基于有限元分析骨盆前后傾斜對髖關節(jié)應力的影響

劉彩銀，歐陽文輝，黃俊遠

（1. 會昌縣人民醫(yī)院功能科，江西 贛州 341000；2. 廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院，廣東 廣州 510000）

骨盆前后傾斜是骨盆在人體矢狀面上發(fā)生的姿態(tài)異常，是臨床常見的癥狀［1-2］。但與骨盆前后傾斜有關的研究報道較少，而且大部分報道僅是對相關癥狀的描述，沒有涉及其潛在危害的討論，因此很容易導致社會對骨盆前后傾斜問題的忽視。骨盆在人體中扮演重要的承上啟下角色，無論是靜止站立還是行走運動都離不開骨盆對軀體的支撐和對下肢的連接，維持正常骨盆形態(tài)有助于保持動靜態(tài)的身體平衡。骨盆傾斜后不僅會影響外在形象美觀，更可能導致不良運動姿勢和運動穩(wěn)定，最終影響整體身體結構的平衡。骨盆和股骨共同組成人體最大的承重關節(jié)——髖關節(jié)［3］，骨盆姿態(tài)的異常變化可能對人體髖關節(jié)的應力傳導產生影響，而關節(jié)應力的改變與關節(jié)疾病的發(fā)生發(fā)展有著密切聯(lián)系。

本文以真實人體CT數(shù)據(jù)為基礎，構建骨盆前后傾斜模型分析其在髖關節(jié)上的應力變化，探討骨盆前后傾斜對髖關節(jié)應力的影響，為臨床提供理論指導。

1 對象與方法

1.1 研究對象 33歲健康女性志愿者1名，排除髖部及全身系統(tǒng)性疾病病史。

1.2 數(shù)據(jù)采集 志愿者平臥位行CT掃描，參數(shù)：層距5 mm，層厚0.5 mm。描述范圍從髂嵴最高點至小轉子下10 cm。掃描完成后生成DICOM 格式數(shù)據(jù)。

1.3 半骨盆-全髖關節(jié)骨性幾何模型構建 提取上述CT原始數(shù)據(jù)導入Mimics 17.0軟件進行閾值分割后三維重建，重建內容包括左側髂骨和股骨上段。重建后模型導入Solidworks 2015 軟件系統(tǒng)，根據(jù)原點配準方式將左側髂骨和股骨進行裝配（圖1A、1B、1C、1D）。

1.4 軟骨模型重建 裝配后髂骨和股骨模型僅僅包括骨性幾何形態(tài)，而髖臼和股骨間存在間隙即為軟骨區(qū)域。根據(jù)模型中髖臼軟骨面形態(tài)構建等距曲面，參考陳凱寧等［4］報道，通過面增長功能，將曲面反向增厚1.2 cm，即為髖臼軟骨模型。根據(jù)文獻報道股骨頭軟骨分布范圍，在股骨頭表面軟骨區(qū)域構建等距曲面，同樣通過曲面增長相應厚度，即可獲得獨立的股骨頭軟骨。最后將上述髂骨、股骨、髖臼軟骨及股骨軟骨裝配，組成完整的半骨盆-全髖關節(jié)模型。

1.5 前后傾斜模型構建 根據(jù)自然CT數(shù)據(jù)重建和裝配的模型即為中立位骨盆姿態(tài)模型。在Solid‐works 2015 軟件系統(tǒng)上，通過矢狀剖面視角調整髂骨模型在矢狀面上前傾20°及后傾20°，分別構建骨盆前傾20°和骨盆后傾20°模型（圖1E）。

圖1 半骨盆-全髖關節(jié)模型重建及骨盆前后傾斜仿真圖

1.6 半骨盆-全髖關節(jié)有限元模型構建 將上述3個幾何模型及其組件分別導入Abaqus 2019 軟件以進行有限元分析前參設定，包括網(wǎng)格劃分、材料屬性設定［5］（表1）。髖關節(jié)軟骨接觸定義為面面接觸，摩擦系數(shù)0.015。模擬人體雙腿站立位，進行載荷設定：骨盆恥骨聯(lián)合及骶髂關節(jié)處進行約束，參考BROWN T D 等［6］報道將900 N 集中力加載于股骨遠端，完成有限元前參設定，求解應力。

表1 有限元模型相關參數(shù)屬性

1.7 統(tǒng)計學方法 數(shù)據(jù)采用SPSS 21.0 統(tǒng)計軟件進行統(tǒng)計分析，數(shù)據(jù)采用均數(shù)±標準差表示，多組間比較采用單因素方差分析，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結 果

