低位髂前下棘有限元分析及与非低位髂前下棘的影像学差异

doi:10.12307/2022.695

中国组织工程研究 ›› 2022, Vol. 26 ›› Issue (18): 2862-2867.doi: 10.12307/2022.695

• 骨与关节图像与影像 bone and joint imaging • 上一篇下一篇

低位髂前下棘有限元分析及与非低位髂前下棘的影像学差异

赵辉1，闫鹏2

锦州医科大学附属第一医院，1骨关节与运动医学科，2骨外科创伤/脊柱病区，辽宁省锦州市 121000

收稿日期:2021-08-07 接受日期:2021-10-11 出版日期:2022-06-28 发布日期:2022-01-29
通讯作者: 闫鹏，副主任医师，锦州医科大学附属第一医院骨外科创伤/脊柱病区，辽宁省锦州市 121000
作者简介:赵辉，男，1987年生，辽宁省锦州市人，汉族，主治医师，主要从事骨关节与运动医学方面的研究。
基金资助:
辽宁省自然科学基金项目(2021-BS-267)，项目名称：髋关节镜治疗髂前下棘撞击的影像学研究及效果评价，项目负责人：赵辉

Finite element analysis of the low anterior inferior iliac spine and its imaging differences with non-low anterior inferior iliac spine

Zhao Hui1, Yan Peng2

1Department of Joints Surgery and Sport Injury, 2Department of Orthopedic Trauma/Spine, First Affiliated Hospital of Jinzhou Medical University, Jinzhou 121000, Liaoning Province, China

Received:2021-08-07 Accepted:2021-10-11 Online:2022-06-28 Published:2022-01-29
Contact: Yan Peng, Associate chief physician, Department of Orthopedic Trauma/Spine, First Affiliated Hospital of Jinzhou Medical University, Jinzhou 121000, Liaoning Province, China
About author:Zhao Hui, Attending physician, Department of Joints Surgery and Sport Injury, First Affiliated Hospital of Jinzhou Medical University, Jinzhou 121000, Liaoning Province, China
Supported by:
Natural Science Foundation of Liaoning Province, No. 2021-BS-267 (to ZH)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
髋关节撞击症：股骨头和髋臼间解剖的异常可引起股骨近端与髋臼间长期反复不正常的接触、碰撞，导致关节软骨及盂唇蜕变，从而引起髋关节疼痛及屈曲内收受限等一系列临床表现。
髂前下棘撞击：是髋关节外撞击最常见的类型之一，有些学者将髂前下棘撞击也称为棘下撞击，从定义上来说前者为髂前下棘突出或异常形态造成其与股骨近端的异常接触，后者主要是指髂前下棘基底部至髋臼边缘(即棘下区域)的异常骨性隆起，其实这是两种不同的病理状态，但两者经常并存。

背景：低位髂前下棘引起的棘下撞击常易被忽略，而造成部分患者漏诊或治疗效果不佳。
目的：对比分析髂前下棘撞击与无撞击患者的髋关节影像学差异，探讨常规X射线片及CT检查能否直接或间接判断低位髂前下棘的存在。
方法：选择2016年1月至2019年6月在锦州医科大学附属第一医院诊断为髂前下棘撞击并行髋关节镜手术的患者15例，作为试验组；选择行标准骨盆前后位X射线片及骨盆三维CT检查的非髂前下棘撞击患者15例，作为对照组。通过X射线片与CT检查比较两组患者α角、髋关节中心边缘角、Tönnis角、颈干角、髋臼前倾角，以及髂前下棘与髋臼前缘的水平和垂直距离及髂前下棘宽度。使用有限元分析模拟髂前下棘患者的髋关节生理活动，观察局部有无应压力变化。
结果与结论：①试验组患者的髋关节中心边缘角及髂前下棘与髋臼前缘的垂直距离测量值均小于对照组，但仅髂前下棘与髋臼前缘的垂直距离测量值存在统计学差异(P < 0.05)；试验组患者的其他指标测量值均稍大于对照组，但差异无显著性意义(P > 0.05)；②髂前下棘撞击的三维重建可见髂前下棘呈增生、肥大，向下延伸，但未突出至髋臼前缘，髂前下棘间隙消失，且髂前下棘突出的肥大增生部分在整个运动加载过程中与股骨近端未出现明显的接触表现；③不能通过X射线片及CT平扫推测或判断是否存在低位髂前下棘，对于低位髂前下棘的影像学诊断目前仍主要依赖于三维重建；髂前下棘撞击患者可能不存在髂前下棘肥大增生的远端与股骨近端的异常接触。

https://orcid.org/0000-0003-0405-5618 (赵辉)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 低位髂前下棘, 撞击, 影像学, 动态仿真, 髋关节撞击症, 髋关节镜

