背景:股骨头坏死是一种严重的骨科疾病,可导致股骨头区域骨质塌陷。股骨头坏死早期(ARCO I-II期)一般采取保守治疗,随着病情发展,股骨头坏死晚期(ARCO III-IV期)出现骨骼塌陷,人工髋关节置换不可避免。髋关节置换术对于机体骨骼有一定损耗,且人工关节使用寿命有限。因此,对股骨头坏死早期有效、安全的保守治疗对于改善疾病发展,保持病人髋关节运动能力有着重要意义,这取决于对治疗效果的有效评价和对骨骼塌陷风险的准确预测。目前,股骨头坏死疾病药物治疗效果的评估和塌陷风险的预测依赖于医学影像技术、病人感受和医生经验。医学影像技术可提供骨骼的形态学信息,病人感受和医生经验则在一定程度上具有主观性。而事实上,直接反应骨骼结构能力的力学信息难以被直接获取,因此,本研究针对股骨头坏死疾病进行生物力学研究,确定与药物治疗有效性和骨骼塌陷有关的力学参数,为治疗效果评价和塌陷风险预测提供帮助。方法:获得股骨近端区域治疗前和治疗后各次随访中的CT影像。依照骨骼塌陷情况和随访效果,对病例进行分类,分别运用治疗效果力学评价和骨骼塌陷风险评估研究。对上述案例进行图像分割,重建三维病人股骨个体化模型;对模型进行离散化获得三维有限元模型;基于CT值对三维有限元模型进行密度及力学属性赋值;结合病人个体数据确定股骨头受力边界条件;通过有限元方法求解静力学模型,获得各力学参数分布情况。结合医学随访数据,建立力学数据与临床实际的对应关系,初步提出可辅助临床判断治疗效果及预测塌陷风险的力学参数。结果:(1)治疗效果评价研究:本研究对纳入病例在治疗前后的形态学和力学变化进行了分析。在与随访情况的对比中,形态学参数(如坏死区域体积比等)未呈现与随访结果良好的对应性,而部分力学参数的变化规律则与随访结果一致,例如沃德氏三角区域的等效应力变化。此外,本研究提出了相对应力指数,即平均SI与平均等效应力的比值。此参数的大小与骨骼压力强度有关,在针对现有案例的研究中,此参数在治疗前后的变化规律与随访结果一致。(2)塌陷预测研究:本研究对纳入病例进行了力学分析。发现未塌陷组病例模型的股骨颈上方均存在高应力集中区,预示着股骨头塌陷过程中,股骨颈骨折风险的增加。此外,本研究提出了应力-变形比,即等效应力与总形变的比值。通过计算和比较塌陷组与未塌陷组此力学参数的变化,本研究发现,未塌陷组各模型应力-变形比均小于0.80。特别地,对于坏死区位于股骨头前内侧(不在负重区)的病人,此参数小于0.30。对于塌陷组,各模型的应力-变形比均大于0.90。因此,基于现有病例,可初步得出应力-变形比0.80为股骨头坏死疾病股骨头区域塌陷高风险评估的参考值。结论:本研究表明在评估股骨头坏死药物治疗效果时不但需要考虑骨骼形态信息,更需要考虑骨骼力学性能的变化,坏死区的大小、位置、密度等都会对股骨的力学性能产生影响。此外,股骨头坏死前期(股骨头未塌陷)与后期(股骨头塌陷)坏死区的形态变化微小,但力学性能却有较大差异,对塌陷风险的力学评估不可忽略。本研究提出了相对应力指数和应力-变形比两力学参数,初步研究表明,两力学参数可分别应用于对药物治疗效果的评价和对股骨头塌陷高风险的评估。