自制股骨头内撑器治疗早期股骨头坏死的有限元分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.0123

中国组织工程研究 ›› 2018, Vol. 22 ›› Issue (7): 1096-1101.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.0123

• 骨与关节生物力学 bone and joint biomechanics • 上一篇下一篇

自制股骨头内撑器治疗早期股骨头坏死的有限元分析

杨立峰¹，肖东民²，彭春雷³，李康华⁴，杨斌辉¹，刘丰虎¹，卫永鲲¹，张波¹，李伍建¹，郑劲喆¹，王伟刚¹

¹西安交通大学附属3201医院骨科，陕西省汉中市 723000；²永州市卫生局，湖南省永州市 425000；³陕西理工大学，陕西省汉中市 723000；⁴中南大学湘雅医院，湖南省长沙市 410008

出版日期:2018-03-08 发布日期:2018-03-08
作者简介:杨立峰，1977年生，南华大学毕业，硕士，主治医师，主要从事关节外科方面的研究。
基金资助:
国家高技术研究发展计划(863计划)(2011AA030101)，课题名称：钛合金人工关节及创伤类材料关键技术及产品研发

Finite element analysis for self-made femoral head brace device in the treatment of early femoral head necrosis

Yang Li-feng¹, Xiao Dong-min², Peng Chun-lei³, Li Kang-hua⁴, Yang Bin-hui¹, Liu Feng-hu¹, Wei Yong-kun¹, Zhang Bo¹, Li Wu-jian¹, Zheng Jin-zhe¹, Wang Wei-gang¹

¹Department of Orthopedics, Affiliated 3201 Hospital, Xi’an Jiaotong University, Hanzhong 723000, Shaanxi Province, China;²Yongzhou Municipal Health Bureau, Yongzhou 425000, Hunan Province, China; ³Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723000, Shaanxi Province, China; ⁴Xiangya Hospital, Central South University, Changsha 410008, Hunan Province, China

Online:2018-03-08 Published:2018-03-08
About author:Yang Li-feng, Master, Attending physician, Department of Orthopedics, Affiliated 3201 Hospital, Xi’an Jiaotong University, Hanzhong 723000, Shaanxi Province, China
Supported by:
the National High Technology Research and Development Program of China (863 Program), No. 2011AA030101

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

内撑器：作者设计了一种新型的股骨头内撑器，组件包括顶盖、撑叶、心柱、顶紧螺帽、封闭套和底盖。采用医用钛合金材料，钛合金无毒、质轻、强度高，具有低弹性模量和高生物相容性，是人体骨组织修复与替换非常理想的医用材料。

股骨头内支撑术：髓芯减压对成人早期股骨头坏死的治疗效果得到了大部分学者的认同，但另一方面使已薄弱的软骨下骨的机械支撑进一步减弱，从而加速了股骨头的塌陷。因此，治疗早期股骨头缺血性坏死不仅应致力于重建和恢复股骨头的活力，还应致力于股骨头塌陷前期的保护，恢复其力学性能，防止股骨头的塌陷。记忆合金网球置入、磷酸钙骨水泥置入、多孔钽金属物可在髓芯减基础上为坏死减压区提供机械支撑。

摘要

背景：髓芯减压治疗早期成人股骨头缺血坏死得到大多数学者们的认同，但术后股骨头容易塌陷，如何防止塌陷仍是目前需要解决的问题。

目的：应用有限元法对股骨头内撑器治疗成人早期股骨头缺血性坏死进行生物力学分析，为治疗成人早期股骨头坏死提供生物力学依据。

方法：取青壮年意外死亡新鲜股骨标本1具，大体观无畸形、骨折、经X射线证实，无肿瘤、骨质疏松等病理性骨质病变。应用螺旋CT分别对正常股骨头颈、髓芯减压股骨头颈、内撑器置入并植骨股骨头颈由近端向远端垂直纵轴进行扫描，并获得图像数据。将扫描数据导入Mimics软件，应用有限元法对3种模型股骨头颈部进行生物力学分析。

结果与结论：①正常股骨头受压后应力分散并向下传导，压应力集中在股骨距、张应力集中于转子窝；②髓芯减压后股骨头部负重区应力集中，位移大，应变增大；③内撑器置入并植骨后应力变化与正常股骨头部应力相近；④结果提示，髓芯减压后股骨头负重区应力集中，应变增大，负重区容易塌陷；内撑器置入并植骨模型应力分散，承载负荷大于正常股头颈部，且应变减小，符合正常股骨头颈部的力学性能。

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: 0000-0002-0353-1961(杨立峰)

关键词: 骨科植入物, 数字化骨科, 有限元, 成人早期股骨头坏死, 内撑器, 生物力学

Abstract:

BACKGROUND: Core decompression for early adult ischemic necrosis of femoral head gets the identity of most scholars, but the postoperative femoral head easily experiences collapse. How to prevent collapse is still a problem to be solved currently.

