三维有限元分析大转子骨瓣转移治疗股骨头缺血坏死应力分布变化

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.0122

中国组织工程研究 ›› 2018, Vol. 22 ›› Issue (7): 1090-1095.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.0122

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

三维有限元分析大转子骨瓣转移治疗股骨头缺血坏死应力分布变化

张天一^1，2，董巍¹，米盼盼¹，孔繁林¹，朱军¹，吴建伟¹，乔金环¹，樊国峰¹，田丰德²

¹中国石油中心医院骨科，河北省廊坊市 065000；²大连大学附属中山医院，辽宁省大连市 116001

出版日期:2018-03-08 发布日期:2018-03-08
通讯作者: 樊国峰，硕士，主任医师。中国石油中心医院骨科，河北省廊坊市 065000
作者简介:张天一，男，1987年生，河北省廊坊市人，汉族，2013年大连大学毕业，硕士，医师，主要从事骨坏死的修复与再造研究。
基金资助:
国家自然科学基金(30670542)

Three-dimensional finite element analysis on stress distribution after greater trochanter bone flap for treating osteonecrosis of the femoral head

Zhang Tian-yi^{1, 2}, Dong Wei¹, Mi Pan-pan¹, Kong Fan-lin¹, Zhu Jun¹, Wu Jian-wei¹, Qiao Jin-huan¹, Fan Guo-feng¹, Tian Feng-de²

¹Department of Orthopedics, China National Petroleum Corporation Central Hospital, Langfang 065000, Hebei Province, China;²Affiliated Zhongshan Hospital, Dalian University, Dalian 116001, Liaoning Province, China

Online:2018-03-08 Published:2018-03-08
Contact: Fan Guo-feng, Master, Chief physician, Department of Orthopedics, China National Petroleum Corporation Central Hospital, Langfang 065000, Hebei Province, China
About author:Zhang Tian-yi, Master, Resident physician, Department of Orthopedics, China National Petroleum Corporation Central Hospital, Langfang 065000, Hebei Province, China; Affiliated Zhongshan Hospital, Dalian University, Dalian 116001, Liaoning Province, China
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China, No. 30670542

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

股骨大转子区：是股骨上端隆起部分，主要以松质骨为主，皮质骨较薄，与股骨头结构骨质相似。

有限元单元法：可计算股骨头的应力、应变，并可改变其中的任意参数，观察其对完整结构的影响，所以能够解释股骨头生理或病理过程中的各种力学变化。

摘要

背景：三维有限元分析已经被较多骨科学者应用，但作为股骨头坏死保髋治疗术后评价结果不一。

目的：研究运用三维有限元方法检测大转子骨瓣转移治疗股骨头坏死后股骨头的生物力学变化及股骨近端生物力学改变，验证该术式力学安全性及有效性。

方法：选取1例单侧股骨头坏死ARCOⅢ期患者并行带血管蒂大转子骨瓣移植术患者，根据术前及术后6个月股骨近段的计算机断层成像技术CT数据，以DICOM格式保存，用计算机辅助技术及专业医学建模软件MIMICS及HYPERMESH建立股骨近段三维几何模型分为正常组、坏死组及修复组三维有限元模型。应用有限元分析软件ANSYS模拟人体站立及运动等不同情况，将模型自由网格划分，赋予材料参数，建立正常股骨近段，股骨头坏死骨缺损和运用大转子骨瓣转移修复骨缺损的三维有限元模型。载荷加载于不同的有限元模型，观察3组模型股骨头的最大位移和股骨近段的应力分布情况。

结果与结论：①在同一载荷下，此3组模型的最大位移值分别为：正常组0.61 mm，坏死组0.66 mm，修复组0.61 mm；坏死模型的最大Von Mises应力值远大于正常模塑。修复模型的最大Von Mises应力值逐渐降低，与正常值接近；②此3组模型均提示股骨颈区小转子上方出现应力集中，在转子位置的最大应力，坏死模型较正常增高，而修复后该处的最大应力值逐渐增高，但仍低于骨的破坏应力；③结果证实，运用大转子骨瓣转移修复股骨头坏死骨缺损后的股骨头的最大应力值及最大位移值更接近正常，大转子区作为修复股骨头骨缺损的骨瓣供区是安全可靠的。

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: 0000-0001-6553-2516(张天一)

关键词: 股骨头坏死, 生物力学, 大转子骨瓣, 三维有限元, 应力, 股骨近端, Von Mises应力值, 组织工程

Abstract:

BACKGROUND: Three-dimensional finite element analysis has been used by many scholars from department of orthopedics, but the results of postoperative evaluation of hip preserving treatment for osteonecrosis of femoral head are different.

