三足負(fù)重犬股骨頭壞死動(dòng)物模型的相關(guān)研究.pdf

1、股骨頭壞死致殘率高且治療困難，是骨科的一大頑癥，被譽(yù)為“不死的骨癌”。其致殘的主要原因是晚期出現(xiàn)股骨頭軟骨面的塌陷，最終須行人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)來恢復(fù)關(guān)節(jié)功能。對(duì)于青年型患者，常選用保留自身股骨頭的治療方法。保頭治療的終極目標(biāo)是重建壞死股骨頭的血運(yùn)、防止股骨頭軟骨面的進(jìn)一步塌陷，盡量延緩或避免人工髖關(guān)節(jié)置換。然而，現(xiàn)有的各種保頭治療方法，療效均不確實(shí)，臨床爭(zhēng)議較大。各種預(yù)防塌陷的新療法的發(fā)展和對(duì)現(xiàn)有不同修復(fù)方法進(jìn)行客觀地評(píng)價(jià)需要一個(gè)能模仿人

2、類股骨頭塌陷進(jìn)程的壞死動(dòng)物模型。但至今仍缺乏一個(gè)能夠完全模仿臨床股骨頭壞死全過程的，能逐步進(jìn)展至關(guān)節(jié)面塌陷的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型。吻合血管的游離腓骨移植術(shù)是目前較為公認(rèn)的、最有效的保頭治療方法，其不僅能重建缺血股骨頭的血運(yùn)，還能有效地支撐起軟骨下骨，防止股骨頭的塌陷。然而，在臨床中，每個(gè)患者的壞死部位及大小均存在差異，如何針對(duì)患者的個(gè)體情況，制定腓骨植入的適宜位置？手術(shù)中將腓骨植入在哪個(gè)部位能最有效地重建股骨頭局部的生物力學(xué)環(huán)境？是進(jìn)一步提高臨

3、床療效的關(guān)鍵。針對(duì)以上問題，本研究創(chuàng)新性地應(yīng)用三足負(fù)重犬，強(qiáng)制其雙后肢負(fù)重，在此基礎(chǔ)上建立一個(gè)能逐步進(jìn)展至股骨頭塌陷的壞死動(dòng)物模型，并通過三維力學(xué)有限元分析的方法，從力學(xué)角度上對(duì)游離腓骨植入的適宜位置進(jìn)行了分析。 第一部分三足負(fù)重犬動(dòng)物模型的建立及其有效性評(píng)價(jià) 目的:建立能模仿人類髖關(guān)節(jié)應(yīng)力的三足負(fù)重犬動(dòng)物模型，觀察其雙后肢的動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化。 材料和方法:選用10只Beagle犬，一側(cè)腕關(guān)節(jié)屈曲90度位固定，建立

4、三足負(fù)重犬模型。于固定前后行三維步態(tài)分析，比較雙后肢的動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化。 結(jié)果:犬固定一側(cè)前肢后，可三足行走，雙后肢持續(xù)負(fù)重，步態(tài)發(fā)生明顯變化。雙后肢的垂直地面反力，同側(cè)后肢的峰值加速力明顯增加；雙后肢的峰值減速力明顯減小。 結(jié)論:三足負(fù)重犬可作為一個(gè)負(fù)重動(dòng)物模型用來研究生物力學(xué)因素在髖關(guān)節(jié)相關(guān)疾病中的作用。 第二部分三足負(fù)重酒精滅活性犬股骨頭壞死模型的建立及其相關(guān)評(píng)價(jià) 目的:建立能夠逐步進(jìn)展至關(guān)節(jié)面塌陷的

5、股骨頭壞死動(dòng)物模型，對(duì)其進(jìn)行影像學(xué)、組織學(xué)、圖像分析、Micro-CT三維骨計(jì)量學(xué)及生物力學(xué)評(píng)價(jià)。 方法:取雜種犬52只，分為三足犬組和四肢犬組。三足犬組克氏針固定一側(cè)腕關(guān)節(jié)，強(qiáng)制其三足負(fù)重。經(jīng)股外側(cè)切口，在C臂機(jī)監(jiān)控下，自股骨大轉(zhuǎn)子處鉆孔至股骨頭內(nèi)負(fù)重面下。在實(shí)驗(yàn)側(cè)，經(jīng)導(dǎo)管注入5ml無水酒精；在對(duì)照側(cè)注入等量的生理鹽水。分別于1、3、6、12周或動(dòng)物出現(xiàn)明顯跛行時(shí)處死動(dòng)物。取雙側(cè)股骨頭行影像學(xué)、大體及組織學(xué)觀察、圖像分析、Mi

