本文關鍵詞：股骨遠端腫瘤手術重建方式的生物力學研究

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【摘要】：[背景]膝關節(jié)是人體最大的負重關節(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)計發(fā)生在膝關節(jié)附近的骨腫瘤占全部骨腫瘤及腫瘤樣病變的約30%,股骨遠端占15.7%。針對股骨遠端腫瘤,表現(xiàn)為骨質破壞或骨質改變,病變的大小,首先影響骨骼的生物力學強度,存在病理性骨折風險。如何從生物力學角度,在手術前準確量化病理骨折風險大小,準確把握手術時機和指征,都是目前國內外困擾臨床醫(yī)生及研究的重要問題。對于范圍較大的侵襲性腫瘤和惡性腫瘤,手術方式可進行廣泛切除并重建。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。自體骨移植被認為是骨修復治療的金標準,但是骨質來源有限,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,但骨質吸收、感染風險等限制其臨床廣泛運用。另外,人工假體置換的近期效果好,可早期負重,關節(jié)活動度大,受到一些學者的推崇。但其遠期問題較多,而且價格昂貴。瘤段骨滅活再植方法簡單,不存在排斥反應,但滅活過程可能破壞關節(jié)軟骨并且術后出現(xiàn)骨不連,也不適用于骨質破壞嚴重的病例。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,該技術依然面臨著骨折發(fā)生率及復發(fā)率較高的問題。膝關節(jié)周圍腫瘤手術重建的具體適應條件、不同的重建方式的早期及遠期力學效果尚不明確。因此,從生物力學的角度,如何客觀、量化評價不同重建方式優(yōu)劣,如何在手術后客觀、量化評價膝關節(jié)運動功能恢復情況,一直是臨床醫(yī)生必須面對和思考的問題。自2009年以來,作者單位在股骨遠端侵襲性及惡性腫瘤的手術治療方面,采用了原位微波消融加內固定與人工膝關節(jié)假體置換2種方式,并且積累了-定數(shù)量的病例,從生物力學角度,總結、客觀評價2種方式的優(yōu)劣,可以為臨床工作提供指導,為同行提供借鑒。[目的]本次研究采用新的計算機仿真軟件(計算機輔助人機工程學和生物力學分析軟件：AnyBody)和先進的在體運動學評估系統(tǒng)(Opti_Knee膝關節(jié)運動學評估系統(tǒng)),從生物力學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情況,為后面的缺損模型的建立及分析提供基礎。2.根據(jù)前面的研究結果,從生物力學角度,探討股骨遠端腫瘤病變大小與病理骨折風險的關系。3.研究局部微波高溫加熱對股骨生物力學的影響。4.依靠新的檢測方法,建立國人膝關節(jié)運動學量化數(shù)據(jù),為膝關節(jié)周圍腫瘤術后患者的康復評估提供客觀參照標準。5.評價兩種股骨遠端腫瘤重建方法(主要為假體置換及原位微波滅活)的手術后膝關節(jié)功能,為臨床工作提供指導。[方法]1.根據(jù)志愿者的全股骨CT數(shù)據(jù)進行三維重建,重建及網(wǎng)格化操作均使用Simpleware醫(yī)學圖像處理軟件。利用計算機仿真軟件AnyBody模擬正常人平地行走時的動作,導出股骨在整個運動過程中受到的肌肉力。利用Geomagic studio和Hypermesh軟件完成目標模型與AnyBody模型的坐標匹配,將肌肉力加載在股骨上,在有限元分析軟件Abaqus實現(xiàn)有限元分析,分析步態(tài)過程中股骨受到的von Mises應力、應變的大小及其集中部位。2.將AnyBody與Abaqus成功形成對接后,開始關注股骨遠端缺損范圍對骨折風險的影響。利用志愿者的股骨CT數(shù)據(jù)進行三維重建,在股骨遠端人為模擬數(shù)個不同范圍的骨缺損：松質骨缺損、皮質骨缺損50%缺損、皮質骨70%缺損、皮質骨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,進行有限元分析,評估von Mises應力及應變的大小及集中部位,預測出現(xiàn)骨折風險的條件。3.將一根正常成人股骨標本切割成規(guī)格為0.5×0.5×1cm3的試樣,共40塊,隨機平均分成微波組和對照組。微波組試樣在功率100W、消融時間30分鐘、溫度80℃條件下進行微波消融處理。用生物力學試驗機對兩組試樣進行靜態(tài)生物力學測試,計算兩組試樣的彈性模量、屈服強度。同時將另一根股骨標本予相同的參數(shù)進行微波消融。微波處理前后各進行一次Micro-CT掃描,計算兩次股骨的礦物質濃度(BMD, bone mineral density),進行前后對比,同時觀察微波輻射范圍。4.選取28例(56側膝)健康成年中國人進行平板步態(tài)中的膝關節(jié)運動學分析。分析采用一種基于紅外光追蹤的技術,根據(jù)大腿及小腿上的剛體部件的數(shù)據(jù)捕捉來進行膝關節(jié)運動學分析。采集下肢解剖體表標志相對于剛體部件的位置來建立股骨和脛骨的坐標系,據(jù)此可計算出志愿者在平板上行走時膝關節(jié)6個自由度上的運動學數(shù)據(jù)。計算6個自由度(DOF, degree of freedom)上的活動范圍(ROM, range of freedom),和5個運動學參數(shù),并且進行男女之間及左右膝關節(jié)間的比較。統(tǒng)計學分析方法采用雙獨立樣本的T檢驗。5.選取在2009年3月到2014年10月的所有接受過股骨遠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。微波組的平均術后時間為28個月,假體組的為31.5個月。數(shù)據(jù)采集按照方法4中所描述的步驟來進行。患者所采用自己選擇一個最適宜的速度,只進行患側的測量。統(tǒng)計兩組患者的6個自由度上的ROM值,并進行組間比較,統(tǒng)計學分析采用雙獨立樣本的T檢驗。數(shù)據(jù)與正常人進行比較,評估術后康復水平。[結果]1.根據(jù)有限元分析的結果,股骨在整個平走過程中,在站立相受到的von Mises應力最大。其中在站立初期,應力集中在小轉子外側及上方的股骨頸,大小為22.6MPa；在站立相中期,即承重期,應力最大,達到27.7 MPa,應力集中在小轉子稍下方偏內側。股骨在對側承重期的應力最小,為0.62 MPa,擺動期應力集中在股骨中下段的內側,最大約3.52 MPa。位移的改變、分布與應力的相似,位移最大改變在股骨頭,在站立相中期,數(shù)值為0.39mm；在擺動期,應變最大在股骨中段,應變大小約0.12 mm；對側承重期應變最小,最大應變在股骨頭,約0.03 mm。這些結果與既往的報道有相似之處。2.四個模型的von Mises應力變化趨勢基本一致,均是在站立相中期達到應力最大值。85%皮質缺損模型的局部力最大,達到172MPa,接近屈服強度,并且高于其他3個模型的應力。其余3個模型的應力大小及變化趨勢基本一致。從部位上來說,應力的集中點出現(xiàn)在股骨內髁上方以及髁間窩后上方。各組之間沒有進行統(tǒng)計學比較。3.對照組和微波組的屈服應力分別為105.8±15.7MPa、101.2±20.7MPa,無統(tǒng)計學差異；對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)計學差異。Micro-CT掃描結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)計學分析。4.在屈伸角度的曲線上,可以觀察到2個明顯曲線波峰。分別出現(xiàn)在站立相初期和擺動相中期。膝關節(jié)的內外翻、內外旋、內外側位移、上下位移都體現(xiàn)出了這一運動學特征。然而前后位移的運動學軌跡并未出現(xiàn)此特征。它的兩個波峰分別出現(xiàn)在腳跟著地時以及擺動相后期。這些數(shù)據(jù)都與前面的研究報導有相似之處。在性別及左右腳之間分別對比發(fā)現(xiàn)無論是6個自由度上的活動范圍數(shù)值還是5個常見的運動學參數(shù),在左右腳之間都沒有統(tǒng)計學上的差異。但是男女之間的運動學數(shù)據(jù)是存在統(tǒng)計學差異的。男性在整個行走過程中股骨相對與脛骨的ROM明顯大于女性(P=0.006)。同時,在站立相,女性的股骨相對于脛骨的內旋角度明顯大于男性(P=0.011)。5.微波組和假體置換組的6個自由度上的ROM均無統(tǒng)計學差異。同時,除了屈伸角度、內外旋角度與正常人值接近,其余自由度上的運動范圍均較小。[結論]1.在人體行走過程中,在站立相中期股骨受到的局部應力最大,集中在小轉子下方至股骨中段；2.股骨遠端達到85%的皮質缺損時,骨折風險會明顯增大,尤其在站立相中期股骨內髁骨折風險較大。3.微波滅活后股骨皮質骨存在生物力學性能下降的可能,需要進一步研究。4.文章介紹的在體膝關節(jié)運動評估系統(tǒng)可有效、準確地獲地獲得膝關節(jié)運動學數(shù)據(jù)。5.在平地步態(tài)上膝關節(jié)運動學特點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評估來看,微波消融術能達到假體置換術相同的功能效果,但與正常功能仍有較大差距。
【關鍵詞】：生物力學 有限元 步態(tài)分析 膝關節(jié) 股骨遠端 骨腫瘤
【學位授予單位】：南方醫(yī)科大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：R738.1
【目錄】：

