力有顯著性差異(P<0.05)，術后應力值低于正常模型?？梢妰戎梦锬軌蚪档兔毕聟^(qū)域骨組織的應力水平。

A1—A5為正常股骨頭不同冠狀剖面應力云圖；B1—B5為植入術后遠期不同冠狀剖面應力云圖(剖面位置從左到右依次為：53%、47%、45%、42%、37%)。圖2 正常及植入術后股骨不同冠狀剖面應力分布情況Figure 2 Multiple coronal sectional views of Von Mises stress distributions before and after operation

A—正常股骨頭；B— 植入術后股骨頭(剖面位置：60%)。圖3 正常股骨頭及植入術后股骨頭水平剖面應力分布情況Figure 3 Horizontal cross-sectional view of Von Mises stress distributions of the femoral head before and after operation

表2 術后股骨頭模型和正常股骨頭模型不同位置應力值Table 2 Von Mises values of different positions of the femur models before and after operation

同樣的，分別在術后模型和正常股骨頭模型中股骨粗隆、股骨干內側、外側確定位置D、E、F并獲取應力平均值，結果顯示應力水平?jīng)]有顯著性差異(P>0.05)?？梢妰戎梦锏闹踩雽晒穷^下方結構的影響較小，沒有產(chǎn)生應力遮擋現(xiàn)象，不會影響后期可能需要的髖關節(jié)置換治療。

2.3 內置物應力分布

內置物應力分布如圖4所示?；⌒蚊鄙媳砻鎽χ禐?.21～2.18 MPa，下表面與柄部交界區(qū)域應力增加，為2.68～3.58 MPa。內置物柄部的應力水平基本在25 MPa以內，高于弧形帽面應力水平，峰值位于柄部末端區(qū)域與股骨頸下方接觸的地方，為53.05 MPa?？梢姳磕┒耸艿焦晒穷i部下方骨組織的擠壓支撐，能夠形成力學穩(wěn)固結構，避免在軸向方向上產(chǎn)生微動。

3 討論與結論

股骨頭壞死發(fā)病機制雖然尚不明確，但病情的進展和癥狀表現(xiàn)與生物力學因素有著密切的關系[22]。有限元力學仿真被廣泛應用于股骨頭壞死治療效果預測研究中，輔助臨床決策[18,23]。本研究采用個體CT圖像并基于灰度值賦值材質的方法建立了有效的分析模型[14]，計算植入內置物后的遠期結構對股骨頭的力學影響，以預測內置物的臨床療效，并對結構的設計優(yōu)化提供反饋。

在股骨頭壞死早期，由于血供受損導致局部骨組織壞死，壞死骨的力學強度和應力水平顯著下降，壞死區(qū)與正常區(qū)邊界處出現(xiàn)應力集中，在此新生修復組織的力學性能不足以承擔負荷，從而微骨折現(xiàn)象不斷積累且得不到及時的修復，最終引起股骨頭塌陷[22,24]?；谏鲜鲈?，早期治療時為負重區(qū)軟骨下骨提供足夠的支撐并降低骨內應力是防止結構塌陷、促進組織修復過程的基礎。本研究設計的內置物植入后弧形帽下方骨組織應力降低22.5%～29.3%，說明在理想愈合情況下內置物能夠降低股骨頭內部應力水平，對股骨頭提供了確切支撐，為壞死修復提供了有利的力學環(huán)境，能夠延緩塌陷進程。盡管鉭棒植入治療后股骨頭應力水平也有降低的趨勢[3,25]，但在壞死范圍較大(壞死區(qū)域中心角≥120°)時，由于鉭棒不足以填充全部壞死刮除區(qū)且剩余區(qū)域填充的組織難以與鉭棒緊密整合，從而在端部區(qū)域出現(xiàn)應力集中，造成手術失敗[4-6]。本研究中內置物弧形帽展開半徑22 mm，能夠填充更多壞死刮除空腔并支撐軟骨下骨，有望應用于大范圍壞死的病例。同時，由于弧形帽采用3D打印技術制作，能夠個性化設計，幾何外形可以根據(jù)不同個體的股骨頭尺寸定制[26]，從而能夠匹配壞死灶大小和位置進行針對性的減壓。

圖4 內置物應力分布Figure 4 Von Mises stress distributions of the implant

計算表明內置物的應力峰值出現(xiàn)在柄部末端，遠低于實心鈦合金柄部的屈服應力，不會在體內發(fā)生破壞斷裂情況。在股骨頸部區(qū)域，術后頸部下方應力峰值增大但增加幅度僅為3.3%，仍然遠低于皮質骨的極限應力[19]。盡管計算結果表明植入后股骨頸應力處于安全范圍，但由于在日?；顒又泄晒穷^可能承受數(shù)倍于平衡站立下的載荷，可能導致附近的股骨頸組織出現(xiàn)應力集中，增加骨折風險[18-19]，因此在進一步研究中應考慮優(yōu)化結構設計。

此外，盡管本研究得出的積極的結果是針對正常股骨頭植入術前術后的力學表現(xiàn)對比得出的，但根據(jù)報道，采用壞死股骨頭或正常股骨頭模型對比術前術后生理力學表現(xiàn)，其變化趨勢一致[27]，因此課題組有理由預測在股骨頭壞死早期的治療中，該內置物對降低壞死邊界繼續(xù)擴大的風險水平有積極意義。

在手術入口方面，本研究設計內置物將選擇從股骨頭外前側開口，相比于傳統(tǒng)的髓芯減壓和鉭棒植入術的開孔位置，該區(qū)域由于受壓而對股骨結構強度的影響更小[27]。但由于手術開口孔徑尺寸影響術后短期股骨頭應力分布[19,28]，如何合理設置支撐接觸面積和手術通道孔徑需要進一步的研究。

綜上，本研究通過有限元分析從生物力學角度探討了所設計的股骨頭內置物在植入術后遠期對股骨頭的影響，結果表明內置物能夠形成穩(wěn)固結構支撐軟骨下骨，降低股骨頭內部應力水平，預防股骨頭塌陷，為未來的臨床應用提供了理論基礎。進一步的研究將涉及內置物柄部結構及手術方式優(yōu)化和動物實驗評估。