股骨头坏死区钽棒置入前后应力分布的三维有限元分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.26.013

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

钽棒置入：钽金属又被成为“骨小梁金属”，其结构与松质骨相似，有利于骨及周围的软组织伸入，有利于注入股骨头坏死骨后的初期稳定性，有足够的机械强度，能够起到很好的支撑作用。有研究发现钽棒置入股骨头坏死区域后可能降低股骨头坏死区的应力值，并且具有良好的机械稳定性。

髓芯减压：股骨头坏死主要是因为股骨头近端压力较高，导致组织水肿和局部供血不足，导致股骨头持续缺血缺氧，从而出现坏死，髓芯减压是通过减轻骨髓内压力，减轻骨组织水肿，缓解血流不畅状态。髓芯减压因操作简单，术后恢复快，不良反应少等优点，是目前治疗早期股骨头坏死的主要方法，其有效率可达80%以上。

摘要

背景：钽金属棒置入是修复早期股骨头坏死的新方法。目前关于钽棒置入不同大小股骨头坏死灶区前后应力分布的研究不多。

目的：采用三维有限元法分析钽棒置入不同大小股骨头坏死灶区前后的应力分布。

方法：创建正常股骨头三维有限元模型以及直径分别为15，20和30 mm的坏死灶股骨头三维有限元模型。每个坏死灶模型选取两个层面8个测量点，测定每个点在钽棒置入前后的应力分布，比较其变化情况。

结果与结论：①不同大小坏死灶的股骨头模型均在不同位置产生应力集中，其中30 mm最明显；②各个坏死灶测量点的应力在置入钽棒后均有所下降，其中15 mm坏死灶的应力下降最明显，30 mm的坏死灶其次，20 mm的坏死灶下降最少；③结果提示，坏死灶越大的股骨头所产生的应力集中越明显，越容易塌陷。钽棒置入可以延缓股骨头坏死的发展，坏死灶越小修复效果越好。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

ORCID: 0000-0002-7645-4303(朱刚)

关键词: 骨科植入物, 数字化骨科, 股骨头坏死, 塌陷, 坏死灶, 钽棒置入, 三维有限元分析

Abstract:

BACKGROUND: Tantalum rod implant technology is a new method of early osteonecrosis treatment. Current research on stress distribution before and after tantalum rod implant in different sizes of femoral head necrosis area is few.

OBJECTIVE: To analyze the stress distribution before and after tantalum rod implantation in different sizes of necrotic femoral head area using three-dimensional finite element method.

METHODS: Three-dimensional finite element models of normal femoral head and necrotic femoral head of 15, 20 and 30 mm diameter were constructed. Eight measuring points were chosen on two tiers of each necrotic model to detect the stress distribution and its alteration before and after tantalum rod implantation.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) Stress concentration were found on every necrotic femoral head, most pronounced on the one with 30 mm lesion. (2) Tantalum implant appeared to reduce the stress concentration generally. Comparison of the peak points of these models indicated most significant benefit in 15 mm lesion, next in 30 mm lesion, last in 20 mm lesion. (3) Results indicate that larger lesion entails more concentrated stress distribution and more likely to collapse. Tantalum rod implantation can delay the development of necrosis of the femoral head, and is most effective in small lesion.
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

Key words: Femur Head Necrosis, Finite Element Analysis, Biomechanics, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

朱刚，张立贵，郑重，徐明杰，杨明. 股骨头坏死区钽棒置入前后应力分布的三维有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2016, 20(26): 3883-3889.

Zhu Gang, Zhang Li-gui, Zheng Zhong, Xu Ming-jie, Yang Ming. Three-dimensional finite element analysis of stress distribution in necrotic femoral head before and after tantalum rod implantation[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2016, 20(26): 3883-3889.

