发育性髋关节发育不良患者不同髋关节外展角度下髋部应力分布的有限元分析

doi:10.12307/2023.647

中国组织工程研究 ›› 2023, Vol. 27 ›› Issue (27): 4265-4270.doi: 10.12307/2023.647

• 骨与关节生物力学 bone and joint biomechanics • 下一篇

发育性髋关节发育不良患者不同髋关节外展角度下髋部应力分布的有限元分析

郭苏童，郭宇，王凌，丁育健，任天皓，徐海涛，王誉霖，冯德宏

南京医科大学附属无锡人民医院骨科，江苏省无锡市 214000

收稿日期:2022-07-06 接受日期:2022-08-24 出版日期:2023-09-28 发布日期:2022-11-07
通讯作者: 冯德宏，主任医师，教授，南京医科大学附属无锡人民医院骨科，江苏省无锡市 214000
作者简介:郭苏童，男，1996年生，江苏省连云港市人，汉族，南京医科大学在读硕士，主要从事关节外科、生物材料与骨组织工程研究。
基金资助:
无锡市社会发展科技示范(医疗卫生类) 项目(N20192006)，项目负责人：冯德宏；无锡市卫生健康委科研项目(重大项目)(Z202010)，项目负责人：冯德宏

Finite element analysis of hip stress distribution at different hip abduction angles in patients with developmental dysplasia of the hip

Guo Sutong, Guo Yu, Wang Ling, Ding Yujian, Ren Tianhao, Xu Haitao, Wang Yulin, Feng Dehong

Department of Orthopedics, Affiliated Wuxi People’s Hospital of Nanjing Medical University, Wuxi 214000, Jiangsu Province, China

Received:2022-07-06 Accepted:2022-08-24 Online:2023-09-28 Published:2022-11-07
Contact: Feng Dehong, Chief physician, Professor, Department of Orthopedics, Affiliated Wuxi People’s Hospital of Nanjing Medical University, Wuxi 214000, Jiangsu Province, China
About author:Guo Sutong, Master candidate, Department of Orthopedics, Affiliated Wuxi People’s Hospital of Nanjing Medical University, Wuxi 214000, Jiangsu Province, China
Supported by:
Wuxi Social Development Science and Technology Demonstration (Medical and Health) Project, No. N20192006 (to FDH); Wuxi Sanitation and Health Commission Scientific Research Project (Major Project), No. Z202010 (to FDH)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

发育性髋关节发育不良：是由于发育异常导致的以股骨头髋臼覆盖不足、真臼发育浅以及髋臼和股骨过度前倾、关节脱位并形成假臼为主要病理改变的疾病。
应力：物体由于外部原因而发生形变时，物体内各部分之间会产生相互作用的内力，单位面积上的内力称为应力。

背景：目前对于髋关节发育不良的有限元研究相对较少，髋关节外展角度对髋关节生物力学分布的影响也不明确。
目的：应用有限元方法分析不同外展角度下髋关节发育不良患者健侧及患侧的髋关节应力分布，为髋关节发育不良的预防、治疗、康复等提供方案。
方法：选取1例左侧髋关节发育不良患者双侧髋关节CT薄层扫描数据，利用Mimics软件建立髋关节模型，Geomagic Wrap软件完成实体化，Solidworks软件进行皮质骨与松质骨的装配，然后应用Ansys Workbench软件加载关节负荷，分析不同外展角度下单足着地条件下髋关节应力分布情况。
结果与结论：①该研究所建模型与实际情况相符合，随着髋关节外展角度增加，正常髋关节的股骨颈最大应力值逐渐增大，且一直位于股骨颈内侧，当健侧髋关节外展为15°时股骨头最大应力值最小，当髋关节外展20°时髋臼上方最大应力值最小；②发育性髋关节发育不良患者患侧髋最大应力值一直位于髋臼上方，且当髋关节外展为25°时，髋臼最大应力值最小，当髋关节外展20°时，股骨头最大应力值最小，当髋关节外展0°时，股骨颈部最大应力值最小，且位于股骨颈后方，随着髋关节外展角度增大，股骨颈最大应力点逐渐向股骨颈内下侧移动。
https://orcid.org/0000-0001-5582-7249 (郭苏童)
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: 发育性髋关节发育不良, 髋关节, 髋关节外展, 有限元, 股骨头坏死, 髋关节病

