毛瑞 郝鵬 黃鑫 羅艷

0 引言

盡管目前對股骨頭壞死的臨床治療沒有一種公認的理想治療方式，但早期治療以延緩股骨頭塌陷、保留股骨頭結(jié)構(gòu)為主要目的。髓芯減壓結(jié)合鉭棒植入是一種常用的早期壞死治療方法，其設(shè)計原理是通過金屬鉭棒對軟骨下骨提供力學支撐，降低骨內(nèi)壓力，同時利用其多孔特點保證股骨頭的血流[1-3]。理論上鉭棒植入為壞死區(qū)的骨修復提供了條件，但臨床跟蹤隨訪表明鉭棒植入的治療效果并不穩(wěn)定，尤其對大范圍壞死的患者，保髖成功率并不理想，有分析認為手術(shù)失敗的主要原因之一是鉭棒對軟骨下骨的機械支撐不足[4-6]。

近年來，研究人員設(shè)計了新型的機械支撐裝置例如超彈性籠植入物、傘形骨架記憶合金支撐裝置等，這些支撐裝置前端具有金屬絲或桿結(jié)構(gòu)，在進入股骨頭刮除區(qū)后展開成膨大的骨架結(jié)構(gòu)，擴大了支撐范圍，但由于軟骨下骨通過金屬絲或桿有限的表面區(qū)域進行接觸支撐，同時金屬絲或桿強度不足，容易出現(xiàn)變形松動的現(xiàn)象，影響治療效果[7-11]?；谏鲜鰡栴}，本研究針對股骨頭壞死但未發(fā)生塌陷的早期病程，設(shè)計一種帽形股骨頭內(nèi)置物，擴大支撐接觸面積，并采用有限元仿真模擬方法分析術(shù)后遠期理想愈合情況下該帽形內(nèi)置物對股骨的力學影響，評估其在臨床應(yīng)用的前景。

1 材料及方法

1.1 股骨內(nèi)支撐植入物設(shè)計和制造

根據(jù)股骨的球形受力區(qū)域和載荷傳遞路徑，本文設(shè)計的股骨內(nèi)置物由展開的弧形帽和柱形柄部組成，見圖1(a)。弧形帽上表面與股骨頭球形結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，弧面半徑22 mm，展開直徑24.5 mm，帽厚度4 mm。為促進植入后骨長入同時避免出現(xiàn)應(yīng)力遮擋，弧形帽采用曲面形多孔結(jié)構(gòu)[12]，采用選擇性激光熔融技術(shù)(selective laser melting,SLM)3D打印技術(shù)(湖南華曙高科技股份有限公司，F(xiàn)S271M，中國)制造，孔隙率65%。柄部采用與鉭棒或籠支架類似的柱形結(jié)構(gòu)，直徑10 mm，采用實心金屬結(jié)構(gòu)以傳遞載荷。為滿足內(nèi)置物帽植入通道尺寸要求，選擇股骨頭外前側(cè)入路，柄部長度為26 mm，以降低手術(shù)創(chuàng)口尺寸。材料選用生物相容性較好的Ti-6Al-4V鈦合金。

1.2 股骨內(nèi)支撐內(nèi)置物的有限元模型分析

1.2.1 幾何模型構(gòu)建

選取1名成年男性志愿者(年齡35歲，體質(zhì)量70 kg)右側(cè)健康股骨的CT掃描圖像(設(shè)備型號：Revolution 256；品牌：GE；層厚：1 mm)，將CT圖像導入Mimics 19.0、Geomagic Studio 2013軟件進行重建和去噪處理，建立正常股骨頭三維實體模型。

內(nèi)置物幾何模型采用三維機械設(shè)計軟件Solidworks 2019建立，然后在一名經(jīng)驗豐富的骨科醫(yī)生的指導下確定植入位置，其中內(nèi)置物弧形帽對應(yīng)股骨頭表面方向，柄部尾端位于股骨頸部，通過布爾操作獲得術(shù)后股骨頭結(jié)構(gòu)。