• 摘要3-8
• ABSTRACT8-16
• 前言16-21
• 第一章 正常人行走時股骨的生物力學分析21-30
• 1.1 引言21
• 1.2 實驗材料21-22
• 1.3 實驗方法22-26
• 1.4 實驗結果26-29
• 1.5 討論29-30
• 第二章 股骨遠端缺損大小與骨折風險相關性的有限元分析30-35
• 2.1 引言30
• 2.2 實驗材料30-31
• 2.3 實驗方法31-32
• 2.4 實驗結果32-34
• 2.5 實驗討論34-35
• 第三章 微波對股骨生物力學的影響35-40
• 3.1 引言35
• 3.2 實驗材料35-36
• 3.3 實驗方法36-37
• 3.4 實驗結果37-39
• 3.5 實驗討論39-40
• 第四章 正常人膝關節(jié)的6自由度運動學分析40-52
• 4.1 引言40-41
• 4.2 實驗材料41-42
• 4.4 實驗方法42-45
• 4.5 實驗結果45-50
• 4.6 實驗討論50-52
• 第五章 股骨遠端腫瘤兩種重建方式的生物力學效果對比52-55
• 5.1 引言52
• 5.2 實驗材料52-53
• 5.3 實驗方法53
• 5.4 實驗結果53
• 5.5 實驗討論53-55
• 全文討論55-57
• 總結57
• 展望57-58
• 參考文獻58-67
• 附錄67-75
• 攻讀碩士學位期間成果75-76
• 致謝76-78

【參考文獻】

中國期刊全文數(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性的有限元分析[J];四川大學學報(醫(yī)學版);2011年02期

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本文編號：954582