Abstract: BACKGROUND: There are relatively few finite element studies on hip dysplasia, and the influence of the size of hip abduction angle on the biomechanical distribution of the hip joint is not clear.
OBJECTIVE: To apply the finite element method to analyze the hip joint stress distribution on the healthy side and the affected side of patients with hip dysplasia under different abduction angles, and to provide solutions for the prevention, treatment and rehabilitation of hip dysplasia.
METHODS: A patient with left-sided hip dysplasia was selected from the CT scan data of bilateral hip joints, and the hip joint model was established by Mimics software, solidified by Geomagic Wrap software and assembled with cortical bone and cancellous bone by Solidworks software. The Ansys Workbench software was used to load the joint load, and the stress distribution of the hip joint under the condition of single foot landing under different abduction angles was analyzed.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) The model constructed in this study was consistent with the actual situation. As the hip abduction angle increased, the maximum stress value of the femoral neck in the normal hip part gradually increased and was always located on the medial side of the femoral neck, and the maximum stress value of the femoral head was the smallest when the hip abduction on the healthy side was 15°, and the maximum stress value above the acetabulum was the smallest when the hip abduction was 20°. (2) The maximum stress value in the affected hip of developmental dysplasia of the hip patients was always located above the acetabulum, and the maximum stress value in the acetabulum was minimal when the abduction of the hip was 25°; the maximum stress value in the femoral head was minimal when the hip was abducted at 20°, and the maximum stress value in the femoral neck was minimal when the hip was abducted at 0° and was located posterior to the femoral neck. As the hip abduction angle increased, the maximum stress point in the femoral neck gradually moved towards the medial inferior aspect of the femoral neck.

Key words: developmental dysplasia of the hip, hip joint, hip abduction, finite element, femoral head necrosis, hip arthropathy

中图分类号:

郭苏童, 郭宇, 王凌, 丁育健, 任天皓, 徐海涛, 王誉霖, 冯德宏. 发育性髋关节发育不良患者不同髋关节外展角度下髋部应力分布的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(27): 4265-4270.

Guo Sutong, Guo Yu, Wang Ling, Ding Yujian, Ren Tianhao, Xu Haitao, Wang Yulin, Feng Dehong. Finite element analysis of hip stress distribution at different hip abduction angles in patients with developmental dysplasia of the hip[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2023, 27(27): 4265-4270.

