髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良髖臼側(cè)生物力學(xué)分析

趙 宇 王金成 趙 昕 曲 輯

(吉林大學(xué)第二醫(yī)院骨科醫(yī)院，吉林 長春 130041)

髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良髖臼側(cè)生物力學(xué)分析

趙 宇 王金成 趙 昕 曲 輯

(吉林大學(xué)第二醫(yī)院骨科醫(yī)院，吉林 長春 130041)

目的 通過三維有限元要素分析髖關(guān)節(jié)的應(yīng)力情況。方法 通過骶骨上方設(shè)定垂直向下700 N的力量為荷重條件，采用增分法分10步逐漸增加載荷量。通過三維有限元軟件MSC.MARC對CE角、VCA角同為15°、10°、0°的骨盆模型的髖關(guān)節(jié)面的應(yīng)力進(jìn)行計算。結(jié)果 髖關(guān)節(jié)CE與VCA角逐漸減小時，關(guān)節(jié)軟骨的有效負(fù)重面積也減小，在荷重條件相同條件下，軟骨承重部分的接觸壓應(yīng)力逐漸增大。結(jié)論 對于髖臼發(fā)育不良的患者應(yīng)根據(jù)自身情況選擇適當(dāng)?shù)闹委煼绞健?/p>

髖關(guān)節(jié)；中心邊緣角；生物力學(xué)；有限元分析

為了提高先天性發(fā)育性髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良(DDH)患者的生活質(zhì)量，許多臨床醫(yī)師選擇手術(shù)干預(yù)〔1〕。由于治療選擇時機(jī)的不同，對DDH進(jìn)行手術(shù)治療的難易程度也不盡相同〔2，3〕。因此有必要對患者術(shù)前情況進(jìn)行評估，同時進(jìn)行周密的術(shù)前設(shè)計。DDH不僅是髖臼側(cè)方被覆不足，同時也受到髖臼前方被覆的影響〔4〕。因此，對髖臼三維立體結(jié)構(gòu)的評估十分重要，而CT檢查則是判斷髖臼前方被覆程度的有效手段〔5〕。單純的X線檢查僅在二次元上通過CE角和VCA角對髖臼被覆情況進(jìn)行評估〔6，7〕，本次實(shí)驗(yàn)通過三維有限元要素法對髖臼發(fā)育不良髖關(guān)節(jié)的應(yīng)力情況進(jìn)行分析，同時對股骨頭的覆蓋狀態(tài)進(jìn)行研究。

1 材料與方法

采用臨床正常的24歲男性的下肢全長CT建立解析模型，CT的層厚為1.25 mm，通過mimics建立三維模型。正常模型，包括骨盆、骶骨、左側(cè)股骨的上半段。模型區(qū)分皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、軟骨、關(guān)節(jié)唇余。將各個組成部分根據(jù)文獻(xiàn)〔1，2，4，7，8〕賦予相對應(yīng)材料系數(shù)。對于髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良模型的髖臼股骨頭覆蓋狀態(tài)，通過X線平片測定CE角及VCA角后，分別建立CE角、VCA角同為15°(圖1-b)、10°(圖1-c)、0°(圖1-d)的骨盆模型。荷重條件根據(jù)文獻(xiàn)在骶骨上方設(shè)定垂直向下700 N的力量，采用增分法分10步逐漸增加載荷量。邊界條件方面，本試驗(yàn)在坐骨的前后軸向上約束模型，在股骨遠(yuǎn)端完全固定。關(guān)節(jié)面的應(yīng)力計算通過三維有限元軟件MSC.MARC進(jìn)行，設(shè)定髖臼與股骨頭為接觸面，將上面三個模型分別進(jìn)行計算。

a.正常;b.CE角15°,VCA角15°;c.CE角10°,VCA角10°;d.CE角0°,VCA角0°

2 結(jié) 果

髖臼部分的應(yīng)力分布如圖2所示，正常髖關(guān)節(jié)模型上，髖臼前外側(cè)緣到髖臼頂部應(yīng)力分布均勻(圖2-a)。髖臼發(fā)育不良模型與正常髖關(guān)節(jié)比較，mises應(yīng)力值增高，隨著CE角、VCA角度的減少，髖臼與股骨頭接觸界面的應(yīng)力增加。正常模型與CE角及VCA角分別在15(圖2-b)、10(圖2-c)、0(圖2-d)度模型上，髖臼上緣的應(yīng)力值呈峰值，分別為17.3 MPa、18.9 MPa、24.6 MPa、35.8 MPa。髖臼發(fā)育不良模型的應(yīng)力特點(diǎn)：CE角15°模型和CE角、VCA角10°模型，髖臼應(yīng)力集中區(qū)域?yàn)轶y臼前外側(cè)；CE角、VCA角均為0°模型，髖臼應(yīng)力集中部位則以髖臼后方為中心。

