田丰德赵德伟郭林陈秉智（大连大学附属中山医院骨科辽宁大连116001）
【中图分类号】R68【文献标识码】A【文章编号】1672-5085（2013）16-0232-02
【摘要】目的采用三维有限元方法研究股骨近端应力传导情况以及头颈部开窗对股骨近端的应力分布的影响。方法选取一例男性健康自愿者，CT扫描，应用建模软件MIMICS及HYPERMESH建立5组股骨近端三维有限元模型（1个对照组；4个开窗组）。设置边界条件和加载条件后应用有限元分析软件ANSYS模拟人体站立及运动等不同情况进行计算。结果对比分析。结果各组模型结果与实际情况相符合；股骨颈前方均表现为低应力低应变区；模拟单腿站立（2.38bw）和跳跃（7bw），最大应力值随着窗口增大而增加（单腿站立由49.3Mpa增加到69.8Mpa；跳跃由142.3Mpa增加到177.8Mpa），而最大应变值变化不大（单腿站立：1.002～1.006；跳跃：2.55～2.56）。结论在低应力分布区（股骨颈前方）开窗符合生物力学规律，对股骨近端应力影响小，该方法是安全的。
【关键词】股骨头坏死三维有限元应力
股骨头坏死（ONFH)是一种灾难性的疾病，常因造成髋关节的损毁而不得不采用关节置换手术[1]。对于ONFH保头治疗方法例如各种骨瓣移植术等[2，3]多需要在头颈开窗以清除坏死骨植入松质骨等，但开窗势必造成股骨颈部骨破坏，该破坏会对股骨近端生物力学特性及应力传导产生何种影响？目前尚无相关研究。本研究拟采用三维有限元方法开窗对股骨近端的应力分布的影响。
1材料和方法
选取一例男性健康自愿者。应用16排螺旋CT精细扫描股骨上段，图像导入软件MIMICS选取结构轮廓线，通过HYPERMESH建立三维有限元模型。共建立5个模型，其中1个完整股骨近端模型；4个开窗模型，窗体大小分别为2cm×2cm、2cm×3cm、3cm×3cm、3cm×4cm。
边界条件：按照正常人体位置固定，下端简支，远端固定。
负载状况：应力负荷采用站立相最大峰值加载，实验模拟髋关节外展肌力存在时的情况，沿髋关节合力方向进行加载。单足站立时压力为2.38倍bw，跳跃时为7倍bw。
计算分析：运用ANSYS10.0软件对有限元模型进行力学分析，计算分析股骨近段模型的最大应力及应变值。见图1。
2结果
2.1应力分布特点及一般规律
5组模型的最大位移均出现在股骨头外上方的受力区域，并向大转子区由内向外，由上向下依次递减；最大应力出现在股骨颈后内侧。股骨颈前方的应力值均较内、外及后方低，为低应力分布区；股骨头内呈低应力分布(图.2)。以上结果与真实的应力分布一致，准确可信。
2.2头颈部应力分布
对股骨颈周围8个标记点（前、前外、外、前内、内、后、后外、后内）应力的检测比较中发现，股骨颈后内方应力值最大，内侧次之，股骨颈前方最低。开窗处最大应力及应变值与对照组无明显差异。证明在股骨颈前方合适位置开窗不会破坏股骨近端的生物力学特性，为头颈开窗位置的选择提供了有力理论依据。
2.3开窗大小对股骨近端力学分布的影响
表1各组模型股骨近端最大应力值及最大位移值
表1显示5组模型股骨近端应变与载荷的关系与虎克定律的内容相符合，随着负荷越大其最大应力应变值越大。随着窗体不断加大，最大应力值增大（由49.3Mpa增加到69.8Mpa），说明开窗能够影响股骨近端应力变化，窗体（缺损）越大，最大应力值越大；但是最大应变值变化不大（1.002～1.006）。说明虽然最大开窗时应力较对照组增加40%但其并未超过股骨近端抗压强度而引起过多形变。另外最大应力均发生在股骨颈后内侧近股骨距处，开窗处周围并未发现应力集中现象，因而开窗并不会过多影响股骨生物力学性状及强度，该方法是安全的。但手术过程中应尽量减小开窗的大小，以减少其对股骨近段应力的影响。
3讨论
随着对股骨头缺血性坏死研究不断深入，生物力学因素在ONFH中的作用已越来越为人们所重视。在ONFH治疗过程中常常需要清除坏死骨植入健康骨组织鉴于此，人们设计多种治疗方法，例如各种骨瓣移植术等[2、3]。对于植入通道的选择也做了许多尝试，例如（1）通过减压通道植入;（2）通过股骨头关节软骨的“活板门”植入[4];（3）通过股骨头颈部开窗植入。随着临床实践，人们发现前两种方法临床效果欠佳。而且减压通道管径小通道长清除死骨植入骨瓣困难，“活板门”技术回损伤软骨，影响关节功能。因而近年来股骨头颈部开窗被国内外专家认可而广泛应用。股骨头颈部开窗方法多采用前外侧入路，以骨凿于股骨头颈部前方开窗大小约2×2厘米，通过骨窗可以直视下彻底清除坏死骨，并且确切植骨。研究结果表明开窗应满足两个条件：一、开窗位置应选择在应力低的区域；二、开窗大小应有效、微创，以即能保证彻底清除死骨最小尺寸为佳。
一般的力学测试多采用机械性能检测，包括常规的拉伸、完全、屈服、压扁、硬度等检测。该方法因为误差大，且无法反复测试，在医学研究中较少应用。随着技术的发展，医工领域不断相互结合，有限元作为工科新型测试技术及研究手段，逐渐被应用到医学领域[5]。其原理是将整体近似地分散为由有限个单元所组成的集合体，即可进行宏观的大体力学检测，也可对单元进行微观力学分析。本实验采用三维有限元方法计算股骨近端每一点的应力、应变变化，真实的反应了股骨近端生物力学特征。而且还通过改变股骨颈窗体参数，准确地计算了股骨头颈部开窗对股骨近端应力的影响，取得了满意的效果。
综上所述，虽然股骨头颈部开窗能够引起股骨近端最大应力的增加，但股骨近端最大应变值无明显改变，说明即使跳跃时该应力也没超过股骨近端抗压强度而引起过多形变或塌陷。因而在低应力分布区（股骨颈前方）开窗符合生物力学规律，对股骨近端应力影响小，该方法是安全的。另外，手术过程中应尽量减小开窗的大小，以减少其对股骨近段应力的影响。
参考文献
[1]MontMA,JonesLC.Nontraumaticosteonecrosisofthefemoralhead:tenyearslater.JBoneJointSurgAm.2006;88:1117–1132.
[2]赵德伟,田丰德,郭林，等.带血管蒂大转子骨瓣转移治疗股骨头缺血坏死的生物力学研究[J].中国临床解剖学杂志,2009,(05)：580-583.
[3]赵德伟,徐达传,等.旋股外侧血管升支臀中肌支大转子骨瓣转移的应用解剖[J].中华显微外科杂志,2004,27（2）:134-136.
[4]MontMA,EinhornTA.Thetrapdoorprocedureusingautogenouscorticalandcancellousbonegraftsforosteonecrosisofthefemoralhead.JBoneJointSurgBr.1998;80:56–62.
[5]范清,张菁.有限元分析与髋关节研究进展[J].国际骨科学杂志,2007,(01)55-59.