骨密度和骨折风险评估优化在全髋关节置换假体选择

文摘

患者结果的可变性和全髋关节置换手术并发症倾向(刺)需要一个全面的发展,定量方法对处方的最佳类型的假茎:巩固或cementless。本文提供的研究的目的是描述一个新颖的方法这个问题第一步创建一个特定的,那些将要动手术申请确定最优假肢的过程。有限元分析(FEA)和骨矿物质密度(BMD)的计算进行了十个自愿主要用力推病人术前估计手术股骨的状态。press-fitting过程生成的编译模型定义一个骨折风险指数(星期五)从产生力量periprosthetic股骨头。比较这些值,患者年龄、性别、和性别引起高度的可变性之间患者分组通过植入过程,加强认为年龄和性别孤独贫穷指标处方假体类型。此外,关联星期五和BMD测量表明,至少有两个的十个病人可能得到不理想的植入物。这次调查突显出那些将要动手术的效用模型作为基础软件应用程序来帮助选择刺假肢矫形外科医生。

1。介绍

全髋关节置换(THR)是一种最globally-utilized和成功的整形手术。用力推旨在恢复髋关节功能和减轻病人的疼痛替换受损与人工髋关节。刺假体固定通常由两个分类的一般方法:在使用和不使用丙烯酸骨水泥。在巩固了刺,干细胞与骨水泥固定,但cementless过程依赖于现存的股骨头的拉伸性能的方法确保假体的稳定性。cementless固定的使用是更可取的过程,主要有两个原因:首先,最终所有刺假体失败,需要修正或更换手术,这种现象通常发生十多年后操作。尽管放宽干细胞的典型原因periprosthetic失败,cementless茎mechanotransductively诱导骨生成和执行更好的从长远来看,巩固了假体相比,典型的失败是由于水泥退化(早些时候1- - - - - -4]。其次,当修正手术最终发生时,cementless茎更容易移除并导致更少的手术并发症,主要来自于剩余巩固了骨头被水泥股管的提取(删除5- - - - - -8]。此外,当巩固了干细胞开始表现出放松的迹象,运河内的干细胞迁移导致的骨内膜的表面平和使后续固定非常困难(9]。尽管首选避免胶结,整形外科医生必须经常开巩固了刺患者股骨可能无法承受的拉力press-fitting cementless杆插入;如果periprosthetic骨头不够强大,在外科手术中可能发生股骨骨折,介绍一个非常严重的并发症。

臀部是一个承重关节,不断受到高负载导致关节表面的逐渐退化。随着时间的推移,这种退化(关节)可能会导致功能障碍和疼痛。随着全球在许多人口预期寿命增加,用力推利率大幅增加了在过去的几十年里,预计将继续增长在未来10]。

目前还没有可靠的方法定量选择用力推的巩固和cementless植入程序,尽管periprosthetic骨折的流行和卸载事件在很多刺的病人。在大多数情况下,它仍然是各自的意见决定这个决定的医生参与,意见通常建立在外科医生的经验和定性归纳基于可能的骨质量指标(性别、年龄、和CT图像的定性评估)。一般来说,是一个伟大的需要一个健壮的、定量的方法来安全地个体病人的基础上选择合适的植入。

许多有限元全髋关节置换术的研究专注于股骨骨之间的界限,水泥,阀杆以及骨的重塑过程中由于局部应力的变化组织。本研究的重点是评估的术前状态骨通过引入一种新颖的方法骨折风险指数(星期五)计算和比较这一评估CT-based测量患者骨密度(BMD)。报道模型依赖于计算机断层扫描(CT)图像建立三维模型的股骨和执行局部有限元分析(FEA)。同样,在股骨近端股骨BMD计算作为一个额外的量化评估指标。这种方法提供了一个针对病人的术前骨折的风险,估计这可能是利用一个整形外科医生用力推手术计划的工具。本研究的工作流程可以看到在图1。优化术前计划可以增加整个刺手术的成功和有一个深刻的对病人有益影响流动性和减少经济负担的修订手术在许多医疗保健系统。

2。材料和方法

2.1。病人招聘

十个病人自愿参加这项研究(八个女性和两个男性)。这些病人,五个病人收到cementless植入物,而五收到巩固了植入物。植入物的类型决定根据外科医生的评价,定性基于年龄、性别、和一般身体状况,通常手术前评估。平均年龄的时候操作年所有的病人。平均年龄年男性和年女性,当分组根据植入过程中,平均年龄年cementless和年了。患者全膝关节植入前髋关节植入物,或接受植入本研究期间被排除在研究之外。

