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通过腰椎生物力学变化对弧形髋臼截骨术进行术前规划
许世森 1 , 鲁宁 2 , 许平 1 , 李文金 2

《医用生物力学》 2025年 41卷 第1期 010
中图分类号:R 318.01
全文 图表 参考文献 作者 出版信息
摘要
关键词
1 材料与方法
1.1 研究对象
1.2 三维几何方法建立
1.3 接触关系设置
1.4 边界条件与载荷
2 结果
3 讨论
3.1 有限元模型验证
3.2 有限元结果分析
3.3 局限性
4 结论

摘要

目的 研究患者在慢走步态中单腿支撑中期相的受力环境下L1~5、纤维环与髓核的应力分布情况,确定弧形髋臼截骨术中截骨块的最佳矫正角度,为临床手术提供个体化方案。方法 利用CT扫描获取患者及健康志愿者股骨-骨盆-腰椎DICOM数据,构建三维有限元模型。利用建模软件划分出皮质骨、松质骨以及软骨,利用仿真软件对模型进行有限元分析。患者外侧中心边缘角(lateral center edge angle,LCEA)和前方中心边缘角(anterior center edge angle, ACEA)均为15°,通过计算机模拟手术截骨过程,分别得到LCEA=15°、25°、35°、45°以及ACEA=15°、25°、35°、45°共计16组模型。对比分析模型感兴趣区域应力差异,同时与患者术前、健康志愿者对比,得出最佳手术方案。结果 腰椎所受应力随着LCEA和ACEA角度增大而减小,其中LCEA=35°、ACEA=35°模型L1~5、髓核与纤维环所受应力最小,之后所受应力随着角度增加而增加。结论 利用有限元方法可以得到LCEA与ACEA的最佳矫正角度,本文方法对不同患者提高弧形髋臼截骨术手术精准度和手术效率具有重要意义。

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 术前规划

髋关节发育不良(development dysplasia of hip,DDH)是青少年及成年人常见的一种骨科疾病,因髋关节异常发育,使股骨头和髋臼接触区域发生改变,导致髋关节病理性关节负重、关节磨损与退行性变 。髋关节和腰椎退变发生率随年龄增加而增长,两者互为因果,骨盆病理性病变会让患者下意识通过腰椎代偿来减轻疼痛,长久以往会伤害腰椎健康,同样腰椎病理性病变也会影响到骶髂和髋关节,这种现象称为髋腰综合征 。Newell等 研究髋腰综合征的发病机制,但其建模中只有腰椎-骶骨模型,没有考虑DDH患者髂骨等关节。刘慧等 分析了腰椎椎间盘退变合并骶髂关节紊乱的生物力学特性,同样该研究的建模也缺少髂骨等关节。
Bernese髋臼周围截骨术作为治疗DDH患者手术的常见术式之一,通过调整截骨块外侧中心边缘角(lateral center edge angle,LCEA)和前方中心边缘角(anterior center edge angle,ACEA)达到股骨头的覆盖率,缓解受力不均 。但Bernese截骨线是直线,对后续的植骨需求大,且可调整的角度范围小,经Natio等 改良后截骨线变为弧形,解决了上述困扰,提高了手术成功率。弧形髋臼截骨术(curved periacetabular osteotomy,CPO)的难点在于所截髋臼块的重定位 。近年来,已有学者利用有限元分析对CPO进行手术规划 ,本文主要研究先天性DDH对腰椎的影响,通过腰椎的一系列生物力学变化来指导CPO手术,利用手术缓解患者髋臼疼痛与腰椎长期代偿导致的疾病,并探求患者髋臼的最佳矫正角度,为临床手术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究对象

选取健康志愿者1名,女性,年龄25岁,身高162 cm,体质量51 kg,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(LCEA=40°,ACEA=38°)。DDH患者1名,女性,年龄15岁,身高175 cm,体质量58 kg,经X线检查诊断为右侧DDH(LCEA=15°、ACEA=15°)。两位受试者对该实验知情,并签署同意书。采用64排螺旋CT机,从健康志愿者和患者腰椎L1到股骨部分沿轴向进行连续扫描,层厚为2 mm。将得到的DICOM数据供后续建模、仿真使用。