图/表（结果） 7

2.1 正常股骨头所取节点的应力值情况 文章主要分析股骨头坏死区的病变情况，因此选择股骨头反力进行分析。由表1可以看出，在正常股骨头表面(第一层)，第5观察点的峰值为74.60 MPa，为应力集中点；在第二层，第3观察点峰值为23.74 MPa，为应力集中点。

2.2 坏死灶直径15 mm所取节点的应力值 由表2可以看出，加入15 mm坏死病灶后，在股骨头表面(第一层)，第6观察点的峰值76.53 MPa，为应力集中点；在第二层，第6观察点峰值为13.94 MPa，为应力集中点。

2.3 坏死灶直径20 mm所取节点的应力值 由表3可以看出，加入20 mm坏死病灶后，在股骨头表面(第一层)，第6观察点的峰值79.66 MPa，为应力集中点；在第二层，第6观察点峰值为36.22 MPa，为应力集中点。

2.4 死灶直径30 mm所取节点的应力值 由表4可以看出，加入30 mm坏死病灶后，在股骨头表面(第一层)，第6观察点的峰值91.32 MPa，为应力集中点；在第二层，第4观察点峰值为36.15 MPa，为应力集中点。

2.5 坏死灶直径15 mm、加支撑骨模型所取节点的应力值 由表5可以看出，坏死灶直径15 mm，加入钽棒后，在股骨头表面(第一层)，应力集中点位值仍为第6观察点，其峰值59.95 MPa，较未加钽棒前降低；在第二层，应力集中点位值仍为第6观察点，其峰值30.74 MPa。

2.6 坏死灶直径20 mm、加支撑骨模型所取节点的应力值 由表6可以看出，坏死灶直径20 mm，加入钽棒后，在股骨头表面(第一层)，应力集中点位值仍为第6观察点，其峰值78.35 MPa，较未加钽棒前有所降低；在第二层，应力集中点位值仍为第6观察点，其峰值32.52 MPa。

2.7 坏死灶直径30 mm、加支撑骨模型所取节点的应力值 由表7可以看出，坏死灶直径30 mm，加入钽棒后，在股骨头表面(第一层)，应力集中点位值仍为第6观察点，其峰值78.35 MPa，较未加钽棒前有所降低；在第二层，应力集中点位值为第5观察点，其峰值降为22.61 MPa。

2.8 股骨头表面应力均值情况比较 由上述结果可见，坏死股骨头的平均应力值均较正常股骨头的平均应力值升高，加入钽棒后，3种坏死灶的股骨头表面应力平均值均下降，其中15 mm和30 mm坏死灶股骨头加入钽棒后平均应力与未加入前比较差异有显著性意义(P < 0.05)，见表8。

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引言

材料方法

1.1 设计 三维有限元分析实验。

1.2 时间及地点 于2013年3月至2014年9月在郑州大学第五附属医院骨科实验室完成。

1.3 材料

1.3.1 设备及材料 CT机由德国Siemens公司提供；计算机工作站Windows 7 Home Premium操作系统提供；金属钽棒由Zimmer公司提供。

1.3.2 软件划分有限元网格的HyperMesh 10.0(美国Altair公司)；建立三角网格模型的Simpleware 2.0(英国Simpkware公司)；建立和进行力学分析的Abaqus 6.10 (美国Abaqus公司)；建立三维几何数字实体模型的GeomagicStudio 11(美国Raindrop公司)；建立钽棒坏死区几何模型的Solidworks 2012(美国Dassault Systemes S.A公司)。

1.4 对象 选取1名身体健康的42岁男性志愿者，该志愿者体质量63 kg，身高177 cm，既往无外伤及手术史，无遗传病及慢性病史，拍片及CT扫描排除股骨病变。

1.5 方法

1.5.1 建立正常股骨近端的三维有限元模型 CT机以0.75 mm的层厚从上到下对志愿者股骨进行扫描，得到0.75 mm层厚的图像；将上述扫面的二维图像导入相关软件，制作正常股骨近端的三维有限元模型。将制作的股骨头模型设置为球形，其直径为50 mm，重力线和中轴的角度为45°。

1.5.2 建立坏死灶股骨头三维有限元模型将坏死灶简化为球体以便于统计分析，分别设计直径为15，20及30 mm的3种大小坏死灶，3种坏死灶的横截面积与股骨头横截面积的比值分别为9%，16%以及36%。在股骨头模型中在股骨头上内侧与股骨头表面距离大约5 mm处分别置入上述3种股骨头坏死灶。建立金属钽棒模型(见图1)，股骨头坏死灶置入股骨头模型后，钽棒置入方向按照临床股骨头坏死钽棒置入方向(见图2)：钽棒沿股骨头中轴方向置入股骨头，钽棒的内侧端与股骨头的软骨下骨板接触，建立股骨头坏死灶钽棒置入后的三维有限元模型。从而得到3个坏死灶模型和3个钽棒置入后的坏死灶模型共6个股骨头坏死模型。

