基于有限元分析3D重建技术在髋关节置换术中的应用
来源:用户上传
作者:胡华平 彭炳龙 文毅英 敖沸 杨慧文
【摘要】 目的：基于有限元分析3D重建技g在髋关节置换术中的应用价值。方法：回顾性分析2019年1月-2021年10月萍乡市人民医院收治的80例行髋关节置换术患者的临床资料，其中2019年
1月-2020年6月43例采用全髋关节置换术治疗的患者为对照组，2020年7月-2021年10月37例采用基于有限元分析3D重建技术的髋关节置换术患者为观察组。比较两组手术时间、术中出血量、术后健侧和患侧下肢长度差、植骨愈合、假体位置、髋关节功能（Harris）评分及疗效。结果：观察组术中出血量少于对照组，手术时间短于对照组，术后健侧和患侧下肢长度差低于对照组（P<0.05）。观察组植骨愈合率和假体位置吻合率均高于对照组（P<0.05）。术后，两组Harris评分均高于术前，且观察组高于对照组（P<0.05）。结论：基于有限元分析3D重建技术在髋关节置换术应用过程中可有效分析假体-骨界面的应力特征，并利用有限元分析的应力特征对假体进行再优化设计，显著提升髋关节置换术的临床应用质量。
【关键词】 有限元分析 3D重建技术 髋关节置换术
Application of 3D Reconstruction Technology Based on Finite Element Analysis in Hip Arthroplasty/HU Huaping， PENG Binglong， WEN Yiying， AO Fei， YANG Huiwen. //Medical Innovation of China， 2022， 19（31）： 0-049
[Abstract] Objective： To analyze the application value of 3D reconstruction technology based on finite element analysis in hip arthroplasty. Method： The clinical data of 80 patients with hip arthroplasty admitted to Pingxiang People’s Hospital from January 2019 to October 2021 were retrospectively analyzed， Among them， 43 patients treated with total hip arthroplasty from January 2019 to June 2020 selected as the control group， 37 patients with hip arthroplasty who underwent 3D reconstruction technology based on finite element analysis from July 2020 to October 2021 were selected as the observation group. The operation time， intraoperative blood loss， postoperative lower limb length difference between the healthy side and the affected side， bone graft healing， prosthesis position， hip function （Harris） score and efficacy were compared between the two groups. Result： The intraoperative blood loss in the observation group was less than that in the control group， the operation time in the observation group was shorter than that in the control group， and the length difference between the healthy side and the affected side in the observation group was lower than that in the control group （P<0.05）. The bone graft healing rate and prosthesis position anastomosis rate in the observation group were higher than those in the control group （P<0.05）. After operation， the Harris scores in both were higher than those before operation， and that in the observation group was higher than that in the control group （P<0.05）. Conclusion： 3D reconstruction technology based on finite element analysis can effectively analyze the stress characteristics of prosthesis bone interface in the application of hip arthroplasty， and re optimize the design of prosthesis by using the stress characteristics of finite element analysis， which can significantly improve the clinical application quality of hip arthroplasty.