OBJECTIVE: To study the biomechanical changes of the femoral head and the biomechanical changes of the proximal femur after greater trochanter bone flap for the treatment of femoral head necrosis using three-dimensional finite element method, and to verify the mechanical safety and effectiveness.

METHODS: One case of unilateral femoral head necrosis in ARCOIII stage undergoing parallel vascularized greater trochanter bone flap transplantation was selected. Computed Tomography data of proximal femur were collected before and 6 months after the operation, and preserved in DICOM format. With the aid of computer technology, professional medical modeling software, MIMICS and HYPERMESH, were used to establish the three-dimensional geometric models of the proximal femur. These models were divided into normal group, necrosis group and repair group. Finite element analysis software ANSYS was utilized to simulate human body standing and movement in different situations. The model was divided by free mesh, and given material parameters to establish normal proximal femur, femoral head necrosis and bone defect. Greater trochanter bone flap was applied in repairing three-dimensional finite element model of bone defect. Loads were loaded on different finite element models. The maximum displacement of the femoral head and the stress distribution in the proximal femur of the three groups were observed under different loading models.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) Under the same load, the maximum displacement of the three sets of models was 0.61 mm in the normal group, 0.66 mm in the necrosis group, and 0.61 mm in the repair group, respectively. Maximum Von Mises stress was greater in necrosis model than in the normal molding. The maximum Von Mises stress gradually decreased in the repair model, and was close to normal value. (2) Three groups of models showed stress concentration above the rotor in femoral neck region. The maximum stress in the trochanteric position was higher in necrosis models than in normal models. The maximum stress in this region gradually increased after repair, but was still lower than the failure stress of bone. (3) The results confirm that the maximum stress and the maximum displacement are closer to the normal value after greater trochanter bone flap for treatment of osteonecrosis of the femoral head. The greater trochanter is safe and reliable for repairing bone defect of femoral head.

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: Tissue Engineering, Femur Head Necrosis, Biomechanics

中图分类号:

R318

张天一，董巍，米盼盼，孔繁林，朱军，吴建伟，乔金环，樊国峰，田丰德. 三维有限元分析大转子骨瓣转移治疗股骨头缺血坏死应力分布变化[J]. 中国组织工程研究, 2018, 22(7): 1090-1095.

Zhang Tian-yi, Dong Wei, Mi Pan-pan, Kong Fan-lin, Zhu Jun, Wu Jian-wei, Qiao Jin-huan, Fan Guo-feng, Tian Feng-de. Three-dimensional finite element analysis on stress distribution after greater trochanter bone flap for treating osteonecrosis of the femoral head [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2018, 22(7): 1090-1095.

图/表（结果） 2

2.1 三组模型整体应力分布特点及一般规律 在同一载荷下，3组模型的最大位移值均出现在股骨头外上方的受力区域，并向大转子区由内向外，由上向下依次递减分别为：正常组0.61 mm，坏死组0.66 mm，修复组为0.61 mm。3组模型的最大应力出现在股骨颈后内侧，沿力线方向可见股骨头受力区、股骨头颈结合部、小转子上方区域、股骨矩及股骨干后内侧皮质骨较高的应力分布。而大转子区表现为低应力低位移，股骨颈前方及股骨头内呈低应力。

2.2 各组大转子区的应力分布 各组模型的大转子区均表现低应力低应变区；虽然最大Von Mises应力随着负荷的增加而增大，但其绝对值仍很小，7倍体质量负荷加载是最大Von Mises应力值仅为6.056 MPa，远低于其他部位。另外在同一载荷下，坏死模型的最大Von Mises应力值远大于正常模塑，修复模型的最大Von Mises应力值逐渐降低，与正常值接近(表1)。

2.3 各组头颈部应力分布 3组模型股骨颈周围多个标记点的应力检测比较发现，股骨颈外上方及后内侧有较高的应力分布，主要表现为张应力，后者为压应力且应力值较大；另外3组模型均提示股骨颈区小转子上方出现应力集中，在坏死模型该处的应力值大于正常模型，修复模型该处的应力值降低，与正常值接近。