采用ABAQUS/CAE 6.14分別對正常股骨模型和術(shù)后模型采用二階四面體單元劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸約1.5 mm，其中正常股骨頭模型共劃分299 710個節(jié)點和210 870網(wǎng)格單元，術(shù)后模型共劃分347 979個節(jié)點和243 777網(wǎng)格單元。

1.2.2 材料屬性

骨組織材料采用線彈性的異質(zhì)材料，利用文獻描述的CT灰度值-彈性模量經(jīng)驗公式[13-15]計算獲取彈性模塊，見表1。將模型導入Mimics軟件，根據(jù)股骨CT圖像灰度值計算骨表觀密度并進一步計算獲得對應(yīng)的彈性模量，對相應(yīng)模型區(qū)域賦予材料屬性。骨組織模型共劃分15個彈性材料區(qū)域，泊松比為0.3。

表1 模型材料屬性Table 1 Material properties of finite element

內(nèi)置物為各項同性、均勻的線彈性材料，根據(jù)Liu等[12]對曲面形結(jié)構(gòu)多孔材料力學性能的測試實驗結(jié)果，弧形帽等效彈性模量為1 365 MPa，柄部彈性模量為111.13 GPa，泊松比均為0.3。

1.2.3 邊界條件

邊界條件賦值模擬雙足站立生理載荷條件，正常和內(nèi)置物植入術(shù)后股骨頭加載的關(guān)節(jié)反作用力均為1 621 N，外展肌1 060 N。約束條件為股骨遠端固定，見圖1(b)。

圖1 股骨頭內(nèi)置物結(jié)構(gòu)和模型加載設(shè)置Figure 1 Implant structure used in the femoral head and the conditions imposed on the model

植入時在內(nèi)置物周圍用自體骨夯實填充，本研究假設(shè)術(shù)后遠期進行了理想愈合，將內(nèi)置物與骨組織之間綁定約束[16-17]，分別計算未處理的正常股骨頭模型和術(shù)后股骨頭模型的應(yīng)力分布情況。

1.3 評價指標

為了探討內(nèi)置物植入后對股骨頭的支撐效果和對其他區(qū)域的力學影響，本研究中擬分析內(nèi)置物帽下區(qū)域、股骨頸、股骨粗隆、股骨骨干以及內(nèi)置物的Von Mises應(yīng)力分布[18]。其中內(nèi)置物帽下區(qū)域、股骨粗隆和股骨骨干位置的應(yīng)力采用5個相鄰節(jié)點的Von Mises應(yīng)力平均值表示，運用SPSS 20.0軟件對術(shù)前、術(shù)后節(jié)點應(yīng)力進行獨立樣本t檢驗，P<0.05認為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

2.1 有限元模型的驗證

對正常股骨頭計算結(jié)果顯示，雙足站立載荷下股骨頸部上側(cè)受拉、下側(cè)受壓，頸部上方應(yīng)力峰值為19.16 MPa，下方應(yīng)力峰值為34.17 MPa，與文獻報道的正常股骨頭應(yīng)力分布具有一致性[19-21]，認為本研究建立的模型有效。

2.2 股骨應(yīng)力分布

植入本研究設(shè)計的內(nèi)置物后，股骨下方頸部區(qū)域的應(yīng)力有所增加，峰值為35.31 MPa；股骨頭上方頸部區(qū)域應(yīng)力峰值降低至17.32 MPa。股骨頸部與植入物柄部末端接觸區(qū)域的應(yīng)力水平為8.47～15.17 MPa，正常股骨頸對應(yīng)區(qū)域的應(yīng)力范圍是5.68～10.88 MPa，植入內(nèi)置物后股骨頸部區(qū)域的應(yīng)力水平明顯升高。

