基于“动静结合”理论股骨头坏死塌陷风险的影像学和生物力学研究

作     者：温明韬 

作者单位：山东中医药大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李刚

授予年度：2022年

学科分类：1005[医学-中医学] 100508[医学-中医骨伤科学] 10[医学] 

主      题：股骨头坏死 三维重建 髋关节行为动作 动静结合 塌陷风险 生物力学 有限元分析 

摘      要：目的:1.基于中日友好医院(China-Japan Friendship Hospital,CJFH)股骨头坏死分型,通过CT三维重建评估股骨头坏死(osteonecrosis of femoral head,ONFH)塌陷前期及塌陷初期患者的坏死区的体积及位置分布,一定程度上补充CJFH分型在单一影像层面预测塌陷的缺陷,为后续生物力学研究中构造CJFH分型三维结构模型提供参考。2.基于中医学“动静结合理论,结合有限元分析(Finite Element Analysis,FEA)的方法,评估不同髋关节行为动作下同一CJFH分型和相同髋关节行为动作下不同CJFH分型的三维有限元模型发生股骨头坏死后塌陷的风险,探究CJFH分型和髋关节行为动作差异对坏死区产生的生物力学效果,指导ONFH保髋治疗,为临床诊疗决策提供参考。方法:1.利用Mimics 21.0软件重建ARCOⅡ期或ⅢA期ONFH患者的CT影像学数据,根据CJFH分型特点划分股骨头三柱结构,将股骨头按三柱结构分为3个分区,计算纳入研究患者的坏死区所占股骨头体积比及各分区坏死组织所占各自分区的体积比,观察坏死区在三柱结构中的分布情况。2.根据纳入标准及排除标准,选取1名健康志愿者的髋关节断层CT扫描数据,通过Mimics 21.0软件提取左侧髋关节的原始三维模型,经过Geomagic 2017软件进一步预处理后,以STL格式导入Solidworks2018软件基于CJFH分型特点设定各CJFH分型的三维模型,并利用配合操作按照三种不同髋关节行为动作的动作角度实现各模型零件的装配,得到装配好的运算模型,最终将装配好的模型在ANSYS 21.0软件中赋予各分型模型相同的材料参数和边界条件,经过载荷设定、运算前设置和划分网格后,通过计算分析得出的Von Mises应力和最大变形值评价载荷对坏死区和坏死后股骨产生的生物力学效果,评估各分型模型的坏死塌陷风险。结果:1.本次研究纳入ONFH患者的股骨头体积为(47531.41±7794.03)mm,坏死区体积为(18456.10±7487.92)mm,坏死区所占股骨头体积比为(38.83±16.17)%,坏死组织在外侧柱、中央柱、内侧柱所占的体积分别为(5782.10±2427.09)mm、(11347.62±5115.91)mm、(1326.38±1662.44)mm,坏死组织在在外侧柱、中央柱、内侧柱所占的体积比分别为(49.49±18.57)%、(44.91±20.21)%、(14.26±18.09)%,ONFH患者的坏死区多涉及股骨头外侧柱,其次是中央柱,内侧柱部分较少。2.有限元分析结果显示:(1)在相同的工况和髋关节行为动作下,坏死区的最大变形值均为M型上楼梯站立位。结论:1.通过CT三维重建的方法可以有效地反映坏死区在股骨头的位置结构和坏死区在股骨头三柱分区各区域的分布情况,一定程度上弥补了CJFH分型仅在单一层面上评估坏死区特点的不足。2.相同髋关节行为动作下,坏死区涉及外侧柱时,发生塌陷的风险较高;相同的CJFH分型,下蹲和上楼梯两种位置相较于站立位发生塌陷的风险较高,即大角度的屈髋动作是股骨头坏死后塌陷发生的高风险行为。本研究对股骨头坏死塌陷前期的意义在于:(1)基于CJFH分型的有限元分析结果说明,保证外侧柱完整性可以有效降低股骨头坏死后塌陷风险,保髋治疗应当围绕重建外侧柱有效支撑来展开。当坏死区涉及外侧柱时,发生坏死后塌陷的风险是较高的,需要更多的治疗手段干预。(2)坏死组织的生物学特性发生改变,骨质的强度和刚度相应降低,在较小的应力载荷下便可发生较大变形。在日常生活中应避免患髋的高强度负重,保证患髋的有效休息,建议患者应减轻体重,避免单足站立、跑跳等高强度动作增加患髋负担