非創(chuàng)傷性股骨頭缺血性壞死塌陷預(yù)測的生物力學(xué)及影像學(xué)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(xiǎn)程度，探討股骨頭壞死塌陷的危險(xiǎn)臨界值并結(jié)合影像學(xué)研究，為臨床提供有效的股骨頭壞死塌陷的預(yù)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(jìn)行髖關(guān)節(jié)冠狀MRI掃描，用MATLAB和ANSYS軟件進(jìn)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(duì)髖臼-軟骨-股骨頭幾何模型的不同結(jié)構(gòu)賦予相應(yīng)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(yàn)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(xué)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(gè)。2.分別對(duì)各個(gè)模型施加人體正常行走時(shí)的載荷，分析不同大小、不同深度的壞死股骨頭不同結(jié)構(gòu)承載能力的變化及有效應(yīng)力分布規(guī)律。3.對(duì)不

3、同模型不同結(jié)構(gòu)的有效應(yīng)力變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)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(yù)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(duì)象。對(duì)所有39個(gè)壞死股骨頭的MRI表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)定。評(píng)定內(nèi)容包括：骨髓水腫、關(guān)節(jié)腔積液、壞死區(qū)信號(hào)特點(diǎn)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(jì)算出壞死體積比例和壞死表面積比例。對(duì)所有病例進(jìn)行為期1.5～7年的隨診。對(duì)上述評(píng)定內(nèi)容進(jìn)行

4、logistic回歸分析，得出股骨頭塌陷的危險(xiǎn)因素；對(duì)壞死灶表面積比例及壞死體積比例之間的診斷實(shí)驗(yàn)采用描繪受試者工作特征(ROC)曲線，計(jì)算ROC曲線下面積；取壞死表面積比例Youdenindex最大時(shí)的點(diǎn)，作為其預(yù)測股骨頭塌陷的最佳臨界點(diǎn)，確定其敏感性、特異性和準(zhǔn)確性。 結(jié)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(gè)節(jié)點(diǎn)，448159個(gè)單元。計(jì)算結(jié)果顯示最大位移發(fā)生在股骨頭，最大應(yīng)力發(fā)生在股骨頸，

5、與文獻(xiàn)及實(shí)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(dāng)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(shí)的61％至50％壞死表面積時(shí)的76％。4.壞死區(qū)承載力很小，當(dāng)壞死灶表面積達(dá)50％時(shí)，其承載力未超過總承載力的5％。5.病灶深度對(duì)正常軟骨下骨板承

6、載力比例變化影響很小。6.當(dāng)壞死表面積大小一定時(shí)，正常松質(zhì)骨和壞死區(qū)內(nèi)部的有效應(yīng)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(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)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(yīng)力隨著壞死面積的增加而增大。當(dāng)股骨頭壞死表面積比例達(dá)25％時(shí)，壞死灶周圍軟骨下骨板應(yīng)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(shí)，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(huì)產(chǎn)生應(yīng)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(jié)果的logistic回歸分析結(jié)果表明：骨髓水腫、關(guān)節(jié)腔積液、信號(hào)特點(diǎn)、部位、壞死體積比例、壞死面積比例是有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的自變量，骨髓水腫、關(guān)節(jié)腔積液、信號(hào)特點(diǎn)、部位、壞死體積比例、壞死面積比例是股骨頭塌陷的危險(xiǎn)因素(按α=0.10的水準(zhǔn))。3.壞死表面積比例ROC曲線下面積為0.987，面積的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)為26.7％，能使真陽性率達(dá)到95.2％，真陰性率達(dá)到94.4％。YotJden'sindex指數(shù)89.6。 結(jié)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