研究目的1基于快捷精确、模拟结果重复性高、可广泛应用的有限元模型,探讨健脾活骨方治疗非创伤性股骨头坏死生物力学机制。2基于比较不同结局股骨头坏死临床资料筛选股骨头塌陷危险因素,并加载不同步频模拟预测塌陷,为临床治疗及康复提供科学依据。研究方法1健脾活骨方治疗早中期非创伤性股骨头坏死生物力学机理收集40例于2014年1月至2016年12月在我院确诊为非创伤性股骨头坏死接受住院治疗患者的临床及影像资料。20例经1年治疗稳定(股骨头未塌陷)的股骨头设为实验组,20例单侧股骨头坏死患者的正常股骨头设为正常组。两组患者均采用健脾活骨方治疗2个疗程、同时接受中药动脉灌注治疗1次,治疗期间拄双拐活动。三维有限元模型建立方法:①应用Mimics图像处理软件导入患者髋关节CT DICOM 3.0图像重建三维模型;②使用Geomagic进行三维模型表面润滑,通过布尔运算将股骨近端三维模型与坏死骨相交重叠部分删除,得到不包括坏死骨的无坏死股骨近端三维模型与坏死骨三维模型(正常股骨头仅对股骨近端润滑保存即可);③应用ANSYS Mechanical APDL进行网格划分,导出节点(nodes)、元素(elements)与prep7文件;④应用Mimics分别对不同三维模型网格化进行材料赋值;⑤应用Workbench 14.0创建有限元模型,确定约束条件及加载情况,模拟加载步行步态(相当于加载体重2.5倍)。观察正常股骨头与股骨头坏死模拟步行时股骨头表面、股骨近端及股骨近端内部应力传导情况,负重区最大等效应力与最大总形变,股骨头坏死治疗前后坏死骨与负重区最大等效应力与最大总形变。2健脾活骨方治疗早中期非创伤性股骨头坏死塌陷预测方法的建立及不同步态模拟收集60例于2014年1月至2016年12月在我院确诊为非创伤性股骨头坏死并接受住院治疗患者的临床及影像资料。20例单侧股骨头坏死患者的正常股骨头设为正常组,20例经1年治疗稳定(股骨头未塌陷)的股骨头设为稳定组,20例经治疗塌陷的股骨头设为塌陷组。三组患者均采用健脾活骨方治疗2个疗程、同时接受中药动脉灌注治疗1次,治疗期间拄双拐活动。三维有限元模型建立方法详见第一部分,模拟加载步行、慢跑、快跑步态(分别相当于加载体重2.5倍、5倍、8倍)。塌陷危险因素观察塌陷组与稳定组患者性别、年龄、侧别、体重、体重指数,治疗前ARCO分期亚型、坏死位置等因素;步态分析观察各组不同步态股骨头负重区与坏死区的最大等效应力与最大总形变量;ROC曲线分析观察稳定、塌陷组治疗前负重区最大等效应力与总形变量对应的AUC指数确定两者与股骨头塌陷的相关性,进行约登指数分析得出最大等效应力与总形变量塌陷临界值。研究结果1健脾活骨方治疗早中期非创伤性股骨头坏死生物力学机理1.1力学传导机制分析结果股骨头坏死负重区与正常股骨头负重区比较最大等效应力与最大总形变量前者明显大于后者,差异有统计学意义(P<0.05)。正常股骨头步行有限元分析结果显示相当于体重2.5倍的压强作用于股骨头负重区时股骨头表面应力均匀,未发现应力集中。从股骨头剖面图可以看出股骨头内压应力沿压力性骨小梁均匀分布在股骨头内,股骨颈内侧(股骨距)承受大部分压应力,同时最大等效应力也出现在股骨距。相对于股骨距股骨颈外侧仅承受少量压应力,最小等效应力出现在大粗隆的顶点。股骨头坏死步行有限元分析结果显示相当于体重2.5倍的压强作用于股骨头负重区时出现多个应力较集中区域,剖面图可以看出坏死骨上方存在多个应力集中区域,股骨头负重区及表面应力分布极不均匀。同时股骨头内.压应力分散于股骨头与股骨颈交界处,相对于正常股骨头压应力与压力性骨小梁重叠现象,股骨头坏死的股骨颈外侧压应力明显增大,股骨颈内侧与外侧承受的压应力相当,且股骨最大等效应力在股骨远端。1.2健脾活骨方治疗非创伤性股骨头坏死生物力学机理健脾活骨方治疗后3个月、1年的负重区总形变量与治疗前比较均减少,差异有统计学意义(p<0.05)。健脾活骨方治疗后3个月、1年的负重区最大等效应力与治疗前比较均减少,治疗后3个月与治疗前负重区最大等效应力差异无统计学意义(p>0.05),治疗后1年与治疗前负重区最大等效应力差异有统计学意义(p<0.05)。健脾活骨方治疗后3个月、1年的坏死区最大总形变量与治疗前比较均减少,差异有统计学意义(p<0.05)。健脾活骨方治疗后3个月、1年的负重区最大等效应力与治疗前比较均有所增加,治疗后1年与治疗前负重区最大等效应力差异无统计学意义(p>0.05),治疗后3个月与治疗前负重区最大等效应力差异有统计学意义(p<0.05)。治疗前股骨头坏死患者股骨头内压应力分散于股骨头与股骨颈交界处,股骨颈外侧较正常股骨头应力明显增大,股骨颈内侧与外侧承受的压应力相当。从股骨头剖面图可以看出治疗后3个月及治疗后1年股骨头内压应力逐渐集中于股骨距,股骨头颈交界处应力较治疗前分布均匀,股骨颈外侧承受应力较治疗前减少。