Abstract: BACKGROUND: Subspine impingement caused by low anterior inferior iliac spine is often neglected, resulting in missed diagnosis or poor treatment effect in some patients.
OBJECTIVE: To compare and analyze the difference of hip joint of patients with anterior inferior iliac spine impingement and those without impingent, to investigate whether conventional X-ray and CT examination can directly or indirectly judge the existence of the low anterior inferior iliac spine.
METHODS: Totally 15 patients diagnosed with anterior inferior iliac spine impingement and undergoing hip arthroscopic surgery in First Affiliated Hospital of Jinzhou Medical University from January 2016 to June 2019 were selected as trial group. Fifteen patients with non-iliac anterior inferior iliac spine impingement who underwent standard anteroposterior pelvic X-ray and three-dimensional CT examination of the pelvis were selected as control group. The angle α, the center-edge angle of the hip joint, the Tönnis angle, the neck shaft angle, the anteversion angle of the acetabulum, and the horizontal and vertical distance between the anterior inferior iliac spine and the acetabular anterior edge, and the width of the anterior inferior iliac spine were compared between the two groups using X-ray film and CT examination. Finite element analysis was used to simulate the physiological activities of the hip joint in patients with anterior inferior iliac spine, and to observe the absence and presence of local pressure change.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) The center-edge angle and the vertical distance of the anterior inferior iliac spine from the acetabular anterior edge of the trial group were smaller than those of the control group, but only the difference of vertical distance value between the groups was statistically significant (P < 0.05). The measured values of other indicators of the patients were slightly greater in the trial group than those in the control group, but the difference was not significant (P > 0.05). (2) Three-dimensional reconstruction of type II anterior inferior spinal impingement showed that anterior inferior iliac spine was proliferative, hypertrophic, and extends downward, but did not protrude to the acetabular anterior edge. The anterior inferior iliac spine gap disappeared. Moreover, the protruding hypertrophic part of the anterior inferior iliac spine did not make obvious contact with the proximal femur during the entire exercise loading process. (3) It is not possible to infer or judge whether there is a low anterior inferior iliac spine through X-ray and CT scans. The imaging diagnosis of the low anterior inferior iliac spine still mainly depends on three-dimensional reconstruction. Patients with anterior inferior iliac spine may not have abnormal contact between the distal end of the anterior inferior iliac spine hypertrophy and the proximal femur.

Key words: low anterior inferior iliac spine, impingement, imageology, dynamic simulation, hip impingement, hip arthroscopy

中图分类号:

赵辉, 闫鹏. 低位髂前下棘有限元分析及与非低位髂前下棘的影像学差异[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(18): 2862-2867.

Zhao Hui, Yan Peng. Finite element analysis of the low anterior inferior iliac spine and its imaging differences with non-low anterior inferior iliac spine[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2022, 26(18): 2862-2867.

图/表（结果） 6

2.1 患者资料分析试验组15例患者中男9例、女6例；年龄31-68岁，平均(51.5±10.5)岁，最大年龄68岁；共收集17个患病髋关节，左侧9个，右侧8个；髂前下棘Ⅱ型15个，占比88%，Ⅲ型2个，占比12%。15例患者全部进入结果分析。
2.2 髂前下棘撞击的影像学表现见图7。

如图7A所示，CT扫描下可见髂前下棘下缘向髋臼缘水平延伸；如图7B所示(骨盆前后位)，X射线片可见髂前下棘延伸至髋臼缘以下，与股骨头接触。
2.3 两组间影像学指标的对比分析见表1。