6、cro-CT三維骨計(jì)量學(xué)及生物力學(xué)評(píng)價(jià)。 結(jié)果:酒精致壞死后12周時(shí)，四足犬活動(dòng)未見異常；9只三足犬中有3只出現(xiàn)跛行。致壞死后第6周時(shí)，大體上可觀察到明顯的壞死區(qū)，中央液化，結(jié)構(gòu)破壞；12周時(shí)，壞死區(qū)被纖維組織替代，局部可見新骨形成；出現(xiàn)跛行的3只動(dòng)物中，可見負(fù)重區(qū)軟骨面的皺褶伴部分軟骨面缺損。酒精致壞死后6周，X線上可見股骨頭內(nèi)密度不均；12周時(shí)，負(fù)重區(qū)下出現(xiàn)局部骨密度減低區(qū)。組織學(xué)檢測(cè)在酒精致壞死后3周可見明顯骨壞死；6周左

7、右骨壞死和修復(fù)反應(yīng)并存，三足犬的壞死區(qū)向軟骨下骨區(qū)進(jìn)展；12周左右出現(xiàn)軟骨面的皺褶和缺損。Micro-CT骨計(jì)量學(xué)顯示，隨壞死的進(jìn)展，骨小梁的礦物質(zhì)含量明顯降低，骨小梁三維構(gòu)型也發(fā)生明顯變化。骨小梁面積和骨小梁厚度逐漸下降、骨小梁數(shù)目也逐漸減少、骨小梁分離度逐漸增大。以上變化在酒精致壞死后3周開始顯現(xiàn)，6周時(shí)最為明顯。生物力學(xué)檢測(cè)顯示酒精致壞死后整個(gè)股骨頭及其內(nèi)松質(zhì)骨的生物力學(xué)性能逐漸下降，在第6周時(shí)下降最為明顯。 結(jié)論:三足負(fù)

8、重酒精滅活性犬股骨頭壞死模型是一個(gè)可靠的股骨頭壞死動(dòng)物模型。其能夠模擬人股骨頭壞死早期至晚期的病理改變，并能逐步進(jìn)展至軟骨面塌陷。此動(dòng)物模型適合對(duì)各種保頭療法尤其是吻合血管的骨移植術(shù)進(jìn)行療效評(píng)價(jià)和比較研究，對(duì)新療法的研發(fā)提供了可靠的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。 第三部分正常及股骨頭壞死犬股骨近端三維有限元模型的建立及相關(guān)力學(xué)分析 目的:建立犬股骨近端三維力學(xué)有限元模型，明確其應(yīng)力分布特征；模擬不同部位及體積的壞死灶，明確最佳致壞死部位及壞

9、死體積；模擬不同位置及深度的游離腓骨植入，明確最佳的游離腓骨植入方案。 材料和方法:取雜種犬1只，將通過CT掃描獲取的圖像經(jīng)有限元建模的方法在ANSYS軟件中建立正常犬股骨近端的三維力學(xué)有限元模型；在此基礎(chǔ)上建立具有不同大小、方向和深度的股骨頭壞死有限元模型，比較正常犬及壞死犬股骨頭的內(nèi)部應(yīng)力及壓力/強(qiáng)度比的變化；模擬不同方向和深度的腓骨植入，分析比較不同空間位置的腓骨移植后對(duì)壞死股骨頭內(nèi)部應(yīng)力的重建作用。 結(jié)果:經(jīng)實(shí)體

10、和有限元建模后，得到正常犬股骨近端、不同空間位置壞死區(qū)和腓骨植入的三維力學(xué)有限元模型。通過此方法建立的犬股骨近端有限元模型具有逼真的解剖學(xué)外形；正常犬股骨近端模型具有19995個(gè)單元、27496個(gè)節(jié)點(diǎn)。正常犬股骨頭內(nèi)部的應(yīng)力大小從0.27致4.02MPa不等，主要按承重骨小梁的軌跡，沿股骨頭后內(nèi)側(cè)經(jīng)小轉(zhuǎn)子向下傳導(dǎo)；內(nèi)部的應(yīng)力/強(qiáng)度比分布范圍在0.013至0.196之間；最大應(yīng)力/強(qiáng)度比主要出現(xiàn)在股骨頭負(fù)重區(qū)下松質(zhì)骨部位。當(dāng)股骨頭內(nèi)出現(xiàn)壞

11、死區(qū)后，整個(gè)股骨頭內(nèi)部的最大應(yīng)力和應(yīng)力/強(qiáng)度比出現(xiàn)重新分布；不同大小、深度和方向的壞死灶內(nèi)的應(yīng)力均有不同程度的增加；最大應(yīng)力值均出現(xiàn)在壞死區(qū)內(nèi)，相對(duì)固定于壞死區(qū)臨近壓力軸線的部位；大體積壞死灶的應(yīng)力水平均高于小體積的壞死灶；越接近關(guān)節(jié)軟骨面的壞死灶，其內(nèi)部的應(yīng)力水平越高；最容易出現(xiàn)塌陷的部位位于負(fù)重區(qū)偏后的位置。模擬游離腓骨植入后，在處于壓力軸線偏后的壞死區(qū)，最佳的腓骨植入位置應(yīng)位于壞死區(qū)的偏外側(cè)且與正常松質(zhì)骨相鄰；當(dāng)腓骨植入于壞死區(qū)中