三維有限元模型在發(fā)育性髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良并發(fā)股骨頭壞死中的應(yīng)用

宋志剛

遼寧省撫順市中醫(yī)院放射科，遼寧撫順 113000

發(fā)育性髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良（developmental dysplasia of the hip，DDH）是骨科常見的發(fā)育性疾病，在病情進(jìn)展過程中，其主要病變部位在髖臼、股骨近端及關(guān)節(jié)囊等結(jié)構(gòu)，會(huì)導(dǎo)致髖關(guān)節(jié)半脫位、完全脫位等功能障礙[1]，臨床需要進(jìn)行Pavlik 連衣挽具、閉合或切開復(fù)位術(shù)、骨盆截骨術(shù)等，目的是獲得髖關(guān)節(jié)正常形態(tài)，為髖關(guān)節(jié)發(fā)育營(yíng)造良好環(huán)境，避免股骨頭缺血性壞死[2]。該病中晚期階段會(huì)發(fā)生股骨頭變形、塌陷、關(guān)節(jié)損壞等，治療難度大。如果在病變?cè)缙诩皶r(shí)發(fā)現(xiàn)，對(duì)癥治療，能夠促進(jìn)股骨頭缺血受損的部位改善血運(yùn)循環(huán)和再生，防止股骨頭發(fā)生塌陷，保障關(guān)節(jié)功能。故早期診斷和治療對(duì)患者的預(yù)后具有重要意義[3]。隨著醫(yī)學(xué)設(shè)備技術(shù)的不斷發(fā)展，利用影像學(xué)數(shù)據(jù)結(jié)合三維有限元力學(xué)，建造模型，可為DDH 的病情預(yù)測(cè)和干預(yù)治療提供科學(xué)方案。

1 髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良并發(fā)股骨頭壞死的發(fā)生機(jī)制

研究認(rèn)為髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良的患兒需接受DDH 閉合復(fù)位及髖臼周圍截骨術(shù)，術(shù)后旋股內(nèi)動(dòng)脈有可能受到髂腰肌、內(nèi)收肌的壓迫，發(fā)生供血障礙，導(dǎo)致脂質(zhì)代謝異常、骨細(xì)胞凋亡、內(nèi)皮細(xì)胞損傷，加上術(shù)后骨量減少，關(guān)節(jié)壓力增大[4]，使軟骨內(nèi)血管受壓發(fā)生阻塞，發(fā)生股骨頭壞死[5]；另外矯正時(shí)過度外展固定用石膏和支架會(huì)壓迫髖關(guān)節(jié)組織，也會(huì)造成股骨頭壞死。

2 髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良的影像學(xué)檢查

目前診斷DDH 的主要方法有超聲檢查、X 線檢查、CT 檢查、MRI 檢查。超聲檢查快捷、有效，對(duì)于6 月齡內(nèi)的嬰兒，其股骨頭骨化中心尚未形成，超聲檢查可以提供準(zhǔn)確的髖臼與股骨頭的對(duì)位數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)高?；純后y關(guān)節(jié)發(fā)育；也可對(duì)患兒治療后效果和后續(xù)發(fā)育情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和療效評(píng)價(jià)，為制訂和調(diào)整治療方案提供科學(xué)的參考依據(jù)，對(duì)預(yù)后具有重要價(jià)值。X 線檢查針對(duì)于4～6 月齡嬰兒，其股骨頭骨化中心已形成，骨盆正位攝片可以呈現(xiàn)骨化中心與髖臼的對(duì)位關(guān)系，對(duì)患兒的髖關(guān)節(jié)發(fā)育情況評(píng)估提供依據(jù)，但X 線檢查有放射性，需要患兒配合，3 月齡內(nèi)嬰兒不宜應(yīng)用。CT 檢查具有三維重建功能，診斷價(jià)值高，其橫斷掃描可能觀察患兒髖關(guān)節(jié)復(fù)位情況，但CT 檢查同樣具有放射性損害，不建議低月齡嬰兒應(yīng)用。MRI 檢查用時(shí)長(zhǎng)，患兒需要鎮(zhèn)靜，不存在電離輻射，且對(duì)軟組織識(shí)別度高，主要用于閉合復(fù)位或切開復(fù)位后的治療效果觀察及評(píng)價(jià)。