1.5.3 股骨头的机械特性设置密质骨、松质骨和骨髓的弹性模量分别为100，15 000和3 MPa，密质骨、松质骨和骨髓的泊松比都设置为0.3。钽棒置入材料和骨水泥的弹性模量分别为3 300和300 MPa，其泊松比分别为0.31和0.4。

1.5.4 股骨应力载荷的施加设置髋关节反作用力、外展肌力、髂腰肌力和股外侧肌力分别为700，300，188和292 N。将股骨干下端固定，施加作用力后，将股骨头表面作为第一层，股骨头表面以下5 mm为第二层，将每一层取8个点，在三维有限元模型中测定每个点的应力值，并对数据进行统计分析。

1.6 主要观察指标 三维有限元法分析正常股骨头的应力分布情况以及不同大小股骨头坏死灶钽棒置入前后的应力分布。

1.7 统计学分析 所有数据输入SPSS 18.0软件进行处理，计量资料用x(_)±s表示，组间比较采用t 检验，取P < 0.05为差异有显著性意义。
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讨论

股骨头坏死是常见的骨关节病，又被称为缺血性股骨头坏死。股骨头坏死的发病机制尚不明确。大量对动物股骨头坏死模型的病理学研究发现，股骨头坏死并非软骨下骨折引起，而是由组织的缺血缺氧导致的坏死骨力学强度下降以及新骨生成障碍所致^[1-7]；股骨头缺血导致细胞死亡，进而出现微裂纹，继续发展导致软骨下骨折等。股骨头坏死的临床病理性方面的研究认为股骨头坏死的确切病因不清楚，一般认为是有多种因素共同作用使股骨头缺血，从而引起坏死，可分为正常区、坏死修复区、软骨下坏死区和关节软骨区^[8]。在影像学发面发现股骨头的坏死指数和体积与股骨头的坏死角度有关^[9]，在冠状面和横断面上有一定的分布特点^[10]，关节软骨虽然不依赖血供，但在股骨头坏死早期会出现不同程度的蛋白多糖丢失^[11]，骨小梁在股骨头坏死中也有明显变化，健康区骨小梁比较正常，坏死区和软骨下骨区骨小梁出现排列混乱，结构遭到破坏^[12]。在病理学发面的研究发现：关节软骨在股骨头坏死后出现蘑菇状的改变^[13]，软骨脱落后形成囊腔，从而出现股骨头关节面的塌陷；股骨头的坏死与相应的动脉阻断有关，坏死程度与血管阻断数量和面积有关，股骨头坏死面积大小与其预后有关^[14-15]；股骨头坏死后的股骨头塌陷可能与钙化软骨层缺失血运有关^[16]，塌陷的股骨头坏死区均有侧边骨折，骨折部位一般在坏死区骨小梁和骨修复硬化区之间出现。虽然目前的研究对股骨头坏死的病理学进行了大量阐述，但对于为什么股骨头坏死在修复过程中会出现中断以及显微CT和有限元分析等新的研究方法仍需做进一步探索^[17-18]。