OBJECTIVE: To perform biomechanical analysis of femoral head ischemic necrosis by using the finite element method and to provide biomechanical basis for the treatment of early adult femoral head necrosis.

METHODS: One fresh femur specimen died of accidental death in youth and young adults was obtained, and no deformity or fracture was found. X-ray confirmed that it did not have tumor or osteoporosis. Spiral CT was used to scan normal femoral head and neck, pulp core decompression of femoral head and neck, brace device placement and bone-graft of femoral head and neck for acquiring image data from the proximal to distal vertical longitudinal axis. Scanning data were input in the Mimics software. Finite element method was utilized for biomechanical analysis of femoral head and neck of three models.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) The stress dispersal and downward conduction of normal femoral head was concentrated in the shaft of the femur and the tensile stress was concentrated in the rotor socket. (2) After pulp core decompression, the stress concentration, displacement and strain increased in the weight-bearing area of femoral head. (3) The stress of the internal bracing was similar to that of normal femoral head. (4) The stress of weight bearing area of femoral head is concentrated, and the strain is increased, so that weight bearing area is easy to collapse after pulp core decompression. The more stress distribution, more bearing load and less strain of implant and bone graft model, are conformed to the normal mechanical properties of the normal femoral head and neck.

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

杨立峰，肖东民，彭春雷，李康华，杨斌辉，刘丰虎，卫永鲲，张波，李伍建，郑劲喆，王伟刚. 自制股骨头内撑器治疗早期股骨头坏死的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2018, 22(7): 1096-1101.

Yang Li-feng, Xiao Dong-min, Peng Chun-lei, Li Kang-hua, Yang Bin-hui, Liu Feng-hu, Wei Yong-kun, Zhang Bo, Li Wu-jian, Zheng Jin-zhe, Wang Wei-gang. Finite element analysis for self-made femoral head brace device in the treatment of early femoral head necrosis[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2018, 22(7): 1096-1101.

图/表（结果） 2

2.1 负载试验 正常股骨头受压后应力分散并向下传导，压应力集中在股骨距、张应力集中于转子窝；髓芯减压后股骨头部负重区应力集中，位移大，应变增大，股骨头容易塌陷；内撑器置入并植骨后应力、应变的变化与正常股骨头部应力、应变相近(图4)。

2.2 正常股骨头部位移载荷曲线分析 从股骨头内侧向外侧应力开始逐渐增高，在3.8 cm处应力集中达峰值 6 325 kPa，然后峰值下降应力减少，在3.29 cm处应力再次逐渐增加，在2.82 cm处达到4 746 kPa然后曲线平缓，在股骨头部外侧应力逐渐减少且应力大小变化趋于平缓，从而分析应力主要集中于股骨头前外侧(图5)。

2.3 减压股骨头部位移载荷曲线分析 减压股骨头部负载后，从股骨头内侧向外侧应力开始增高，在股骨头表面4.25 cm处，应力集中达峰值21 020 kPa，然后应力减少，在2.82-2.35 cm处应力集中；逐渐向外侧应力减小，曲线平缓。在股骨头部外侧应力逐渐减少，应力大小变化平稳；在4.23-2.82 cm处应力最小，说明减压区应力减小，减压周围应力集中(图6)。

2.4 股骨头内撑器固定模型位移载荷曲线分析 从股骨头内侧到外侧应力逐渐增加，且应力增加是逐渐增加，趋于平缓；在2.35-2.82 cm处应力集中达峰值2 421 kPa，应力小于正常股骨头部应力值；较正常股骨头部应力集中部位峰值远，应力值较正常小，从图分析内撑器分担了应力，防止了股骨头塌陷，能为股骨头髓芯减压后提供有效支撑(图7)。