2.2。CT采集

所有的参与者在项目与64年飞利浦华晨螺旋ct机扫描。扫描发生在三个时间点:立即手术前和手术后24小时和52周。本研究的目的,只有术前和术后24小时的数据。扫描区域扩展从髂骨股骨(图的中间2)。协议包括切片厚度1毫米,形象片的增量为0.5毫米,管强度设置为120 keV。

在这项研究之前,CT扫描仪校准使用一个类星体幻影收购胡锦涛和骨密度之间的关系,导致的关系 线性回归分析校准导致相关系数。

2.3。细分和有限元建模

为了组装每个病人股骨的三维模型进行有限元分析,每个病人的术前CT扫描是导入到模拟软件(出现、比利时)股轮廓进行了细分。一个坚实的3 d模型计算了基于这些轮廓。接下来,股骨头几乎是削减,类似于一个典型的THR手术,使用布尔操作符在3 d模型。此外,虚拟执行远端切正交于股骨长轴。最终的模型中可以看到图2。

使用模拟的有限元模块,称为3-Matic,模型分为quadnode四面体元素。每个模型由130000年到170000年这些元素,与整体元素的密度每毫米大约两个元素³。杨氏模量和泊松比被分配给每个元素。五十个不同的杨氏模量的值分配给每个模型的元素,而泊松比被认为是恒定的值为0.33。此外,这些元素被认为是各向同性。上述校准方程被用来把胡锦涛BMD和(2)是用于转换BMD杨氏模量(11]: 在哪里从获得的骨矿物质密度(1)。这个公式是用来代表骨小梁和皮质。在图3,各自的股骨有限元模型可以看到,下面的材料属性。

2.4。骨折风险指数计算

为了计算每个股骨的星期五,每个有限元分析模型,完成必要的材料特性,导入到Ansys机械APDL v.14.0 (©Ansys, Inc .)。在那里,一个静态结构模型进行了模拟和分析。这个模拟的目的是模拟介绍的部队在press-fitting股骨手术cementless刺。在这个过程中,当阀杆推入髓运河,最高的拉应力可以预计将出现在内侧和外侧股骨periprosthetic结束。这是由于这样的事实:干细胞是最大的耀斑。因此,作为边界条件,两个大小相等方向相反但在这些领域应用。酒井等人的研究中未胶结的假肢的平均测量锤击力估计9.25 kN [12]。自从部队在巩固了假肢低很多,我们的模型利用这个力值作为一个算不上辨别任何十个病人能否经受住了cementless方法(图4)。

确定每个模型的星期五,每个元素的应力值相比,其极限抗拉强度计算(ut)。计算极限抗拉强度的关系由Bessho et al。((3)和(4))(13]: 计算出的平均压力所经历的每个元素是平均每个节点处的应力值。骨折风险计算是基于术前扫描,模拟所有的病人未胶结的固定(press-fitting过程)独立于外科医生决定移植类型。骨折风险指数计算为每个元素使用[14]

2.5。骨矿物质密度计算

BMD的模型创建的模仿,从periprosthetic股骨,没有股骨头,大转子,一个远端轴向穿过小转子(图5)。这项研究集中在皮质骨的结构方面,由于松质骨的结构完整性受损后操作。图中的水平线5展示了削减上方和下方感兴趣的领域。从这个区域,胡锦涛值提取和转换为BMD使用(1)。

3所示。结果

首先,星期五计算十患者,应用未胶结的所有科目的加载条件独立的外科医生的决定。从队列五个病人收到了植入和五个未胶结的植入。最高压力的模型通常是经验丰富的在熔炉股骨内侧股骨外侧在类似的位置。

在图6•冯•米塞斯应力在每个模型绘制与BMD的每个元素。black-crossed线代表了极限应力的函数BMD,所(3)。应该计算应力值超过ut,然后元素可以被认为是断裂的,可以视为一个图中深色。

图6描述了所有元素的位置无关•冯•米塞斯应力与各自的BMD值。为了更好地可视化骨折风险最高的是有经验的,这些元素也绘制3 d。一个典型的结果从3 d绘制骨折风险指数图中可以看到7。红色元素是那些超过骨折阈值。

在表1,平均计算出十个病人骨折风险与cementless与巩固了刺和五(5),以及这些元素的比例超过80%的极限应力值。

对于五cementless患者,平均年龄年,断裂的元素的平均百分比%,平均骨密度克/厘米²。五个巩固了病人的平均年龄年,断裂的元素的平均百分比%,平均骨密度克/厘米²。这些值与患者年龄和性别可以看到在图8。

4所示。讨论和结论

最重要的标准在选择植入物的类型对患者进行刺是骨质量。如果骨质量好,cementless植入方法通常导致病人并发症更少,更延迟修正手术,而巩固了刺。因为骨质量往往会随着年龄的增长和下降通常是女性比男性低,年轻和/或男性患者通常接收cementless植入,而年长的和/或女性患者得到巩固的。尽管年龄和性别有些股骨骨质量的可靠指标,个体差异巨大。报告结果突出这些差异的重要性,并建议开发一个小说,定量方法评估患者的股头刺手术前(15,16]。

