三维有限元法分析钽棒置入治疗个体化股骨头坏死的力学效能

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2017.31.011

中国组织工程研究 ›› 2017, Vol. 21 ›› Issue (31): 4983-4988.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2017.31.011

• 骨科植入物 orthopedic implant • 上一篇下一篇

三维有限元法分析钽棒置入治疗个体化股骨头坏死的力学效能

欧志学¹，凌观汉²，姚兰³，林衡锋²

¹广西中医药大学附属桂林医院(桂林市中医医院)，广西壮族自治区桂林市 541002；²玉林市中西医结合骨科医院，广西壮族自治区玉林市 537000；³广西中医药大学，广西壮族自治区南宁市 530000

出版日期:2017-11-08 发布日期:2017-12-01
通讯作者: 凌观汉，硕士，玉林市中西医结合骨科医院，广西壮族自治区玉林市 537000
作者简介:欧志学，男，1971年生，汉族，2011年广州中医药大学毕业，博士，副主任医师，主要从事股骨头坏死、骨关节疾病、创伤骨科方面的研究。
基金资助:
广西壮族自治区卫计委(2014年)自筹经费科研课题项目(Z2014556)

Biomechanics of osteonecrosis of femoral head after tantalum rod implantation: a three-dimensional finite element analysis

Ou Zhi-xue¹, Ling Guan-han², Yao Lan³, Lin Heng-feng²

¹Guilin Hospital Affiliated to Guangxi University of Chinese Medicine (Guilin TCM Hospital of China), Guilin 541002, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China; ²Yulin Orthopedics Hospital of Chinese and Western Medicine, Yulin 537000, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China; ³GuangXi University of Chinese Medicine, Nanning 530000, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China

Online:2017-11-08 Published:2017-12-01
Contact: Ling Guan-han, Master, Yulin Orthopedics Hospital of Chinese and Western Medicine, Yulin 537000, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China
About author:Ou Zhi-xue, M.D., Associate chief physician, Guilin Hospital Affiliated to Guangxi University of Chinese Medicine (Guilin TCM Hospital of China), Guilin 541002, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China
Supported by:
the Research Project of Guangxi Zhuang Autonomous Region Health and Family Planning Commission in 2014, No. Z2014556

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

股骨头的前外侧柱：根据股骨头的负重区对应髋臼的应力柱分区，将股骨头划分为5个应力柱。顶柱定义为站立位时股骨头的负重区，即以股骨头几何中心为顶点，围绕股骨颈轴线的40°角的圆锥体底面就是顶柱，顶柱的外侧为外侧柱，前侧为前侧柱。

个体化股骨头坏死有限元分析：针对CJFH分型中L型作的个体化研究，为进一步研究该分型在保髋疗效的评估奠定基础，初步确定L型对保髋有一定研究意义，显示外侧柱的存留对保髋疗效有至关重要性。

摘要

背景：研究报道股骨头前外侧柱对保髋的疗效起到关键性的作用，而中日友好医院分型(CJFH分型)强调前外侧柱的重要性，目前此分型中L型钽棒置入治疗的三维有限元研究不多。

目的：以钽棒置入术为例，建立正常、坏死和L型坏死区前外侧柱钽棒置入的髋关节仿真的三维有限元模型，并进行有限元分析及力学效能对比，探讨前外侧柱的完整性对保髋疗效的重要性，为CJFH分型的治疗提供生物力学依据。

方法：股骨头坏死的CJFH分型中L1、L2、L3型的坏死髋关节三维模型和正常髋关节三维模型选用团队已经做好的模型。在此基础上建立钽棒置入坏死股骨头的三维有限元模型，进行有限元分析。观察正常股骨头、坏死股骨头和钽棒置入坏死股骨头皮质骨壳应力分布及最大Mises应力值，对比并进行统计分析。

