三维有限元分析

三维有限元模拟-坏死损伤大小和旋转角度对股骨头坏死经大粗隆切口入路的截骨术的压力减少的影响

摘要

背景预测截骨术对股骨头坏死的有效程度，要依赖于由特定的截骨术引起的压力的变化。因此，三维有限元应运而生，它是用于计算不同范围的股骨头坏死前路或后路股骨头截骨术引起的股骨头压力的变化。

研究方法标准复合股骨的计算机断层扫描图像，被用来创建三维有限元完好无损的股骨模型。基于完整的模型，三种不同水平坏死区的27种模型和9种不同的旋转的截骨术被创建。不同模型的?冯?米塞斯应力分布，被用来分析，并和单腿站立负重情况进行对比。

发现(1)不同的坏死范围，前部旋转截骨术比后旋转截骨术的压力减少值更大。(2)?冯?米塞斯应力随着转动角度的增大而减小。当坏死范围小的时候，减少的比率会比较的。(3)因为局部坏死区的高压力，有大范围股骨头坏死的股骨头很可能发展为塌陷；然而，相对于塌陷，由于在坏死区域和健康骨质的交界处的高压力，小坏死区很可能发展为更大的坏死灶。解释经大粗隆切口的旋转截骨术技术要求很高，而且，它伴随着复杂的风险，临床上进行手术之前，应该进行细致的规划，包括进行有限元分析。

简介

股骨头坏死是一个很重要的问题，因为它的病理变化经常会导致影响到髋关节的功能。经大粗隆切口的旋转股骨头截骨术被用于年轻患者和活动多的患者的手术，它能减轻股骨头的压力，并且能增加每日活动的生物机械应力的承载力。这种手术有两个类型，一个是前部旋转截骨术，它由Sugioka提出(1978)；另一个是后旋转截骨术，由Kempf et al提出(1984)。截骨术的成功取决于在改变负重传输。在修复过程中，必须减少坏死骨区的压力水平。伴随着可靠地预测特定股骨头坏死的压力变化，手术成功可能会增多。

大量的研究显示，股骨头坏死的演变与坏死区的大小和范围有关。虽然，大家对那种方法更好没达成共识，但那种能评价骨坏死区大小和分布的方法，能更好的预测股骨头远期变化。为了减少缺血性股骨头治疗的不确定性，一些学者在平片的基础上，发明了股骨头坏死区的分期系统。在１９９５年，koo和kim发明了量化分析系统，把它分为不同的水平（低中高危性），这样来预测股骨头发生塌陷的危险性大小。他们声称，平面MRI对坏死区大小评价，能预测股骨头塌陷的可能性大小，而且他们研究结果的可靠性后来被报道。Steiberg提出了股骨头坏死的量化分期系统。影响骨坏死的髋被分为不同的7期和3级。但是，他们的方法需要高质量的AP和侧位放射片。

目前,随着高速电脑技术的进步，股骨头坏死有限元建模的前景是鼓舞人心的。计算断层

扫描(CT)和磁共振成像(MRI)技术，使未来的个体病人的建模可以实现。考虑到股骨头骨坏死的结构，来自重建三维CT图像的有限元分析可能帮助更有效地为不同坏死大小和区域的病灶建模，并且评估不同的截骨术对承载力传导的影响。在目前的研究中,三维模型被用来研究应力改变，这种改变与怀死病灶大小和TRO手术的旋转度有关。Sugioka的前旋转

行的30度、60度、90度和Kempf的后旋转动行的30度、60度、90度和120度截骨术，是基于三种不同水平的坏死病灶大小(60度、100度和115度)。根据Koo和Kim提出的数据，现在研究中的这三个层次的损伤大小分别对应了股骨头发生塌陷的低、中、高风险。该指数提出了古和金(1995)。股骨头的冯米塞斯的应力分布，在FEA模型中进行了分析和对比。基于该研究结果，经粗隆切口的截骨术可以做一个术前计划，术后的疗效也可以得到评价。

2.方法