本文關(guān)鍵詞：股骨遠(yuǎn)端腫瘤手術(shù)重建方式的生物力學(xué)研究

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【摘要】：[背景]膝關(guān)節(jié)是人體最大的負(fù)重關(guān)節(jié),附近的骺板處組織增生活躍,是各種骨腫瘤的好發(fā)部位。據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)生在膝關(guān)節(jié)附近的骨腫瘤占全部骨腫瘤及腫瘤樣病變的約30%,股骨遠(yuǎn)端占15.7%。針對(duì)股骨遠(yuǎn)端腫瘤,表現(xiàn)為骨質(zhì)破壞或骨質(zhì)改變,病變的大小,首先影響骨骼的生物力學(xué)強(qiáng)度,存在病理性骨折風(fēng)險(xiǎn)。如何從生物力學(xué)角度,在手術(shù)前準(zhǔn)確量化病理骨折風(fēng)險(xiǎn)大小,準(zhǔn)確把握手術(shù)時(shí)機(jī)和指征,都是目前國(guó)內(nèi)外困擾臨床醫(yī)生及研究的重要問題。對(duì)于范圍較大的侵襲性腫瘤和惡性腫瘤,手術(shù)方式可進(jìn)行廣泛切除并重建。重建方式包括自體或異體骨移植、腫瘤假體置換、瘤段骨滅活再植等。自體骨移植被認(rèn)為是骨修復(fù)治療的金標(biāo)準(zhǔn),但是骨質(zhì)來源有限,并且供區(qū)可出現(xiàn)感染、局部疼痛等并發(fā)癥。異體骨移植也具有臨床優(yōu)勢(shì),但骨質(zhì)吸收、感染風(fēng)險(xiǎn)等限制其臨床廣泛運(yùn)用。另外,人工假體置換的近期效果好,可早期負(fù)重,關(guān)節(jié)活動(dòng)度大,受到一些學(xué)者的推崇。但其遠(yuǎn)期問題較多,而且價(jià)格昂貴。瘤段骨滅活再植方法簡(jiǎn)單,不存在排斥反應(yīng),但滅活過程可能破壞關(guān)節(jié)軟骨并且術(shù)后出現(xiàn)骨不連,也不適用于骨質(zhì)破壞嚴(yán)重的病例。采用原位微波消融治療四肢骨腫瘤,可最大程度地保全骨骼支架作用,可避免再植后的骨不連。然而,該技術(shù)依然面臨著骨折發(fā)生率及復(fù)發(fā)率較高的問題。膝關(guān)節(jié)周圍腫瘤手術(shù)重建的具體適應(yīng)條件、不同的重建方式的早期及遠(yuǎn)期力學(xué)效果尚不明確。因此,從生物力學(xué)的角度,如何客觀、量化評(píng)價(jià)不同重建方式優(yōu)劣,如何在手術(shù)后客觀、量化評(píng)價(jià)膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)情況,一直是臨床醫(yī)生必須面對(duì)和思考的問題。自2009年以來,作者單位在股骨遠(yuǎn)端侵襲性及惡性腫瘤的手術(shù)治療方面,采用了原位微波消融加內(nèi)固定與人工膝關(guān)節(jié)假體置換2種方式,并且積累了-定數(shù)量的病例,從生物力學(xué)角度,總結(jié)、客觀評(píng)價(jià)2種方式的優(yōu)劣,可以為臨床工作提供指導(dǎo),為同行提供借鑒。[目的]本次研究采用新的計(jì)算機(jī)仿真軟件(計(jì)算機(jī)輔助人機(jī)工程學(xué)和生物力學(xué)分析軟件：AnyBody)和先進(jìn)的在體運(yùn)動(dòng)學(xué)評(píng)估系統(tǒng)(Opti_Knee膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)評(píng)估系統(tǒng)),從生物力學(xué)的角度試圖解決以下問題：1.利用有限元的方法,模擬人體最佳邊界條件,探尋人體行走過程中股骨的生物力學(xué)情況,為后面的缺損模型的建立及分析提供基礎(chǔ)。2.根據(jù)前面的研究結(jié)果,從生物力學(xué)角度,探討股骨遠(yuǎn)端腫瘤病變大小與病理骨折風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)系。3.研究局部微波高溫加熱對(duì)股骨生物力學(xué)的影響。4.依靠新的檢測(cè)方法,建立國(guó)人膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)量化數(shù)據(jù),為膝關(guān)節(jié)周圍腫瘤術(shù)后患者的康復(fù)評(píng)估提供客觀參照標(biāo)準(zhǔn)。5.