2.4 各组股骨头内部应力分布 股骨头内部应力上下大于中央，中央大于前后，坏死模型可见囊性变侵及并破坏骨小梁，尤其是前上方的骨小梁；3组模型也检测在大转子位置的最大应力，坏死模型较正常增高，增加33%，可达3.030 MPa，而单腿站立时坏死囊性区应力仅为 0.005 MPa，这种应力分布的不均匀常可导致股骨头坏死塌陷，修复模型股骨头内的应力值与正常模型相似，且明显优于坏死模型(表2)。

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引言

材料方法

1.1 设计 计算机模拟实验。

1.2 时间及地点 于2013年1月至2014年3月在大连大学附属中山医院骨科实验室完成。

1.3 材料

1.3.1 图像资料来源临床采集一例单侧股骨头坏死ARCOⅢ期患者，男性，35岁，病史5年，有大量饮酒史。术前X射线片可见股骨头内大的囊性坏死改变，部分股骨头皮质塌陷；行头颈部开窗坏死骨清除、带血运大转子骨瓣移植术，术后定期复查。术后6个月CT扫描结果显示股骨头外形、髋臼及关节间隙正常；股骨头内骨瓣及松质骨与周围骨质愈合佳。选取对侧股骨头作为正常对照。从双侧股骨白股骨头上方起，由近段向远侧垂直于股骨纵轴进行连续CT断层扫描，扫描条件120 kV，200 mA，层厚 1 mm，窗宽设为250，窗位35，每个扫描层的像素矩阵密度为512×512，CT图像中每个像素分配2个字节，共获得78张断层影像，以DICOM格式储存。

1.3.2 主要仪嚣和设备采用飞利浦16排螺旋CT机，联想牌电脑<基本配置：CPU Pentium (R) 4 3.06GH，内存 2 G，硬盘200 G)。

1.3.3 相关软件采用美国MSC.Software公司提供的系列有限元软件。包括CATIA.MSC.PATRAN，MSC NASTRAN.MSC.MARC等。

1.4 实验方法

1.4.1 股骨近段三维轮库的提取和三堆几何模型的建立将基于连续CT断层扫描获取的人股骨近端计算机图形(DICOM格式储存)引入CATIA软件中，经过对每层图像的处理.识别并提取股骨的轮廓线t于小转子下4口处建面，以股骨解剖轴为z轴，应用CATIA的曲面功能将相邻CT图像中所对应的股骨内外轮廓线连接形成面，再将内外表面生成体积，即通过对点、线、面和体的相关操作，获得股骨近端的三维几何模型(图1)。将模型光顺打磨后，行误差分析，P < 0.05。

1.4.2 三维有限元模型的建立采用MSC.PATRAN软件，用三角形壳单元自由材分网格。获得股骨近端计算机三维有限元模型，其中-正常股骨近端四面体单元有17 872个，股骨头坏死骨缺损四面体单元21 892个。

股骨的材料属性：密质骨设为横观各向同性材料，拉压弹性模量E1=E2=15.3 GPa，E3=17.5 GPa，泊松比V13=V23=0.29，V12=0.57；松质骨设为各向同性材料，弹性模量E=0.6 GPa，泊松比v=0.28，坏死骨设为空白区。

边界条件：下端简支，即将模型顺正常人体站立位力线放置，模型股骨干长轴与中轴线成15°角；远端固定，要求远端各节点在x，y和z轴上的位移均为0。

骨厚度分布设计；密质骨从上到下为2.0-4.2 mm，间距为0.2 mm，松质骨厚度为5 mm。

1.4.3 股骨大转子骨瓣移植修复的三维有限元模型的建立模拟手术操作，截取大转子骨瓣，其最大横径与坏死区最大横径一致。调整获得的骨瓣与坏死区的三维关系，使得骨瓣移至坏死区域并设大转子骨瓣与受区骨质完全实现骨性整合(图2)。

1.4.4 载荷分析运用MSC系列有限元软件对近端股骨三维有限元模型进行静态力学分析。实验忽略股骨前倾角影响，模拟体质量80 kg成人双足站立，骨盆水平中立位时股骨近端的应力分布，方向与髂嵴水平线成69º角，以1 780 N载荷加载于不同有限元模型，边界条件为下端简支，分析3种模型的应力分布特点。将上述边界条件和负载输入ANSYS 10.0软件，加载于股骨上段三维有限元模型上，运用ANSYS大型有限元软件对近端股骨三维有限元模型进行静态及动态力学分析，程序自动计算并图示股骨上段应力分布结果。