试验组患者的α角、T?nnis角、颈干角、髋臼前倾角、髂前下棘距离髋臼前缘水平线的距离及髂前下棘宽度均大于对照组，但差异无显著性意义(P > 0.05)；试验组患者的髋关节中心边缘角及髂前下棘距离髋臼前缘的垂直高度测量值均小于对照组，但仅髂前下棘与髋臼前缘的垂直距离测量值存在统计学差异(P < 0.05)。
2.4 髂前下棘撞击三维重建分析见图8。

Ⅱ型髂前下棘撞击患者的骨盆三维重建如图8A所示，可见该患者左侧髋关节呈低位髂前下棘表现；该患者的髂前下棘三维重建如图8B所示，可见髂前下棘呈增生、肥大，向下延伸，但未突出至髋臼前缘，髂前下棘间隙消失。
2.5 髂前下棘撞击受力分析通过有限元法对髂前下棘撞击时股骨近端的受力情况进行分析，在步态加载过程中没有发生髂前下棘撞击，见图9。高屈曲过程中没有发生髂前下棘撞击，见图10。在持续增加屈髋过程中，最大接触应力发生在髋臼前缘，见图11，接触应力为13.8 MPa，但此时已超出正常生理活动范围，发生的应力并无实际意义。

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引言

髋关节由股骨头与髋臼组成，属球窝关节，是人体最大的杵臼关节，在机体正常生活中发挥着极其重要的功能[1]。股骨头和髋臼间解剖的异常可出现髋关节疼痛及屈曲内收受限等一系列临床表现[2-3]。GANZ等[4]最早提出髋骨撞击综合征概念，近年来随着研究的不断深入，髂前下棘解剖异常引起的髂前下棘撞击逐渐被学者认识。
髂前下棘是股直肌直头与髂关节囊肌的附着点，当髋关节屈曲时股骨头会将盂唇推向髋臼侧，盂唇就在髂前下棘间隙内得到缓冲和保护，避免盂唇被股骨头直接撞击至髋臼边缘[5]。HETSRONI等[6]通过对骨盆X射线片及三维CT影像分析，依据远端髂前下棘与髋臼缘的位置关系将髂前下棘分为Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型3种形态，Ⅰ型为正常形态，髋臼缘与髂前下棘下极之间有一个光滑的髂骨壁嵴；Ⅱ型为从髂前下棘基底开始延伸至髋臼缘水平的骨性突起，但突出未超过髋臼前缘；Ⅲ型为髂前下棘出现骨性突起并延伸至髋臼缘以下，Ⅱ型和Ⅲ型患者屈髋时可引起髂前下棘撞击。既往已有文献报道髂前下棘撞击的治疗方案，PAN等[7]使用Smith-Peterson入路，通过股直肌与臀中肌间隙进入并确认关节囊，当屈髋90°时可以观察到肥大的髂前下棘与股骨头颈结合部的撞击；SHARFMAN等[8]报道了髋关节镜下髂前下棘棘下减压的方法，通过磨钻在髂前下棘突出部位至髋臼边缘创造最小11 mm宽度的空间，注意保护髋臼边缘；ILIZALITURRI等[9]在1例Ⅲ型髂前下棘撞击患者手术中对突出的髂前下棘进行完全减压。
有限元分析是一种数值计算方法，它将复杂的研究对象通过离散模型划分为很多个可直接求解的较简单的小单元，然后对单个可直接求解的较简单的小单元载荷情况进行分析，再将所有单元统一起来求解以得到研究对象整体的载荷情况[10-14]。有限元分析作为一种新的研究工具和方法被广泛应用于生物力学领域的研究，其结合基于CT人体扫描图像的三维重建(3D-CT)，使得运用有限元建模方法模拟人体、分析人体运动成为现实[15-18]。
目前针对髂前下棘撞击的研究报道及髂前下棘撞击与非髂前下棘撞击患者的影像学对比研究相对较少，此次试验通过测量髂前下棘撞击患者与非髂前下棘撞击患者的α角、髋关节中心边缘角、Tönnis角、颈干角、髋臼前倾角及髂前下棘与髋臼前缘的水平和垂直距离、髂前下棘宽度，明确髂前下棘撞击患者与正常髂前下棘患者有无影像学差异；同时随机抽取髂前下棘撞击患者的CT扫描医学影像数据建立骨盆3D模型，通过网格优化、三角面片实体化等过程建立较为精确的有限元模型，并对Ⅱ型髂前下棘撞击进行模拟仿真，观察动态模拟过程中是否存在髂前下棘肥大增生的远端与股骨近端的异常接触，以期为Ⅱ型髂前下棘撞击患者临床治疗方式的选择提供参考。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