1.2 三维几何方法建立

将DICOM数据导入Mimics 21.0中,通过调整灰度值范围将骨头完整重建,然后通过填充、裁剪、分割,将各个腰椎、骶骨、髂骨、股骨分割开来。在Geomagic Warp 2021中,使用松弛、删除钉状物、减少噪声等功能,将模型表面处理光滑。使用整体偏移2 mm作为皮质骨。在SolidWorks 2022中通过拉伸命令,将纤维环、髓核、终板、股骨软骨、耻骨联合、髋臼软骨等所有软骨建出 [9-10] 。终板厚度为1 mm,髓核占椎间盘体积的40%。在ANSYS Workbench 2021 R1中,网格划分采用四面体网格,材料的赋值见 表1 。全局采用四面体网格C3D4划分,通过弹簧单元代替韧带,韧带、弹簧刚度设置见 表2
表1 模型相关材料参数
表2 模型相关韧带和肌肉材料参数
经测量,患者LCEA与ACEA均为15°,在计算机中对患侧模拟PAO,使游离的髋臼块以股骨头中心为旋转原点进行旋转。 图1 所示为计算机模拟PAO截骨结果。经过旋转,分别得到LCEA=15°、25°、35°、45°以及ACEA=15°、25°、35°、45°共计16组模型。
图1 CPO术后模型

1.3 接触关系设置

仿照人体骨骼结构关系设置接触关系。其中,腰椎关节突软骨与下方的腰椎为绑定接触,与上方的腰椎为不分离接触关系。耻骨联合与右髋骨为不分离接触,与左髋骨为绑定接触。骶髂关节与左、右髋骨为不分离接触,与骶骨为绑定接触。股骨软骨与髋骨软骨为无摩擦接触。其余接触均为绑定接触。

1.4 边界条件与载荷

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 。采用全局坐标系, X 轴正向为人体冠状面上髋关节的内侧方向, Y 轴正向为人体冠状面上髋关节的后侧方向, Z 轴正向为人体冠状面上髋关节的上方方向,DDH患者 X Y Z 轴受力分别为680、100、1 200 N,健康志愿者 X Y Z 轴受力分别600、100、1 050 N,施加力的位置均在股骨头 。股骨远端采用远程位移,除 Z 轴方向移动不约束,其余方向自由度均约束。左髋骨耻骨上支处行固定约束;腰椎L1上表面施加固定约束。模型结构、边界条件、载荷如 图2 所示。
图2 模型结构、边界条件与载荷示意图

2 结果

因为纤维环与髓核个体变化不明显,本文将腰椎中5个纤维环与髓核看作一个整体进行分析对比。利用仿真软件对预先构建的16组模型模拟仿真。结果显示,术前LCEA=15°、ACEA=15°模型,L1~5、纤维环与髓核von Mises应力分别为65.0、36.0、21.0、23.0、33.0、4.9 MPa。术后LCEA=35°、ACEA=35°模型,L1~5、纤维环与髓核von Mises应力分别为43.9、29.0、16.4、19.6、22.0、3.8 MPa。术后LCEA=15°、ACEA=45°模型,L1~5、纤维环与髓核von Mises应力分别为52.0、30.8、17.6、19.6、35.9、3.6 MPa。术后LCEA=15°、ACEA=35°模型,L1~5、纤维环与髓核von Mises应力分别为45.9、34.1、17.7、22.5、24.0、4.4 MPa。术后LCEA=15°、ACEA=35°模型相比于LCEA=15°、ACEA=45°模型von Mises应力较大。健康志愿者L1~5、纤维环与髓核von Mises应力分别为40.2、22.4、15.7、21.8、30.2、3.0 MPa(见 图3 )。
图3 弧形髋臼截骨术不同角度下手术模拟结果
同时,本文发现,术后LCEA=35°、ACEA=35°模型的仿真结果相比于健康志愿者结果相差不大,术后患者可以达到正常水准。患者腰椎的受力主要分散在了锥体、上下关节突以及椎弓根上(见 图4 )。
图4 LCEA=35°、ACEA=35°模型腰椎von Mises应力云图
在一定范围内,腰椎所受应力随着LCEA和ACEA的增大而减少,在35°附近为转折点,过了35°后所受应力随着LCEA和ACEA的增大而增大,LCEA=35°、ACEA=35°术后模型感兴趣区域von Mises应力最小,其相对于术前模型所受应力明显减小,且分布更加均匀合理。综合考虑之下,本文认为,CPO术后模拟中,LCEA=35°、ACEA=35°为最佳调整角度,这也是本文提出的指导意见。建议医师可将LCEA、ACEA的角度调整为35°附近,对DDH患者有较好的矫正效果。

