研究目的1.建立一个具有较好几何和物理相似性的、可重复应用、可供动态力学模拟分析的股骨头坏死有限元模型。2.基于三维有限元动态模拟分析健脾活骨方治疗ARCO Ⅱ期股骨头坏死后,股骨头内部的生物力学变化情况,为中医治疗股骨头坏死提供力学方面的理论依据。研究方法1.可供动态力学模拟分析的股骨头坏死有限元模型的建立(1)选择1例单侧股骨头坏死为ARCO Ⅱ期的患者,取其另一侧正常股骨头作为对照。(2)将患者Dicom3.0格式的CT数据资料导入到Amira图像处理软件中读取图像,进行图像分割,分别提取股骨头整体表面轮廓及松质骨、坏死骨轮廓后建立各自的三维模型。(3)经Geomagic进行采样、光滑处理、表面拟合等处理后,将各模型导入到Ansys14.0有限元分析软件中。(4)在Ansys14.0有限元分析软件中进行网格划分、材料属性定义与赋值、定义边界条件及载荷区域等处理,分别建立松、密质骨区分和不区分下的正常和坏死股骨头有限元模型。(5)对生成的各股骨头有限元模型进行普通行走下的应力分析,观察各模型的应力特点,总体分析更为真实可靠的建模方法。2.健脾活骨方治疗ARCO Ⅱ期非创伤性股骨头坏死的生物力学研究(1)选取经健脾活骨方治疗后1年临床疗效显著的股骨头坏死患者4例,收集其治疗前后的Dicom3.0格式的CT数据资料。(2)分别建立4例患者治疗前及治疗后1年的股骨头坏死有限元模型。(3)对建立好的股骨头坏死有限元模型分别施加正常行走、慢速跑步、快速跑步时的力学载荷,观察治疗前后股骨头应力及位移变化情况,并判断不同步态下股骨头塌陷的风险。研究结果1.股骨头有限元模型建立(1)对生成的模型网格划分后,坏死股骨头中松、密质骨材料不区分时其节点数为562682,单元数为406764。区分后模型中节点数分别降为189287、123274。但坏死部分骨模型中材料不区分时,其节点数和单元数分别为6213、3724。而在材料区分后的模型中,其节点数和单元数分别增加到45385、30006。但在正常股骨头中,松、密质骨材料是否区分,其节点数和单元数差别并不明显。分析后认为,相比正常股骨头,坏死股骨头更有必要将松、质骨的材料区分。(2)两种赋值下的正常股骨头模型股骨颈内外侧、股骨干近端内侧、股骨干外侧均表有明显的应力集中,该区域深层则为股骨距,即人体直立负重时最大压应力的部位,但在股骨头上的应力集中却不明显。这样的特点与正常人体股骨头的生理特点及以往的文献研究相符合。而在股骨头坏死的两个模型中,在小转子附近及股骨颈处均出现了两个较大应力的集中区域,股骨头负重区的应力也明显集中,尤其在松、密质骨区分的模型中表现更为明显。与正常股骨头相比,其应力发生了转移,在股骨头上形成了多处应力集中的区域,易引起股骨头坏死的进一步发展。(3)各模型中,股骨头负重区位移值最大,越往股骨远端值越减小,显示股骨头负重区是塌陷容易产生。材料区分的模型中,同一位置下,坏死股骨头位移值都大于正常股骨头,这在材料不区分的模型中表现不明显。其中负重区下坏死骨部分发生位移的程度更大,而非负重区下的坏死骨,位移程度相对较小。(4)各模型中,左侧坏死股骨头最大应力值均小于右侧正常股骨头模型明显减少,尤其是在松、密质骨区分时更为明显,最大应力值从52.1103GPa降低到30.1069MPa。当密、松质骨不区分时,右侧正常股骨头模型与左侧坏死股骨头模型最大位移值分别为1.0022mm、1.3214mm,不符合正常和坏死股骨头受到应力时的真实状况。而当松、密质骨区分时,左侧坏死股骨头模型的最大位移值为1.0069mm,明显大于右侧正常股骨头模型的0.5836mm,间接显示了在相同力学载荷时坏死骨负重区塌陷的风险和程度更大。2.健脾活骨方治疗ARCO Ⅱ期非创伤性股骨头坏死的生物力学研究(1)在普通步行、慢速跑步、快速跑步下,相比治疗前,4例患者均在治疗后股骨头整体最大应力及位移值明显降低,股骨头负重区位移值较治疗前明显减小(p<0.05),股骨头负重区应力值明显增高(p<0.05),坏死骨的应力值明显降低(p<0.05)。(2)根据塌陷准则,在普通步行时,坏死骨的应力值均小于0.55MPa,坏死骨塌陷的可能性较低。在慢速跑步时,坏死骨的应力在治疗前已趋于0.55MPa,坏死塌陷的风险增大,应积极进行治疗,预防股骨头塌陷。在快速跑步时,坏死骨的应力在治疗前已大于0.55MPa,坏死塌陷的可能很大,此时应在积极进行治疗的基础上,告知患者避免快速跑步,否则塌陷的可能很大,并且危害的程度更深。(3)随着步态由正常行走到慢速跑步,再到快速跑步,其股骨头的最大应力值及位移值随之增大。三种步态下的坏死股骨头在治疗后,其最大应力值及位移值明显减小。而治疗后坏死骨位移值较治疗前减小,股骨头负重区应力值增加,而坏死骨应力值降低。随着步态频率增加,坏死区所承受压力及位移值增加明显,塌陷的风险和程度逐渐增大。研究结论1.股骨头有限元模型建立(1)应用Amira图像分析软件、Geomagic Studio逆向工程软件、Ansys有限元分析软件,成功建立了一个具有较好几何和物理相似性的、可重复应用、可供动态力学模拟分析的股骨头坏死有限元模型。(2)相比正常股骨头建模,股骨头坏死模型建立时,将松质骨和密质骨材料区分赋值更有必要。2.健脾活骨方治疗ARCO Ⅱ期非创伤性股骨头坏死的生物力学研究(1)健脾活骨方可有效增强股骨头坏死负重区骨的支撑能力,降低对坏死骨的压应力,减少塌陷的危害性,从根本上改善坏死股骨头内部的力学环境,降低股骨头坏死塌陷的风险。(2)随着步态频率的增加,股骨头塌陷的风险逐渐增大,尤其在快速跑步下,股骨头坏死塌陷风险更大,故治疗期间应尽量避免跑步等剧烈活动。