2.5 各种模型股骨头内侧向外侧的位移云图 正常股骨模型股骨头部位移最大值为-0.632 mm(负值)；大转子区最小，为-0.114 mm(图8)。减压模型股骨头部位移最大值为-0.682 mm(负值)；大转子区最小，为-0.260 mm(图9)。内撑器模型股骨头部最大值为-0.442 mm(负值)；大转子区最小，为-0.188 mm(图10)。比较3种模型位移云图，减压模型位移最大，应变最大，说明容易塌陷；内撑器模型位移最小，应变最小，不容易塌陷，可以达到正常模型的机械支撑。

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引言

材料方法

1.1 设计 有限元分析实验。

1.2 时间及地点 于2016年9月至2017年9月在汉中市3201医院骨科完成。

1.3 材料 取青壮年意外死亡新鲜股骨标本1具，由汉中市职业技术学院解剖教研室提供，大体观无畸形、骨折，经X射线证实，无肿瘤、骨质疏松等病理性骨质病变。

1.3.1 内撑器组件包括顶盖、撑叶、心柱、顶紧螺帽、封闭套和底盖(图1)，为医用钛合金材料^[4]。

顶盖：上面呈球冠形，安装于芯柱顶部，使内撑器顶部呈球弧形。

撑叶：形似扇形，装配与心柱铰接槽相配，位于顶盖下面。共3个撑叶。

心柱：为一个三棱形中空柱体，顶部装顶盖与撑叶，体部有螺纹。

顶紧螺帽：内有螺纹与心柱柱面上的螺纹相配，拧紧顶紧螺帽可将撑叶撑开。

封闭套：内有螺纹与心柱柱面的螺纹相配。

底盖：是中部有螺柱的盖板，其螺柱与心柱底端的螺孔相配。封闭隧道外口。

1.3.2 股骨头颈部建模 ①正常股骨头颈模型：即为正常股骨头颈标本；②减压植骨模型：沿股骨外侧转子下股骨头颈中心至股骨头软骨下0.5 cm钻一直径1 cm隧道，用刮匙将股骨头软骨下刮出一直径约2 cm空间，然后进行植骨；③内撑器置入并植骨模型：依照减压植骨模型的建摸方法，在空间里装入内撑器，然后在空间与内撑器间隙里植骨(图2)。

1.4 实验方法

1.4.1 CT扫描数据 ①用螺旋CT对股骨标本近端行薄层CT扫描，保存断层扫描图像；②对股骨标本进行髓芯减压后，用螺旋CT对髓芯减压后的近端模型行薄层CT扫描，保存断层扫描图像；③组装内撑器置入并植骨模型，用螺旋CT对组装好后近端模型行薄层CT扫描，保存断层扫描图像。

1.4.2 股骨三维模型重建分别将正常股骨头颈部模型，髓芯减压并植骨的股骨头颈模型，内撑器置入并植骨股骨头颈部模型的3种模型，CT扫描数据(利用PHILIPS，O-MAR软件对内撑器置入模型数据处理后)以Dicom格式导入Mimics软件，进行灰度阈值调整、区域分割后，重建3种股骨近端三维模型(图3)，建模材质参数见表1^[5]。以STL格式将股骨模型和内撑器模型导入Freeform软件(美国Phantom公司)，以临床操作为参照，将内撑器装配于股骨模型上。在装配过程中，股骨与内撑器之间定义为结合关系，模拟无松动情况下固定。在Freeform软件中对各模型铺面处理后以IGES格式导入有限元分析软件Ansys中，shell63单元模拟股骨颈以上区域皮质骨，其他结构采用十节点solid92单元进行风格划分。正常组模型皮质骨单元 4 387，节点7 345；松质骨单元106 860，节点143 062；软骨层单元769，节点905。减压和组合模型，皮质骨单元数3 841，节点6 475；松质骨单元72 028，节点101 763；软骨层单元769，节点905；钛金属单元35 265，节点52 697。

1.4.3 载荷及边界条件选取股骨头36 mm范围内的节点模拟与髋臼的接触表面，人单足站立时在股骨头表面负重区范围施加的匀布载荷平均大小为2 100 N，与股骨干的长轴成25°夹角；使作用于股骨头上的合力指向股骨头的形心，方向从股骨头内侧至外侧结点所在位置施加载荷。

