張宏健，張國(guó)梁，張 偉，王躍文

（內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院骨科，內(nèi)蒙古 呼和浩特010050）

早中期股骨頭壞死（Osteonecrosis of the Femoral head，ONFH）應(yīng)用髓芯減壓術(shù)（Core decompression surgery，CD）治療能夠降低股骨頭內(nèi)的壓力，緩解疼痛，恢復(fù)血運(yùn)，幫助壞死股骨頭愈合[1，2]。療效得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的一致肯定[3]。傳統(tǒng)CD的減壓通道直徑約10～12mm，這種大直徑通道會(huì)削弱軟骨下骨板的力學(xué)支撐，與其他改良CD比較，此方法對(duì)ONFH的治療作用有限[4]。HCD也是一種改良CD，采用多個(gè)5mm孔徑減壓通道對(duì)股骨頭內(nèi)壞死區(qū)域進(jìn)行減壓，可以有效減壓和避免應(yīng)力集中，避免股骨頭塌陷[5]。HCD同樣有導(dǎo)致股骨頭機(jī)械支撐力下降的問題。在改良CD后既要保證充分減壓的同時(shí)，又要盡可能少的破壞股骨頭的機(jī)械支撐力，是一個(gè)值得探討的問題[6，14，24]，因此，我們對(duì)HCD和CD不同減壓通道數(shù)進(jìn)行生物力學(xué)研究并優(yōu)化選擇。

1 材料與方法

1.1一般資料

采用2019國(guó)際骨循環(huán)學(xué)會(huì)（Association Research Circulation Osseous，ARCO）標(biāo)準(zhǔn)[1]，隨機(jī)選擇2020年在我院住院治療的ONFH（ARCO分期I期）1例進(jìn)行研究，患者知情同意使用其影像資料。典型臨床表現(xiàn)和影像學(xué)資料，符合診斷標(biāo)準(zhǔn)。已經(jīng)排除髖部感染、髖部外傷、髖關(guān)節(jié)腫瘤、髖關(guān)節(jié)炎、先天性髖關(guān)節(jié)發(fā)育異常、骨質(zhì)疏松、自體免疫性疾病等。

1.2方法

1.2.1 主要設(shè)備CT機(jī)：GE64排螺旋CT（GE，美國(guó)）；計(jì)算機(jī)：IBM w520筆記本電腦；軟件：Geomagic Studio 2013（Geomagic公司，美國(guó)）；Hypermesh 2019（Altair公司，美國(guó)）；Mimics 21.0（Materialise公司，比利時(shí)）；ANSYS 19.2（Ansys公司，美國(guó)）；Abaqus 2020（Dassault公司，美國(guó)）；SPSS 20.0（IBM公司，美國(guó)）；Pro/E（PTC公司，美國(guó)）

1.2.2 數(shù)據(jù)采集及建立幾何模型 使用CT對(duì)仰臥位患者的股骨頭最高點(diǎn)至股骨上1/3段進(jìn)行橫斷面連續(xù)掃描，層厚0.625mm。CT數(shù)據(jù)以Dicom格式導(dǎo)入到Mimics 21.0中。對(duì)提取后的模型設(shè)置Bone Scale范圍，進(jìn)行區(qū)域增長(zhǎng)，利用Region Growth、3D Calculation功能分別進(jìn)行圖像分割和初步重建股骨頭模型，并以.stl格式保存。重建的股骨頭模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入Pro/E 5.0軟件中進(jìn)行平滑、去噪等優(yōu)化處理。最后將其導(dǎo)入Geomagic Studio 2013中分別建立0、3、4、5、6孔的HCD和CD的實(shí)體模型并分別保存。

1.2.3 網(wǎng)格劃分及優(yōu)化 上述模型導(dǎo)入Hypermesh 2019中進(jìn)行面網(wǎng)格優(yōu)化及體網(wǎng)格劃分，面網(wǎng)格類型為三角形，網(wǎng)格單元尺寸大小為1mm；通過優(yōu)化過程使股骨頭模型面網(wǎng)格均勻，從而降低面網(wǎng)格錯(cuò)誤率，再進(jìn)行體網(wǎng)格劃分，體網(wǎng)格類型為四面體，網(wǎng)格單元尺寸大小為1mm（面、體網(wǎng)格數(shù)見表1）