nlc202211281223
[Key words] Finite element analysis 3D reconstruction technology Hip arthroplasty
First-author’s address： Pingxiang People’s Hospital， Jiangxi Province， Pingxiang 337000， China
doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2022.31.011
全髋关节置换术是目前临床中广泛应用的手术方案之一，其在临床中广泛应用于创伤性关节炎、股骨头坏死、强直性脊柱炎、先天性髋关节脱位、类风湿性关节炎等关节疾病患者的治疗中[1]。随着我国经济及医学技术的发展，全髋关节置换术在我国临床实践应用过程中出现并逐渐受到人们的广泛关注[2]。人工全髋关节置换术在临床实践过程中存在术后假体松动等缺点，其也是目前临床中最为常见的问题，其中力学因素和生物因素均是导致假体松动的主要原因之一[3]。有限元分析是近年来受到人们广泛关注的技术方案，其主要通过连续求解区域行离散后组成有限个特定方式连接的单元组合体，对不同几何形状求解区进行模型，并对每个单元的力学情况进行综合分析后再行整体分析[4]。有限元分析属于经典的数值分析，在工程学多个领域中均得以广泛应用，其在处理复杂物体力学方面具有明确的优越性，并在临床中逐渐受到骨科医师的重视。近年来随着影像学技术、3D重建技术等日臻成熟，髋关节的有限元力学分析计算也得以长足发展，并在临床中充分证实了其科学性和实用性[5]。因此本研究拟分析基于有限元分析3D重建技术在髋关节置换术中的应用价值。
1 资料与方法
1.1 一般资料 回顾性分析2019年1月-2021年10月萍乡市人民医院收治的80例行髋关节置换术患者的临床资料，其中2019年1月-2020年6月43例采用全髋关节置换术治疗的患者为对照组，2020年7月-2021年10月37例采用基于有限元分析3D重建技术的髋关节置换术患者为观察组。纳入标准：（1）患者均行髋关节置换术治疗；（2）临床资料完整。排除标准：（1）合并肿瘤；（2）合并脏器严重恶性器质性疾病。本研究经本院伦理委员会审议批准。
1.2 方法 本研究中所有患者均在手术前行骨盆正位X线片扫描检查，采用CT平扫及3D重建行髋关节处理，获取髋关节连续性断层数据后进行存储，使用Mimics 10.0软件数字化三维重建，确定假体型号和大小。观察组在对照组的基础上完成3D重建后行有限元分析，使用Geomagic Studio软件打开数据，并对3D模型进行光滑和优化处理，生成拟合曲面，并通过拟合曲面导出几何模型。模型使用Solid Works打开，后利用软件行曲面诊断，有效识别模型特征并对模型进行修复，建立假体特征/曲面模块模型，并保存文件。使用ANSYS有限元分析软件打开几何模型，依照骨质参数及假体材料赋值，并建立3D有限元模型并进行分析，通过有限元分析对手术方案及假体进行优化，提升假体在不同应力条件下的整体力学特征，并基于应力特点进行定向优化。
本研究中所有患者均在入组后由同一组医师进行手术操作，患者行吸入式全身麻醉方案干预，取侧卧位，固定骨盆，后外侧入路行12～18 cm切口，臀大肌钝性分离，剥离表面脂肪组织，切断大转子止点处，后呈倒T形将关节囊切开，脱位髋关节充分显露，截骨平面标记，截骨后封闭，重建髋关节旋转中心解剖位置，适当松解阔筋膜，保留骨量。髋臼顶上缘使用两枚螺钉固定，安装假体，将试模假体取出，并植入相应型号假体或经有限元分析后优化结构的假体，稳定后填塞松质骨泥，清创并留置引流管。
1.3 观察指标及判定标准 （1）比较两组术中出血量、手术时间、术后健侧和患侧下肢长度差。（2）术后3个月对患者行髋关节X线扫描检查，评估受试者植骨愈合、假体位置等情况，其中植骨处达到融合则判定为植骨愈合，利用X线扫描检查和分析假体位置。（3）比较两组髋关节功能（Harris）评分情况，依照患者Harris评分进行疗效评估，共包括优良中差四级，满分100分，≥85分以上为优，70～84分记为良，60～69分记为中，≤59分以下为差。
1.4 统计学处理 利用SPSS 20.0行统计学分析，计量资料用（x±s）表示，组间比较采用独立样本t检验，组内比较采用配对t检验；计数资料以率（%）表示，比较采用字2检验；等级资料比较采用秩和检验。P<0.05为差异有统计学意义。
2 结果
