【摘要】：股骨作為支撐上半身體重、連接軀干與下半身、完成行走步態(tài)的最重要骨骼，其發(fā)生骨折的幾率是相當大的，尤其是在患有骨質疏松癥的老齡人群中。在醫(yī)療條件飛速發(fā)展的今天，人們已經(jīng)不滿足于單純地提高醫(yī)療技術來治療骨折。更多人開始尋找影響骨折風險的因素，制定預防措施來阻止可能會發(fā)生的骨折。能夠影響骨折風險最重要的因素是骨結構的力學性能及其形態(tài)特征。然而在體骨骼的力學性能無法通過力學實驗測試得到。逆向工程技術和非線性有限元分析技術恰好可以解決這個問題。對此，本研究建立了一套新的方法測量股骨近端三維形態(tài)參數(shù)，然后對股骨近端進行有限元分析模擬骨的損傷過程。對股骨近端三維形態(tài)參數(shù)和預測的骨強度進行統(tǒng)計分析，研究三維形態(tài)參數(shù)對股骨近端強度的影響。另外，本研究借助Micro-CT影像技術和顯微有限元方法，對股骨頭內部松質骨的力學性能進行預測，在細觀水平上研究股骨近端骨折的發(fā)生機制。本研究主要可以分為以下三個部分： 第一部分建立了股骨近端三維形態(tài)參數(shù)的測量方法。應用此方法測量了50名66-75歲健康男性的股骨近端三維形態(tài)參數(shù)，并且分析了形態(tài)參數(shù)之間的內在聯(lián)系，以及年齡對形態(tài)參數(shù)的影響。首先利用逆向工程軟件MIMICS根據(jù)QCT影像重建出股骨近端三維模型。然后在快速成型制造軟件MAGICS中對股骨近端模型進行旋轉與平移來統(tǒng)一體位。在統(tǒng)一體位后的股骨模型上進行切割獲取模型的特征點坐標，導入我們自行研發(fā)的股骨近端三維形態(tài)參數(shù)測量程序中進行計算，得出8個股骨近端三維形態(tài)參數(shù)，分別是股骨頭直徑（HD）、股骨頭的高（HH）、偏心距（OFF）、頸干角（NSA）、股骨頭中心到大轉子頂點高度差（TRH）、股骨干的厚度（TOF）、股骨頸直徑（ND）、股骨頸的長（NL）。隨機選取5例樣本制造出實體模型進行手工測量三維形態(tài)參數(shù)，，并與計算機輔助測量的參數(shù)進行配對T檢驗以驗證我們制定的算法的可靠性。將三維模型投影到冠狀面上模擬X射線平片并且測量股骨近端平面形態(tài)參數(shù)。對兩種形態(tài)參數(shù)進行配對T檢驗分析兩種測量方法的差異。將測量的三維形態(tài)參數(shù)按年齡段劃分為兩個組（66-70歲為A組，71-75歲為B組），分析股骨近端形態(tài)參數(shù)隨著年齡增長的變化趨勢。結果顯示：（1）手工測量方法和計算機輔助測量方法之間沒有顯著性差異，說明我們制定的股骨近端三維形態(tài)參數(shù)測量方法是可靠的。（2）ND、NSA、TRH三個參數(shù)在平面和三維兩種測量方式下表現(xiàn)出顯著差異，說明平面參數(shù)的誤差較大。（3）除TOF外，BMD與其他形態(tài)參數(shù)均不顯著相關，說明單獨依靠BMD預測骨折風險是不準確的。（4）HD、ND、NL在兩個年齡段之間具有顯著性差異。 第二部分在測量過形態(tài)參數(shù)的股骨模型中隨機選取14例（A組7例，B組7例）進行有限元分析預測其強度。復雜的骨材料屬性以及屈服和斷裂準則在UMAT子程序中編寫代碼來實現(xiàn)。由于骨是一種非均勻的拉、壓不對稱材料，因此在每個載荷增量加載之前需要判斷每個單元的拉、壓狀態(tài)及損傷程度，并賦予對應的屈服準則和斷裂準則。在股骨頭的頂端建立簡易壓頭模型保證載荷能夠均勻施加在股骨頭表面。在壓頭頂端施加豎直向下5mm位移邊界條件進行計算。結果顯示預測的股骨近端損傷過程與實驗數(shù)據(jù)是吻合的。股骨近端強度與股骨近端三維形態(tài)參數(shù)中的TRH、NSA、TOF顯著相關（P0.05）。A組受試者股骨近端強度與B組受試者股骨近端強度未顯示出顯著性差異。 第三部分在細觀水平上借助Micro-CT影像技術和顯微有限元分析技術預測股骨近端骨折患者的股骨頭內部松質骨強度，以及分析骨小梁三維形態(tài)特征對松質骨力學性能的影響。選取7例股骨近端骨折患者進行全髖關節(jié)置換術后取下的股骨頭作為實驗樣本，進行micro-CT掃描并重建出股骨頭模型。將每個股骨頭模型依照骨小梁的主要生長方向及區(qū)域特征劃分為3個區(qū)域12個子區(qū)域。在每個子區(qū)域提取出一個125mm3的立方體骨塊。測量骨塊的骨小梁形態(tài)參數(shù)，包括骨小梁分離度（Tb.Sp）、骨小梁厚度（Tb.Th）、骨體積分數(shù)（BV/TV）、骨表面積密度（BS/BV）、結構模型指數(shù)（SMI）、各向異性度（DA）。對不同區(qū)域的骨小梁形態(tài)參數(shù)進行二獨立樣本非參數(shù)檢驗，分析骨小梁形態(tài)參數(shù)的區(qū)域差異。對每一個骨塊分別沿三個正交方向模擬壓縮工況進行有限元分析。計算每個骨塊沿三個正交方向的表觀彈性模量和骨塊內部平均應力。結果顯示骨塊沿主要受力方向表現(xiàn)出的力學性能顯著優(yōu)于其他兩個非主要受力方向，兩個非主要受力方向的力學性能沒有顯著性差異。松質骨沿主要受力方向計算出的力學參數(shù)顯示出顯著的區(qū)域差異性，其中外側區(qū)域的力學參數(shù)顯著高于中間區(qū)域和內側區(qū)域。 本研究改進了股骨近端形態(tài)參數(shù)的測量方法和股骨近端的損傷算法，在宏觀和細觀兩方面闡述了結構形態(tài)特征對骨強度的影響作用。為臨床工作者盡早發(fā)現(xiàn)骨折風險，預防骨折的發(fā)生提供更為直觀的依據(jù)。
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【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：R318.01;R683.42

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本文編號：2362438