图/表（结果） 4

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引言

发育性髋关节发育不良(developmental dysplasia of the hip，DDH)是引起髋臼畸形和髋关节骨性关节炎的主要原因。在DDH病情进展中，髋臼、股骨近端及关节囊等结构发生病变，进而导致髋关节半脱位、完全脱位等功能障碍。DDH患者髋臼扁平，骨质有限，存在髋臼发育浅、开口小等特点[1]，但患者早期常无明显症状，难以得到及时且恰当的诊治。当髋关节盂唇或关节软骨产生病变时，患者才会出现腹股沟区疼痛、活动后疼痛加重等症状[2]。当前主要的治疗方法有髋关节镜下手术、髋关节周围截骨术、髋臼旋转截骨术、髋臼加盖术、全髋关节置换术等[3-7]。全髋关节置换治疗终末期DDH的疗效己得到临床证实，但其具有较高的失败率与并发症发生率，故终末期DDH患者的心理与生理均面临着巨大压力[8]。面对这一问题，改善髋关节生物力学环境，减缓DDH患者病情的进展变得尤为重要。既往有研究表明股骨颈骨皮质缺损患者采用下肢外展位行走进行康复训练，有利于患者的康复[9]。也有研究指出，伴随髋关节外展角度增加，股骨颈后方区域应力渐向内侧和外侧转移[10]。股骨头坏死患者日常生活中应调整髋关节外展角度，减小股骨头塌陷的可能性[11]。具有适当外展角度的人工髋关节，可减小髋臼与股骨头部的应力分布，减轻关节磨损，延长假体的使用寿命[12]。
该研究基于高清能谱计算机断层扫描(computed tomography，
CT)影像资料，利用Mimics软件、Geomagic Wrap软件、Solidworks软件、Ansys Workbench软件等重建髋关节有限元模型，赋予骨弹性模量和泊松比等属性参数，给予一定的力学加载，对DDH患者健、患侧不同髋关节外展角度下的应力状态进行了理论分析，观察不同外展角度下的髋部应力分布情况。
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 设计建立DDH患者健侧、患侧髋关节模型并进行有限元分析。
1.2 时间及地点实验于2022年1-6月在南京医科大学附属无锡人民医院完成。
1.3 对象选取1例27岁女性单侧髋关节发育不良患者(CroweⅠ)，中心边缘角8°，身高160 cm，体质量60 kg，因“左髋疼痛伴活动受限3年余”住院，左下肢短缩畸形，左下肢跛行步态，左髋关节无皮肤发红，无肿痛，左足背动脉搏动有力，左髋关节活动受限，患肢末梢血运未见异常。右侧肢体未见明显异常。获得该患者的髋关节CT数据，通过DICOM格式保存。患者及家属对实验知情同意，并签署知情同意书。该研究的实施符合《赫尔辛基宣言》和南京医科大学附属无锡人民医院对研究的相关伦理规定，伦理批号：(2017)伦审第(01)号。
1.4 建模设备及软件
建模设备：CT扫描机由南京医科大学附属无锡人民医院提供；华硕笔记本电脑(硬件配置：CPU为intel i5-4200U 处理器，内存8 G，硬盘750 G)。
操作系统：Windows 7 旗舰版操作系统(Microsoft公司，美国)。
建模软件：医学影像数据处理软件Mimics 21.0(Materialise
公司，比利时)；应用于创建多边形模型和网格的逆向工程和三维检测软件Geomagic wrap 2017(Raindrop公司，美国)；仿真设计软件Solidworks 2016(Dassault公司，法国)；应用于网格划分、材料属性定义与赋值、约束条件界定的有限元分析专用软件Ansys workbench 18.2(Ansys公司，美国)。
1.5 实验方法
1.5.1 有限元模型的构建 CT扫描时患者仰卧于扫描床中央，双下肢处于中立位，髋关节处于扫描视野中心。参数设置：层厚1.0 mm，像素512×512，以DICOM格式保存。将DICOM格式的图像数据导入Mimics软件后，软件会自动识别数据格式并加载到系统中，获得髋关节冠状位、水平位、矢状位窗位。通过基本阈值分割、自动区域增长、手动编辑、布尔运算等操作过程，可建立不同的蒙板。经过分割、修复后，选择蒙板编辑工具修补、填充蒙版并删除多余部分。在二维图像满足要求后，重建髋关节三维模型，并以STL格式导出。处理结果如图1所示。

由于提取过程中可能存在不当人工操作和CT数据精度差异等因素，可能会影响后续有限元网格的划分及力学分析，遂将骨骼三维模型以STL格式导入Geomagic wrap软件中重画网格，使用“网格医生”命令对模型进行预处理。修复不规则的几何曲面，通过删除钉状物、松弛曲面、填补漏洞等操作来光滑曲面。其次，通过“减少噪音”“快速光顺”等命令，使模型更加光顺，减少模型问题引起分析结果不收敛的可能性。骨分为皮质骨和松质骨，皮质骨分布于骨表层，若要在后续生成松质骨，需对模型进行缩小偏移，该研究对髋部骨骼进行1 mm厚皮质骨建模，其余为松质骨。故该研究采用Geomagic wrap软件的“偏移/整体偏移”命令，将骨骼模型向内整体偏移1 mm，使模型整体缩小，为松质骨的构建做前期准备。接下来使用“精确曲面”命令对模型进行自动曲面化、构造曲面片及曲面片修理。“精确曲面”命令可将多边形模型转换为精确曲面模型。通过“格栅修复”命令来修复带有偏差的格栅图，修复后在Geomagic wrap 软件中构建NURBS曲面，然后拟合曲面，完成骨骼模型的实体化后，以STP的格式导出并保存。处理结果如图2所示。

将Geomagic wrap软件生成的STP文件导入到Solidworks软件中进行密封检查，通过软件的“移动/复制实体”及“组合”命令对皮质骨与松质骨进行组合装配，然后进行皮质骨与松质骨、健侧与患侧髋关节的原位装配，干涉检查后以XT格式导出并保存。处理结果如图3。