2.1 勺橐话阕柿媳冉 对照组男19例，女24例；年龄（49.38±7.40）岁；Crowe分型：Ⅰ型5例，Ⅱ型23例，Ⅲ型13例，Ⅳ型2例；患肢较健侧下肢缩短（3.23±1.02）cm，原发性退行性骨关节炎共22例，股骨头缺血性坏死18例，其他3例。观察组男16例，女21例；年龄（50.01±8.08）岁；Crowe分型：Ⅰ型2例，Ⅱ型21例，Ⅲ型13例，Ⅳ型1例，患肢较健侧下肢缩短（3.25±1.13）cm，原发性退行性骨关节炎共15例，股骨头缺血性坏死20例，其他2例。两组一般资料比较，差异均无统计学意义（P>0.05），具有可比性。
2.2 两组手术指标比较 观察组术中出血量少于对照组，手术时间短于对照组，术后健侧和患侧下肢长度差均低于对照组（P<0.05），见表1。
2.3 两组植骨愈合率和假体位置吻合率比较 观察组植骨愈合率和假体位置吻合率均高于对照组（P<0.05），见表2。
2.4 两组Harris评分比较 术前，两组Harris评分比较，差异无统计学意义（P>0.05）。术后，两组Harris评分均高于术前，且观察组高于对照组（P<0.05）。见表3。
nlc202211281223
2.5 两组疗效比较 观察组临床疗效优于对照组（U=12.099，P<0.05），见表4。
3 讨论
一般情况下，在临床应用中髋关节置换术成本较低，且患者术后安全及术后恢复均较为理想[6]。有研究指出，假体无菌松动是导致临床髋关节置换翻修的主要原因，且与患者假体消耗磨损关系密切[7]。因此通过对假体进行必要的术前模拟可有效避免术后出现过度消耗，降低磨损，确定假体最小负荷及最佳受力方向，以有效满足患者需求。分析植入假体的受力情况，需对力的方向和大小进行分析，而常规的术前查找力的特征仍可能导致患者出现特定风险[8]。临床中还需充分考虑多种标准条件，如运动力量、幅度及范围，对特异性目标区进行分析计算[9]。通过力学分析可有效确定手术前最大手术误差，尽可能降低髋关节置换手术风险，由于人体数据庞大采用常规仿真计算需消耗大量的时间，因此可依靠计算机强大的计算能力行有限元计算和仿真[10]。采用3D重建模型的有限元分析可提供医学数据支持，目前在髋骨方面有限元方法并无法有效分析。通过构建基于3D重建的髋关节模型开展有限元分析，可有效分析和比较模型的受力情况和应力分布，设计出符合患者髋关节磨损程度的假体模型，有助于髋关节假体的生物力学功能分析[11]。
通过有限元分析认为，相较于单轴椎弓根钉固定，采用多轴固定可显著降低相邻椎间盘内压力，且随访追踪结果是多轴固定患者相邻节段退行性病变临床发生率也更低[12]。有研究应用有限元应力分析非骨水泥型股骨柄周围应力分布情况发现，其与骨密度呈良好相关性[13-14]。股骨柄假体与骨界面应力则在采用置换术干预后主要集中于下端，且内侧壁应力集中出现，并表现出明显的应力峰值[15-16]。全髋关节置换术是治疗髋关节终末期疾病的主要方法，在手术过程中为有效利用假体获取足够的骨性覆盖，常采用髋臼假体内移方法对患者进行干预，可有效建立髋关节力学平衡[17-18]。
观察组术中出血量少于对照组，手术时间短于对照组，术后健侧和患侧下肢长度差均低于对照组（P<0.05），观察组植骨愈合率和假体位置吻合率均高于对照组（P<0.05）。术后，两组Harris评分均高于术前，且观察组高于对照组（P<0.05）。通过基于有限元分析3D重建技术对髋关节置换术患者进行干预，可有效量化分析应力改变情况，并依照相应数据对假体进行调整，分析模型中多点应力数据及应力离散程度，有效分析骨界面-假体应力分布均匀程度，避免应力过度集中于某一部分导致该部分出现骨机械性结构受损而引起假体松动或移位。此外，通过基于有限元分析3D重建技术的分析，在有效降低局部应力的同时实现有效维持正常骨量的应力刺激，避免出现骨吸收和骨溶解，降低假体松动概率，改善骨界面应力分布，避免假体松动，提高假体-骨界面应力分布均匀程度，降低臼缘与股骨颈撞击风险[19]。
综上所述，基于有限元分析3D重建技术在髋关节置换术应用过程中可有效分析假体-骨界面的应力特征，并利用有限元分析的应力特征对假体进行再优化设计，显著提升髋关节置换术的临床应用质量。
参考文献
[1] ANTO A D，CHO H K.Mean dilatational based finite element formulation for a nearly incompressible nonlinear large deformation analysis[J].J Mech Sci Technol，2022，36（5）：2437-2444.
