杨朝昕，牛梦晔，马雅昌，曹海营，赵景新，金 宇

(承德医学院附属医院创伤骨科，河北承德 067000)

骨肿瘤及良性骨病变的好发部位为人体骨生长活跃处，如骨端及干骺端，肿瘤发病率从高到低依次为股骨远端、胫骨近端、肱骨远端，股骨近端发病率较低，相关文献报道较少，但近年来发病率呈上升趋势[1]，且该处常为恶性肿瘤及转移瘤发生部位，供临床医生参考数据不足。骨良性肿瘤及病变刮除术后常需要进行骨替代治疗对病灶空洞填塞，常见材料为骨水泥，现阶段临床上应用较多的术式有单纯骨水泥填塞(术式1)、骨水泥填塞+拉力螺钉(术式2)、骨水泥填塞+解剖钢板+锁定螺钉(术式3)3种手术内固定方式，这几种手术方式可不同程度降低病灶处骨折风险，避免二次损伤，但尚无明确数据支持何种手术方式为最佳选择，计算机生物力学分析可将不规则股骨放置在模拟环境中，分析各点应力、形变，得出传统力学分析中无法明确得出的数值，本文主要通过计算机辅助模拟探讨不同术式后股骨近端应力分布情况，观察术后骨表面的力学分布差异，并与正常股骨对比，通过模型对比，分析较合理的手术治疗方式，为临床医生提供治疗思路，现报道如下。

1 资料与方法

1.1一般资料 选取承德医学院附属医院确诊为单侧股骨近端良性病变且不合并其他损伤的男性患者1例，身高173 cm，体质量70 kg，行双侧髋关节及双侧股骨全长CT、磁共振成像(MRI)检查，并对双下肢软组织进行超声检查，排除健侧肢体骨骼和软组织良、恶性疾病及其他损伤。患者因右髋部疼痛3个月，入院X线检查显示右股骨近端病变，进一步行双侧CT、髋关节MRI检查，病变处穿刺活检确诊为骨巨细胞瘤，相关检查见图1。该实验已征得受试者本人同意，并经过承德医学院附属医院伦理委员会审查通过。

1.2方法

1.2.1建立股骨及内固定物三维模型 将CT(TOSHIBA 64排螺旋CT，Windows10专业版64位操作系统)扫描所得到的股骨及内固定物数据导入CT数据分析软件Mimics(购自比利时Materialise 公司)中进行解析，通过设定阈值、手动填塞修复、消除等方法分别生成健侧与患侧的实体3D股骨近端、钢板、螺钉模型，并对其进行光顺处理得到最终模型。

1.2.2建立病变骨刮除术后缺损模型 在计算机虚拟环境中按照患者病变实际大小模拟刮除病变，建立病变刮除后的骨缺损模型，并对缺损区域进行三维重建模型。

1.2.3计算机模型的装配及网格划分 模型装配和设计过程中的病变刮除范围、钢板和螺钉的位置及置入方向均在高年资医师指导下建立，将缺损骨模型、骨水泥模型、内固定物模型分别装配，最终建立5种三维模型(图2)。利用3-matic软件对三维模型行三角面片、非流形装配、网格优化、调整参数，在CT中通过灰度值，按照公式：Density=-13.4+1 017×Grayvalue，E-Modulus=-388.8+5 925×Density完成材料的弹性模量赋值，泊松比为0.3，保存模型后导入ANSYS软件进行有限元模型分析。

A：入院X线检查；B：双侧CT检查；C：髋关节MRI检查；D：病理检测(HE，×100)

图1患者入院后相关辅助检查

A：健侧正常股骨近端模型；B：模拟病变侧病变刮除术后缺损模型；C：术式1模型；D：术式2模型；E：术式3模型

图2计算机模拟最终装配后三维模型示图

1.2.4有限元边界条件及附加载荷 (1)边界条件：①将5种模型股骨远端底部进行约束，各节点所在X轴、Y轴、Z轴均无移动；②本文将螺钉制作简化模型，故为模拟螺钉加压效果，螺钉模型与余模型为有限滑移接触，摩擦系数0.15，余材质接触均为绑定接触。(2)附加载荷：健康成年人在水平面静态直立时，双侧股骨形态、承受力基本一致，双下肢所承受力大致一致，且在站立位时髋关节受力最大[2-4]，查询相关文献[5]，给予股骨头承重面施加垂直地面向下的力2 100 N，模拟5种模型的受力情况。