評(píng)價(jià)兩種股骨遠(yuǎn)端腫瘤重建方法(主要為假體置換及原位微波滅活)的手術(shù)后膝關(guān)節(jié)功能,為臨床工作提供指導(dǎo)。[方法]1.根據(jù)志愿者的全股骨CT數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建,重建及網(wǎng)格化操作均使用Simpleware醫(yī)學(xué)圖像處理軟件。利用計(jì)算機(jī)仿真軟件AnyBody模擬正常人平地行走時(shí)的動(dòng)作,導(dǎo)出股骨在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中受到的肌肉力。利用Geomagic studio和Hypermesh軟件完成目標(biāo)模型與AnyBody模型的坐標(biāo)匹配,將肌肉力加載在股骨上,在有限元分析軟件Abaqus實(shí)現(xiàn)有限元分析,分析步態(tài)過程中股骨受到的von Mises應(yīng)力、應(yīng)變的大小及其集中部位。2.將AnyBody與Abaqus成功形成對(duì)接后,開始關(guān)注股骨遠(yuǎn)端缺損范圍對(duì)骨折風(fēng)險(xiǎn)的影響。利用志愿者的股骨CT數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建,在股骨遠(yuǎn)端人為模擬數(shù)個(gè)不同范圍的骨缺損：松質(zhì)骨缺損、皮質(zhì)骨缺損50%缺損、皮質(zhì)骨70%缺損、皮質(zhì)骨85%缺損。再按照方法1中的步驟分別載入股骨在步態(tài)過程中的肌肉力,進(jìn)行有限元分析,評(píng)估von Mises應(yīng)力及應(yīng)變的大小及集中部位,預(yù)測(cè)出現(xiàn)骨折風(fēng)險(xiǎn)的條件。3.將一根正常成人股骨標(biāo)本切割成規(guī)格為0.5×0.5×1cm3的試樣,共40塊,隨機(jī)平均分成微波組和對(duì)照組。微波組試樣在功率100W、消融時(shí)間30分鐘、溫度80℃條件下進(jìn)行微波消融處理。用生物力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對(duì)兩組試樣進(jìn)行靜態(tài)生物力學(xué)測(cè)試,計(jì)算兩組試樣的彈性模量、屈服強(qiáng)度。同時(shí)將另一根股骨標(biāo)本予相同的參數(shù)進(jìn)行微波消融。微波處理前后各進(jìn)行一次Micro-CT掃描,計(jì)算兩次股骨的礦物質(zhì)濃度(BMD, bone mineral density),進(jìn)行前后對(duì)比,同時(shí)觀察微波輻射范圍。4.選取28例(56側(cè)膝)健康成年中國(guó)人進(jìn)行平板步態(tài)中的膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。分析采用一種基于紅外光追蹤的技術(shù),根據(jù)大腿及小腿上的剛體部件的數(shù)據(jù)捕捉來進(jìn)行膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。采集下肢解剖體表標(biāo)志相對(duì)于剛體部件的位置來建立股骨和脛骨的坐標(biāo)系,據(jù)此可計(jì)算出志愿者在平板上行走時(shí)膝關(guān)節(jié)6個(gè)自由度上的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)。計(jì)算6個(gè)自由度(DOF, degree of freedom)上的活動(dòng)范圍(ROM, range of freedom),和5個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù),并且進(jìn)行男女之間及左右膝關(guān)節(jié)間的比較。統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法采用雙獨(dú)立樣本的T檢驗(yàn)。5.選取在2009年3月到2014年10月的所有接受過股骨遠(yuǎn)端腫瘤微波滅活或腫瘤假體置換的患者,共11例,其中微波組有6例,假體置換組有5例。微波組的平均術(shù)后時(shí)間為28個(gè)月,假體組的為31.5個(gè)月。數(shù)據(jù)采集按照方法4中所描述的步驟來進(jìn)行�；颊咚捎米约哼x擇一個(gè)最適宜的速度,只進(jìn)行患側(cè)的測(cè)量。