非創(chuàng)傷性股骨頭缺血性壞死塌陷預測的生物力學及影像學研究.pdf

1、目的：采用有限元理論分析不同大小股骨頭壞死塌陷的危險程度，探討股骨頭壞死塌陷的危險臨界值并結合影像學研究，為臨床提供有效的股骨頭壞死塌陷的預測方法。 方法：一、正常人髖臼-軟骨-股骨頭有限元模型的建立：1.選擇1例健康志愿者，進行髖關節(jié)冠狀MRI掃描，用MATLAB和ANSYS軟件進行圖像分析，建立正常人髖臼-軟骨-股骨頭三維幾何模型。2.分別對髖臼-軟骨-股骨頭幾何模型的不同結構賦予相應的材料參數(shù)，并經(jīng)ANSYS軟件劃分網(wǎng)格，

2、建立髖臼-軟骨-股骨頭三維有限元模型。3.驗證模型的有效性。二、非創(chuàng)傷性股骨頭缺血性壞死的生物力學研究：1.建立不同大小即不同壞死表面積比例(5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％)及不同深度(5mm、10mm、15mm、20mm、25mm)壞死股骨頭三維有限元模型50個。2.分別對各個模型施加人體正常行走時的載荷，分析不同大小、不同深度的壞死股骨頭不同結構承載能力的變化及有效應力分布規(guī)律。3.對不

3、同模型不同結構的有效應力變化進行統(tǒng)計學分析，探討股骨頭塌陷的臨界值。三、非創(chuàng)傷性股骨頭缺血性壞死塌陷預測的MRI研究：經(jīng)我院MRI檢查確診為股骨頭缺血性壞死病人22例，39髖作為研究對象。對所有39個壞死股骨頭的MRI表現(xiàn)進行評定。評定內(nèi)容包括：骨髓水腫、關節(jié)腔積液、壞死區(qū)信號特點及發(fā)病部位，并測量每例壞死股骨頭壞死區(qū)的體積及壞死區(qū)的表面積，分別計算出壞死體積比例和壞死表面積比例。對所有病例進行為期1.5～7年的隨診。對上述評定內(nèi)容進行

4、logistic回歸分析，得出股骨頭塌陷的危險因素；對壞死灶表面積比例及壞死體積比例之間的診斷實驗采用描繪受試者工作特征(ROC)曲線，計算ROC曲線下面積；取壞死表面積比例Youdenindex最大時的點，作為其預測股骨頭塌陷的最佳臨界點，確定其敏感性、特異性和準確性。 結果：1.建立了髖臼-軟骨-股骨頭正交各向異性三維有限元模型，共89961個節(jié)點，448159個單元。計算結果顯示最大位移發(fā)生在股骨頭，最大應力發(fā)生在股骨頸，

5、與文獻及實際情況相吻合。2.正常股骨頭軟骨下骨板承載力占總承載力的59％，松質(zhì)骨承載力占41％。3.當股骨頭發(fā)生缺血性壞死后，軟骨下骨板及松質(zhì)骨承載能力發(fā)生變化：隨壞死灶表面積的增加，軟骨下骨板承載力越來越大，松質(zhì)骨承載力越來越小。剩余的正常軟骨下骨板承載力占總承載力的比例，從5％壞死表面積時的61％至50％壞死表面積時的76％。4.壞死區(qū)承載力很小，當壞死灶表面積達50％時，其承載力未超過總承載力的5％。5.病灶深度對正常軟骨下骨板承

6、載力比例變化影響很小。6.當壞死表面積大小一定時，正常松質(zhì)骨和壞死區(qū)內(nèi)部的有效應力隨病灶深度增加變化不明顯。7.股骨頭發(fā)生缺血性壞死后，壞死灶邊緣會產(chǎn)生應力集中，應力集中主要影響壞死灶周圍的正常軟骨下骨板側(cè)。其所承受應力隨著壞死面積的增加而增大。當股骨頭壞死表面積比例達25％時，壞死灶周圍軟骨下骨板應力明顯增加，因此25％左右的壞死表面積比例是股骨頭壞死塌陷的臨界狀態(tài)。8.壞死灶深度一定時，隨著壞死灶寬度(壞死表面積比例)的增加，壞死灶

7、松質(zhì)骨邊緣亦會產(chǎn)生應力集中。臨床病人的MRI影像隨訪研究顯示：1.39髖中21髖發(fā)生股骨頭塌陷，18髖未發(fā)生塌陷。2.股骨頭塌陷結果的logistic回歸分析結果表明：骨髓水腫、關節(jié)腔積液、信號特點、部位、壞死體積比例、壞死面積比例是有統(tǒng)計學意義的自變量，骨髓水腫、關節(jié)腔積液、信號特點、部位、壞死體積比例、壞死面積比例是股骨頭塌陷的危險因素(按α=0.10的水準)。3.壞死表面積比例ROC曲線下面積為0.987，面積的標準誤是0.013

8、，95％置信區(qū)間為(0.961，1.013)。4.壞死體積比例RoC曲線下面積為0.902，面積的標準誤是0.047，95％置信區(qū)間為(0.810，0.994)。5.壞死面積比例的最佳臨界點為26.7％，能使真陽性率達到95.2％，真陰性率達到94.4％。YotJden'sindex指數(shù)89.6。 結論：1.正常股骨頭軟骨下骨板承載力占總承載力的59％，松質(zhì)骨占41％。2.股骨頭壞死后軟骨下骨板及松質(zhì)骨承載力發(fā)生變化：隨著壞死灶