a.正常;b.CE角15°,VCA角15°;c.CE角10°,VCA角10°;d.CE角0°,VCA角0°

3 討 論

許多人利用多種方法對髖關(guān)節(jié)進(jìn)行了深入探討，由于條件的限制，我們無法采用無損而方便的技術(shù)進(jìn)行測定。有些人通

過建立數(shù)學(xué)模型分析關(guān)節(jié)受力，利用傳感器、力學(xué)敏感膠片等方法對離體髖關(guān)節(jié)受力進(jìn)行分析，實(shí)踐證明這種方法是可行的〔6，9〕。本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用三維有限元要素法對髖臼發(fā)育不良髖關(guān)節(jié)的應(yīng)力情況進(jìn)行分析。

本研究結(jié)果表明當(dāng)CE與VCA角從正常逐漸減小到0度時，關(guān)節(jié)軟骨的有效負(fù)重面積也減小，在荷重條件相同條件下，軟骨承重部分的接觸壓應(yīng)力增大。當(dāng)CE角、VCA角減小時，髖臼與股骨頭接觸面積逐漸減小，髖臼對于股骨頭的被覆越來越小，髖關(guān)節(jié)股骨頭向外側(cè)位移，當(dāng)股骨頭側(cè)方位移超出關(guān)節(jié)接觸面積的約束范圍時就會發(fā)生脫位〔2〕。當(dāng)髖臼發(fā)育不良時，其可改變了髖關(guān)節(jié)的生物力學(xué)結(jié)構(gòu)，以致關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)張力超過組織適應(yīng)能力，關(guān)節(jié)軟骨變形、萎縮、甚至消失。軟骨下骨內(nèi)有假性囊腫，周圍可見骨質(zhì)增生、骨贅形成，最終發(fā)展成關(guān)節(jié)炎。

先天性發(fā)育性髖臼發(fā)育不良是引起的髖關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎最常見的原因。對于髖臼發(fā)育不良的患者，可根據(jù)CE、VCA角確定髖臼對股骨頭的被覆程度以及患者自身情況，選擇最佳治療方法〔10，11〕。

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3 Chosa E,Tajima N.evaluation of acetabular coverage of the femoral head with anterposterior and false profile radiographs of hip joint〔J〕.J Orthop Sci,1997；2：378-90.

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6 阿 良，吉士俊，范慈方.有限元分析先天性髖關(guān)節(jié)半脫位及髖臼發(fā)育不良的應(yīng)力變化〔J〕.中華小兒外科雜志,2000；21(6):327-30.

7 Shepherd DE,Seedhom BB.The'instantaneous'compressive modulus of human articular cartilage in joints of the lower limb〔J〕.Rheumatology(Oxford),1999；38：124-32.

8 鄔培慧，傅 明.髖臼CE角及關(guān)節(jié)作用力方向的生物力學(xué)研究〔J〕.第三軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報,2011；11(33):42-5.

9 郭 磊.髖臼發(fā)育不良的生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究〔J〕.中國醫(yī)科大學(xué)學(xué)報,2001；30(4):55-6.

10 許 杰.成人髖臼發(fā)育不良伴骨關(guān)節(jié)炎行髖臼結(jié)構(gòu)性植骨重建關(guān)節(jié)置換術(shù)的力學(xué)分析〔J〕.中華關(guān)節(jié)外科雜志(電子版),2014；8(5)：618-23.

11 劉時麟.先天性髖關(guān)節(jié)脫位手術(shù)治療的術(shù)式選擇探究.四川省衛(wèi)生管理干部學(xué)院學(xué)報,1998；17(2)：30-1.

〔2015-03-19修回〕

(編輯 郭 菁)

王金成(1964-)，男，教授，主任醫(yī)師，博士導(dǎo)師，主要從事四肢與關(guān)節(jié)疾病研究。

趙 宇(1981-)，男，在讀碩士，主要從事四肢與關(guān)節(jié)疾病研究。

R68

A

1005-9202(2015)12-3395-02；

10.3969/j.issn.1005-9202.2015.12.099