从股骨近端整体图可以看出股骨近端内侧承受大部分压应力,外侧承受应力明显小于治疗前,应力集中现象较治疗前明显好转,压应力逐渐延股骨距传递到远端。2健脾活骨方治疗早中期非创伤性股骨头坏死塌陷预测方法的建立及不同步态模拟2.1股骨头塌陷危险因素稳定组女性较塌陷组多,差异有统计学意义(P<0.05);稳定组ⅡA多于塌陷组,ⅡC则少于后者,差异有统计学意义(P<0.05);稳定组内侧坏死多于塌陷组,外侧坏死则少于后者,差异有统计学意义(P<0.05);塌陷组体重重于稳定组,差异有统计学意义(P<0.05)。其他基线资料差异无统计学意义(p>0.05)。2.2不同步态模拟分析2.2.1正常、稳定、塌陷组治疗前步行负重区最大等效应力与最大总形变量比较正常组、稳定组与塌陷组最大等效应力与最大总形变量比较,差异均有统计学意义(P<0.05),且以正常组、稳定组、塌陷组的顺序依次增大。2.2.2正常、稳定、塌陷组治疗前不同步态负重区最大总形变量正常组、稳定组与塌陷组治疗前不同步态负重区最大总形变量组内比较显示负重区最大总形变量以步行、慢跑、快跑的顺序依次增大,差异均有统计学意义(P<0.05);治疗前步行、慢跑、快跑负重区最大总形变量组间比较显示负重区最大总形变量以正常组、稳定组与塌陷组的顺序依次增大,差异均有统计学意义(P<0.05)。2.2.3正常、稳定、塌陷组治疗前不同步态负重区最大等效应力正常组、稳定组与塌陷组治疗前不同步态负重区最大等效应力组内比较显示负重区最大等效应力以步行、慢跑、快跑的顺序依次增大,差异均有统计学意义(P<0.05);治疗前步行、慢跑、快跑负重区最大等效应力组间比较显示负重区最大总形变量以正常组、稳定组与塌陷组的顺序依次增大,差异均有统计学意义(P<0.05)。2.2.4正常组不同步态比较正常组负重区最大等效应力与负重区最大总形变量以步行、慢跑、快跑的顺序依次增大,差异均有统计学意义(P<0.01)。2.2.5稳定组治疗前后不同步态负重区最大总形变量和最大等效应力稳定组负重区最大等效应力与负重区最大总形变量以步行、慢跑、快跑的顺序依次增大,差异均有统计学意义(P<0.01)。2.2.6稳定组治疗前后不同步态坏死区最大总形变量和最大等效应力稳定组坏死区最大等效应力与负重区最大总形变量以步行、慢跑、快跑的顺序依次增大,差异均有统计学意义(P<0.01)。2.2.7塌陷组治疗前后不同步态负重区最大总形变量和最大等效应力塌陷组负重区最大等效应力与负重区最大总形变量以步行、慢跑、快跑的顺序依次增大,差异均有统计学意义(P<0.01)。2.2.8塌陷组治疗前后不同步态坏死区最大总形变量和最大等效应力塌陷组坏死区最大等效应力与负重区最大总形变量以步行、慢跑、快跑的顺序依次增大,差异均有统计学意义(P<0.01)。2.3稳定、塌陷组治疗前负重区最大等效应力与最大总形变量ROC分析2.3.1 ROC 分析最大等效应力对应的AUC为0.842,95%CI为(0.693,0.938);最大总形变量对应的AUC为0.752,95%CI为(0.591,0.875)。最大等效应力与最大总形变量均与股骨头塌陷存在显著相关性(P值分别为0.000、0.001)。2.3.2约登指数分析当最大等效应力为2.702MPa时,该值预测股骨头塌陷的特异度为85.0%,敏感度为75.0%;最大总形变量为4.761mm时,该值预测股骨头塌陷的特异度为70.0%,敏感度为75.0%。研究结论1健脾活骨方治疗早中期非创伤性股骨头坏死生物力学机理1.1正常股骨头负重区表面应力分布均匀,股骨头内压应力沿压力性骨小梁传导至股骨距处出现应力峰值;股骨头坏死因坏死骨无法有效支撑负重区,负重区应力分布不均匀、应力集中现象明显,负重区压应力传导障碍使股骨颈外侧承受压应力增大,压缩应力由股骨干内外侧传导至股骨远端截面出现应力峰值。1.2健脾活骨方通过改善股骨头坏死血液循环,促进新骨产生、加强坏死骨强度与刚度,使坏死骨可以有效的支撑负重区、减轻股骨头负重区的应力集中现象,解除坏死骨区域正常骨组织持续高应力状态从而达到治疗作用。2健脾活骨方治疗早中期非创伤性股骨头坏死塌陷预测方法的建立及不同步态模拟2.1男性、体重偏重、坏死面积大、坏死位置偏外侧等为股骨头塌陷的危险因素。2.2稳定股骨头坏死患者与塌陷股骨头坏死患者初始生物力学特性存在差异,塌陷股骨头坏死的应力集中现象与应力传导障碍程度重于稳定股骨头坏死。2.3随着步频的加快股骨头坏死负重区与坏死区最大等效应力与最大总形变量随之增加,塌陷的风险也随之增大。2.4股骨头坏死负重区最大等效应力与总形变量与股骨头塌陷密切相关,当负重区最大等效应力与最大总形变量超过一定的阈值时,应高度警惕股骨头发生塌陷。