[2] ZHANG Z Q，SUI D S，QIN H Y，et al.Contact pressure distribution of the hip joint during closed reduction of developmental dysplasia of the hip：a patient-specific finite element analysis[J].BMC Musculoskel Dis，2021，21（1）：600.
[3]刘闯，刘晓晨，李金松.人工全髋关节翻修术治疗髋关节置换术后假体松动1例[J/OL].世界最新医学信息文摘（电子版），2020，20（19）：242，247.
[4] LUO C，WU X D，WAN Y，et al.Femoral stress changes after total hip arthroplasty with the ribbed prosthesis：a finite element analysis[J].Biomed Res Int，2020，6783936.
[5]刘彩银，欧阳文辉，黄俊远.基于有限元分析骨盆前后倾斜对髋关节应力的影响[J].赣南医学院学报，2022，42（1）：12-15.
[6]王远周，付昆，马春辉，等.不同入路人工全髋关节置换术对患者术后恢复的影响[J].局解手术学杂志，2021，30（6）：525-528.
[7] CUN Y，DOU C，TIAN S，et al.Traditional and bionic dynamic hip screw fixation for the treatment of intertrochanteric fracture：a finite element analysis[J].Int Orthop，2020，44（3）：551-559.
[8]李壑，王献抗，孟昱，等.髋关节置换中短柄假体置入位置差别的力学分析[J].中国组织工程研究，2021，25（15）：2394-2399.
[9] XU C，LI M，WANG C，et al.Biomechanical comparison of tenodesis reconstruction for subtalar instability：a finite element analysis[J].BMC Musculoskel Dis，2021，21（1）：669.
[10] HEIDSIECK C，GAJNY L，TRAVERT C，et al.Effect of postural alignment alteration with age on vertebral strength[J].Osteoporosis Int，2022，33（2）：443-451.
[11]胡翰生，王静成，卢志华，等.髋关节三维有限元模型的构建及关节囊修复预后分析[J].南方医科大学学报，2020，40（12）：1826-1830.
[12]马航展.一种新型钉道强化椎弓根螺钉的生物力学有限元分析[J].中国矫形外科杂志，2020，28（19）：2623-2626.
[13]齐稚寒，常兆华，叶萍.骨水泥型股骨柄假体类型对股骨骨质应力遮挡的影响[J].生物医学工程研究，2022，41（2）：178-187.
[14]刘涛，侯兵.BE型股骨柄与BE1型股骨柄在全髋关节置换中的临床疗效对比[J].中国药物与临床，2021，21（6）：986-988.
[15]李永旺，何荣丽，张谦，等.髓腔解剖交锁股骨假体人工全髋关节置换术后骨改建及远期临床疗效[J].中国修复重建外科杂志，2020，34（6）：689-695.
[16]马鹏程，张思平，孙荣鑫，等.单髁置换股骨假体不同放置位置的生物力学效应[J].中国组织工程研究，2022，26（12）：1843-1848.
[17]唐海，曹学帅，孟庆宏，等.全髋关节置换术治疗成人髋关节发育不良[J].临床骨科杂志，2021，24（2）：207-210.
[18]曾羿，杨静，王刚，等.人工全髋关节置换术治疗发育性髋关节发育不良保髋手术后继发重度骨关节炎[J].中国修复重建外科杂志，2021，35（12）：1537-1542.
[19]李元，宋亮，张建国，等.三维有限元分析种植体支持平面型及弹性衬垫型磁性覆盖义齿在正常骨及骨质疏松状态下的应力[J].中国组织工程研究，2022，26（16）：2540-2544.
（收稿日期：2022-07-28） （本文编辑：张明澜）
nlc202211281223
转载注明来源:https://www.xzbu.com/6/view-15442590.htm