1.5.2 设置边界条件及负载模拟单足站立姿势下髋关节外展0°，5°，10°，15°，20°，25°，30°等7个体位进行力学分析。力的载荷采用将髋关节负载以合力的方式(与纵轴成16°且通过股骨头中心)施加于股骨头与髋臼的接触区域内[13]。单足站立状态下，由于髋关节承受的负荷约为体质量的81%[14]，所以施加载荷的大小为患者体质量的81%，为486 N，股骨远端固定，髋骨远端各节点在X、Y和Z轴上的位移均为0，耻骨联合在X、Y和Z轴上的位移均为0。
1.5.3 应力计算分析将各组模型导入ANSYS软件中，设置材料属性(皮质骨弹性模量为17 000 MPa，泊松比为0.3；松质骨弹性模量为1 000 MPa，泊松比为0.3)[10]。导入设定的边界条件，对三维有限元模型进行力学分析，计算各组模型应力分布情况。
1.5.4 髋关节模型可靠性验证该研究对单腿站立工况下髋关节有限元模型进行了应力分析，从健侧髋关节直立位的应力分布云图看出，整个髋骨中臼部处应力最大，此处骨质厚，为主要负重区，见图4。在股骨近端，股骨头、股骨颈的内侧区域应力分布较为集中，说明此处为股骨的主要负重区。由此可以说明应力分析结果较合理。另外，该研究有限元模型模拟加载负荷，力学分析结果与既往研究结果无明显差异[14-15]，表明该研究构建的髋关节有限元模型有效，可进行应力分析。