1.5 主要观察指标 在负载的情况下绘制3种模型股骨距、转子窝、股骨头受力区，并分析其应力及应变云图。

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

讨论

3.1 股骨头内撑器治疗股骨头坏死的原理 对于成人早期股骨头缺血性坏死的手术治疗方式有血管移植、骨移植、髓芯减压、记忆合金网球置入^[6]、磷酸钙骨水泥置入^[7-9]、多孔钽金属物等^[10-20]。血管移植治疗股骨头坏死，目的为改善股骨头血供，促进坏死骨修复；可供移植的血管主要为旋股外血管、旋髂深血管或二者联合置入。骨移植可以提供坏死股骨头修复所需的血供因素、成骨效应因素和机械支撑因素，有效的防止股骨头的再次塌陷^[21-22]。髓芯减压可以降低股骨头内高压、减轻髋关节疼痛、帮助修复股骨头血供，且不破坏股骨头残余血供。但是术后股骨头发生塌陷或加重^[23-24]。记忆合金网球置入、磷酸钙骨水泥置入、多孔钽金属物可在髓芯减基础上为坏死减压区提供机械支撑。记忆合金网球置入、磷酸钙骨水泥置入手术方式较复杂，钽棒置入术手术操作简单，创伤小；作为一种保留髋关节的手术，具有较好的生物相容性、与人骨弹性模量相匹配、对软骨下骨支撑以及髓芯减压效应，在临床上取得了较好的短期效果^[25]。钽棒的直径仅有10 mm，其力学支撑范围有限，对大范围坏死股骨头并不能提供足够的软骨下骨支撑；在没有钽棒支撑的区域，股骨头塌陷将会继续进展。钽棒置入术的长期疗效并不确定，Tanzer等^[26]对因临床失败取出的15例钽棒进行组织病理学分析发现，在较大面积坏死灶的股骨头内无新骨形成及血管长入。之后有研究报道了钽棒置入术治疗股骨头坏死失败转行全髋关节置换的病例^[27-28]。

因此，研制一种新型股骨头内撑器，扩大髓芯减压范围，增加顶部接触面积，材质采用医用钛合金。内撑器组件包括顶盖、撑叶、心柱、顶紧螺帽、封闭套和底盖。钛合金无毒，质轻，支撑性强，高耐疲劳特性、生物相容性与人体骨骼的弹性模量相匹配。作为生物材料广泛应用于人体骨组织修复与替换的材料^[29-35]。

于股骨外侧大转子下沿股骨颈中心至股骨头软骨下 0.5 cm钻一直径1 cm隧道，用刮匙将股骨头软骨下刮出一直径约2 cm空间然后安装内撑器。将内撑器置入减压隧道中，顶盖抵达空间顶部，当内撑器顶部进入到合适位置(软骨下0.5-1.0 cm)，拧紧顶紧螺帽，顶紧螺帽和杆上的齿纹状限位结构完全咬合，使顶紧螺帽和撑叶紧密连接，打开撑叶，内撑器则置于“撑开”状态。撑开状态，撑叶象开伞一样撑开，再在撑叶下方内撑器与骨隧道间的空间打压植骨，上紧底盖，在尾部拧入封闭套于股骨外侧皮质骨上，顶紧内撑器使撑叶与软骨下骨紧密结合。其顶部撑叶打开后与股骨头关节面弧度有相同的曲面，置入后与软骨下骨紧密接触，应力通过软骨下骨的传导后，均匀的分布于内撑器表面并向四周分散，避免应力集中，能有效的防止软骨下骨板因应力集中而导致塌陷。最终将应力传导于股骨矩及转子窝。

3.2 有限元对股骨头的力学分析 有限元应力分析法可以计算股骨头每一点的应力、应变，同时进行上千、万、超百万点的计算，可提供实验手段中不易得到的详细数据，并可改变其中的任意参数，观察其对完整结构的影响，故可解释股骨头病理或生理过程中的各种变化。

Rohlmann等^[36]将同一标本的两根股骨分别进行应力、应变测试和切片法实验，模拟有限元分析，结果表明两者的应变值是一致的。有限元分析对股骨头坏死预防、塌陷预测、力学评估是一种简单、实用可靠的方法^[37]。Brown等^[38]对缺血性坏死股骨头的应力传递进行有限元分析，发现坏死灶中心的应力明显减低，超过生理负荷导致小梁骨的微细骨折，使股骨头生物力学强度减低，进而导致股骨头塌陷。因为有限元与实验应力、应变都能准确评估股骨头劲部应力、应变，且简单可靠。所以采用有限元分析内撑器并植骨模型是否可以达到正常股骨头颈部力学支撑。

