有限元分析股骨头坏死的临床研究与进展

王宏润, 李宏宇

(1.右江民族医学院, 广西 百色 533000 2.广西壮族自治区人民医院骨科， 广西 南宁 530021)

股骨头坏死作为骨科常见疾病，生物学因素和机械因素在其进展过程中导致了股骨头塌陷，在股骨头坏死的疾病进展过程中，一旦股骨头发生塌陷，负重区软骨将出现不可修复性坏死，最终导致不可逆损害[1]。近年来对股骨头坏死的研究中，对机械性因素的研究主要通过生物力学研究方法，而有限元分析(finite element analysis，FEA)作为生物力学的分析手段，通过变分法原理求解物理模型，把复杂的髋关节划分为有限个小单元，对其受力进行数字化分析，从而得出应力分布云图。1972 年 Brekelmans 等于1927年已经在骨外科领域尝试应用有限元方法，其研究最先展示了股骨头中心部的应力变化，从此开创了骨科有限元研究的先河。20世纪80年代，有限元分析能够计算出骨骼内部的应力分布并对应力集中进行定量分析[2]。随着计算机技术的飞速进步，高级建模软件及大型力学分析软件如Mimics、 Geomagic Studio、 ANSYS、 Abaqus等的出现，骨骼及周围软组织模型越来越精细，工况的设置越来越复杂，模拟的程度越来越高，分析出来的结果也越来越接近现实情况。有限元分析在股骨头坏死方面的应用主要包括建立模型、分析硬化带的力学特性、预测塌陷、评价保髋手术力学重建效果及制定保髋手术方案等方面。骨科有限元分析过程首先要将骨骼视为实体材料，在计算机上通过影像表现对想要的模型进行初步建模，再对材料赋予相关材料属性，通过静态力学分析对模型施加应力，得出相关结论[3]。有限元分析在骨骼方面的应用主要是在面颅、脊柱、髋关节及其他四肢大关节。

1 股骨头有限元建模过程

股骨头坏死三维有限元模型的建立首先需要提取股骨及髋关节CT或MRI数据，使用影像科专用软件导出DICOM格式，应用mimics(比利时Materialise公司发明的一种医学影像控制系统)提取出影像资料，通过阈值分割(Thresholding)、编辑蒙板(Edit masks)、区域增长(Region growing)等命令对每一层骨组织进行初步处理，仔细划分出皮质骨及松质骨外壳，这一步为材料赋值打下基础，将划分好的模型重建成三维图像并导入3- matic( Materialise公司出品的基于数字化 CAD的正向工程软件)进一步做光滑，补洞等处理，其中类似椎间盘，韧带，软骨组织由于在CT上无法显影，部分学者利用3-matic对这些组织进行模拟，同时3-matic的测量工具也全面的应用在有限元分析中，经过3-matic处理好的模型以STL格式转入geomagic(正逆向混合设计软件)，利用反转选取，删除等命令处理内部多余三角面，再将图像进行网格化，逆向处理，根据具体需要，还可以应用3D设计软件进行内植物的装配，再将模型导入有限元分析软件，目前骨科公认的有限元软件包括ansys、abaqus，在软件中根据材料属性对模型进行赋值，确定接触面关系，在研究位置施加应力，以及不同角度施加应力，通过精确计算后，得出相关结论[4,5]。目前在建模方面有许多方法，根据不同的建模思路，设计个性化的分析模型是有限元分析的特色之一。

2 应力区与坏死区的有限元分析

有限元研究股骨头应力区与坏死区主要探讨机械因素在股骨头缺血坏死中的作用，通过有限元建模，可以清晰的观察髋臼内部及股骨头上表面的应力情况，以及坏死区域应力特点。J.-C. Escudier等[6]利用mimics，3-matic初步为坏死股骨头建模，并标记最大应力区及坏死区，利用Abaqus对相关区域赋予材料属性后分析最大应力区与坏死区的关系发现，通过测量最大应力区体积和相交区体积的比例N/I%和坏死区体积与相交区体积的比例S/I%，结果表明：坏死体积与相交区体积之间存在很强的负相关关系，最大应力区体积与相交区体积之间存在很强的直接相关性。坏死区<7000mm的S/I%更大。这一结论表明可以间接的证明股骨头缺血性坏死的过程中，坏死区主要是在最大压力区域内发展的。对不同坏死体积分数的股骨头进行有限元分析发现，当坏死体积分数为30%时，应力最大峰值位于坏死带与应力区交界处，当坏死体积分数为50%时，应力区的最大值位于股骨头后外侧，而坏死带应力占比明显增高，股骨头塌陷风险明显增高。