4.1。骨矿物质密度作为一个潜在的刺的计算工具

认为病人骨质量的变化作为年龄和性别的函数从显示的BMD测量尤其明显,一些患者接受了假肢尽管相对高于患者BMD cementless类型。这个决定显然是主要根据病人的年龄、巩固了病人的平均年龄是远远高于那些cementless患者(相比、职责)。事实上,最高的患者BMD测量不仅是女性而且第二古老的评估人口中。这最有可能接受了植入她的理由,尽管我们的模型表明,她当然会经受住了一个press-fitting periprosthetic骨折的风险低。此外,我们的研究结果表明,BMD测量可能反向关联,在某种程度上,与断裂的元素的百分比计算的有限元模拟。这是显而易见的,因为高BMD值显示更好的骨质量,从而减少了每个元素的机会超过其骨折阈值。然而,以确定这种关系确实是真实的,更多的病人需要在一个更大的研究评估。一般来说,使用BMD作为这次调查的指标作为重要的第一步发展中定量方法计算目前骨质量的手术,这可能作为整形外科医生来预测未来的工具的能力为患者的股骨柄的压力在press-fitting cementless刺假肢。

4.2。用力推的骨折风险作为一个潜在的计算工具

另外10个科目的星期五计算显示高程度的病人根据他们的性别和年龄之间的差异。最重要的是,我们的模型表明,两个五cementless患者骨折风险高于所有的五个巩固了病人,尽管它们被以下的四个病人了。另外重要的是要注意,46岁的女性,cementless病人经历了periprosthetic股骨骨折手术后,与风险相当高的断裂和低BMD从我们的计算模型(数据8(一个)和8 (b)、职责)。然而,一个更大的人口规模的评估报告,它可能是合理的预期,大多数年轻的病人,通常收到cementless植入物,会降低骨折风险和更高的比老年患者BMD。然而,报告结果显示,病人年龄不一定是足够的骨折风险或骨质量指标;因此,实现计算技术,介绍了可能会作为一个更好的骨科术前工具来决定最优刺过程。

4.3。局限性和未来的发展方向

正如前面提到的,本研究的目的是调查是否一种新型有限元分析模拟press-fitting可能产生一个有用的工具来评估患者骨折风险指标,结合CT-based BMD测量。我们的结果确实强调这种方法的潜力而且建议患者年龄和性别的不足决定periprosthetic骨折的风险。然而,一个更大的病人人口是必要的严格的统计依赖星期五在测量基础代谢率和定义与额外的限制,真正的病人periprosthetic骨折病例。此外,还有一些限制的有限元分析和计算星期五报道。最伟大的是模拟进行了稳态和不考虑应用加载时间或假体设计和表面光洁度。真正的力量引起外科锤在手术是简便和点状的部队或力量作用于骨在很短的时间内。这可以煽动的解理的发展periprosthetic地区的股骨,导致骨折在更极端的情况下。

整体而言,本研究提出了一种新颖的方法来预测仿真和计算弹道导弹防御和星期五在插入cementless刺假肢。新奇的大部分工作在于骨质量当时看见的手术而不是长手术后,将平均骨密度和骨折风险指数periprosthetic地区的股骨。实时手术评估可以作为开发软件应用程序的基础,整形外科医生可能用来辨别假肢装配过程的最优个体的基础上为每个病人。这种工具可以产生深远的影响用力推手术规划和未来手术规划软件作为一个模型。然而,病人数据库的发展,这些工具可能操作需要更多的病人数据比收购为目的的报道工作。此外,一个更健壮的模型将包括干细胞的变化设计,如材料粗糙度,圆锥形,横截面积和涂层厚度。将材料数据可以提供更多细节关于纯粹的力量应用于骨假体摩擦的结果,除了这里提供径向力。然而,我们的研究结果强调的可行性方法,可以利用为基础开发临床数据库关联BMD和星期五用力推病人的结果。作为整形外科医生最终的软件应用程序,我们的组合方法CT-based BMD测量基于有限元分析的股骨骨折风险评估技术,可以作为一个关键的工具在全髋关节置换术前的决策过程。优化术前计划可以增加整个刺手术的成功和有一个深刻的对病人有益影响流动性和整体手术结果,可以显著帮助减轻经济负担从修订手术在世界各地的医疗系统。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作已经由基金支持国立大学医院的冰岛。这项工作是由冰岛研究基金“Rannis”和Landspitali大学医院的研究基金。

引用

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