3 DDH 并發(fā)股骨頭壞死的影像學(xué)表現(xiàn)

3.1 X 線及CT 影像學(xué)檢查

CT 和X 線檢查均能提供股骨頭壞死患者在不同分期的病情變化及進(jìn)展程度，但是在該病早期，應(yīng)用X 線檢查，其分辨率較低，敏感度不高，不能良好地反映早期癥狀，有可能出現(xiàn)漏診情況，適用于常規(guī)檢查和隨訪。CT 影像診斷對(duì)于股骨頭壞死早期病變的篩出率較X 線略有提高，能較清晰地反映出股骨頭的結(jié)構(gòu)以及周邊組織的變化情況，在股骨頭早期病變中，CT 檢查就可以顯示出骨小梁缺失、局部囊性變、骨質(zhì)硬化、髖臼退行性改變等病變[6]，但早期CT 影像中顯示片狀低密度像，影像學(xué)呈現(xiàn)為部分骨小梁消失或吸收，而此時(shí)骨小梁缺失較少，在關(guān)節(jié)間隙表現(xiàn)上并無顯著變化[7]；且股骨頭壞死早期，其骨髓細(xì)胞缺血雖然導(dǎo)致壞死組織細(xì)胞水腫，但結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變，故CT成像無異常，檢出率低，不利于診斷。隨著疾病的進(jìn)展，CT 影像會(huì)顯示出股骨頭的邊界模糊、內(nèi)部囊狀病變，此時(shí)關(guān)節(jié)內(nèi)部結(jié)構(gòu)清晰，以高密度硬化為主要表現(xiàn)，顯示出股骨頭塌陷、變形，伴有關(guān)節(jié)間隙寬窄[8]；到晚期時(shí)，CT 影像顯示股骨頭內(nèi)可見囊狀透光區(qū)模糊，股骨頭軟面消失、斷裂，變形，此時(shí)髖關(guān)節(jié)消失或變窄[9]。CT 成像是斷層掃描，對(duì)骨骼結(jié)構(gòu)變化敏感，可為股骨頭壞死后期關(guān)節(jié)塌陷提供依據(jù)[10]。在輪廓診斷方面，CT 對(duì)囊性病變特異性高，可清晰呈現(xiàn)囊變周圍的硬化環(huán)與囊變情況[11]。故CT 在股骨頭壞死早期診斷率低，中晚期其診斷率會(huì)逐漸提高，可用于評(píng)估患者股骨頭壞死的病情發(fā)展趨勢(shì)[12]。

3.2 MRI 檢查

MRI 檢查可對(duì)股骨頭的任意斷面掃描成像，對(duì)脂肪和水分的細(xì)微變化很敏感，能夠反映股骨內(nèi)部脂肪細(xì)胞信號(hào)強(qiáng)度，分析股骨頭壞死早期的線片及片狀水腫[13]，可表現(xiàn)為“雙線征”，以此劃分股骨頭組織正常供血與缺血性改變，同時(shí)監(jiān)測(cè)T1WI 線樣低信號(hào)區(qū)中T2WI 的局限性信號(hào)升高程度，以此評(píng)估股骨頭早期缺血壞死的特異性較高[14]。MRI 的優(yōu)勢(shì)在于多方向成像、對(duì)比度高、分辨率高、可進(jìn)行軟組織成像，能更好地反映病理組織形態(tài)、關(guān)節(jié)積液情況，提高診斷價(jià)值。

3.3 常規(guī)增強(qiáng)MRI 檢查

股骨頭壞死診斷可分為4 期[15]。0 期：無臨床表現(xiàn)，MRI 檢查為陰性，但股骨已存在缺血性改變，可見骨骺血管及骨骺。1 期：骨骺血管或者骨骺可見雙側(cè)不對(duì)稱性強(qiáng)化，強(qiáng)度信號(hào)低于對(duì)側(cè)，可見斑點(diǎn)狀信號(hào)。2 期：關(guān)節(jié)間隙正常，股骨頭未發(fā)生變形，但可見硬化及局部囊變，呈星月形信號(hào)。3 期：股骨頭開始發(fā)生不同程度的變形，可見塌陷和骨皮質(zhì)斷裂，形成新月體。國外研究結(jié)果顯示[16]，DDH 患者閉合復(fù)位術(shù)后，行常規(guī)增強(qiáng)MRI 檢查，股骨頭骨骺強(qiáng)化程度的敏感度的陽性及陰性預(yù)測(cè)值分別為87.5%和88.3%；而骨骺強(qiáng)化程度的特異度的陽性及陰性預(yù)測(cè)值分別為78.0% 和94.0%。其結(jié)果提示，以80.0%作為股骨頭骨骺強(qiáng)化程度的監(jiān)測(cè)臨界值，用來判斷髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良患者在進(jìn)行閉合復(fù)位術(shù)后，發(fā)生股骨頭壞死的風(fēng)險(xiǎn)程度。只有盡早明確股骨頭壞死分期指數(shù)，制訂合理治療措施，才能挽救股骨頭功能，避免患者終生殘疾[17]。