統(tǒng)計(jì)兩組患者的6個(gè)自由度上的ROM值,并進(jìn)行組間比較,統(tǒng)計(jì)學(xué)分析采用雙獨(dú)立樣本的T檢驗(yàn)。數(shù)據(jù)與正常人進(jìn)行比較,評(píng)估術(shù)后康復(fù)水平。[結(jié)果]1.根據(jù)有限元分析的結(jié)果,股骨在整個(gè)平走過程中,在站立相受到的von Mises應(yīng)力最大。其中在站立初期,應(yīng)力集中在小轉(zhuǎn)子外側(cè)及上方的股骨頸,大小為22.6MPa；在站立相中期,即承重期,應(yīng)力最大,達(dá)到27.7 MPa,應(yīng)力集中在小轉(zhuǎn)子稍下方偏內(nèi)側(cè)。股骨在對(duì)側(cè)承重期的應(yīng)力最小,為0.62 MPa,擺動(dòng)期應(yīng)力集中在股骨中下段的內(nèi)側(cè),最大約3.52 MPa。位移的改變、分布與應(yīng)力的相似,位移最大改變?cè)诠晒穷^,在站立相中期,數(shù)值為0.39mm；在擺動(dòng)期,應(yīng)變最大在股骨中段,應(yīng)變大小約0.12 mm；對(duì)側(cè)承重期應(yīng)變最小,最大應(yīng)變?cè)诠晒穷^,約0.03 mm。這些結(jié)果與既往的報(bào)道有相似之處。2.四個(gè)模型的von Mises應(yīng)力變化趨勢(shì)基本一致,均是在站立相中期達(dá)到應(yīng)力最大值。85%皮質(zhì)缺損模型的局部力最大,達(dá)到172MPa,接近屈服強(qiáng)度,并且高于其他3個(gè)模型的應(yīng)力。其余3個(gè)模型的應(yīng)力大小及變化趨勢(shì)基本一致。從部位上來說,應(yīng)力的集中點(diǎn)出現(xiàn)在股骨內(nèi)髁上方以及髁間窩后上方。各組之間沒有進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)比較。3.對(duì)照組和微波組的屈服應(yīng)力分別為105.8±15.7MPa、101.2±20.7MPa,無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異；對(duì)照組和微波組的彈性模量分別為4.5±1.1GPa、4.3±1.4GPa,無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。Micro-CT掃描結(jié)果提示微波加熱后在微波中心附近可見BMD的下降。范圍約4cm。但并未做統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。4.在屈伸角度的曲線上,可以觀察到2個(gè)明顯曲線波峰。分別出現(xiàn)在站立相初期和擺動(dòng)相中期。膝關(guān)節(jié)的內(nèi)外翻、內(nèi)外旋、內(nèi)外側(cè)位移、上下位移都體現(xiàn)出了這一運(yùn)動(dòng)學(xué)特征。然而前后位移的運(yùn)動(dòng)學(xué)軌跡并未出現(xiàn)此特征。它的兩個(gè)波峰分別出現(xiàn)在腳跟著地時(shí)以及擺動(dòng)相后期。這些數(shù)據(jù)都與前面的研究報(bào)導(dǎo)有相似之處。在性別及左右腳之間分別對(duì)比發(fā)現(xiàn)無論是6個(gè)自由度上的活動(dòng)范圍數(shù)值還是5個(gè)常見的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù),在左右腳之間都沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的差異。但是男女之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)是存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異的。男性在整個(gè)行走過程中股骨相對(duì)與脛骨的ROM明顯大于女性(P=0.006)。同時(shí),在站立相,女性的股骨相對(duì)于脛骨的內(nèi)旋角度明顯大于男性(P=0.011)。5.微波組和假體置換組的6個(gè)自由度上的ROM均無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。同時(shí),除了屈伸角度、內(nèi)外旋角度與正常人值接近,其余自由度上的運(yùn)動(dòng)范圍均較小。