结果与结论：①L型坏死股骨头负重区皮质骨壳的最大Mises应力均较正常股骨头升高，其中L1型升高21.76%，L2型升高31.02%，L3型升高42.79%；②钽棒置入术后股骨头负重区皮质骨壳的最大Mises应力较术前下降，其中L1型下降13.38%，L2型下降8.81%，L3型下降11.45%；③表明当股骨头发生坏死时，因坏死骨承载应力下降，导致股骨头皮质骨壳应力集中，所以坏死较正常的最大应力大，而分型程度越高，皮质骨壳所要承载的应力集中就越大；钽棒置入后承载了一部分应力，分型程度越低，纠正越明显；④结果表明，钽棒置入术纠正了坏死股骨头皮质骨壳部分应力，钽棒在一定程度范围内可以进行塌陷预防及起到支撑软骨下骨的生物力学作用；坏死股骨头外侧柱的完整性影响保髋疗效，可能外侧柱的存留越多，保髋疗效越好，而CJFH分型程度越高，塌陷风险越高，保髋疗效也越差。

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: 0000-0002-0595-6154(欧志学)

关键词: 骨科植入物, 数字化骨科, 计算机技术, 钽棒, 股骨头坏死, 三维重建, 有限元分析, 仿真, 生物力学, 中日友好医院分型

Abstract:

BACKGROUND: The femoral anterolateral column plays a key role in hip preservation surgery, and the China-Japan Friendship Hospital (CJFH) type stresses the anterolateral column, but there is little information available in three-dimensional (3D) finite element analysis of the L-type tantalum rod implantation.

OBJECTIVE: To establish a 3D finite element model of L-type tantalum rod implantation into the normal, necrotic and L-type necrotic areas, followed by a finite element analysis, and to explore the importance of the integrity of the anterolateral column for hip preservation surgery, thus providing biomechanical evidence for the treatment of CJFH type.

METHODS: Based on the prepared 3D models of CJFH L1, L2 and L3 osteonecrosis of the femoral head (ONFH) and normal hip, the 3D finite element model of tantalum rod implantation of femoral head necrosis was established, and finite element analysis was conducted. The stress distribution and the maximum Mises stress value of cortical shell of normal femoral head, necrotic femoral head and tantalum rod implanted ONFH were observed and compared.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) The maximum Mises of the weight-bearing area of cortical bone shell of L-type ONGH was higher than that of normal femoral, L1. L2 and L3 increased by 21.76%, 31.02%, and 42.79%, respectively. (2) The maximum Mises of weight-bearing area of cortical bone shell was decreased after tantalum rod implantation, L1 L2 and L3 decreased by 13.38%, 8.81%, and 11.45%, respectively. (3) In necrotic femoral head, the decreased bearing stress, leads to stress concentration on the femoral head bone shell, so the maximum is higher than that of the normal condition. The higher classification is, the greater the stress concentration of the cortical bone shell is. Tantalum rod implantation share certain stress. (4) Tantalum rod implantation corrects some stresses of the bone shell of ONFH, and can prevent collapse and exert the biomechanical effect of supporting subchondral bone. Furthermore, the integrity of the lateral column of the necrotic femoral head affects the efficacy of hip preservation, and more lateral column preserved always accompanied with better hip preservation. The higher CJFH classification exhibits a higher risk of collapse, and poorer hip preservation.

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: Femoral Head Necrosis, Finite Element Analysis, Biomechanics, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

欧志学，凌观汉，姚兰，林衡锋. 三维有限元法分析钽棒置入治疗个体化股骨头坏死的力学效能[J]. 中国组织工程研究, 2017, 21(31): 4983-4988.

Ou Zhi-xue, Ling Guan-han, Yao Lan, Lin Heng-feng. Biomechanics of osteonecrosis of femoral head after tantalum rod implantation: a three-dimensional finite element analysis [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2017, 21(31): 4983-4988.

图/表（结果） 1

2.1 正常股骨头软骨表面应力结果 应用Abaqus6.14软件进行有限元分析，通过von Mises Stress冯米斯应力指标，分析正常、坏死和钽棒置入术股骨头皮质骨壳的von Mises应力峰值，对比分析生物力学效能。应用Abaqus6.14软件进行有限元分析，得出以下图正常股骨头软骨表面的Mises应力图(图5)，最大峰值应力为7.166 MPa。

2.2 正常三维有限元模型有效性验证 正常软骨表面的应力结果见图5，最大峰值应力为7.166 MPa，与Von Eisenhart^[14]和 Abraham 等^[15]研究报道的股骨软骨峰值应力相近。Von Eisenhart等^[12]模拟一个步行周期中提供对