1.5 主要观察指标 各组模型整体应力分布特点及应力分布。

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

随着对股骨头坏死研究不断深入，生物力学作用因素在治疗股骨头坏死的作用也越来也多被人重视，目前较多认为股骨头坏死是生物及力学共同作用的结果，Brown 等^[18-20]研究正常股骨头骨质力学性能后发现：股骨头松质骨的材料力学性能表现为明显的区域分布，与骨小梁的密度分布有一定的相关性。1943年Courant首先提出了有限元法，其基本原理是将一个由无限个质点组成并由无限个自由度的连续体近似为有限个单元组成的集合体，这些单元的形状可以是二维的(杆、梁、三角板及四边形)，也可以是三维的(四面体、六面体)^[11-12]。也就是以离散化的单元对连续体的逼近，单元问以节点连接。单元内场的变量的变化瘦律以某些函数表示，求解以有限矩阵形式出现的场的方程，得到整个系统的节点场的变量值。从而确定连续体的场的变量值^[13]。单元个数越多越精确，网络密度趋于无穷大时所得的解收敛于模型的精确性^[14]。Bae等^[15]首先将有限元法运用于骨科生物力学的研究，探讨股骨内部的应力分布。Brown等^[21]通过有限元分析软骨下骨板对其下方的松质骨病灶的保护作用后指出，软骨下骨板对其深面的橙质骨的保护作用不大，而深面的松质骨结构对股骨头退变塌陷起了主要作用，它主要的力学功能是把与关节相关的压力直接传递到深面的松质骨，软骨下骨板结构的退变对段骨头塌陷的影响不大，而松质骨结构的退变程度是股骨头塌陷的主要影响因素。Etienne等^[22]建立三维有限元模型分析软骨下骨组织对股骨头结构改变的影响。发现有正常软骨下骨保护的坏死区承受的压力为缺少软骨下骨保护的坏死区的70%，软骨下骨板对其深面的橙质骨的保护作用不大。鉴于此，研究者设计了多种手术方法，带血管蒂大转子骨瓣移植术便是其中一种之一。该术式能够有效改善股骨头内血运循环，有效的去除死骨及改善骨内骨小梁重建，恢复股骨头的生物及力学条件，经实践证明取得了良好的临床效果，成为目前治疗青壮年股骨头坏死的主要方式之一。但该术式造成大转子及股骨颈骨缺损对股骨近端的力学性状会产生何种影响，其力学安全性如何是人们一直关心的问题。

有限元单元法可以计算股骨头的应力、应变，并可改变其中的任意参数，观察其对完整结构的影响，所以能够解释股骨头生理或病理过程中的各种力学变化。实验建立的三维有限元模型数据采集精确，模型建立准确，模型制作精细真实，工况及边界条件更接近人体的实际情况。本实验模拟真实的受力情况，将应力加载于股骨头承重载荷区，既股骨头外上方相对股骨头旋转中心，充分的考虑了正常人体股骨干与纵轴成15°角，股骨前倾角16°等情况，并考虑髋关节外展肌力存在时的情况沿髋关节合力方向加载，因而实验所得有限元模型能够准确反映股骨近段真实情况，结构真实可靠。

有研究应用有限元法分析指出，当坏死骨周围出现应力集中是股骨头坏死病理发展过程中主要的因素之一^[23]，由于集中的应力导致了骨小梁出现骨折，降低了股骨头内的力学强度，打破了骨组织修复的延伸。当软骨下骨修复延迟进一步影响了股骨头内的机械力学强度，反复恶性循环结果导致股骨的拱形结构遭到破坏，进而使得松质骨受到更大的应力，伴随软骨下骨的微骨折而出现股骨头塌陷。近年来，micro-CT的出现使得基于骨小梁级别的三维有限元分析研究成为可能。Van Rietbergen B采用Micro-CT图像建立犬股骨近段的三维有限元模型，包含有7.6×10⁵个网格，充分再现了股骨内部三维立体骨小粱结构体系，实验结果也发现了直立行走站立相的平均组织应变为278个微应变，标准差为202个微应变。然而其标准差取决了髋关节的作用力的分布大小，同时也取决了作用力的方向。骨小梁结构体系中单一载荷步能够建立均一的应力和应变分布。基于此，他又用微有限元方法研究了基于人类的股骨头骨小梁组织水平的应力和应变的计算，结果显示，当人站立行走相时股骨头内平均的组织应变力为303个微应变，标准差为184个微应变。研究结果比较两项分析发现，犬和人的股骨头的最大应变、最大应力和Von Miss应力的平均值极为相似^[24-25]。然而在研究中两种研究参数均为出现完全的均匀分布，进而表明了骨的结构体系适应于多种载荷，而非单一载荷。当修复重建股骨头坏死后骨缺损时，要想恢复股骨头内部的应力应变分布正常，首先是要恢复股骨头内部的空间结构，因为，当作用力在骨组织水平时，应力和应变是一致的^[26]。