3.4 動(dòng)態(tài)增強(qiáng)MRI

國內(nèi)研究者采用半定量灌注參數(shù)，對(duì)股骨頭部位的微循環(huán)、血流灌注指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明動(dòng)態(tài)增強(qiáng)MRI 可無創(chuàng)性評(píng)估骨關(guān)節(jié)的微循環(huán)灌注，對(duì)骨關(guān)節(jié)疾病的診斷、預(yù)后、預(yù)測(cè)、療效評(píng)估提供參考價(jià)值[18]。馬偉麗等[19]對(duì)股骨頭壞死高危人群和正常人群股骨頭部位的微循環(huán)灌注進(jìn)行了追蹤性評(píng)價(jià)及對(duì)比，研究結(jié)果顯示高危人群比正常人群股骨頭的血流灌注要低、灌注時(shí)間長(zhǎng)，存在血流瘀滯現(xiàn)象；且正常人群的股骨頭負(fù)重區(qū)較非負(fù)重區(qū)比較，負(fù)重區(qū)的血流灌注較多。動(dòng)態(tài)增強(qiáng)MRI 能夠反映出股骨頭內(nèi)部的微血管分布情況，為調(diào)整治療方案提供科學(xué)的血流動(dòng)力學(xué)信息。

3.5 彌散加權(quán)成像

MRI 是目前公認(rèn)的股骨頭壞死診斷準(zhǔn)確率最高的方法，在其諸多序列成像中彌散加權(quán)成像在股骨頭壞死的診斷中體現(xiàn)出優(yōu)越的價(jià)值。由于正常人骨皮質(zhì)內(nèi)自由水含量較少，彌散信號(hào)有限，故ADC 值較小，而股骨頭壞死患者早期病變均為股骨頭部位供血減少，細(xì)胞壞死，引起骨組織炎性修復(fù)，水分子擴(kuò)散，使骨組織含水量增高，ADC 值升高。ADC 值可作為FHN診斷的標(biāo)志物，并且隨著病情的發(fā)展而變化，早期ADC 值較正常升高較小，中期最大，晚期減小。高危患兒可定期觀察，及時(shí)采取干預(yù)見措施，可有效預(yù)防或者延緩股骨頭壞死的發(fā)生。

4 三維有限元模型系統(tǒng)的建立與應(yīng)用

目前應(yīng)用的影像學(xué)檢查各有優(yōu)點(diǎn)，但受限因素也較多，很難在髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良的治療和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)全過程中提供連續(xù)直觀的數(shù)據(jù)，而三維有限元建模概念的引入，將影像數(shù)據(jù)與力學(xué)相結(jié)合，創(chuàng)建關(guān)節(jié)不同壓力場(chǎng)景的三維模型，為臨床治療和病情監(jiān)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)。

4.1 有限元建模分析

隨著三維建模技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，建立三維有限元模型首先從患兒CT 或MRI 影像資料中提取髖關(guān)節(jié)和股骨組織的幾何數(shù)據(jù)和特征性參數(shù)，并利用專業(yè)軟件對(duì)髖關(guān)節(jié)、股骨組織進(jìn)行劃分，包括皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨外殼等，再根據(jù)劃分好的各部位模型重新組合建立成三維圖像，導(dǎo)入軟件，將影像檢查中無法顯影的椎間盤、軟骨組織和韌帶等組織進(jìn)行模擬補(bǔ)洞，形成患兒當(dāng)前病情下完整的髖關(guān)節(jié)和股骨模型。再利用軟件對(duì)模型各部位進(jìn)行原始賦值，同時(shí)利用軟件設(shè)定受力場(chǎng)景，在研究部位施加應(yīng)力，計(jì)算數(shù)值[20]，用以模擬不同類型的臨床病理狀態(tài)，從而得到不同病理狀態(tài)下髖關(guān)節(jié)的生物力學(xué)數(shù)據(jù)，目的是指導(dǎo)、制訂和調(diào)整治療方案[21]。

4.2 發(fā)育性髖關(guān)節(jié)脫位有限元模型的建立

經(jīng)過有限元模型在髖關(guān)節(jié)發(fā)育中應(yīng)用不斷加深，國外學(xué)者[22]對(duì)發(fā)育性髖關(guān)節(jié)脫位也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，研究中通過建模計(jì)算股骨外展角40°、60°、80°時(shí)關(guān)節(jié)軟骨所受壓力，結(jié)果得出：外展角增大，軟骨壓力也增大，應(yīng)力主要集中在髖臼后外側(cè)，外展角為80°時(shí)，股骨頭上表面應(yīng)力明顯增大，髖臼受力超過骨組織屈服最大強(qiáng)度，容易發(fā)生塌陷，且該應(yīng)力直接影響股骨頭的內(nèi)部血管血流量，發(fā)生股骨頭壞死。通過對(duì)外展角的研究，有利于優(yōu)化發(fā)育性髖關(guān)節(jié)脫位的治療。