髋关节不协调和压力的定量数据，用压敏片测量，在站立位时平均最大压力为7.7个步行周期中提供。Abraham等^[13]量化软骨接触应力，有限元分析预测较高的峰值接触应力为6.2-9.8 MPa。据此认为本研究所建立三维有限元模型有效，可进行研究。

2.3 股骨头负重区皮质骨壳的Von Mises应力分布 正常、坏死、钽棒置入术后股骨头负重区皮质骨壳的最大应力情况见表1。表明L型坏死股骨头负重区皮质骨壳的最大Mises应力都较正常股骨头升高，其中L1型升高21.76%，L2型升高31.02%，L3型升高42.79%；钽棒置入术后股骨头负重区皮质骨壳的最大Mises应力较术前下降，其中L1型下降13.38%，L2型下降8.81%，L3型下降11.45%。

2.4 股骨头负重区皮质骨壳的应力值与统计比较 对收集的数据记录在Excel文件中，应用SPSS 19.0软件进行统计分析。

2.4.1 比较L1、L2和L3型坏死股骨头应力值与正常应力值的差异采用两独立样本t 检验分别比较L1、L2和L3型坏死股骨头应力值与正常应力值的差异。L1、L2、L3型坏死股骨头应力值与正常组应力值差异均无显著性意义(P > 0.05)，见表2。

2.4.2 比较L1、L2和L3型钽棒置入坏死股骨头应力值与正常应力值的差异采用两独立样本t 检验分别比较L1、L2和L3型钽棒置入坏死股骨头应力值与正常应力值的差异。L1、L2、L3型钽棒置入坏死股骨头应力值与正常组应力值差异均无显著性意义(P > 0.05)，见表3。

2.4.3 比较L1、L2和L3型坏死股骨头应力值与钽棒置入后应力值的差异采用配对样本t 检验分别比较L1、L2和L3型钽棒置入坏死股骨头应力值与L1、L2和L3型坏死股骨头应力值的差异。L1型钽棒置入坏死股骨头应力值与L1型坏死股骨头应力值差异有显著性意义(P < 0.05)，从均值来看，L1型坏死股骨头应力值高于L1型钽棒置入坏死股骨头应力值。L2型钽棒置入坏死股骨头应力值与L2型坏死股骨头应力值差异有显著性意义(P < 0.05)，从均值来看，L2型坏死股骨头应力值高于L2型钽棒置入坏死股骨头应力值。L3型钽棒置入坏死股骨头应力值与L3型坏死股骨头应力值差异有显著性意义(P < 0.05)，从均值来看，L3型坏死股骨头应力值高于L₃型钽棒置入坏死股骨头应力值。钽棒置入L1型的坏死股骨头的皮质骨壳的应力下降幅度最大(P < 0.001)，L2型坏死股骨头次之(P < 0.008)，L3型坏死股骨头下降幅度最小(P < 0.01)，见表4。

2.4.4 比较L1、L2、L3型的正常组、坏死组、钽棒置入组应力值的差异采用方差分析比较L1、L2、L3型的正常组、坏死组、钽棒置入组应力值的差异。L1、L2、L3型的正常组、坏死组、钽棒置入组应力值差异均无显著性意义(P > 0.05)，见表4。

参考文献

[1] 李子荣. 股骨头坏死: 早期诊断与个体化治疗[J]. 中国矫形外科杂志, 2013, 21(19): 1909-1911.

[2] 何伟.如何把握股骨头坏死患者的保髋治疗时机[J]. 中国骨与关节杂志, 2016, 5(2): 82-86.

[3] 李子荣, 刘朝晖, 孙伟, 等. 基于三柱结构的股骨头坏死分型: 中日友好医院分型.全国骨关节与风湿病暨第三届武汉国际骨科高峰论坛论文汇编[C]. 2012-09-07:13-22.

[4] 中华医学会骨科学分会关节外科学组. 股骨头坏死临床诊疗规范[J]. 中国矫形外科杂志, 2016, 24(1):49-54.

[5] 庞智晖, 魏秋实, 周广全, 等. 个体股骨头坏死三维有限元模型的建立与应用[J]. 生物医学工程学杂志, 2012, 29(2):251-255.

[6] Tsao AK, Roberson JR, Christie MJ, et al. Biomechanical and clinical evaluations of a porous tantalum implant for the treatment of early-stage osteonecrosis. J Bone Joint Surg Am. 2005;87(2):22-27.

