摘要 目的 建立健康志愿者、髋关节发育不良(development dysplasia of the hip,DDH)患者手术前后股骨-骨盆-腰椎模型,研究弧形髋臼截骨术对腰椎生物力学影响。方法 利用CT扫描获取4名DDH患者手术前后以及1名健康志愿者股骨-骨盆-腰椎DICOM数据,构建三维有限元模型。在Geomagic中采用偏移命令划分皮质骨与松质骨,在SolidWorks中添加腰椎软骨、骶髂关节、耻骨联合等软骨,在ANASYS中对模型进行有限元分析,步态为慢走中的单腿支撑中期相。分析对比DDH患者手术前后腰椎生物力学变化,将患者术后腰椎生物力学数据与健康志愿者进行对比。结果 建立了4组患者和1组健康志愿者股骨-骨盆-腰椎模型,模型在各工况下结果均在所参考的文献范围内,证明模型有效。患者术后腰椎、股骨颈、纤维环与髓核所受应力远小于患者术前的状态,患者术后腰椎、股骨颈、纤维环与髓核所受应力与健康志愿者相近。结论 弧形髋臼截骨术在治疗DDH后会显著降低腰椎、椎间盘所受应力,纤维环与髓核受力也更加均匀,说明弧形髋臼截骨术会将患者调整到健康状态。研究结果为临床治疗DDH提供了生物力学依据,有助于优化手术方案。
关键词:
髋关节发育不良
弧形髋臼截骨术
股骨-骨盆-腰椎模型
有限元方法
髋关节发育不良(development dysplasia of the hip,DDH)是青少年及成年人常见的一种骨科疾病。由于髋关节发育异常导致其形态发生改变,从而导致病理性关节负重、关节磨损与退行性变 [1] 。据报道,DDH发病率约为3%,男女占比达到1∶7,是一种更偏向于女性的髋关节疾病,主要由先天、环境、机械等致病因素造成,例如难产、多胎、巨大胎儿 [2] 。
1988年,瑞士伯尔尼医院著名骨科专家Ganz及其团队提出了一种名为Bernese髋臼周围截骨术 [3] 。该术式不会伤害患者髋臼后柱,患者康复期间活动限制小,缺点为截骨线并不全是弧形,外侧中心边缘角和前方中心边缘角可调整角度范围较小。经Natio等 [4] 改良后,截骨线为弧形,相对于髋臼周围截骨术,其可调整角度范围增加,植骨需求降低,患者术后骨愈合面积增加,该术式被称为弧形髋臼截骨术。
髋关节和腰椎退变的发生率随年龄增加而增大,两者互为因果,髋关节疾病会对腰椎健康产生不良影响,同样腰椎处疾病也会影响骶髂关节和髋关节,这种表现称为髋腰综合征。Ren等 [5] 研究表明,Crowe IV DDH患者表现出异常的脊柱-骨盆排列,其特征为骨盆前倾、腰椎过度前凸和躯干后倾。Newell等 [6] 对髋腰综合征的机制开展研究,但只建立了腰椎-骶骨模型,没有将股骨-骨盆-腰椎模型建出。刘慧等 [7] 对腰椎间盘退变合并骶髂关节紊乱的生物力学特性进行研究,所建立模型包含腰椎与骨盆,但忽略了髋关节与股骨。Daley等 [8] 报道了DDH患者行髋臼周围截骨术后,随访中腰椎和相应骨盆参数的变化。目前针对这一变化进行手术前后腰椎与骨盆的生物力学研究鲜有报道,尤其是弧形髋臼截骨术治疗DDH患者后的生物力学变化。本文建立了股骨-骨盆-腰椎的三维有限元模型,通过对比1组健康志愿者和4组DDH患者手术前后腰椎、纤维环、髓核的生物力学变化,进一步分析先天性DDH对腰椎生物力学的影响。研究结果为通过腰椎生物力学指导弧形髋臼截骨手术提供理论基础。
选取健康志愿者1名,既往无腰部、髋关节、双下肢创伤、疾病史,经X线检查排除脊柱畸形、DDH等病变。DDH患者4名,经X线检查都诊断为右侧DDH,并接受了手术治疗,5位受试者均对该实验知情,并签署同意书。受试者的具体信息见 表1
利用64排螺旋CT,对健康志愿者与DDH患者手术前后从腰椎L1至股骨部分沿轴向进行连续扫描,得到层厚为2 mm二维断层图像,以DICOM格式保存,以备后续建模使用。
将CT数据导入Mimics 21.0中,调整灰度值范围使其完整表达出骨骼特征(见图1)。结果显示,相比于正常髋臼,患者髋臼无法完全覆盖股骨头,患者与健康志愿者的差别在模型上可以很好体现。使用分割蒙版功能将各骨骼单独分离。在Geomagic Warp 2021中将模型表面处理光滑,使用偏移功能将每个骨骼整体偏移2 mm作为松质骨。