1.2.5观察指标 定义股骨颈区域为股骨头与转子间中间部分(见图3)；忽略股骨远端，以股骨近端20 cm定义为股骨表面。人体两侧股骨在正常情况下受力分布大致一致，本研究通过有限元分析软件观察并分析股骨病灶刮除后，未置入内固定物的缺损模型(模型B)及置入内固定物的模型(模型C、D、E)的应力分布情况与健侧模型(模型A)的应力分布对比，并分析5种模型中，股骨颈区域与股骨表面应力情况，评价股骨头处骨折风险。术后患者复查，根据Harris评分评价患者预后情况。

2 结 果

2.1有限元数据结果 通过有限元技术对各组三维模型进行分析最终制作出5种模型的应力云图，模型A：骨表面模型应力峰值为54.24 MPa，位于股骨内侧，模型股骨颈周围最大应力为30.03 MPa；模型B：骨表面最大应力为77.60 MPa，模型股骨颈周围最大应力为77.60 MPa，位于股骨颈下方；模型C：骨表面最大应力为34.90 MPa，位于大转子与骨水泥结合处，模型股骨颈周围最大应力为25.22 MPa；模型D：骨表面最大应力为39.83 MPa，位于钉道处，模型股骨颈周围最大应力36.59 MPa；模型E：骨表面最大应力为43.54 MPa，位于钉道处，模型股骨颈周围最大应力24.51 MPa，见表1、图4。

图3 红色区域为股骨颈区域

项目模型A模型B模型C模型D模型E股骨颈区域最大应力30.0377.6025.2236.5924.51股骨表面最大应力54.2477.6034.9039.8343.54

A:模型A受力分布；B:模型B受力分布；C:模型B股骨颈处受力情况；D:模型C受力分布；E:模型D受力分布；F:模型E受力分布

图4 5种模型有限元分析结果

2.2手术治疗及疗效观察 借鉴该技术，根据模型结果分析，并根据临床经验，最终拟病灶刮除+骨水泥填塞+钢板、螺钉内固定术为患者具体术式。该患者无明确手术禁忌证，并按术前计划实施手术。麻醉成功后，术区消毒、铺单、依此切开软组织到达骨端，按术前计划刮除范围刮除病变组织，高速磨钻扩大范围，无水乙醇灭活，置入骨水泥，并根据术前模拟钉道最佳位置进行内固定物置入，手术顺利。患者术后恢复顺利，术后复查X线显示内固定物位置与术前模拟方案基本吻合。随访该患者至术后16个月，术后定期复查X线，肺部CT、皮下软组织超声，未出现肿瘤复发，未出现二次骨折现象，未发生手术部位退行性改变及股骨头坏死；依据术后复查得出Harris评分(表2)，影像学资料复查均显示内固定物固定良好，未发现骨折及内固定物断裂情况，见图5。

表2 Harris髋关节术后评分(分)

A：术后3 d复查；B：术后3个月复查；C：术后6个月复查；D：术后12个月复查；E：患者术后12个月

图5患者髋关节术后复查情况

3 讨 论

3.1骨良性病变治疗选择 骨良性病变通常采用局部病灶切除后重建手术，与恶性肿瘤相比，因其病变局限，肿瘤细胞分化程度高，异型性小，采用局部手术切除联合辅助治疗后多能获得良好的预期效果。以前大多数研究主要针对不同手术方法在降低良性肿瘤复发率方面，由于股骨近端解剖复杂，术后受力分布不明确，研究局部稳定性文献较少，本研究通过有限元分析研究不同模型中股骨各点应变化与差异，得出传统力学分析中无法明确得出的数值，比较不同手术方式的稳定性。

本研究通过有限元分析，验证模型B中未置入骨水泥、钢板螺钉时，股骨受力后，股骨颈处压力带侧出现高应力集中区域，虽未达到骨的屈服应力[6]，但易发生病理性骨折[7]，无法达到稳定支撑效果。在置入内植物后，置入的骨水泥、钢板螺钉开始承受较大部分的载荷，使股骨受到的载荷减小，对抗更大载荷的缓冲增加。参照模型A，模型C、D、E均可满足该患者日常行走需求，本研究模型骨缺损较大，针对日常活动需求量大的中青年患者，在模型E中置入钢板螺钉后，股骨颈区域应力明显缩小，应力数值接近健侧模型数据，可作为该患者手术首选方式。除正常模型与缺损模型中应力峰值，余下3种术式模型的应力峰值均位于钢板螺钉结合处及钉道位置，钉道与骨质结合处应力数值均小于骨屈服应力。