在冠狀面上，分別對正常股骨頭模型和術(shù)后股骨頭模型相同位置處各截取5個Von Mises 應(yīng)力剖面圖，如圖2所示，可以看出，在內(nèi)置物植入?yún)^(qū)域周圍，股骨頭內(nèi)部空間應(yīng)力分布發(fā)生變化；在水平面上的應(yīng)力分布剖面圖也表明股骨頭內(nèi)部的應(yīng)力重新分布，見圖3。可見內(nèi)置物改變了股骨頭內(nèi)部的應(yīng)力分布和載荷傳遞路徑。為獲取弧形帽下區(qū)域應(yīng)力變化的具體情況，分別在術(shù)后模型和正常股骨頭模型中，在弧形帽下方、柄部外部周圍3個方位上選取3組位置A、B、C，取上述位置5個相鄰節(jié)點應(yīng)力的平均值作為每組位置應(yīng)力值，如表2所示，可以看出放入內(nèi)置物后弧形帽下方區(qū)域的應(yīng)力有顯著性差異(P<0.05)，術(shù)后應(yīng)力值低于正常模型?？梢妰?nèi)置物能夠降低帽下區(qū)域骨組織的應(yīng)力水平。

A1—A5為正常股骨頭不同冠狀剖面應(yīng)力云圖；B1—B5為植入術(shù)后遠期不同冠狀剖面應(yīng)力云圖(剖面位置從左到右依次為：53%、47%、45%、42%、37%)。圖2 正常及植入術(shù)后股骨不同冠狀剖面應(yīng)力分布情況Figure 2 Multiple coronal sectional views of Von Mises stress distributions before and after operation

A—正常股骨頭；B— 植入術(shù)后股骨頭(剖面位置：60%)。圖3 正常股骨頭及植入術(shù)后股骨頭水平剖面應(yīng)力分布情況Figure 3 Horizontal cross-sectional view of Von Mises stress distributions of the femoral head before and after operation

表2 術(shù)后股骨頭模型和正常股骨頭模型不同位置應(yīng)力值Table 2 Von Mises values of different positions of the femur models before and after operation

同樣的，分別在術(shù)后模型和正常股骨頭模型中股骨粗隆、股骨干內(nèi)側(cè)、外側(cè)確定位置D、E、F并獲取應(yīng)力平均值，結(jié)果顯示應(yīng)力水平?jīng)]有顯著性差異(P>0.05)。可見內(nèi)置物的植入對股骨頭下方結(jié)構(gòu)的影響較小，沒有產(chǎn)生應(yīng)力遮擋現(xiàn)象，不會影響后期可能需要的髖關(guān)節(jié)置換治療。

2.3 內(nèi)置物應(yīng)力分布

內(nèi)置物應(yīng)力分布如圖4所示。弧形帽上表面應(yīng)力值為1.21～2.18 MPa，下表面與柄部交界區(qū)域應(yīng)力增加，為2.68～3.58 MPa。內(nèi)置物柄部的應(yīng)力水平基本在25 MPa以內(nèi)，高于弧形帽面應(yīng)力水平，峰值位于柄部末端區(qū)域與股骨頸下方接觸的地方，為53.05 MPa?？梢姳磕┒耸艿焦晒穷i部下方骨組織的擠壓支撐，能夠形成力學穩(wěn)固結(jié)構(gòu)，避免在軸向方向上產(chǎn)生微動。

3 討論與結(jié)論

股骨頭壞死發(fā)病機制雖然尚不明確，但病情的進展和癥狀表現(xiàn)與生物力學因素有著密切的關(guān)系[22]。有限元力學仿真被廣泛應(yīng)用于股骨頭壞死治療效果預(yù)測研究中，輔助臨床決策[18,23]。本研究采用個體CT圖像并基于灰度值賦值材質(zhì)的方法建立了有效的分析模型[14]，計算植入內(nèi)置物后的遠期結(jié)構(gòu)對股骨頭的力學影響，以預(yù)測內(nèi)置物的臨床療效，并對結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化提供反饋。