3 股骨头塌陷坏死的预测

在股骨头坏死的病程中，股骨头发生塌陷意味着保髋治疗的失败，在股骨头坏死的治疗期间，患者若未接受及时治疗，塌陷的风险将逐渐增高，所以准确评估股骨头塌陷的风险十分重要。精准的评判塌陷风险后，对患者进行个体化治疗，使患者获得更好的康复效果，延缓股骨头塌陷坏死。目前在临床上通过CT及MRI数据对股骨头进行塌陷预测已获得广泛应用，但其准确性仍需要进一步研究。近年来，有限元分析股骨头缺血性坏死近年获得了学术界的认可，通过有限元分析法分析早期股骨头坏死患者坏死区应力情况，从而指导早期患者的治疗[7]。有限元分析用于塌陷方面的研究主要是设置不同的情景，包括不同坏死部位、坏死面积、坏死形状等，分析股骨头内的应力情况，根据材料学上发生塌陷的临界值，如塌陷值、应力/强度比值、“塌陷准则”等，来评估股骨头塌陷的风险。应力指数(Stress Index)，即有效应力与屈服应力的比值。正常股骨头的应力指数在0.05～0.1之间，当应力指数大于0.1就可能发生骨折。坏死骨的屈服应力为5.5MPa，换言之，当骨折发生时，骨折处的应力需大于0.55MPa。实际情况中，坏死骨、硬化带及松质骨的弹性模量与泊松比相差很大，这一差距导致了各个接触面的应力分布有所不同，通过有限元建模，利用冯·米塞斯应力(Von Mises Stress)来评估坏死股骨头软骨下骨折区的应力分布情况，可以清晰的观察不同截面的力学表现，在ANSYS中可以清晰地发现坏死区与坏死带连接处的临界压力，从未判断出有无塌陷风险。当导入位移情况时，同样可以清晰地显示股骨头塌陷趋势，对最终结果作出预判[8]。

4 股骨头缺血性坏死塌陷后的有限元分析

经过保守治疗后，股骨头发生严重塌陷则意味着保守治疗的失败，临床中的大量案例表明，在股骨头缺血坏死过程中部分塌陷是可以通过治疗获得康复的，研究表明：确诊股骨头坏死后，平均塌陷率约50%。通过对大量的缺血性股骨头坏死患者进行流行病学调查发现，在影像上已经发现股骨头塌陷，但是并未影响患者的日常生活，查体发现部分患者髋关节功能良好，这部分患者通过保守治疗可以正常的工作、生活，但具体髋关节的内部情况仅仅通过影像学难以得出结论，通过有限元分析对这部分带塌陷生存的患者进行相关研究，其坏死区仅少部分或几乎没有与应力区重叠，这一类患者可以积极地采取保髋治疗，同时可以针对不同个体实施个体化方案，这一系列诊疗方式可以使这部分带塌陷生存的患者获得满意的疗效。通过有限元模拟日常常规动作，如慢走、正常步行、上下楼梯、单足站立、下蹲等，Wei Wei等[9]发现，在股骨头表面施加应力后，股骨近端皮质骨应力明显高于松质骨及坏死骨，坏死区应力主要集中在靠近松质骨的区域，利用三维软件模拟并设置塌陷深度1 mm、3 mm、5 mm后，最大应力分别出现在下楼梯、下楼梯、上楼梯三个工况下。通过比较不同工况下的最大位移值发现，塌陷1mm时坏死区最大位移值较小，此研究表明：上下楼梯可以导致股骨头应力明显增加，早期诊断的股骨头缺血坏死患者在日常生活中尽量避免上下楼梯，如有需要，应使用助行器等辅助上下楼梯。

