基于三维重建空间测量及有限元技术在评估股骨颈骨折内固定术复位质量及股骨头坏死中的应用

来源 :天津医科大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xhajxhaj
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目的:(1)通过荟萃分析的方法,对切开与闭合复位内固定治疗股骨颈骨折的并发症进行研究,术后并发症在评估切开和闭合复位内固定中的差异;(2)通过建立三维重建及空间测量技术,对股骨颈骨折患者内固定术前和术后模型进行测量,并用本研究提出的空间测量指标评估复位质量,探讨目前评价骨折复位质量方法的不足;(3)利用股骨颈骨折患者个体化有限元模型,探讨术后股骨头空间残留移位对股骨近端力学性能的影响,并讨论其可能是股骨头坏死发生的主要原因;(4)对纳入的患者进行电话随访研究,探讨与术后股骨头坏死发生最相关的临床因素,从而指导临床医生的治疗,降低并发症的发生;(5)建立股骨头坏死患者个体化的有限元方法模型,探究内固定术后不同线空间残留移位对股骨头坏死发生的作用。  方法:(1)计算机检索PubMed、中国知网、万方科技、EMBASE、中国生物医学文献数据库、中国科学引文数据库、Medline、维普期刊、COHRANE图书馆等医学文献数据库,进行搜索所有的相关文献,同时对相关文献的参考资料进行查阅,收集所有关于股骨颈骨折切开与闭合复位内固定治疗的回顾性对照研究(CCT)和随机对照研究(RCT),所查看文献的截止到2017年3月。筛选出符合标准的文献纳入研究,并且对其进行荟萃分析;(2)选取2011年1月至2016年12月于天津医院治疗的250例股骨颈骨折患者,收集其内固定术前和术后双侧股骨近端CT平扫数据以及X-Ray平片数据。纳入患者中男性患者118例,女性患者132例,GardenⅠ型30例,GardenⅡ型68例,GardenⅢ型97例,GardenⅣ型55例,纳入患者手术后的复位质量利用X线片评价均提示满意。利用Mimics10.01软件建立上述纳入患者的双侧股骨近端三维模型,并且通过骨折侧模型镜像与健侧模型所拟合得到配准模型,通过对模型标记的关键点进行空间测量,用以评估术后的复位质量;(3)对上述纳入的250例患者,按照Garden分型进行1/5随机分层抽样50例,纳入GardenⅠ型6例,GardenⅡ型14例,GardenⅢ型19例,GardenⅣ型11例。基于simpleware6.0软件和abaqus6.12软件建立患者术后个体化股骨近端有限元模型,并分别建立缓慢行走及上下楼梯有限元模型,对所有模型施加缓慢行走中双足站立相、单足站立相、足跟离地相及足趾离地相和上下楼梯的载荷和约束条件,观察两个姿态下股骨近端结构有效应力峰值、有效应变峰值和冠状面最大位移位分布的变化;(4)对纳入患者进行电话随访,充分了解患者在股骨颈骨折术后的康复及发生并发症的情况,并且详细记录患者入院、术中及术后的相关情况,通过对比上述临床因素在发生股骨头坏死的患者与非发生坏死患者中的差别,找到可能对术后患者发生股骨头坏死相关的危险因素,并且进一步建立逻辑回归模型,预测股骨颈骨折患者术后股骨头坏死的概率;(5)通过对纳入的患者进行个体化的有限元模型,分析在股骨头坏死患者和非坏死患者中股骨近端平均弹性模量的差别。  结果:(1)通过对纳入的14篇对照试验经过荟萃分析发现,患者在两种术后后的骨折愈合率没有显著性的差异(P>0.05),而切开复位内固定的患者股骨头坏死率明显降低(P<0.05);(2)纳入的250例患者,股骨颈骨折术前平均股骨头空间移位角度为30.18°±20.65°,平均股骨头中心的移位、股骨头小凹最深点的移位距离分别为16.25±10.01mm及25.38±13.68mm;行固定术后平均的股骨头空间移位角度为19.25°±10.25°,平均股骨头中心的移位、股骨头小凹最深点的移位距离分别为7.23±5.12mm及12.55±5.87mm。通过空间移位的改善率计算,GardenⅢ型、Ⅳ型的改善程度,与GardenⅠ型、Ⅱ型相比明显较高(P<0.05);内固定术前和术后股骨头空间偏转角发现,GardenⅢ型股骨头的空间成角远大于其他三组,有显著统计学差异(P<0.05)。(3)本实验通过有限元方法模拟不同运动姿态下,患者残留的空间移位和成角对股骨近端力学性能的影响,结果显示股骨近端所承受的有效应力峰值、应变峰值及产生冠状面移位,随着空间残留移位和成角的增大而增加。同时,股骨头颈交界的部位和空心螺钉上的应力应变值也增大。50例患者在缓慢行走模型中,双足站立期、单足站立期、足跟离地期及足趾离地期内固定术后模型近端等效应变值分别为291.54±72.46uε,2099.10±521.70uε,3498.49±869.49uε,6122.36±1521.61uε;有效应力峰值分别为23.95±5.64Mpa,57.49±13.53Mpa,95.82±22.55Mpa,167.68±39.47Mpa;平均最大冠状面位移位分别为0.052±0.013mm,0.37±0.096mm,0.62±0.16mm,1.08±0.28mm。在上下楼梯有限元模型中,等效应变值分别为4373.11±1086.87uε,8746.23±2173.73uε;有效应力峰值分别为119.77±28.19Mpa,239.54±56.38Mpa;平均最大冠状面位移位分别为0.77±0.2mm,1.55±0.4mm。通过对所有患者置入螺钉的有限元分析发现,最下方的螺钉承受的应力和应变明显高于上面两枚;(4)对纳入的200例股骨颈骨折患者进行中期的电话随访,在随访患者中共发现32例股骨头坏死,占总体的16%。对股骨头坏死组和非坏死组分析发现术后股骨头空间移位和成角情况及术前Garden分型在存在显著统计学的差异(P<0.05),进一步通过建立的的逻辑回归方程示得到了预测股骨颈骨折患者术后发生股骨头坏死的公式;(5)通过个体化有限元模型发现,股骨头坏死组与非坏死组应力集中区域的应力值、应变值、位移均存在显著统计学差异。通过提取应力应变分析,发生股骨头坏死的患者,其骨折侧的平均弹性模量要显著低于健侧的平均弹性模量(P<0.05)。  结论:(1)股骨头坏死率在切开复位内固定术后要低于闭合复位内固定治疗;(2)通过三维模型和空间测量的技术,可以精确测量出股骨颈骨折后股骨头的真实空间移位,以及内固定后股骨头的空间移位程度。通过X-ray评价手术后复位质量满意的患者,进一步行三维空间测量发现患者股骨头均存在一定的空间移位和成角;(3)股骨颈骨折手术中是否能达到解剖复位对预后至关重要,未复位的空间移位或者成角会影响股骨近端的生物力学性质,最后能导致股骨颈骨折不愈合和股骨头坏死的发生。
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