材料方法

1.1 设计影像学指标对比观察试验，组间比较采用配对t检验。
1.2 时间及地点试验于2020年5-7月在锦州医科大学附属第一医院完成。
1.3 对象选择2016年1月至2019年6月在锦州医科大学附属第一医院诊断为髂前下棘撞击并进行髋关节镜下棘下减压手术的患者15例，作为试验组；选择行标准骨盆前后位X射线片及骨盆三维CT检查的非髂前下棘撞击患者15例，作为对照组。两组按照性别相同、年龄相差5岁以内且体质量指数等级相同的原则，1∶1匹配对照组。试验已通过锦州医科大学附属第一医院医学研究伦理委员会审批。
试验组纳入标准：①年龄> 18岁；②通过影像学检查(骨盆前后位X射线片、髋关节三维CT)结合症状(髋部疼痛)及查体(屈髋或屈髋内旋疼痛)诊断为髂前下棘撞击并行髋关节镜手术的患者；③对试验知情同意，并签署知情同意书。
试验组排除标准：①生长发育期患者；②髂前下棘撕脱骨折患者；③非撞击性髋关节炎及髋关节发育畸形者。
对照组纳入标准：①年龄> 18岁；②同时行标准骨盆前后位X射线片及骨盆三维CT检查患者；③影像学检查报告未见明确骨质异常；④对试验知情同意，并签署知情同意书。
对照组排除标准：①生长发育期患者；②既往髋部骨折、脱位、手术(包含股骨近端)的患者；③髋部疼痛及受伤患者；④不能获得与研究组同侧影像学资料患者。
1.4 方法
1.4.1 主要设备及测量工具主要设备：美国通用Definium TM 6000全数字X射线摄影系统(DR)，西门子128层螺旋CT，Carestream Vue PACS系统。测量工具：Digimizer Version图像分析软件(版本5.4.1)。
1.4.2 诊断检查 X射线检查采用美国通用Definium TM 6000全数字X射线摄影系统(DR)，受检者摆位要求：患者平卧于摄片床上，距离球管1.2 m，双下肢轻度内旋，投射点位于耻骨联合与髂嵴连线中点，投射角度为头部偏向脚侧，使投射影像中尾骨位于耻骨联合中线，骶尾关节位于耻骨联合上缘1-3 cm。CT检查采用飞利浦128层极速CT，受检者摆位要求：仰卧中立位，髋部位于检查床的中间位置，膝和脚踝伸直、自然平放，脚尖朝上且脚踝无靠拢、接触，维持髋关节中立位、无旋转。影像学资料由锦州医科大学附属第一医院影像科Carestream Vue PACS系统中调取，选择同一患者的标准骨盆前后位及髋关节3D-CT数据并下载，X射线图像以JEPG格式保存。

影像学诊断指标的测量利用Digimizer Version图像分析软件(版本5.4.1)完成，见图1。

内容主要涵盖：髂前下棘相关角度测量包括α角、髋关节中心边缘角、Tönnis角、颈干角、髋臼前倾角。测量方法：在骨盆标准AP位上，以股骨头中心点为圆心做一圆，使圆与股骨头边界重合，圆与股骨颈外侧皮质的交点与圆心连线，于圆心沿股骨颈中线做另一条线，两条线形成的夹角即为α角，见图2A；髋关节中心边缘角：于股骨头中心画2条线，一条为经过股骨头中心的垂线，一条为经过股骨头中心与髋臼外侧缘的斜线，两者形成的夹角即为髋关节中心边缘角，见图2B；Tönnis角：在X射线片图形上寻找髋臼眉弓，即髋臼圆弧顶部骨质硬化区，在髋臼眉弓内缘画两条线，一条为水平线，另一条为与髋臼眉弓外缘的连线，2线夹角即为Tönnis角，见图2C；颈干角：股骨头、颈轴线与股骨干轴线之间夹角，见图2D；髋臼前倾角：在轴位上测量，使冠状位标线位于股骨头中心，将髋臼前后缘连线，于髋臼后缘做一垂线，测量两者夹角，见图2E；在轴位上按照髂前下棘长轴标记斜矢状线，冠状位上通过矢状线和水平轴线的交叉标记髂前下棘尖端，在此扫描层面的斜矢状位进行CT影像相关数据测量定位，见图3；髂前下棘相关距离测量主要包括髂前下棘与髋臼前缘的水平和垂直距离及髂前下棘宽度，见图4。各指标测量由一名骨科医师及一名放射线医师共同完成。