股骨大转子区是股骨上端隆起部分，主要以松质骨为主，皮质骨较薄，与股骨头结构骨质相似。当股骨头坏死后骨缺损，采用切取大转子区松质骨移植，及时有效的恢复股骨头内部结构，加速了股骨头自身修复速度，经过短暂的愈合过程，最后完成塑形，加强了对骨缺损部位修复并有效的提供了机械力学支撑。单纯的皮质骨只能在移植后的早期起到一定的力学支撑，但经过植入受区部分骨坏死继续发生，在经过较长时间里坏死骨与活骨混合存在，有效的机械力学支撑降低，而且皮质骨很难与受区内松质骨相融合形成统一整体，进而仍然出现塌陷。

人体正常股骨头在承受最大受力的瞬间，股骨头的表面产生形变来增加与髋关节的接触面积，从而减少单位面积的受力，保护表面的软骨。当股骨头坏死后，表面的形变增大，过大的形变超过一定范围会引起相应部位的疲劳骨折如果得不到及时修复，就会产生局部应力集中而出现塌陷^[27-40]。实验根据此理论，设计运用大转子骨瓣移植后，恢复了股骨头球形结构及受力面积，使单位面积骨小梁承受的应力增加，股骨头最大位移由坏死模型的0.66 mm变为0.61 mm，与正常模型的最大位移值一致，解决了导致塌陷的基本因素。各组模型的大转子区均表现为低应力低应变，远低于其他部位。三组模型之间比较，坏死模型应力值较正常模型增高，而修复后该处的应力明显恢复。因此可见大转子骨瓣的切取并未破坏股骨大转子区的生物力学分布及股骨远端的应力传导，因而可以从力学较多来说大转子选取骨瓣方式是安全有效的。

选取头颈部开窗的主要意义在于三组模型应力分布中，股骨颈前方与其他位置比较低应力区域，这就为移植的骨瓣进入通道及头颈开窗位置的选取提供了有力依据；尤其在修复后模型组股骨颈前方仍然表现出低应力分布状况也证明了此手术方式的安全性。

实验根据人体股骨螺旋CT片，采用DICOM格式，实现数据的精确传输。通过图像处理技术，在计算机上对CT数字图像进行轮廓识别和矢量化处理，准确地生成股骨特征结构轮廓。在重建过程中，实验很好地解决了轮廓线定位、样条化光顺、曲面分型等难题，保证了股骨三维模型的精确度。实验选取的患者是单侧股骨头发生坏死，由于正常人股骨近端各形态参数近于正态分布，无明显差异，故本实验将右侧股骨近端作为正常参照.

实验得出结论，带血管蒂大转子骨瓣转移能够有效改善坏死股骨头的力学性能，恢复其力学支撑。首先，彻底清除了坏死骨，转移新鲜大转子松质骨和股骨头残留的正常骨部分紧密结合有利于骨的愈合；新鲜的松质骨骨小梁与股骨头内骨小梁性质相同恢复了松质骨小梁的连续性，重建了股骨头内骨小梁的生物支撑作用，恢复股骨头颈部承重支架，适应正常髋关节活动载荷；坏死的区囊性变及坏死组织的清除，新骨的植入修复了股骨头外形结构，恢复了股骨头的受力面积，减少了单位面积应力载荷，增加了股骨头生物机械性能，有效的防止再次塌陷。另外，带血管蒂的骨瓣提供了一套新的供血系统，加速了坏死骨的修复与重建，从而恢复股骨头坏死区生物学特性。

综上所述，经三维有限元分析方法证明了带血管蒂大转子骨瓣转移方法治疗股骨头缺血坏死，在大转子区切取骨瓣及在股骨颈前方开窗不会破坏股骨近端主要应力传导结构，并能消除坏死区囊变周围应力集中，有效改善并恢复了股骨头内生物力学状况，手术方法安全有效。

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

三维有限元分析大转子骨瓣转移治疗股骨头缺血坏死应力分布变化

Three-dimensional finite element analysis on stress distribution after greater trochanter bone flap for treating osteonecrosis of the femoral head

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