对于缺损范围较小的可直接确定手术方式；对于缺损范围不确定或刮除范围不确定的病例，可应用该技术测量局部骨应力数据，选择合理手术方式，减少过度医疗，减少手术剥离范围大及手术时间长造成的副损伤，为临床医师及患者提供更加信服的治疗方案。在本研究模型中，由于瘤体范围较大，刮除前后力学分布情况不能可视化，应用有限元分析可以更加清楚受力分布。

对于刮除后存在较大区域的骨缺损患者，填塞常采用骨替代治疗，到目前为止治疗骨缺损的金标准仍是自体骨移植[8]，但病变复发后难以鉴别，且较难获取足够的自体骨，目前多采用刮除术后填塞骨水泥。由于骨水泥的抗压能力与骨质相比相对较低[8]，因张力带原理，开窗刮除后单纯骨水泥填塞增加骨折风险，需要额外的固定装置即锁定钢板与螺钉来减少骨的应力集中。以模型E为例，该模型以保持骨本身生物学特性为最初理念，通过解剖钢板与锁定螺钉固定为相对稳定，远端螺钉桥接分散应力，可降低骨质断裂的风险[9-10]，在应力集中区域，凸显了锁定钢板的重要性[11]。

3.2计算机辅助模拟生物力学分析对临床的指导意义及要点 股骨近端骨质分布不均，生理结构复杂，计算机模拟力学分析较传统实验具有较大优势，通过运用软件逆向重建，将病变处情况用可量化的数据展现，其相较于传统实验具有更直观、更精确等优势。

与常规手术不同，计算机辅助模拟生物力学的临床指导意义在于：(1)从术前开始，依据病情，应用三维图像制定具体方案，弥补了二维图像限制，使术者术前充分了解患者病情，减少反复调整内固定造成人为破坏骨质及术后并发症的发生率。(2)术前应用建模软件及有限元分析，可明确病灶的位置、刮除范围及周围重要结构；通过测量选择合适内固定，包括钢板及螺钉的型号、长度、数量及置入方向[12]；并评估置入物术后活动时断裂风险。(3)在医疗水平不足时，常需要高年资医师根据既往经验对疑难疾病制订较为合理的手术方案。且手术需要在高年资骨科医师的指导下完成。有限元可以更准确地提供可视化数据，通过制订不同手术方式，选取最佳方案；骨科医生可在软件中反复模拟手术操作，增强医师对解剖层次、复杂结构的理解，增加手术熟练度，缩短手术时间，减少出血等影响手术效果的副损伤，提高疑难疾病的手术成功率；同时结合高年资医师临床经验，为患者疾病治疗提供“双保险”。为不同年龄层次患者提供不同需求的手术方式，用合理的耗材达到比较完美的人体生物力学支撑的手术效果，为患者提供了个性化、高质量的诊疗需求，并增加患者治疗满意度。

通过应用力学模拟分析技术，总结该技术的应用要点如下：(1)在系统自动完成阈值选取划分后，初始模型往往不能达到预期模型效果，需进一步手动选取，需要操作者熟练掌握正常解剖结构及层次，还原骨原有形态，以降低误差率。(2)病变刮除范围、内固定装配，磨钻打磨深度需要在高年资医师的指导下完成。根据软件测量，避免进入过深损伤关节面。(3)术前计算机模拟力学分析只是在理想化的环境下模拟手术，为辅助手段，具体手术方式及预后还需考虑患者年龄、是否合并其他疾病、骨密度、病变范围、依从性等因素。(4)3种术式模型的应力峰值均位于钢板螺钉结合处及钉道位置，术后复查时应给与关注，观察骨与内固定是否存在断裂与松动现象。

综上所述，在骨良性病变治疗中运用有限元，可为该类患者提供较为合理的治疗选择，对同类疾病治疗的选择有一定的指导意义。本研究为个体病变，存在偶然性，不具有普遍性，且模型较为简单，忽略了人体股骨周围肌群的力学作用，与实际情况有所差异，所以不能等同于临床实际治疗中所有患者股骨近端受力分析，有待增加患者样本量及改进软件技术应用能力进一步观察和研究。