[7] 凌观汉, 欧志学, 姚兰, 等. 中日友好医院分型的L型股骨头坏死仿真三维模型建立[J].中国组织工程研究, 2017, 21(7): 1074-1079.

[8] Brown TD, Way ME, Ferguson AB Jr. Mechanical characteristics of bone in femoral capital aseptic necrosis. Clin Orthop Relat Res. 1981;156:240-247.

[9] Brown TD, Hild GL. Pre-collapse stress redistributions in femoral head osteonecrosis--a three-dimensional finite element analysis. J Biomech Eng. 1983;105(2):171-176.

[10] Stewart KJ, Edonds-Wilson RH, Brand RA, et al. Spatial distribution of hip capsule structural and material properties. J Biomech. 2002;35(11):1491-1498.

[11] Grecu D, Pucalev I, Negru M, et al. Numerical simulations of the 3D virtual model of the human hip joint, using finite element method. Rom J Morphol Embryol. 2010;51(1): 151-155.

[12] von Eisenhart R, Adam C, Steinlechner M, et al. Quantitative determination of joint incongruity and pressure distribution during simulated gait and cartilage thickness in the human hip joint. J Orthop Res. 1999;17(4):532-539.

[13] Abraham CL, Maas SA, Weiss JA, et al. A new discrete element analysis method for predicting hip joint contact stresses. J Biomech. 2013;46(6):1121-1127.

[14] 杨彬, 何伟, 魏秋实, 等. 高仿真股骨头坏死的数字化表达[J]. 中华关节外科杂志(电子版), 2012, 6(4):588-595.

[15] Tanzer M, Bobyn JD, Krygier JJ, et al. Histopathologic retrieval analysis of clinically failed porous tantalum osteonecrosis implants. J Bone Joint Surg Am. 2008;90(6): 1282-1289.

[16] OH KJ, Pandher DS. A new mode of clinical failure of porous tantalum rod. lndian J Orthop. 2010;44(4):464-467.

[17] Shi J, Chen J, Wu J,et al. Evaluation of the 3D finite element method using a tantalum rod for osteonecrosis of the femoral head. Med Sci Monit. 2014;20(4):2556-2564.

[18] Liu WG, Wang SJ, Yin QF, et al. Biomechanical supporting effect of tantalum rods for the femoral head with various sized lesions: a finite-element analysis. Chin Med J. 2012;125(22): 4061-4065.

[19] 张怡元,冯尔宥,陈日齐,等. 多孔钽块置入治疗股骨头缺血性坏死的生物力学及三维有限元分析[J]. 中国矫形外科杂志, 2012, 20(12): 1113-1116.

引言

股骨头缺血性坏死的早中期患者，保留髋关节具有较高的意义^[1]。影响保髋疗效的重要因素就是预防、纠正塌陷能否成功^[2]。股骨头坏死中日友好医院(China-Japan Friendship Hospital，CJFH)分型是李子荣等^[1^，^3-4]基于股骨头的三柱结构，吸取JIC法和Koo法的优点，选用MRI或CT扫描冠状位正中层面进行分型，有M型(内侧型)、C型(中央型)、L型(外侧型)，其中L型分为L1型(次外侧型)、L2型(极外侧型)、L3型(全头型)3个亚型。中日友好医院分型在一定程度上可以预测股骨头塌陷及保髋手术疗效判断，此分型强调外侧柱存留对维持股骨头不塌陷的重要性，而L型涉及外侧柱，其预后预测需要进一步研究^[3]。

目前股骨头应力柱分区较多，有学者根据股骨头的负重区对应髋臼的应力柱分区，把负重区看作为一个简化的股骨头模型上是一个圆锥体，将股骨头划分为5个应力柱。顶柱定义为站立位时股骨头的负重区，即以股骨头几何中心为顶点，围绕股骨颈轴线的40°角的圆锥体底面就是顶柱；以顶柱中心为轴心，将原有的水平轴和矢状轴在水平面上旋转45°，这两条轴线就将顶柱以外的球面分成4个部分，顶柱的外侧为外侧柱；顶柱前侧为前侧柱；顶柱后方为后侧柱；顶柱内侧的为内侧柱。研究显示股骨头前外侧柱的完整性和稳定性与股骨头坏死预后和保髋疗效呈正相关，也就是股骨头前外侧柱越完整越稳定，预后和保髋疗效就越好^[5]。