表1 加載，三維有限元節(jié)點(diǎn)及單元數(shù)

1.2.4 有限元分析 把優(yōu)化后的股骨近端模型導(dǎo)入到Abaqus 2020軟件中，對(duì)模型進(jìn)行裝配，設(shè)定載荷量，約束條件的界定等處理后再進(jìn)行有限元分析，計(jì)算股骨頭內(nèi)應(yīng)力值。在股骨頭內(nèi)應(yīng)力部位均勻選取30個(gè)節(jié)點(diǎn)，并計(jì)算其均值，進(jìn)行有限元仿真實(shí)驗(yàn)。固定每個(gè)模型的股骨遠(yuǎn)端同一處表面，在每個(gè)股骨頭模型最高點(diǎn)處施加相當(dāng)于正常人體質(zhì)量一半的垂直向下的壓應(yīng)力約300N（見表1），且持續(xù)對(duì)股骨頭表面施加相應(yīng)載荷，通過在股骨頭截面應(yīng)力集中部位均勻選取30個(gè)節(jié)點(diǎn)，并計(jì)算其均值（見表2），應(yīng)力分布云圖提示應(yīng)力變化情況（見圖1～9）。

圖1 0孔ONFH模型應(yīng)力云圖

表2 不同通道數(shù)的HCD和CD應(yīng)力值（MPa）的比較

2 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

運(yùn)用SPSS 20.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示。多組間比較采用單因素方差分析，兩組間比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，檢驗(yàn)水準(zhǔn)為α＝0.05，以P<0.05說明有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖2 HCD 3孔模型應(yīng)力云圖

圖3 HCD 4孔模型應(yīng)力云圖

圖4 HCD 5孔模型應(yīng)力云圖

圖5 HCD 6孔模型應(yīng)力云圖

圖7 CD 4孔模型應(yīng)力云圖

圖8 CD 5孔模型應(yīng)力云圖

圖9 CD 6孔模型應(yīng)力云圖

3 結(jié)果

3.1 HCD組內(nèi)比較：HCD組股骨頭內(nèi)的應(yīng)力值：0孔：0.168MPa，3孔：0.250MPa，4孔：0.264MPa，5孔：0.272MPa，6孔：0.378MPa，3、4、5孔間應(yīng)力值無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）；5、6孔間應(yīng)力值有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）（見表2，圖1～5）

2.2 CD組內(nèi)比較：3孔：0.686MPa，4孔：0.963MPa，5孔：1.077MPa，6孔：0.985MPa。3、4孔間應(yīng)力值有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；3、6孔之間應(yīng)力值有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；其余各孔之間應(yīng)力值無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（見表2，圖6～9）。

圖6 CD 3孔模型應(yīng)力云圖

2.3相同孔數(shù)HCD和CD比較：孔數(shù)相同時(shí)，HCD組應(yīng)力值均比CD組應(yīng)力值更小，應(yīng)力值有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（見表3）。

表3 相同通道數(shù)HCD和CD應(yīng)力值（MPa）的比較

4 討論

ONFH平均發(fā)病年齡在30～40歲，亞洲國(guó)家發(fā)病率較歐美國(guó)家高[6]，是青壯年致殘的主要原因之一，大約10%的人工全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)（Total Hip arthroplasty，THA）是ONFH導(dǎo)致的[7，8]。是一種骨科常見且難治性疾病，預(yù)后較差。Mont在近期指出，導(dǎo)致股骨頭內(nèi)部血液供應(yīng)中斷的原因是多樣的，無明確定論[6，11]，如不在早期進(jìn)行干預(yù)，70%的患者將在數(shù)年內(nèi)發(fā)生股骨頭塌陷，致殘率很高，最終只能行THA治療，其高昂的治療費(fèi)用以及不得不接受的多次返修手術(shù)將給患者和社會(huì)帶來沉重的負(fù)擔(dān)。所以，ONFH早中期的保髖治療是十分必要的，能延緩或避免THA[9，10，12，13]。

