非创伤性股骨头缺血性坏死塌陷预测的生物力学及影像学研究

【摘要】： 目的:采用有限元理论分析不同大小股骨头坏死塌陷的危险程度,探讨股骨头坏死塌陷的危险临界值并结合影像学研究,为临床提供有效的股骨头坏死塌陷的预测方法。 研究方法:一、正常人髋臼—软骨—股骨头有限元模型的建立:1.选择1例健康志愿者,进行髋关节冠状MRI扫描,用MATLAB和ANSYS软件进行图像分析,建立正常人髋臼—软骨—股骨头三维几何模型。2.分别对髋臼—软骨—股骨头几何模型的不同结构赋予相应的材料参数,并经ANSYS软件划分网格,建立髋臼—软骨—股骨头三维有限元模型。3.验证模型的有效性。二、非创伤性股骨头缺血性坏死的生物力学研究:1.建立不同大小即不同坏死表面积比例(5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%)及不同深度(5mm、10mm、15mm、20mm、25mm)坏死股骨头三维有限元模型50个。2.分别对各个模型施加人体正常行走时的载荷,分析不同大小、不同深度的坏死股骨头不同结构承载能力的变化及有效应力分布规律。3.对不同模型不同结构的有效应力变化进行统计学分析,探讨股骨头塌陷的临界值。三、非创伤性股骨头缺血性坏死塌陷预测的MRI研究:经我院MRI检查确诊为股骨头缺血性坏死病人22例,39髋作为研究对象。对所有39个坏死股骨头的MRI表现进行评定。评定内容包括:骨髓水肿、关节腔积液、坏死区信号特点及发病部位,并测量每例坏死股骨头坏死区的体积及坏死区的表面积,分别计算出坏死体积比例和坏死表面积比例。对所有病例进行为期1.5～7年的随诊。对上述评定内容进行logistic回归分析,得出股骨头塌陷的危险因素;对坏死灶表面积比例及坏死体积比例之间的诊断实验采用描绘受试者工作特征(ROC)曲线,计算ROC曲线下面积;取坏死表面积比例Youden index最大时的点,作为其预测股骨头塌陷的最佳临界点,确定其敏感性、特异性和准确性。 结果:1.建立了髋臼—软骨—股骨头正交各向异性三维有限元模型,共89961个节点,448159个单元。计算结果显示最大位移发生在股骨头,最大应力发生在股骨颈,与文献及实际情况相吻合。2.正常股骨头软骨下骨板承载力占总承载力的59%,松质骨承载力占41%。3.当股骨头发生缺血性坏死后,软骨下骨板及松质骨承载能力发生变化:随坏死灶表面积的增加,软骨下骨板承载力越来越大,松质骨承载力越来越小。剩余的正常软骨下骨板承载力占总承载力的比例,从5%坏死表面积时的61%至50%坏死表面积时的76%。4.坏死区承载力很小,当坏死灶表面积达50%时,其承载力未超过总承载力的5%。5.病灶深度对正常软骨下骨板承载力比例变化影响很小。6.当坏死表面积大小一定时,正常松质骨和坏死区内部的有效应力随病灶深度增加变化不明显。7.股骨头发生缺血性坏死后,坏死灶边缘会产生应力集中,应力集中主要影响坏死灶周围的正常软骨下骨板侧。其所承受应力随着坏死面积的增加而增大。当股骨头坏死表面积比例达25%时,坏死灶周围软骨下骨板应力明显增加,因此25%左右的坏死表面积比例是股骨头坏死塌陷的临界状态。8.坏死灶深度一定时,随着坏死灶宽度(坏死表面积比例)的增加,坏死灶松质骨边缘亦会产生应力集中。临床病人的MRI影像随访研究显示:1.39髋中21髋发生股骨头塌陷,18髋未发生塌陷。2.股骨头塌陷结果的logistic回归分析结果表明:骨髓水肿、关节腔积液、信号特点、部位、坏死体积比例、坏死面积比例是有统计学意义的自变量,骨髓水肿、关节腔积液、信号特点、部位、坏死体积比例、坏死面积比例是股骨头塌陷的危险因素(按α=0.10的水准)。3.坏死表面积比例ROC曲线下面积为0.987,面积的标准误是0.013,95%置信区间为(0.961,1.013)。4.坏死体积比例ROC曲线下面积为0.902,面积的标准误是0.047,95%置信区间为(0.810,0.994)。5.坏死面积比例的最佳临界点为26.7%,能使真阳性率达到95.2%,真阴性率达到94.4%。Youden's index指数89.6。 研究结论:1.正常股骨头软骨下骨板承载力占总承载力的59%,松质骨占41%。2.股骨头坏死后软骨下骨板及松质骨承载力发生变化:随着坏死灶表面积的增加,剩余正常软骨下骨板承载力比例越来越大。当坏死表面积比例达到50%时,剩余正常软骨下骨板承载力占总承载力的76%。3.坏死灶周围产生应力集中,应力集中主要位于坏死灶表面正常与坏死软骨下骨板交界区。因此,股骨头软骨下骨板的坏死是股骨头塌陷的起始部位。4.坏死灶深度对股骨头软骨下骨板的承载力影响不大。5.预测股骨头坏死后塌陷,坏死灶表面积的大小较坏死灶体积准确。6.25%的坏死表面积比例是股骨头坏死后塌陷的危险临界状态。