文章基于个体股骨头坏死CJFH分型中的L型，运用计算生物力学研究手段，以钽棒置入术为例，建立正常、坏死和L型坏死区前外侧柱钽棒置入后髋关节仿真的三维有限元模型，并进行有限元分析，探讨前外侧柱的完整性对保髋疗效的重要性，为CJFH分型的治疗提供生物力学依据。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

材料方法

1.1 设计 三维有限元分析实验。

1.2 时间和地点 于2016年10月至2017年4月在广西中医药大学附属桂林医院骨科实验室完成。

1.3 材料 选取钽棒规格为直径10 mm的圆柱体，长70-130 mm，长度以5 mm递进，末端为长25 mm螺纹部分，直径14 mm^[6]。根据前面所建立的股骨模型，选用长85 mm的钽棒进行建模，余参考数据为直径10 mm的圆柱形结构，螺纹尾部长25 mm，直径14 mm。

设备：①三维图像处理软件：Geomagic Design X软件，美国3D Systems公司；Solidworks 2014软件，美国Dassault Systemes S.A公司；③三维有限元网格划分软件：Hypermesh软件，美国Altair公司；④有限元分析软件：Abaqus6.14软件，美国Abaqus公司；⑤SPSS 19.0统计分析软件。

模型：股骨头坏死的CJFH分型中L1、L2、L3型的坏死髋关节三维模型和正常髋关节三维模型选用团队已经做好的模型^[7]。

1.4 方法

1.4.1 正常髋关节三维有限元模型建立运用Hypermesh软件通过Import分别导入股骨和髂骨皮质骨、股骨和髂骨松质骨型的三维实体模型.igs文件，清除几何自由边，包括自动清理和手工清理，创建材料和属性，赋予Collecor，划分面网格及检查质量，调整不合格网格，划分三维网格及检查数量，导出股骨和髂骨皮质骨、股骨和髂骨松质骨的三维有限元模型(图1)。

1.4.2 钽棒的三维模型建立在Solidworks 2014中的零件模块下通过草图与特征功能建立钽棒的三维模型，保存为.sldprt格式。

1.4.3 钽棒三维模型的匹配将钽棒三维模型与坏死股骨头骨性结构三维模型导入Solidworks 2014软件中，在装配体模块下运用配合命令进行同轴心匹配，为达到置入所在点为前外侧柱，故设计匹配时前倾角为20°，颈干角150°，以股骨小转子稍上方与股骨外侧皮质的交点为置入点，直到软骨下约5 mm处，匹配好的钽棒已经把坐标系变换为同股骨一样，另存为.igs格式(图2)。

1.4.4 坏死股骨头及坏死骨的髓心减压模拟将格式为.igs钽棒、坏死骨和股骨松质骨的实体模型导入到Geomagic Design X软件中，通过“插入-实体-布尔运算”命令得出股骨的减压隧道(图3)。

1.4.5 钽棒、减压后股骨、坏死区骨质的三维有限元模型建立运用Hypermesh软件通过Import分别导入钽棒、减压后股骨、坏死骨的三维实体模型.igs文件，清除几何自由边，包括自动清理和手工清理，创建材料和属性，赋予Collecor，划分面网格及检查质量，调整不合格网格，划分三维网格及检查数量，导出钽棒、减压后股骨、坏死骨的三维有限元模型(图4)。

1.4.6 L型坏死股骨头钽棒置入的三维有限元模型建立了L型坏死股骨头三维有限元模型，一共有3个模型，分别为L1，L2，L3型坏死股骨头三维有限元模型。

建立了L型坏死股骨头钽棒置入的三维有限元模型，一共有3个模型，分别为钽棒置入L1，L2，L3型坏死股骨头三维有限元模型。

1.4.7 有限元模型材料属性赋值对正常、坏死、钽棒移植术三者的髋关节有限元网格模型进行材料属性赋值^[8-11]，以获高物理仿真性的髋关节有限元模型，从而保证力学分析准确性，有限元模型的材料属性如下：钽棒的弹性模量为3 000 MPa，泊松比为0.3；髂骨皮质骨为15 100 MPa，泊松比0.3；髂骨松质骨为445 MPa，泊松比0.22；软骨为10.5 MPa，泊松比0.45；关节囊为12.4 MPa，泊松比0.4；股骨皮质骨为15 100 MPa，泊松比0.3；股骨松质骨为445 MPa，泊松比0.22；坏死骨为125 MPa，泊松比0.15。