在股骨頭壞死早期，由于血供受損導致局部骨組織壞死，壞死骨的力學強度和應(yīng)力水平顯著下降，壞死區(qū)與正常區(qū)邊界處出現(xiàn)應(yīng)力集中，在此新生修復組織的力學性能不足以承擔負荷，從而微骨折現(xiàn)象不斷積累且得不到及時的修復，最終引起股骨頭塌陷[22,24]?；谏鲜鲈恚缙谥委煏r為負重區(qū)軟骨下骨提供足夠的支撐并降低骨內(nèi)應(yīng)力是防止結(jié)構(gòu)塌陷、促進組織修復過程的基礎(chǔ)。本研究設(shè)計的內(nèi)置物植入后弧形帽下方骨組織應(yīng)力降低22.5%～29.3%，說明在理想愈合情況下內(nèi)置物能夠降低股骨頭內(nèi)部應(yīng)力水平，對股骨頭提供了確切支撐，為壞死修復提供了有利的力學環(huán)境，能夠延緩塌陷進程。盡管鉭棒植入治療后股骨頭應(yīng)力水平也有降低的趨勢[3,25]，但在壞死范圍較大(壞死區(qū)域中心角≥120°)時，由于鉭棒不足以填充全部壞死刮除區(qū)且剩余區(qū)域填充的組織難以與鉭棒緊密整合，從而在端部區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中，造成手術(shù)失敗[4-6]。本研究中內(nèi)置物弧形帽展開半徑22 mm，能夠填充更多壞死刮除空腔并支撐軟骨下骨，有望應(yīng)用于大范圍壞死的病例。同時，由于弧形帽采用3D打印技術(shù)制作，能夠個性化設(shè)計，幾何外形可以根據(jù)不同個體的股骨頭尺寸定制[26]，從而能夠匹配壞死灶大小和位置進行針對性的減壓。

圖4 內(nèi)置物應(yīng)力分布Figure 4 Von Mises stress distributions of the implant

計算表明內(nèi)置物的應(yīng)力峰值出現(xiàn)在柄部末端，遠低于實心鈦合金柄部的屈服應(yīng)力，不會在體內(nèi)發(fā)生破壞斷裂情況。在股骨頸部區(qū)域，術(shù)后頸部下方應(yīng)力峰值增大但增加幅度僅為3.3%，仍然遠低于皮質(zhì)骨的極限應(yīng)力[19]。盡管計算結(jié)果表明植入后股骨頸應(yīng)力處于安全范圍，但由于在日?；顒又泄晒穷^可能承受數(shù)倍于平衡站立下的載荷，可能導致附近的股骨頸組織出現(xiàn)應(yīng)力集中，增加骨折風險[18-19]，因此在進一步研究中應(yīng)考慮優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。

此外，盡管本研究得出的積極的結(jié)果是針對正常股骨頭植入術(shù)前術(shù)后的力學表現(xiàn)對比得出的，但根據(jù)報道，采用壞死股骨頭或正常股骨頭模型對比術(shù)前術(shù)后生理力學表現(xiàn)，其變化趨勢一致[27]，因此課題組有理由預(yù)測在股骨頭壞死早期的治療中，該內(nèi)置物對降低壞死邊界繼續(xù)擴大的風險水平有積極意義。

在手術(shù)入口方面，本研究設(shè)計內(nèi)置物將選擇從股骨頭外前側(cè)開口，相比于傳統(tǒng)的髓芯減壓和鉭棒植入術(shù)的開孔位置，該區(qū)域由于受壓而對股骨結(jié)構(gòu)強度的影響更小[27]。但由于手術(shù)開口孔徑尺寸影響術(shù)后短期股骨頭應(yīng)力分布[19,28]，如何合理設(shè)置支撐接觸面積和手術(shù)通道孔徑需要進一步的研究。

綜上，本研究通過有限元分析從生物力學角度探討了所設(shè)計的股骨頭內(nèi)置物在植入術(shù)后遠期對股骨頭的影響，結(jié)果表明內(nèi)置物能夠形成穩(wěn)固結(jié)構(gòu)支撐軟骨下骨，降低股骨頭內(nèi)部應(yīng)力水平，預(yù)防股骨頭塌陷，為未來的臨床應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。進一步的研究將涉及內(nèi)置物柄部結(jié)構(gòu)及手術(shù)方式優(yōu)化和動物實驗評估。