4.3 利用三維有限元模型預(yù)測(cè)股骨頭壞死發(fā)生

利用三維有限元模型可以清晰地表達(dá)患者股骨頭壞死區(qū)和非壞死的應(yīng)力改變，以及不同病理狀態(tài)下壞死區(qū)的位置、大小、受力、形態(tài)等。國外學(xué)者[23]應(yīng)用有限元分析建立多種角度的髖臼周圍截骨術(shù)模型，以不同中心邊緣角為變量參數(shù)，對(duì)髖臼部位的翻轉(zhuǎn)角度進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算得出不同角度下頭臼座的應(yīng)力值，研究結(jié)果顯示，當(dāng)中心邊緣角為25°時(shí)，發(fā)育不良髖關(guān)節(jié)與健康髖關(guān)節(jié)的應(yīng)力峰值及應(yīng)分布情況基本近似；但當(dāng)中心邊緣角超過25°時(shí)，髖臼邊緣會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中點(diǎn)，軟骨組織長(zhǎng)時(shí)間處于高應(yīng)力壓迫，使股骨頭發(fā)生骨性關(guān)節(jié)炎，甚至壞死，故髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良需要干預(yù)時(shí)，矯正最佳位置并非恢復(fù)放射學(xué)“正?！狈秶?，而是應(yīng)該根據(jù)髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良的嚴(yán)重程度進(jìn)行矯正，輕度患者最佳矯正中心邊緣角度應(yīng)為略大于“正?！敝担卸然颊叱C正角度應(yīng)控制在“正?！敝捣秶鷥?nèi)，重度患者的最佳矯正角度應(yīng)小于“正?！敝档南孪轠24]。

4.4 有限元模型對(duì)股骨頭塌陷的預(yù)測(cè)

經(jīng)過國內(nèi)外醫(yī)學(xué)界的不斷研究，應(yīng)用有限元模擬場(chǎng)景，對(duì)股骨頭近端形態(tài)力學(xué)進(jìn)行分析計(jì)算，得出股骨頭壞死后力學(xué)的分布情況，可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)塌陷。在預(yù)測(cè)過程中可以設(shè)置為不同的壞死區(qū)、面積、形狀等場(chǎng)景，根據(jù)場(chǎng)景計(jì)算應(yīng)力，根據(jù)材料特性評(píng)估股骨頭塌陷的風(fēng)險(xiǎn)。正常股骨頭的應(yīng)力指數(shù)為0.05～0.10，當(dāng)應(yīng)力指數(shù)＞0.1 就可能發(fā)生骨折[25]。壞死骨的屈服應(yīng)力為5.5 MPa，也就是說當(dāng)骨折發(fā)生時(shí)，其所受應(yīng)力需＞0.55 MPa[26]。通過模擬得出，以壞死區(qū)表面積達(dá)到25%的比例作為評(píng)估股骨頭發(fā)生塌陷的臨界值[27]。

4.5 股骨頭缺血性壞死塌陷后的有限元分析

在實(shí)際臨床治療過程中，股骨頭壞死后有一部分塌陷通過治療后是可以獲得康復(fù)的。研究顯示[25]：有50%的股骨頭壞死患者發(fā)生塌陷，一部分患者雖然影像上發(fā)現(xiàn)股骨頭塌陷，但實(shí)際生活中并未受到影響，查體時(shí)髖關(guān)節(jié)功能良好，此時(shí)影像學(xué)成像就受到限制，很難呈現(xiàn)出關(guān)節(jié)內(nèi)部情況，借助有限元分析能夠獲得壞死區(qū)是否與應(yīng)力區(qū)發(fā)生重疊，從而可以根據(jù)具體情況制訂治療方案，使帶塌陷生存的患者獲得滿意的療效。并通過模擬場(chǎng)景如日常動(dòng)作、步行、上下樓、下蹲、站立等，計(jì)算應(yīng)力，指導(dǎo)患者如何避免高危動(dòng)作，可有效延緩病情加重。

5 展望

三維有限元模型為髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良的治療和股骨頭壞死的監(jiān)測(cè)提供了新的途徑，將影像數(shù)據(jù)結(jié)合有限元力學(xué)，可以得出股骨近端形態(tài)，以及不同場(chǎng)景的受力情況，為臨床診斷、治療、病情監(jiān)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)。但建模研究樣本較小，圖像數(shù)據(jù)與真實(shí)情況存在差距，且軟件復(fù)雜，還需進(jìn)行大量臨床實(shí)驗(yàn)，取得可靠結(jié)果。