1.4.8 有限元模型的边界约束骶髂关节和耻骨部位要进行完全约束，以约束骨盆，因为本研究力要从股骨下端施加，如果未约束，当施加力时骨盆移动而无法分析。约束操作：Abaqus软件中载荷模块的创建边界条件功能，选择力学类别中的完全固定，选取骶髂关节和耻骨联合面进行完全约束。

有限元模型之间的接触是要经过设定才可很好仿真模拟，关节面在模拟时不可有摩擦，因此设置为光滑接触；钽棒与周围骨质的接触为0.6约束；关节囊与韧带与骨之间的联结为捆绑约束，而肌肉与骨之间的联结也为捆绑约束。

1.4.9 有限元模型的力学加载 ①重力施加：先在Solidworks软件中创建与股骨相等坐标系的圆柱体，保存为. igs格式，导入到Abaqus软件中，在相互作用模块中创建约束功能下，选择刚体，创建成刚体，再选择绑定，将圆柱体与股骨远端在绑合在一起，然后在载荷模块下的创建载荷功能，选择力学类别中的重力，因正常人双脚静止站立时体质量对下肢有700 N的力，所以施加一个地面反作用力(700 N)于刚体面上；②肌力的施加：根据相关学者报道，当双脚站立时的估算髋关节7条主要肌肉的肌力^[12]，并施加予模型中，而7条主要肌肉的肌力如下：臀小肌和阔筋膜张肌都为300 N，梨状肌为500 N，臀大肌550 N，长收肌560 N，大收肌600 N，臀中肌700 N。

1.5 主要观察指标 观察正常股骨头、坏死股骨头和钽棒置入坏死股骨头皮质骨壳应力分布及最大Mises应力值。

1.6 统计学分析 运用SPSS 19.0软件进行统计学分析，将整理的Excel数据导入，统计分析中计量资料采用x(_)±s表示，正常和坏死、正常和术后比较采用独立样本t 检验，坏死和术后采用配对样本t 检验，正常、坏死和术后三者比较采用方差分析，以P < 0.05为差异有显著性意义。

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

基于CT和MRI图像，采用Mimics13.1、Ceomagic Studio 11等软件重建皮质骨、松质骨、关节软骨、坏死区、断裂骨小梁等髋关节三维有限元网格模型，此类建模设计从报道中可知仿真的模型更接近真实，更有利于临床应用^[5^，^14]。本研究利用CT对骨性结构显示良好重建髋关节的三维结构，利用MRI影像资料对坏死骨组织的分辨较高，重建坏死区的三维结构，再通过匹配技术对股骨头坏死区与正常股骨头进行匹配融合，达到坏死区与股骨松质骨的坐标系一样。因此，本研究重建了皮质骨、松质骨、关节软骨、坏死区等相关的软组织，以达到更加仿真的效果。

股骨头坏死的治疗方法是生物学修复与力学支撑联合应用，其目的主要是降低股骨头内压力，清除病灶内坏死骨，诱导新骨形成，改善或重建股骨头内血供，以恢复股骨头的外形，为塌陷区域提供力学支撑。目前临床上已经不使用钽棒来进行保髋，其原因之一为钽棒不能很好的改善股骨头内坏死区的血运，不能提供的生物学修复^[15-16]，但其在股骨头一定的坏死范围内是可以达到力学支撑的效果。本研究中的L3型的坏死范围相对L2及L1的坏死范围较大，所产生的应力集中越明显，就越容易塌陷，钽棒置入后降低了股骨头表面的应力集中，达到减缓股骨头塌陷的发生。有学者研究也显示在小范围坏死时钽棒置入有一定的支撑作用，能有效阻止坏死继续进展，而坏死范围增大后不能增加股骨头的机械支撑力^[17-19]。