大量研究指出CD并沒有改良CD療效好[5，6，15～18，23，24]。對(duì)于不同孔數(shù)，不同孔徑的改良CD治療ONFH的研究已有很多文獻(xiàn)報(bào)道。張國(guó)梁等[15]在HCD療效觀察中比較了單純CD和HCD治療ONFH的療效，結(jié)果表明，I期的優(yōu)良率達(dá)100%，II期優(yōu)良率達(dá)89.5%，III期優(yōu)良率達(dá)33.3%，5個(gè)5mm的平行減壓通道減壓面積比CD多19.625mm2，且減壓通道在股骨頭內(nèi)空間構(gòu)型好，均勻散布在壞死區(qū)內(nèi)，每個(gè)減壓通道間有整齊規(guī)則的骨墻相連接成為一個(gè)整體，可以得到較為堅(jiān)強(qiáng)的支撐，在軟骨下方有松質(zhì)骨支撐，而不是單純CD形成的中心型空洞。Miao等在一項(xiàng)至少隨訪1年的前瞻性研究中對(duì)比了傳統(tǒng)CD并多孔鉭棒與多個(gè)小孔徑CD治療尚未塌陷的ONFH，納入了60例（70髖），結(jié)果顯示兩組術(shù)前術(shù)后Harris評(píng)分差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，且對(duì)I期ONFH療效更好，在更長(zhǎng)期的隨訪中，多個(gè)小孔徑CD要優(yōu)于CD并鉭棒植入，可能是因?yàn)樾】讖酵耆挥绊懶鹿情L(zhǎng)入，MRI顯示鉭棒植入物周圍有微小縫狀的液體信號(hào)，提示骨未完全長(zhǎng)入。Thilo Floerkemeier等在一項(xiàng)有限元分析中對(duì)比了單孔CD（10mm）并植入鈦金屬棒與多個(gè)小孔徑CD，發(fā)現(xiàn)小孔徑CD有更好的預(yù)后。Mont等的研究也證實(shí)了使用5個(gè)3.2mm的多孔CD比單孔CD（10mm）有更好的結(jié)果，對(duì)股骨頸生物力學(xué)的影響更小，術(shù)后可早期負(fù)重，相較于單孔CD有更好的骨長(zhǎng)入。Steinberg等報(bào)道，使用10mm鉆頭進(jìn)行CD后發(fā)生骨折的風(fēng)險(xiǎn)在0%～10%之間，另外一項(xiàng)使用多個(gè)小孔徑CD的分析研究顯示沒有出現(xiàn)骨折病例，說明這種改良手術(shù)的并發(fā)癥很低。以上觀點(diǎn)與本研究結(jié)果是相符的，本研究通過有限元分析的方法，對(duì)兩種不同置孔方式的股骨頭內(nèi)應(yīng)力進(jìn)行了有限元分析顯示：1.在綜合考慮術(shù)中安全性、術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率、骨折風(fēng)險(xiǎn)等因素，多通道小孔徑相較于傳統(tǒng)CD更安全，更穩(wěn)定，并發(fā)癥更少，骨折風(fēng)險(xiǎn)更小。

本研究結(jié)果與文獻(xiàn)的觀點(diǎn)相符，通過對(duì)ONFH 0孔和3、4、5、6孔HCD以及3、4、5、6孔CD后股骨頭生物力學(xué)的應(yīng)力變化比較，進(jìn)行有限元分析，顯示HCD組股骨頭內(nèi)的應(yīng)力值0孔：0.168MPa，3孔：0.250MPa，4孔：0.264MPa，5孔：0.272MPa，6：0.378MPa，3、4、5孔之間應(yīng)力值差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05），但是對(duì)于3、4孔而言，5孔減壓更徹底，5、6孔間應(yīng)力值差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05），且6孔應(yīng)力值激增；從HCD后股骨頭應(yīng)力值變化及股骨頭塌陷風(fēng)險(xiǎn)方面綜合考慮，5孔減壓效果最佳。