[結(jié)論]1.在人體行走過程中,在站立相中期股骨受到的局部應(yīng)力最大,集中在小轉(zhuǎn)子下方至股骨中段；2.股骨遠(yuǎn)端達(dá)到85%的皮質(zhì)缺損時(shí),骨折風(fēng)險(xiǎn)會(huì)明顯增大,尤其在站立相中期股骨內(nèi)髁骨折風(fēng)險(xiǎn)較大。3.微波滅活后股骨皮質(zhì)骨存在生物力學(xué)性能下降的可能,需要進(jìn)一步研究。4.文章介紹的在體膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)評(píng)估系統(tǒng)可有效、準(zhǔn)確地獲地獲得膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)。5.在平地步態(tài)上膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)特點(diǎn)存在性別之間的差異,左右腳之間無差異。6.從中早期的生物力學(xué)評(píng)估來看,微波消融術(shù)能達(dá)到假體置換術(shù)相同的功能效果,但與正常功能仍有較大差距。
【關(guān)鍵詞】：生物力學(xué) 有限元 步態(tài)分析 膝關(guān)節(jié) 股骨遠(yuǎn)端 骨腫瘤
【學(xué)位授予單位】：南方醫(yī)科大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：R738.1
【目錄】：

• 摘要3-8
• ABSTRACT8-16
• 前言16-21
• 第一章 正常人行走時(shí)股骨的生物力學(xué)分析21-30
• 1.1 引言21
• 1.2 實(shí)驗(yàn)材料21-22
• 1.3 實(shí)驗(yàn)方法22-26
• 1.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果26-29
• 1.5 討論29-30
• 第二章 股骨遠(yuǎn)端缺損大小與骨折風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)性的有限元分析30-35
• 2.1 引言30
• 2.2 實(shí)驗(yàn)材料30-31
• 2.3 實(shí)驗(yàn)方法31-32
• 2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果32-34
• 2.5 實(shí)驗(yàn)討論34-35
• 第三章 微波對(duì)股骨生物力學(xué)的影響35-40
• 3.1 引言35
• 3.2 實(shí)驗(yàn)材料35-36
• 3.3 實(shí)驗(yàn)方法36-37
• 3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果37-39
• 3.5 實(shí)驗(yàn)討論39-40
• 第四章 正常人膝關(guān)節(jié)的6自由度運(yùn)動(dòng)學(xué)分析40-52
• 4.1 引言40-41
• 4.2 實(shí)驗(yàn)材料41-42
• 4.4 實(shí)驗(yàn)方法42-45
• 4.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果45-50
• 4.6 實(shí)驗(yàn)討論50-52
• 第五章 股骨遠(yuǎn)端腫瘤兩種重建方式的生物力學(xué)效果對(duì)比52-55
• 5.1 引言52
• 5.2 實(shí)驗(yàn)材料52-53
• 5.3 實(shí)驗(yàn)方法53
• 5.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果53
• 5.5 實(shí)驗(yàn)討論53-55
• 全文討論55-57
• 總結(jié)57
• 展望57-58
• 參考文獻(xiàn)58-67
• 附錄67-75
• 攻讀碩士學(xué)位期間成果75-76
• 致謝76-78

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 張帥;屠重棋;段宏;閔理;周勇;張樹良;姜勇;馮品;;股骨近端骨缺損與骨折相關(guān)性的有限元分析[J];四川大學(xué)學(xué)報(bào)(醫(yī)學(xué)版);2011年02期

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本文編號(hào)：954582