本实验研究中L1型的外侧柱是部分存留，L2、L3型坏死股骨头外侧柱已经全部被坏死占据，模拟钽棒置入的位置为前外侧部，根据实验结果L1型坏死股骨头钽棒置入后效果最好，L2、L3型的钽棒置入后，虽然承载部分应力，但外侧柱无法承载应力，所以L2和L3型术后应力纠正不明显。作者认为外侧柱的完整性影响保髋疗效，可能外侧柱的存留越多，保髋疗效越好，而分型程度越高，损害程度越大，塌陷风险也越高，保髋疗效也越差。本实验研究的对象为个体的股骨头坏死，即L1、L2和L3型的坏死骨各只有一型，但初步的研究显示外侧柱的存留对保髋疗效有至关重要性，下一步需加大一定研究对象数量，并对各型的坏死范围相关性进一步研究。

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

三维有限元法分析钽棒置入治疗个体化股骨头坏死的力学效能

Biomechanics of osteonecrosis of femoral head after tantalum rod implantation: a three-dimensional finite element analysis

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表（结果） 1

参考文献

相关文章 15

引言

材料方法

讨论

文章快阅

延伸阅读

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	王建平, 张晓辉, 余进伟, 魏绍亮, 张新民, 许幸新, 曲海军. 三维图像配准及坐标变换膝关节运动分析在机构学中的应用[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(在线): 1-5.
[2]	魏国强, 李云峰, 王一, 牛晓芬, 车丽芳, 王海燕, 李志军, 史国鹏, 白灵, 莫凯, 张晨晨, 许阳阳, 李筱贺. 非均匀材料股骨在不同负荷情况下的生物力学分析[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(9): 1318-1322.
[3]	李获, 王鹏, 高健明, 蒋浩然, 鲁晓波, 彭江. 股骨头坏死血运重建与内部微观结构改变的关系[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(9): 1323-1328.
[4]	吕倩忆, 陈芯仪, 郑慧娥, 何灏龙, 李棋龙, 陈楚淘, 田浩梅. 不同角度肘按法对正常人腰椎椎体及后部结构的应力和位移分析[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(9): 1346-1350.
[5]	张玉芳, 吕蒙, 梅钊. 青少年脊柱侧弯全脊柱生物力学模型的构建及验证[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(9): 1351-1356.
[6]	张吉超, 董跃福, 牟志芳, 张震, 李冰言, 徐祥钧, 李佳意, 任梦, 董万鹏. 骨关节炎患者在不同步态角度下膝关节内部生物力学变化的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(9): 1357-1361.
[7]	白子兴, 曹旭含, 孙承颐, 杨艳军, 陈思, 温建民, 林新晓, 孙卫东. 步态周期中踝关节有限元模型的构建及生物力学分析[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(9): 1362-1366.
[8]	刘峰, 冯毅. 步态周期下不同克氏针张力带治疗髌骨横行骨折的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(9): 1367-1371.
[9]	肖豪, 刘静, 周君. 脉冲电磁场治疗绝经后骨质疏松症的研究进展[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(8): 1266-1271.
[10]	梁学振, 杨曦, 李嘉程, 骆帝, 许波, 李刚. 补肾活血胶囊介导Hedgehog信号通路调控大鼠骨髓间充质干细胞成骨成脂分化[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(7): 1020-1026.
[11]	王新民, 刘飞, 许杰, 白玉玺, 吕剑. 髓芯减压联合牙髓干细胞治疗兔早期激素性股骨头坏死[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(7): 1074-1079.
[12]	温明韬, 梁学振, 李嘉程, 许波, 李刚 . 两种方式固定Sanders Ⅱ型跟骨骨折后的力学稳定性[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(6): 838-842.
[13]	王海龙, 李龙, 买合木提·亚库甫, 陈洪涛, 刘旭, 伊力哈木·托合提. 髋臼假体在Lewinnek 安全区内应力分布的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(6): 843-847.
[14]	黄浩, 洪嵩, 瓦庆德. 全膝关节置换过程中股骨假体旋转对髌股关节接触压影响的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(6): 848-852.
[15]	郑永泽, 郑利钦, 何兴鹏, 陈心敏, 李木生, 李鹏飞, 林梓凌. 基于ABAQUS软件股骨颈骨折的扩展有限元建模分析[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(6): 853-857.