股骨头坏死的治疗主要包括非手术治疗和手术治疗。非手术治疗有：①避免或减少负重：该治疗方法效果不太明显，总有效率在15%以下^[19-20]。②脉冲电磁场疗法：脉冲电磁场疗法短期内有一定效果，可以减慢股骨头塌陷过程^[21]，长期疗效未见报道。③高压氧疗法：高压氧疗法是目前常用的一种股骨头坏死的治疗方法，疗效显著，效果较传统药物治疗好，且是一种无创的方法，因此是早期股骨头坏死比较好的选择^[22]。④体外冲击波疗法：该疗法对早期股骨头坏死患者的治疗效果较好，能够达到手术的治疗效果。⑤介入治疗：介入治疗是通过血管穿刺术将药物直接送到关键血管处，从而提供药物利用率，达到治疗股骨头坏死的效果^[23]。⑥药物治疗：主要的治疗药物有：双磷酸盐类、降脂类以及抗凝类等药物^[24-25]。手术治疗有：①髓芯减压：股骨头坏死主要是因为股骨头近端压力较高，导致组织水肿和局部供血不足，导致股骨头持续缺血缺氧，从而出现坏死，髓芯减压是通过减轻骨髓内压力，减轻骨组织水肿，缓解血流不畅状态。髓芯减压术因操作简单，术后恢复快，不良反应少等优点，是目前治疗早期股骨头坏死的主要方法，其有效率可达80%以上^[26-27]。②血管束置入：该术式是通过向股骨头坏死区置入游离端被阻断的血管束，阻断正常的血管通道，开启吻合通道血管，使骨组织获得血供^[28]。③植骨^[29]：植骨术是通过清除或打开致密骨质，提供血管再生的场所，适用于股骨头坏死的Ⅱ期和Ⅲ期，轻度或中度塌陷者，术式有吻合血管的腓骨瓣移植术、带血管蒂大转子骨瓣移植术和带血管蒂髂骨瓣移植术3种。④截骨^[30]：截骨术用于骨塌陷不可避免，采用保守治疗或手术修复没有效果时，因该术式比较复杂，手术难度大，且手术失败增加再行手术的难度，因此在临床并不常用。⑤髋关节成形^[31]：当髋关节病变没有办法逆转时可以考虑使用髋关节成形术，该术式具有损伤小，操作简单，恢复快等优点，对改善髋关节功能和减轻疼痛有明显疗效。⑥其他：如骨髓间充质干细胞移植以及钽棒置入治疗等，为股骨头坏死提供了新的治疗思路。股骨头坏死的治疗方法有很多种，但每种方法均具有一定的局限性。股骨头坏死若不及时治疗，将会进一步发展出现股骨头塌陷或者骨关节炎，将有5%-12%的患者可能需要行全髋关节置换^[32]。目前临床常用的两种手术方法为髓芯减压和带血管蒂腓骨移植，其中髓芯减压术后会增加股骨头塌陷从而引起骨折的风险，带血管蒂腓骨移植对手术技术要求高，以及截取腓骨后有发生并发症的风险，使其在临床上的应用受到一定限制。钽棒作为新的置入假体，结合了上述两种术式的优点，同时避免供区病损的缺点^[33]，在治疗股骨头坏死上可以比较好的解决上述两种术式的矛盾，且操作简单，损伤小，恢复快，使其成为治疗股骨头坏死的新方法。

钽金属又被成为“骨小梁金属”，其结构与松质骨相似，有利于骨及周围的软组织伸入，有利于注入股骨头坏死骨后的初期稳定性^[34]，有足够的机械强度，能够起到很好的支撑作用^[35]。有研究发现钽棒置入股骨头坏死区域后可能降低股骨头坏死区的应力值^[36]，并且具有良好的机械稳定性^[37]。临床研究方面，大多研究发现钽棒置入治疗早期股骨头坏死疗效确切，可以阻止或者延缓股骨头坏死的进一步发展，能够改善髋关节功能，但对晚期股骨头坏死治疗效果欠佳^[38-40]，对于钽棒置入治疗的远期效果有待进一步研究，但钽棒置入不影响后期的手术^[41]。

文章建立正常股骨头三维有限元模型和直径为15 mm、20 mm及30 mm的坏死灶股骨头模型的三维有限元模型，对3种股骨头坏死模型钽棒置入前后的应力分布进行三维有限元分析，结果发现置入钽棒后，直径为15 mm的股骨头坏死灶表面的应力下降幅度最大，直径为20 mm的股骨头坏死灶表面的应力下降幅度最小，直径为30 mm的股骨头坏死灶表面的应力下降也小于直径为15 mm的股骨头坏死灶，表明股骨头坏死灶最小的钽棒置入后效果最好，即钽棒置入治疗早期股骨头坏死的效果比较好。Lee等^[42]也进行了类似的研究，发现大的坏死灶股骨头表面的应力集中比较明显，而小的坏死灶在存活骨和坏死骨交界处的应力集中比较明显，且大于大的坏死灶，由此可见大的坏死灶有发生塌陷风险，小的坏死灶有扩展趋势，因此钽棒置入治疗股骨头坏死应在早期应用效果比较好。临床上的大部分研究表明钽棒置入治疗手术效果良好，也有钽棒置入效果不佳的报道，多为股骨头坏死晚期置入者。另外文章结果发现15 mm坏死灶的效果最好，但30 mm坏死灶的效果优于20 mm坏死灶，这一结果与理论推测的病灶越小效果越好的结果不符，这一现象是有手术操作所致还是其他原因所致有待进一步研究。

综上所述，股骨头坏死灶越大所产生的应力集中越明显，越容易出现塌陷，钽棒置入修复股骨头坏死可以有效降低股骨头坏死表面的应力集中，延缓股骨头塌陷的发生，在股骨头坏死早期修复效果比较好。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程