[
{
"name": "text",
"data": "图1 不同髋关节结构区别"
}
]
在SolidWorks 2022中通过拉伸命令构建纤维环、髓核、终板、股骨软骨、耻骨联合、髋臼软骨等所有软骨 [9-10] 。其中终板的厚度为1 mm,髓核约占椎间盘体积40%,骨头及软骨材料赋值见 表2 [11-13] 。全局采用四面体网格C3D4划分,用弹簧单元代替韧带,韧带和弹簧刚度设置见 表3 [14-18] 。
接触关系包含:① 绑定。接触面不能分离也不能滑动;② 不分离。接触面允许滑动不允许分离;③ 有摩擦。允许分离但是只允许有摩擦的滑动;④ 无摩擦。允许接触面分离,允许自由滑动。
本文模型一共设置3种相互作用关系:① 皮质骨与松质骨、皮质骨与终板、终板与髓核和纤维环、骶髂关节和骶骨、左髋骨和耻骨联合、髂骨与髋骨软骨、股骨与股骨软骨为绑定约束。因为人体结构是一个稳定结构,在受外力作用时其内部软骨等组织是不会脱离附着位,软骨起着其所连接两块骨头之间的相对运动的缓冲作用,因此,与软骨相接触的两个面,一面采用绑定,另一面采用无分离来模拟实际工况。② 腰椎关节突软骨与下腰椎为绑定约束,与上腰椎为不分离约束;右髋骨与耻骨联合为不分离约束;骶髂关节与左右髋骨为不分离约束。③ 两软骨之间的接触状态与上述情况有些许不同,因为髋关节中滑膜液存在于髋骨软骨与股骨软骨之间,其摩擦因数甚至可以忽略不计,故股骨软骨与髋骨软骨为无摩擦接触 [19] 。
腰椎L1上表面均匀施加340 N均布轴向载荷,施加的力约为体重2/3,同时在腰椎L1上表面施加10 N/m力矩,分别模拟人体前屈、后伸、侧弯、扭转4种状态,在腰椎L5底部施加固定约束。将设置好的模型在ANASYS Workbench 2021 R1中仿真模拟,并测量其在每种状态下的关节活动度(range of motion,ROM)。将实验数据与参考文献数据进行对比,验证模型有效性 [20] 。结果显示,在340 N均布载荷和10 N·m力矩下,腰椎L4～5在前屈、后伸、侧弯、扭转下ROM分别为4.67°、2.8°、3.47°、1.86°,在既往文献[21-24]的参考范围内(见 图2 )。
通过模拟双腿站立时骨盆受力分布来验证骨盆模型有效性。在骶骨上方施加600 N轴向载荷 [25] 。在骨盆两侧髋臼处施加固定约束,仿真后得到骨盆的位移与应力分布[见 图3 (a)、(b)]。
依据参考文献[26],选取骨盆上9个测量点[见 图3 (c)]来测量验证应力和变化趋势 [26] 。与文献[26]中对比的结果表明,两者应力分布趋势基本一样,在测量点5和7上稍有差别,但是应力都是集中在骶髂关节、坐骨大切迹、髋臼和耻骨上支处(见 表4 )。
本文重点关注在患病侧的髋关节与腰椎,慢走步态包含脚跟落地相、开始单腿支撑相、单腿支撑中期相、单腿支撑结束相、双腿支撑相5个相位。当病人以平躺姿态拍摄CT数据,其形态符合单腿支撑中期相,故使用慢走步态下的单腿支撑中期相。设置力为体重的2.38倍,位置在股骨头上 [27] 。在股骨远端采用仅允许 Z 轴方向移动的远程位移。在右髋骨的耻骨上支处行固定约束,同时在腰椎L1上表面施加固定约束。
结果显示,DDH术前,患者1～4腰椎L1应力分别为48、56、57、37 MPa,L2应力分别为20、33、45、24 MPa,L3应力分别为17、46、26、35 MPa,L4应力分别为32、30、42、25 MPa,L5应力分别为28、76、42、39 MPa,股骨颈应力分别为69、73、65、98 MPa,髓核与纤维环应力分别为4.4、2.5、6.5、2.7 MPa。DDH术后,患者1～4腰椎L1应力分别为17、28、37、24 MPa,L2应力分别为10、22、19、17 MPa,L3应力分别为10、20、16、23 MPa,L4应力分别为15、26、27、19 MPa,L5应力分别为17、39、20、27 MPa,股骨颈应力分别为29、38、37、26 MPa,髓核与纤维环应力分别为2.1、2.0、2.8、2.2 MPa(见 图4 )。