有限元求解完成，提取髖臼及股骨軟骨接觸面的CPRESS 應力及接觸區(qū)域，對比不同模型的應力分布結果差異。應力云圖顯示三組模型的接觸應力峰值區(qū)域都分布于髖臼表面軟骨穹頂部及股骨頭軟骨表面頂部，符合大體髖關節(jié)接觸應力分布（圖2）。融合應力云圖對比分析觀察到：骨盆前傾模型應力峰值分布區(qū)域較中立位模型向后外側偏移，骨盆后傾模型應力峰值分布區(qū)域則向后前內側偏移。骨盆前后傾斜后峰值應力區(qū)平均應力較中立位增加，差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）（表2）。

圖2 骨盆前后傾斜及中立位模型應力分布云圖

表2 各模型峰值區(qū)平均接觸應力比較

3 討 論

骨盆姿態(tài)異常指人體骨盆相對脊柱和股骨位置關系發(fā)生改變，根據(jù)人體三軸三面的解剖定義，臨床上將骨盆向不同方向的旋轉偏移分為：繞矢狀軸的骨盆左右傾斜，繞冠狀軸的骨盆前后傾斜，以及繞垂直軸骨盆左右旋轉［7］。其中骨盆前后傾斜，尤其是骨盆前傾是一種臨床較常見的癥狀以及普遍存在的問題。谷夢云［8］在對北京市一小學200 名學生的健康測試中發(fā)現(xiàn)，有57.8%的學生存在不同程度的骨盆前后傾斜的問題，其中多數(shù)為骨盆前傾，而冠狀面骨盆傾斜占比則為48.0%，說明低齡學生的骨盆姿態(tài)問題已經非常普遍。但國內對于骨盆前后傾斜問題卻少見報道，且大多只是對現(xiàn)狀的淺顯描述，未能深入分析現(xiàn)象背后的本質，探究可能的潛在危害，從而更全面地認識骨盆傾斜問題。

骨盆上承脊柱下連股骨，因此骨盆傾斜后，對于整個人體的力學傳導均會產生影響。但基于活體或尸體的人體力學的實驗研究存在諸多困難［9］，有限元仿真成為一種有效的手段。陳強等［10］通過構建骨盆-髖關節(jié)模型，分析了發(fā)育性髖關節(jié)脫位后股骨頭表面應力與前傾角的變化關系。蔡振存等［11］通過構建骨盆-髖關節(jié)模型，研究髖關節(jié)“人”字型固定在不同角度的力學特征，從而提出更合理的臨床固定方案。這些研究都說明有限元仿真研究的可靠性。

本研究基于人體真實CT 數(shù)據(jù)構建的半骨盆-髖關節(jié)模型能夠真實地反映人體骨骼結構的幾何形態(tài)，軟骨的逆向重建符合生理設定。有限元的分析結果能夠較真實地反映人體內部的力學特性。應力云圖顯示出髖關節(jié)接觸應力的分布，這與楊鵬等［12］報道的髖關節(jié)分布特征基本一致。對比骨盆前后傾斜模型，骨盆前傾后頭臼軟骨的接觸應力向前后外側移動，骨盆后傾后接觸應力向前內側移動，二者峰值應力都較中立位增加。應力結果很好地揭示了骨盆前后傾斜后髖關節(jié)接觸應力的變化特點，明確了骨盆前后傾斜將對髖關節(jié)應力產生影響。髖關節(jié)應力的增加可能用于解釋骨盆前傾后帶來的潛在危害。而髖關節(jié)接觸應力的增加與髖部疾病的發(fā)生發(fā)展有著密切聯(lián)系［13-14］。例如股骨頭壞死［15］以及髖關節(jié)退行性變［16］都被證實是髖部力學改變的結果。而對于青少年兒童，他們正處于骨骼發(fā)育的重要階段，力學刺激是骨骼生長發(fā)育的重要因素［17］，但異常應力負載可能最終導致髖關節(jié)發(fā)育異常，甚至畸形［18］。而骨盆前后傾斜在低齡兒童中卻普遍存在。

綜上，本研究通過仿真技術構建了骨盆前后傾斜的有限元模型，仿真結果揭示了骨盆前后傾斜對髖關節(jié)接觸應力的影響，理論上闡明了該問題可能帶來的潛在危害，因此臨床上必須重視骨盆前后傾斜并采取措施糾正。