1.4.3 髂前下棘撞击的有限元分析从髂前下棘撞击患者中随机选择1例较典型的且无骨质疏松症Ⅱ型髂前下棘撞击患者，通过锦州医科大学附属第一医院的PACS系统提取该患者的骨盆CT扫描数据，数据为DICOM格式。
模型的建立：将Ⅱ型髂前下棘撞击患者的骨盆CT扫描数据导入Mimics 14.0软件中，按皮肤组织、皮下软组织和骨组织分类后分别进行图像分割、三维重建及面网格划分，然后将面网格模型在Geomagic studio 12.0软件中进行实体化，再将实体化后的模型导入Abaqus 2016软件中完成有限元模型的建立，骨盆与股骨之间为接触连接，骨盆与股骨分别做刚体约束，做对称约束，骨盆固定，给股骨参考点加载力和位移，模型如图5所示。

运动过程模拟：根据ISO 14242.1-2014中给定步态中的力和角度对患者步态运动加载[19]，根据文献[20]给定的运动范围模拟深蹲时髋关节3个转动方向的运动范围，分别设置为屈曲130°、外展15°、外旋5°。采用分段进行的方式完成，将三轴运动分为5个部分，分别逐级加载，如图6所示。加载标准根据文献[21]中髋关节受力的报道，髋关节深蹲最大载荷不超过30 MPa，因此在加载过程中确保载荷不超过30 MPa。

1.5 主要观察指标两组患者的影像学指标测量结果及髂前下棘撞击的有限元分析。
1.6 统计学分析课题收集的所有资料经校验无误后，利用Microsoft access 2007建立数据库。利用IBM SPSS 21.0 软件进行统计学分析，比较两组患者影像学测量结果的差异，组间比较采用配对t检验，P < 0.05为差异有显著性意义。

