股骨远端肿瘤手术重建方式的生物力学研究

作     者：姚子龙 

作者单位：南方医科大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张余

授予年度：2015年

学科分类：1002[医学-临床医学] 100214[医学-肿瘤学] 10[医学] 

主      题：生物力学 有限元 步态分析 膝关节 股骨远端 骨肿瘤 

摘      要：[背景]膝关节是人体最大的负重关节,附近的骺板处组织增生活跃,是各种骨肿瘤的好发部位。据统计发生在膝关节附近的骨肿瘤占全部骨肿瘤及肿瘤样病变的约30%,股骨远端占15.7%。针对股骨远端肿瘤,表现为骨质破坏或骨质改变,病变的大小,首先影响骨骼的生物力学强度,存在病理性骨折风险。如何从生物力学角度,在手术前准确量化病理骨折风险大小,准确把握手术时机和指征,都是目前国内外困扰临床医生及研究的重要问题。对于范围较大的侵袭性肿瘤和恶性肿瘤,手术方式可进行广泛切除并重建。重建方式包括自体或异体骨移植、肿瘤假体置换、瘤段骨灭活再植等。自体骨移植被认为是骨修复治疗的金标准,但是骨质来源有限,并且供区可出现感染、局部疼痛等并发症。异体骨移植也具有临床优势,但骨质吸收、感染风险等限制其临床广泛运用。另外,人工假体置换的近期效果好,可早期负重,关节活动度大,受到一些学者的推崇。但其远期问题较多,而且价格昂贵。瘤段骨灭活再植方法简单,不存在排斥反应,但灭活过程可能破坏关节软骨并且术后出现骨不连,也不适用于骨质破坏严重的病例。采用原位微波消融治疗四肢骨肿瘤,可最大程度地保全骨骼支架作用,可避免再植后的骨不连。然而,该技术依然面临着骨折发生率及复发率较高的问题。膝关节周围肿瘤手术重建的具体适应条件、不同的重建方式的早期及远期力学效果尚不明确。因此,从生物力学的角度,如何客观、量化评价不同重建方式优劣,如何在手术后客观、量化评价膝关节运动功能恢复情况,一直是临床医生必须面对和思考的问题。自2009年以来,作者单位在股骨远端侵袭性及恶性肿瘤的手术治疗方面,采用了原位微波消融加内固定与人工膝关节假体置换2种方式,并且积累了-定数量的病例,从生物力学角度,总结、客观评价2种方式的优劣,可以为临床工作提供指导,为同行提供借鉴。[目的]本次研究采用新的计算机仿真软件(计算机辅助人机工程学和生物力学分析软件：AnyBody)和先进的在体运动学评估系统(Optinee膝关节运动学评估系统),从生物力学的角度试图解决以下问题：1.利用有限元的方法,模拟人体最佳边界条件,探寻人体行走过程中股骨的生物力学情况,为后面的缺损模型的建立及分析提供基础。2.根据前面的研究结果,从生物力学角度,探讨股骨远端肿瘤病变大小与病理骨折风险的关系。3.研究局部微波高温加热对股骨生物力学的影响。4.依靠新的检测方法,建立国人膝关节运动学量化数据,为膝关节周围肿瘤术后患者的康复评估提供客观参照标准。5.评价两种股骨远端肿瘤重建方法(主要为假体置换及原位微波灭活)的手术后膝关节功能,为临床工作提供指导。[方法]1.根据志愿者的全股骨CT数据进行三维重建,重建及网格化操作均使用Simpleware医学图像处理软件。利用计算机仿真软件AnyBody模拟正常人平地行走时的动作,导出股骨在整个运动过程中受到的肌肉力。利用Geomagic studio和Hypermesh软件完成目标模型与AnyBody模型的坐标匹配,将肌肉力加载在股骨上,在有限元分析软件Abaqus实现有限元分析,分析步态过程中股骨受到的von Mises应力、应变的大小及其集中部位。2.将AnyBody与Abaqus成功形成对接后,开始关注股骨远端缺损范围对骨折风险的影响。利用志愿者的股骨CT数据进行三维重建,在股骨远端人为模拟数个不同范围的骨缺损：松质骨缺损、皮质骨缺损50%缺损、皮质骨70%缺损、皮质骨85%缺损。再按照方法1中的步骤分别载入股骨在步态过程中的肌肉力,进行有限元分析,评估von Mises应力及应变的大小及集中部位,预测出现骨折风险的条件。3.将一根正常成人股骨标本切割成规格为0.5×0.5×1cm3的试样,共40块,随机平均分成微波组和对照组。微波组试样在功率100W、消融时间30分钟、温度80℃条件下进行微波消融处理。用生物力学试验机对两组试样进行静态生物力学测试,计算两组试样的弹性模量、屈服强度。同时将另一根股骨标本予相同的参数进行微波消融。微波处理前后各进行一次Micro-CT扫描,计算两次股骨的矿物质浓度(BMD, bone mineral density),进行前后对比,同时观察微波辐射范围。4.选取28例(56侧膝)健康成年中国人进行平板步态中的膝关节运动学分析。分析采用一种基于红外光追踪的技术,根据大腿及小腿上的刚体部件的数据捕捉来进行膝关节运动学分析。采集下肢解剖体表标志相对于刚体部件的位置来建立股骨和胫骨的坐标系,据此可计算出志愿者在平板上行走时膝关节6个自由度上的运动学数据。计算6个自由度(DOF, degree of freedom)上的活动范围(ROM, range of freedom),和5个运动学参数,并且进行男女之间及左右膝关节间的比较。统计学分析方法采用双独立样本的T检验。5.选