3 讨论

本文通过有限元分析正常志愿者和DDH患者腰椎受力情况,对DDH患者行PAO共模拟16种术后模型,并分析其腰椎受力环境的改变,通过对比每组模型腰椎、纤维环与髓核所受von Mises应力、调整角度、植骨需求进行综合考量,最后得到最佳矫正角度。由于目前缺乏尸体实验结果,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实验测量数据,甚至有关有限元分析数据也较为稀少,故本文数据可作为后续研究人员验证股骨-骨盆-腰椎模型有效性的参考。

3.1 有限元模型验证

保证模型精确性和有效性对腰椎应力变化研究至关重要。有限元验证方法有两种:① 将有限元分析结果与尸体实验结果直接对比,② 有限元分析结果与以往文献报道结果对比,本文采用后者的验证方法。利用CT扫描获取到DICOM文件,再通过三维重建软件分别建立正常志愿者和DDH患者股骨-骨盆-腰椎模型。在骨骼模型基础上,添加了相关肌肉和韧带单元,使模型更加完整。利用仿真软件进行有限元分析,结果显示,在模拟的16组术后模型中,在术后LCEA=35°、ACEA=35°模型腰椎所受应力达到最小。在此组模型中,髋臼软骨von Mises应力为6.16 MPa,与张琳琳等 研究结果(5.73 MPa)和Zou等 研究结果(3.59~6.07 MPa)相近,纤维环与髓核von Mises应力为3.8 MPa,与文鹏飞等 研究结果(4.5 MPa)相近。因此,基于上述数据的对比,证明了模型的有效性。

3.2 有限元结果分析

本文发现,在LCEA=15°前提下,ACEA=45°的仿真结果要较好于ACEA=35°。本文推测,手术调整髋臼块的目的本就是扩大股骨头的覆盖率,故角度越大,覆盖的面积也就越大。但过度调整LCEA与ACEA会带来两个问题:① 过度的覆盖可能会导致髋臼撞击 ;② CPO虽经过改良后植骨需求降低,但是过大角度的调整还是需要大量植骨,会增加手术难度,以及给后续患者康复带来较大负担。虽然LCEA=15°、ACEA=45°模型相比于LCEA=15°。ACEA=35°模型所受von Mises应力要小,但差别并不是很明显,然而这不明显的差别所承担的手术风险却很大。术后LCEA=35°、ACEA=35°模型von Mises应力与其他术后模型相比最小,也不会因为需调整角度过大而徒增手术风险,植骨需求适中,不会对后续患者康复造成困扰。综上所述,本文对患者行CPO手术的建议是调整角度为LCEA=35°、ACEA=35°。

3.3 局限性

本研究的局限性如下:① 采用划分皮质骨、松质骨赋值方法,与实际的生物组织存在一定差异;② 只进行静力学分析,在后续研究中会以动力学仿真来完善这一流程。

4 结论

本文通过有限元方法对DDH患者行PAO开展仿真分析,研究患者在慢走步态中单腿支撑中期相的腰椎受力分布情况。结果表明,在LCEA=35°、ACEA=35°时,腰椎等感兴趣区域应力最小,术后效果最佳。但考虑到不同患者存在个体差异,故术前应基于不同患者制定个性化手术方案。本文提出的通过有限元模拟分析为PAO提供术前规划,可以有效提高手术的精度和效率。
致谢: 感谢昆明医科大学第二附属医院屈永臻硕士积极帮助联系相关患者和健康志愿者。
利益冲突声明: 无。
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、李文金提供论文指导和修改。
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