3.3 内撑器治疗股骨头坏死中的生物力学研究 Brown等^[39]分析用有限元分析股骨头坏死的力学变化，证实坏死的周围的应力集中是股骨头塌陷的主要原因；同时近端很好地与软骨下骨相结合。如果移植骨能与软骨下骨形成最大程度的接触，则最大应力/强度比值就会明显减小，从而减少股骨头塌陷的可能。作者研制了一种内撑器，在髓芯减压后将内撑器置入，撑开撑叶后呈伞状，顶部呈伞的弧形与股骨头的关节面的弧形相试。撑开撑叶后周边呈爪状，紧密的嵌入周围骨质，僻免了股骨头在压应力作用下向内、外退出，提高了内撑器的把持力、抗旋出、抗扭矩作用，达到内撑器内固定稳定性的效果。顶部接触点为面接触，扩大了支撑面积，面接触分散了应力集中防止了接触点处骨退变坏死，骨质退变导致内撑器穿入髋关节松动或退出等并发症。与软骨下骨紧密接触，使其能与周围骨质溶合为一体，应力通过软骨下骨传导后，能够均匀的分布到内撑器的表面，并向四周分散，防止了应力集中。同时在内撑器应力保护下为髓芯减压区新骨的再生创造了一个良好的条件。在股骨头前外侧得到有效支撑^[40]，防止关节软骨塌陷。在内撑器的孔道及髓芯减压与内撑器的间隙里打压置入自体松质骨，使内撑器与周围骨组织紧密接触。自体松质骨置入体内后向受区提供骨组织细胞，同时具有骨诱导性和骨传导性；在骨的修复过程中，使其与周围骨组织融合成一个整体。研究表明，坏死股骨头中骨髓基质内骨形态发生蛋白表达减少，加入外源性骨形态发生蛋白对治疗股骨头坏死有一定价值^[41-44]。自体松质骨中含有丰富的骨髓基质干细胞，具有较好的骨诱导、骨传导和骨生成特性。本实验选择自体松质骨与钛合金结合发挥更好的力学性能。皮质骨移植虽然在早期可以提供一定的力学支撑，但置入受区后在受区发生坏死，在较长的时间内死骨与有活性的骨混合存在，其机械支撑作用相应减弱，而且与受区骨组织很难融会成一个整体。

3.4 力学曲线分析 本实验中正常股骨头部位移载荷曲线分析，从股骨头内侧向外侧应力开始逐渐增高，曲线呈双峰状，在3.8 cm处，应力集中达峰值6 325 kPa，然后下降，在3.29 cm处应力再次逐渐增加，在2.82 cm处达到4 746 kPa，然后曲线平缓，在股骨头部外侧应力逐渐减少且化趋于平缓，从图分析应力主要集中于股骨头前外侧。髓芯减压曲线上升阶段较正常应力出现早，较正常股骨头部应力值大；在股骨头表面4.25 cm处，应力集中达峰值21 020 kPa，然后减少，在2.82-2.35 cm处应力集中；逐渐向外侧应力减小，曲线平缓。在股骨头部外侧应力逐渐减少且应力大小平稳；在4.23-2.82 cm处应力最小，说明减压区应力减小，减压周围应力集中。内支撑后应力增加是逐渐增加，趋于平缓；在2.35- 2.82 cm处应力集中达峰值2 421 kPa，应力小于正常股骨头部应力值；较正常股骨头部应力集中部位偏外侧；从图分析内撑器分担了应力，并能将应力分散，向下传导；防止了应力集中；为股骨头髓芯减压后提供有效支撑，防止股骨头塌陷。

比较3种模型的位移云图，髓芯减压组位移最大，容易形变塌陷；而内撑器组位移大于正常模型位移，应变小，能为临床股骨头坏死遂心减压提供机械支撑。

本实验数据说明，内撑器置入能为股骨头关节面软骨下骨提供足够的力学支撑，维持股骨头外形，防止股骨头塌陷，有利于坏死股骨头的再生和修复^[45-46]。在治疗FicatⅠ-Ⅱ期的股骨头坏死时，可以提供生物力学支撑。

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

自制股骨头内撑器治疗早期股骨头坏死的有限元分析

Finite element analysis for self-made femoral head brace device in the treatment of early femoral head necrosis

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