5 发育性髋关节脱位有限元模型的建立

随着有限元研究在髋关节应用的不断深入，近期已有部分学者针对发育性髋关节脱位(developmental dysplasia of the hip，DDH)做出了特殊的参考模型，并对其进行相关分析[10,11]。在治疗发育性髋关节脱位的过程中，Pavlik吊带作为年龄小于6个月DDH的首选，但治疗过程中由于机械原因造成的股骨头缺血性坏死直接导致最终治疗的失败。Vafaeian Behzad等[12]首次利用发育性髋关节脱位进行特殊结构的建模，利用 Abaqus对髋关节建模，通过该软件特有的线性连接方式模拟髋部肌肉组织，并在相应位置设置压力，研究中模拟股骨外展角40度、60度、80度三种状态下关节软骨接触压力时发现，当外展角逐渐增大，关节软骨压力也随之增大，应力主要集中在髋臼后外侧，当外展角达到80度时，股骨头上表面应力明显增大，髋臼最大应力区的受力超过骨组织屈服强度，极容易出现髋臼外上缘的皮质骨塌陷，这一压应力同时直接影响了股骨头内血管血流量，从而容易发生股骨头缺血性坏死。通过对外展角的研究，调整Pavlik吊带的临床应用，有助于进一步完善发育性髋关节脱位的治疗。

6 总 结

有限元在骨科领域的应用具有其独特的优势，与传统生物力学实验相比，其建模过程方便、节约资源、力学分析结果可靠，目前利用有限元方法预测股骨头塌陷作为新兴方式，其具有独特的优势。有限元应力分析的方法同时应用于模拟手术，评价术后效果，尤其在骨科领域，分析内植物应力不仅可以判断治疗效果，而且节约了大量科研成本。在建模过程中，需要根据实际情况赋予边界条件、材料属性及精确网格化后的模型，上述步骤如果未能按照实际情况作出判断，结果可能会产生偏差。早期股骨头坏死由于其坏死区体积较小，根据影像学资料可以准确的获得坏死区位置及体积，当满足相应条件可以积极地进行保髋治疗，但是当坏死区结构及应力表现已不可避免地引起股骨头塌陷，这时可以积极地考虑行髋关节置换术。Karasuyama 等[13]通过对髋关节置换术后的股骨头样本进行切割，分别获得未塌陷且无硬化带模型，未塌陷并有硬化带模型及已塌陷且有硬化带模型，利用有限元发现未塌陷且无硬化带模型和正常股骨头应力，应变分布相似，病理学发现塌陷区破骨细胞占比较大，塌陷风险增高。结果表明：当股骨头坏死区出现硬化带，其预示着将发生坏死塌陷。在早期骨坏死中，当股骨头坏死区出现硬化带，其预示着将发生坏死塌陷，其中松质骨对股骨近端整体有较强的支撑作用，但随着骨坏死的进一步加重，松质骨的支撑作用也会逐渐下降，相关区域的骨皮质的变性往往导致屈服强度降低，股骨头会进一步塌陷。通过有限元分析模拟对股骨近端进行力学分析可以准确的获得股骨头坏死后的力学分布情况，在临床中可以更准确的预测塌陷。

7 展 望

有限元在髋关节上的应用有其独特的优势，但其中也包括一些亟待解决的问题，如通过CT及MRI获取的图像与真实情况有一定差距，建模过程中由于细节上需要手工处理，与实际情况有所不同，建模过程涉及的软件相对复杂，不容易掌握，目前有限元分析仅限于静态分析，但已有部分学者利用静态模块在颈椎分析过程中模拟动态过程，其研究结论与生物力学实验结论一致[14]，这表明：随着影像科技及计算机技术的不断提高，这些问题在不久的将来都可以解决，其精确度也会进一步提高。随着有限元分析各项数据的不断精细，其在骨科领域及生物力学领域的地位将不断提高。目前的研究中，我们可以先采取有限元分析方法，再通过进行生物实验的方式，使实验结果更可靠。