研究背景：股骨头缺血性坏死是指不同原因导致股骨头血供破坏或骨细胞变性导致骨的有活力成分死亡的病理过程。依据发病原因包括创伤性非创伤性两种，但其病理过程和自我修复的过程都是相似的，都是导致股骨头的松质骨和软骨下骨出现坏死，纤维性修复后其力学强度逐步下降。在早期并不出现明显的骨结构和力学性能的改变，但在股骨头负重情况下，由于修复坏死区域的力学性能差，不能承重和传递应力，导致股骨头塌陷。如果不及时进行有效治疗，80%的股骨头坏死患者会在1~3年内发生股骨头塌陷，严重者不得不接受关节置换手术治疗。对于中青年股骨头缺血性坏死的病人应用人工关节置换术并发症发生率高，远期效果不理想。对于股骨头缺血性坏死的患者，采用保留股骨头的治疗方法，预防或延缓股骨头的塌陷，可以使患者免除或者延缓人工关节置换术。保留股骨头的外科手术治疗术式较多。早期降低股骨头内的压力，改善股骨头的血运，利用股骨头的自我修复能力修复坏死区。研究认为坏死区域的力学性能的下降是导致继发出现股骨头塌陷的主要原因，因而设想通过骨移植对股骨头软骨下进行力学支撑，来预防或延缓塌陷的发生。但是单纯的骨移植术由于移植物的力学性能不足以即刻支撑股骨头负重，带血管蒂骨瓣转移术的术式需要较高的显微外科技术，且供区致病率高。多孔钽棒植入术对于坏死范围广泛和多发病变，以及合并慢性疾患需长期应用激素治疗的患者，其治疗效果不佳。总之，现有的各种保留股骨头的外科手术方法，对防治股骨头坏死塌陷都存在不同程度的不足之处。骨水泥或者骨替代材料填充骨坏死的缺损部位是股骨头缺血性坏死的一种治疗方法，其基本操作是清除股骨头坏死区坏死组织并填充骨水泥成分或者其他替代材料，使塌陷的软骨面复位，重建股骨头的球形轮廓，并且增加股骨头坏死区域的强度，避免再次出现塌陷。目前对其具体的机制尚不清楚。椎体后凸成型技术经皮穿刺后，利用球囊扩张后对压缩的椎体复位并在椎体内形成空隙，在低压下缓慢注入骨水泥。后凸成型技术具有微创、改善疼痛症状好，安全，便于操作等优点，被广泛接受和应用。应用后凸成型技术的微创操作技术，经皮穿刺，将球囊通过穿刺的工作管道植入股骨头的坏死区域，行球囊扩张后，恢复股骨头塌陷的外形，并在局部造成空隙，可以在低压状态下注入骨水泥或者相应替代物填充空隙，对股骨头软骨下骨进行有效支撑，可能会通过增加股骨头坏死区域的力学强度，改善股骨头的力学性能，避免或者延迟出现股骨头塌陷的时间。目的：建立球囊扩张骨水泥填充和股骨头缺血性坏死的三维有限元分析模型，采用有限元分析方法模拟加载，分析股骨头股骨头不同部位应力分布情况，并进行标本生物力学测试进行验证，探讨球囊扩张骨水泥填充对缺血性坏死股骨头的生物力学影响。方法：1.建立球囊扩张骨水泥填充和股骨头缺血性坏死的三维有限元分析模型。采用新鲜人股骨头坏死标本，在C形臂下模拟穿刺、球囊扩张手术过程，穿刺进入股骨头坏死区域后，球囊扩张并注入骨水泥。采用双源螺旋CT薄层扫描，采集扫描的图像，利用计算机软件辅助建立球囊扩张骨水泥填充和股骨头缺血坏死区的三维有限元模型。2.通过三维有限元模型对比分析在模拟生理负荷下，模拟加载及求解，采用模拟平地步行单髋的峰值受力情况。对股骨头缺血坏死模型、球囊扩张骨水泥成型模型进行有限元分析。测定股骨头顶端、股骨头负重区和股骨颈的Von-Mises应力值，对比骨水泥填充前后应力的变化和分布情况。3.采用生物力学测试仪器分别记录在载荷为100N，200N，300N，400N，500N，600N和700N情况下，股骨头标本的位移情况，采用自身对照研究，对不同载荷下的两组（坏死模型和骨水泥模型）的位移对比验。分析股骨头刚度的变化，并对有限分析的结果进行验证。检验方法对有限元分析模型的所采集的股骨头不同区域的应力结果采用非参数分析的秩和检验，对生物力学测试的股骨头刚度的结果采用配对T检验，统计软件采用SPSS17.0进行数据分析，采用p＜0.05为两组有统计学差异，p＜0.01为显著统计学差异。结果：1.在骨水泥填充于股骨头的坏死区域后，股骨头的负重区表面的应力水平有明显下降。负重区的应力显著下降，改变了股骨头的力学结构，有利于周围骨组织的修复，从而降低了进一步出现股骨头塌陷的几率，这为骨水泥填充的术式提供了理论支持。2.在填充骨水泥后，骨水泥成分由于其刚度高于周围的松质骨，骨应力向骨水泥的填充部位增加，证实骨水泥能够有效承担载荷，骨水泥的作用是股骨头支撑力得到加强的原因。3.股骨头内填充骨水泥后，发现骨水泥填充后的股骨头最大位移的范围较坏死范围增大，表明有效载荷面积增大，单位面积内应力下降，也可能是骨水泥填充后负重区域应力下降的原因。4.水泥模型的标准差股骨颈周围应力的标准差明显小于坏死模型，提示其应力离散程度明显较坏死模型低，表明水泥模型其应力分布更加均匀。按照4分区对比不同股骨颈区域骨水泥模型和坏死模型的应力变化，发现股骨颈内侧承担了更多的压应力，外侧承担的应力水平有下降。因此，骨水泥填充后，股骨颈周围的应力分布更加均匀，降低了出现股骨颈应力集中。5.对股骨头标本进行载荷-位移下力学测定，结果骨水泥填充组和坏死模型的载荷-移位变化均呈现类似线性的改变。比较标本生物力学测试和有限元模型分析的研究结果发现，两种研究方法均能够呈现出坏死模型和骨水泥模型在不同应力下的线性改变趋势相近，同等条件的应力条件下，骨水泥模型其发生的应变位移小于坏死模型。这一方面表明填充骨水泥后，坏死的股骨头的刚度增加，对抗变形的能力增强；另外一方面也验证了有限元模型能够较好的模拟标本生物力学实验。结论：1.经皮球囊扩张骨水泥填充股骨头坏死区域，骨水泥能够有效承载负荷，减轻负重区的承载负荷，股骨头应力分散改善股骨头的承载能力，对股骨头进行有效的支持以预防塌陷进展；2.经皮球囊扩张骨水泥填充股骨头坏死区域，股骨颈周围应力分布均匀，理论上降低出现股骨颈骨折并发症的几率；3.经皮球囊扩张骨水泥填充股骨头坏死区域可以增加股骨头的刚度，增加对载荷的变形能力。4.有限元分析模型能够有效模拟经皮球囊扩张骨水泥填充股骨头坏死区域的生物力学变化。总之，经皮球囊扩张骨水泥填充股骨头坏死区域，改变了股骨头、颈在承重是的生物力学机制，增强了股骨头的支撑能力，能够有效抵抗股骨头塌陷，避免股骨头塌陷进一步进展。