本研究中，HCD組股骨頭內(nèi)的應(yīng)力值如上述，CD組 股 骨 頭 內(nèi) 應(yīng) 力 值：3孔：0.686MPa，4孔：0.963MPa，5孔：1.077MPa，6孔：0.985MPa，同孔數(shù)HCD股骨內(nèi)頭的應(yīng)力值均小于CD組，其應(yīng)力值差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。這說明在減壓孔數(shù)相同時(shí)，HCD組在股骨頭內(nèi)形成了如同蜂巢樣的空間構(gòu)型，均勻地分布在股骨頭內(nèi)，每個(gè)減壓通道間都有整齊規(guī)則的骨間壁形成，使得軟骨下骨獲得有效支撐，生物力學(xué)優(yōu)良。而CD組應(yīng)力值偏大，可能是由于未形成整齊規(guī)則的骨間壁，軟骨下機(jī)械支撐減少，這與文獻(xiàn)的觀點(diǎn)相符，通過與CD的比較，相同減壓孔數(shù)的HCD股骨近端應(yīng)力值更小，股骨頭內(nèi)應(yīng)力分散均勻，減壓孔之間有完整且整齊的骨間壁形成[5，15]，對(duì)股骨近端生物力學(xué)影響較小，骨折風(fēng)險(xiǎn)更低，更為安全[17，18]。股骨頭內(nèi)部的松質(zhì)骨對(duì)其皮質(zhì)骨有較強(qiáng)的支撐作用，是防止股骨頭塌陷的重要因素。Volokh等通過研究發(fā)現(xiàn)正常股骨頭內(nèi)的松質(zhì)骨對(duì)股骨頭的皮質(zhì)骨有較強(qiáng)的支撐作用，可防止皮質(zhì)殼屈曲。Etienne G.等通過有限元分析發(fā)現(xiàn)股骨頭深面的松質(zhì)骨強(qiáng)度下降是導(dǎo)致股骨頭塌陷的主要原因。何偉偉等通過對(duì)比研究也從另一方面證實(shí)了此觀點(diǎn)，他們發(fā)現(xiàn)正常股骨頭各區(qū)域骨小梁排列規(guī)則有序，壞死股骨頭壞死區(qū)及硬化區(qū)骨小梁排列紊亂無序。壞死股骨頭的壞死區(qū)內(nèi)，相對(duì)骨體積分?jǐn)?shù)（BV/TV）顯著降低，平均骨小梁數(shù)目（Tb.N）減少，平均骨小梁間距（Tb.Sp）顯著增寬。壞死區(qū)骨小塊的生物力學(xué)性能明顯降低，彈性模量下降近70%，屈服強(qiáng)度下降35%，極限強(qiáng)度下降35%。因此，CD的同時(shí)保留股骨近端的生物力學(xué)顯得至關(guān)重要，HCD是一個(gè)很好的選擇，在充分減壓的同時(shí)，盡量少的破壞股骨近端生物力學(xué)性能，還具有創(chuàng)傷小，出血少，股骨骨折風(fēng)險(xiǎn)大大降低，可早期負(fù)重下地行走等諸多優(yōu)點(diǎn)。JI YONG BAE等利用有限元分析的方法，通過改變鉆孔位置以及通道數(shù)量發(fā)現(xiàn)多個(gè)小孔道鉆孔術(shù)具有較高的安全性，Mont等在一項(xiàng)臨床對(duì)比研究中也發(fā)現(xiàn)：45例患者在多個(gè)小孔道CD后5～6周未觀察到骨折征象。

綜上所述，與CD比較，HCD治療ONFH，雖然股骨近端應(yīng)力值隨著HCD打孔數(shù)的增加而稍增加，說明HCD降低了股骨近端的生物力學(xué)性能，但HCD又能夠有效地分散股骨頭內(nèi)的應(yīng)力集中。在綜合考慮手術(shù)安全性及生物力學(xué)的情況下，5孔HCD減壓最徹底。對(duì)股骨近端應(yīng)力值破壞更小，生物力學(xué)性能也更穩(wěn)定，因此骨折風(fēng)險(xiǎn)更小，更安全，是眾多保髖方式中一種較好的選擇。

CD的置孔方式不是平行置孔，所以沒有在股骨頭內(nèi)形成平行的骨間壁作為支撐，孔間距隨意且不定，易造成通道間融合而形成大的通道或大空洞，導(dǎo)致應(yīng)力集中，股骨近端生物力學(xué)性能變差，骨折風(fēng)險(xiǎn)較高。其中5孔的壓力值還大于6孔，這可能是由于骨間壁破壞導(dǎo)致。