健康者腰椎L1～L5、股骨颈、髓核与纤维环应力分别为34、20、18、21、28、28、1.5 MPa(见 图5 )。健康志愿者腰椎L1～5、股骨颈、髓核与纤维环von Mises应力与患者1～4术后von Mises应力相近,表明患者进行弧形髋臼截骨术后基本恢复到了健康志愿者的水准。本文认为,DDH患者在弧形髋臼截骨术后腰椎应力明显减小,股骨颈应力大幅度降低。
本文发现,患者术后纤维环应力相较于术前大幅度降低。同时,DDH患者术前纤维环应力集中,在L5～S1处纤维环的应力集中最为明显,但是术后纤维环应力分布较为均匀,不再出现明显的应力集中现象(见 图6 )。
图6 DDH患者手术前后纤维环与髓核应力云图和患者3术前腰椎L3应力云图
综上所述,DDH患者手术前后腰椎应力会发生较大变化。本文认为,DDH会增大腰椎负担,造成腰椎不正常受力,而且会对纤维环产生较为严重的应力集中,降低纤维环寿命。弧形髋臼截骨术在很大程度上能降低由髋臼发育不良造成的腰椎不正常受力。
人体结构是一个整体,股骨-骨盆-腰椎要相互协调共同维持身体的平衡。在髋关节患病时,人体下意识通过骨盆倾斜来缓解其疼痛,但会引起腰椎曲度的失衡,同时腰椎患病,也会通过骨盆代偿机制影响髋关节。这一相互影响定义为髋腰综合征 [28-29] 。由于目前缺乏体外研究标本以及针对股骨-骨盆-腰椎这一模型体外测量应力的方法,很难找到这一方面测量数据,甚至有关有限元分析数据也较为稀少。
本文基于逆向工程技术,建立股骨-骨盆-腰椎三维有限元模型,并在模型中添加了骨骼、软骨、韧带等软组织,提高模型的完整程度和精确程度。模型中的材料参数均源自国内外学者严格验证 [11-13] 。通过与前人研究数据对比,分别验证了腰椎、骨盆模型的有效性。本文研究数据也为后续直接验证股骨-骨盆-腰椎模型有效性提供参考。
本文共建立了4组DDH患者手术前后模型,分析结果表明,患者术前腰椎、纤维环与髓核、股骨颈应力明显大于术后模型,其中腰椎L1、L5应力大,L3应力较小,在腰椎中应力分布呈现对称形式。由此可见,患者在日常活动中由于髋腰综合征影响,将髋关节本该承受的应力分给了腰椎,导致腰椎所受应力增大。由 图6 (b)腰椎应力分别可见,腰椎关节突、椎弓板与椎体是主要受力区域,其次是纤维环,由于髋腰综合征导致患者慢走时身体受力不均,纤维环与髓核所受的应力集中较为明显。在弧形髋臼截骨术后,患者纤维环与髓核应力分布明显均匀,患者术后感兴趣区域应力与健康志愿者应力相比相差无几,其中患者2、3术后腰椎L4与股骨颈应力值略高于健康志愿者,其余感兴趣区域正常(见 图5 )。本文认为,针对DDH患者行弧形髋臼截骨术对缓解腰椎受力效果显著。
本研究的局限性如下:① 与实际人体结构相比,本文模型对骨骼采用了皮质骨与松质骨的处理方式,可能会造成一定的偏差。② 由于有限元仿真的工作量大,只使用4位患者CT图像进行有限元研究,样本量较少。③ 只探讨了单一步行速度下手术前后感兴趣部位的应力变化,缺乏不同速度下的应力研究。同时,由于实验室设备的限制,部分特殊运动的受力(如上下楼梯、跑步、弹跳等)暂时难以分析,将在后续的研究中加以完善和补充。
本文通过对比DDH患者行弧形髋臼截骨术前后模型发现,先天性DDH会对腰椎产生不利影响。DDH患者术后腰椎、股骨颈、纤维环与髓核所受应力会大幅降低。DDH患者术后感兴趣区域所受应力与健康志愿者基本相似,弧形髋臼截骨术对降轻DDH患者腰椎受力有显著效果。同时,本文研究数据也可为后续研究者提供股骨-骨盆-腰椎模型的有效性验证依据。
作者贡献声明： 许世森负责数据整理、处理和分析、图表绘制和撰写论文;许平负责选题设计;鲁宁、李文金负责提供论文指导和修改。
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