1.6 主要观察指标不同外展角度下双髋各部位Von Mises峰值。

讨论

DDH患者的髋臼和股骨近端大小、形状、方向常存在畸形[16]。CroweⅡ型、CroweⅢ型DDH患者均存在髋臼发育浅、开口小的特点。CroweⅡ型患者髋臼的前、后方有节段性骨缺损，但仍有一定骨量，髋臼前、后壁有明显增生，髋臼前倾增大，内壁宽度增加，髋臼上方的骨储备缺乏。CroweⅢ型DDH患者前、后柱骨量均有明显减少，前倾角较CroweⅡ型增大，整个髋臼周缘节段性骨缺损，髋臼前倾过度增大，内壁较Ⅱ型更宽，髋臼骨储备聚集于髋臼的后上
方[17-18]。
高频超声能通过扫描髋关节获取相对较清晰的影像，并采用影像和临床症状结合的方式了解髋部发育情况，为后面的治疗提供参考[19]。X射线片作为主要辅助检查手段[20]，主要体位包括骨盆正位、髋关节功能位、髋关节Dunn位、骨盆65°斜位等，但由于患髋脱位、挛缩、畸形、疼痛等，常难以获得标准的投照体位[21]。另外，常规CT可从不同角度、不同层面判断髋关节的情况，但无法显示各结构之间的三维关系[22]。三维重建CT可直观观察髋关节的形态，判断是否合并其他畸形[23]。MRI的优势在于能够诊断盂唇撕裂、软骨损伤等病变，可以更准确地观察盂唇与关节软骨的状态[24]。而关节镜主要适用于影像学检查无明显异常，但临床表现等提示高度怀疑关节盂及软骨存在病变的患者[25]。然而，上述方法难以精确评估DDH患者髋部组织结构的体积参数。为了更细致、直观、多方位地展现人体组织结构，数字化医疗技术被应用于骨科领域。该研究建立的髋关节模型仿真性高、可编辑性强，可直观且精确对比健患侧髋关节的解剖差异，或可为DDH的诊断及术前规划等提供更多指导。
正常髋关节负重后，为防止股骨头脱位，髋臼外口产生了椭圆形改变。而当髋臼发育不良时，负重后的髋臼形态改变不明显，使股骨头有脱位倾向，这导致了髋臼顶部压力的增加[26]。正常行走时力的传递主要由髋臼周围区域的皮质骨承担。由于髋臼后上方是力的主要传递区域，故后上方的松质骨与皮质骨均是力的主要传递媒介[27]。而随着中心边缘角的减小，骨关节软骨有效负重面积也减小，承重部位的压力增高[28]，这种变化在中心边缘角小于15°时更加明显[13]。这些研究结论对髋臼周围旋转截骨术确定截骨位置及旋转角度等提供了生物力学的理论基础。相关学者将髋臼三维重建技术与手术模拟结合，以评价DDH髋臼的骨储备量，结果表明DDH患者髋臼的骨储备分布于真臼上方的一定距离，于真臼上方骨储备聚集处进行髋臼重建，臼杯的初始骨覆盖率较真臼处有较大提高[29-30]。
髋关节外展改变股骨头与髋臼接触关节面的应力，是导致关节磨损的根本原因。合适的外展角度可降低股骨头的应力，改善股骨头生物力学分布，缓解股骨头坏死的症状[11]。有研究者对DDH患者髋关节建模，模拟髋部肌肉组织，并在相应位置设置压力，发现关节软骨压力随髋关节外展角增大而增大[31]。蔡振存等[32]研究发现，DDH患儿脱位侧髋关节外展60°时，力学集中区域位于股骨头顶前下方和髋臼的后壁部位，脱位侧股骨头所受应力大于正常侧。
作为生物力学分析的主要技术手段，有限元分析的高效性和准确性非常重要。材料属性和边界条件的设置对有限元分析有重要的影响[33]。该研究采用皮质骨-松质骨赋值，而张馨元等[14]、陈诺等[34]采用灰度值赋值方法。如何对髋骨的有限元分析设置准确边界条件一直是研究重点。研究者分析边界条件对完整髋关节、无股骨近端骨盆髋关节、无骶髂韧带髋关节的影响，发现有限元分析受到边界条件设置的影响较大[35]，但重建髋骨周围的肌肉和韧带等作为髋骨有限元分析的边界条件，不仅耗时耗力，且与真实情况有出入[36]。对于髋关节有限元分析所采用的载荷也不尽相同。PHILLIPS等[37]将耻骨联合及髋关节全约束，由股骨头施加一个指向髋臼方向的集中力作为载荷。ZOU等[38]对股骨近端下缘进行约束，于髋臼上方截面参考节点施加一个指向股骨头方向的集中力作为加载。
该研究结果表明随着髋关节外展角度增加，正常髋部股骨颈Von Mises峰值逐渐增大，且一直位于股骨颈内侧，这从生物力学的角度上解释了治疗股骨颈骨折时，需保证股骨颈内侧皮质完整性的原因。当健侧髋关节外展15°时股骨头Von Mises峰值最小，当髋关节外展20°时髋臼上方最大应力值最小。而DDH患者患侧髋部Von Mises峰值一直位于髋臼上方，且当外展为25°时，髋臼Von Mises峰值最小，当髋关节外展20°时，股骨头Von Mises峰值最小，当髋关节外展0°时，股骨颈Von Mises峰值最小，且位于股骨颈后方，随着髋关节外展角度增大，股骨颈最大应力点逐渐向股骨颈内下方移动。上述结果表明，由于患侧与健侧髋部结构应力存在明显差异，所以DDH患者除了依靠手术，还可通过调整髋关节外展角度从而优化髋部各结构应力。由该研究结果可知，在直立位及其他外展角度下，患侧髋臼Von Mises峰值均明显高于健侧，故患髋关节骨性关节炎的概率较大。患侧、健侧结果的不一致可能与DDH患者髋部髋臼和股骨近端大小、形状、方向的畸形有关。该研究还认为，无论采取何种髋关节外展角度，在DDH患者日常生活中髋关节需保证适当的活动度，从而形成面状应力，避免产生静态的点状应力，增大髋臼与股骨头间的有效接触面积，或可降低股骨头坏死及髋关节骨性关节炎等相关并发症发生的可能性。通过改变髋关节外展角度可以根据患者自身情况对患者疾病的预测、预防、诊断、治疗、预后等提供指导。
该研究基于CT数据，应用Mimics软件、Geomagic Wrap软件、Solidworks软件建立高仿真度的髋关节模型，再用有限元分析软件Ansys Workbench设定所建模型的边界条件，模拟加载负荷，计算单足站立位不同髋关节外展角度下髋关节的应力分布，结果真实可信。此外，该模型可进一步研究其他运动状态下髋关节的应力分布，还可根据研究内容模拟骨折、骨质疏松、骨质增生、股骨头坏死等状态，为患者疾病的预防、诊断、治疗、康复等提供科学的参考。该研究所选病例较为典型，对DDH患者健、患髋生物力学进行了一定程度的探讨，结果较为准确可靠，可为髋部内固定术、髋关节置换术以及其他髋关节力学基础研究提供参考。然而，为避免股骨头畸形明显、与髋臼不匹配对结果产生影响，该研究选取了结构低变异的Crowe Ⅰ期DDH患者的影像学数据，故实验结果只适用于早期DDH患者，是否适用于中晚期患者有待进一步研究。而且此研究并未考虑髋关节周围其他组织如肌肉、韧带、软骨等对髋关节生物力学的影响，且该研究病例数量少，数据有限，日后还需更多完善且深入的研究，此种建模和分析方法或可为后续研究提供对比和借鉴。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

发育性髋关节发育不良患者不同髋关节外展角度下髋部应力分布的有限元分析

Finite element analysis of hip stress distribution at different hip abduction angles in patients with developmental dysplasia of the hip

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