讨论

在诊治髋部疼痛患者时发现，采用髋关节镜手术治疗股骨髋臼撞击症术后复查时仍有患者的症状部分缓解或无明显改善。HETSRONI等[6]和MORALES-AVALOS等[22]报道了对髂前下棘的形态学研究后，研究者开始重视对髂前下棘解剖形态的观察。
汪方等[23]在2008年对髂前下棘进行应用解剖学研究，研究显示男性髂前下棘的矢状径和横径分别为(20.09±2.44) mm和(12.23±1.91) mm，女性髂前下棘的矢状径和横径分别为(19.25±1.85) mm和(11.05±1.56) mm；此外，男性髂前下棘与髋臼前缘的垂直距离为(25.88±4.79) mm，女性为(19.52±2.47) mm。此次试验根据髂前下棘平均长度选取中点(约为15 mm)进行宽度测量，发现试验组患者的髂前下棘宽度略大于对照组的测量值，但差异无显著性意义。KARNS等[24]在研究中测得，Ⅰ型髂前下棘的髋关节外侧中心边缘角为(28.07±6.29)°、α角为(58.60±13.04)°，Ⅱ型髂前下棘的髋关节外侧中心边缘角为(29.11±6.50)°、α角为(55.29±12.07)°，Ⅲ型髂前下棘的髋关节外侧中心边缘角为(24.33±4.04)°、α角为(53.33±7.23)°，认为髂前下棘的不同分型与髋关节外侧中心边缘角及α角无相关性。而AGUILERA-BOHORQUEZ等[25]的研究发现，髋关节撞击综合征合并髂前下棘撞击患者的髋关节外侧中心边缘角角可能更大，同时股骨及髋臼的前倾减小。SCHINDLER等[26]也发现髋关节外侧中心边缘角的增大可能提示髂前下棘的变化。因此，此次试验将年龄、性别及患者体质量指数等级作为研究的混杂因素，利用配对设计的思路选择对照组，测量髂前下棘撞击患者与非髂前下棘撞击患者影像学测量指标的差异，研究结果发现髂前下棘撞击患者的髋关节中心边缘角及髂前下棘与髋臼前缘的垂直距离测量值均小于非髂前下棘撞击患者，但仅髂前下棘与髋臼前缘的垂直距离的测量值存在统计学差异。由于下肢旋转等因素易造成影响，股骨前倾角难以在骨盆X射线片及髋关节CT中准确测量[27-28]，故此次试验中未进行测量。目前许多学者认为低位髂前下棘与髋关节发育不良相关，此次试验中试验组髋关节中心边缘角较小，但两组间差异无统计学意义，可能与样本量较小有关。
KRUEGER等[29]在X射线片上根据髂前下棘与髋臼眉弓及髋臼前缘的关系将其分为3个类型：A型为髂前下棘位于髋臼眉弓之上；B型为髂前下棘在髋臼眉弓下但未超过髋臼前缘；C型为髂前下棘超过髋臼前缘。通过三维CT进行校正，发现A型中包含Ⅰ型及Ⅱ型髂前下棘，即髂前下棘位于髋臼眉弓以上仍可能存在髂前下棘撞击，因此骨盆X射线片不能直接对髂前下棘进行精确分型；而C型中无Ⅰ型髂前下棘，骨盆X射线片出现此类型，应高度怀疑存在髂前下棘撞击。此次试验主要对比分析正常髂前下棘与低位髂前下棘在X射线片及CT图像上有无显著差异，发现髂前下棘撞击患者X射线片下可见髂前下棘延伸至髋臼缘以下，CT扫描下亦可见髂前下棘撞击患者的髂前下棘下缘向髋臼缘水平延伸。但BALAZS等[30]、WONG等[31]发现非髂前下棘撞击患者同样可能观察到髂前下棘的向下延伸的影像学表现。
人体髋关节的复杂生理功能及独特解剖结构使得髋关节相关的生物力学研究开展较为困难[32-34]。有限元分析成本易于控制、实验条件稳定、可重复性高且不受伦理学限制，可对人体进行高效模拟仿真，而且试验结果方便于分析记录，可清晰反映模型各处位点的受力情况[35-37]。基于CT数据建模是通过扫描，利用逆向工程软件进行器官三维重建，此类模型生物仿真度高，建模速度快[38-39]。HETSRONI等[40]在三维断层计算机扫描的基础上对Ⅲ型髂前下棘患者进行了动态模拟，发现突出的髂前下棘与股骨颈部位存在异常接触，但未对Ⅱ型髂前下棘撞击患者进行模拟。此次试验将Ⅱ型髂前下棘患者的骨盆CT扫描数据导入Mimics 14.0软件中，使用有限元法对运动加载过程中髂前下棘撞击时股骨近端的受力情况进行分析，在生理运动下未发现髂前下棘远端与股骨近端的应力变化，推测没有骨性接触。尽管如此，由于棘下间隙消失，屈髋时仍可由于股骨头与髂前下棘造成盂唇及软组织挤压而引起疼痛，此次试验仅对1例患者的状况进行了模拟计算，且为了简化计算未考虑盂唇及软组织因素的影响，存在一定偏差。
试验通过测量低位髂前下棘与非低位髂前下棘患者的影像学数据，试图找出能够间接推测低位髂前下棘存在的影像学指标，但遗憾的是尚未明确，且通过有限元分析并未发现生理运动下髂前下棘与股骨近端的应力变化趋势，这些结果可能与数据较少和未将软组织因素纳入计算等因素相关，未来研究需进一步精确测量和计算，提高髂前下棘撞击诊断的准确性。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

低位髂前下棘有限元分析及与非低位髂前下棘的影像学差异

Finite element analysis of the low anterior inferior iliac spine and its imaging differences with non-low anterior inferior iliac spine

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