基于三维有限元动态模拟分析健脾活骨方治疗ARCOⅡ期股骨头坏死的生物力学研究

摘要

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ARCOⅡ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ARCOⅡ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ARCOⅡ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。
　　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ARCOⅡ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ARCOⅡ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。

目录

声明

摘要

英文缩略语

文献综述

综述一 “从脾论治”学说治疗非创伤性股骨头坏死的临床与基础研究

参考文献

综述二 三维有限元分析在股骨头坏死中的应用研究

参考文献

前言

参考文献

第一部分 建立可供动态力学模拟分析的股骨头坏死有限元模型

引言

1 资料收集与方案设计

1．1 股骨头坏死患者资料的收集

1．2 研究方案的设计

2 坏死和正常股骨头几何模型的建立

2．1 股骨头坏死模型的建立

2．2 正常股骨头模型的建立

3 坏死和正常股骨头有限元模型的建立

3．1 Ansys软件简介

3．2 应用Ansys软件建立股骨头有限元模型

4 模型应力分析

4．1 等效应力分布情况

4．2 位移值分布

4．3 不同模型下最大应力及位移值

5 讨论

5．1 有限元模型的建立

5．2 受力分析

5．3 本模型的特点及优势

6 小结

参考文献

第二部分 基于三维有限元动态模拟分析健脾活骨方治疗ARCO Ⅱ期股骨头坏死的生物力学研究

引言

1 原始资料收集与分析

1．1 患者资料收集

1．2 治疗方法

1．3 四例患者治疗前后临床资料

1．4 四例患者治疗前后影像学资料分析

2 建立股骨头坏死有限元模型

2．1 四例患者治疗前后原始资料对比

2．2 模拟加载

2．3 主要观察指标

2．4 统计学分析

3 模型应力结果分析

3．1 普通步行下坏死股骨头治疗前后的应力模拟分析

3．2 慢速跑步下治疗前后坏死股骨头的应力模拟分析

3．3 快速跑步下治疗前后坏死股骨头的应力模拟分析

3．4 三种步态下4例患者治疗前后应力分析

4 讨论

4．1 正常股骨的解剖结构与力学特点

4．2 股骨头坏死塌陷的生物力学研究

4．3 针对早中期股骨头坏死的相关生物力学研究

4．4 中医中药治疗股骨头坏死的研究基础

4．5 本研究的特点

5 小结

参考文献

总结与展望

致谢

个人简介