髋关节发育不良髋臼侧生物力学分析

赵 宇 王金成 赵 昕 曲 辑

(吉林大学第二医院骨科医院，吉林 长春 130041)

髋关节发育不良髋臼侧生物力学分析

赵 宇 王金成 赵 昕 曲 辑

(吉林大学第二医院骨科医院，吉林 长春 130041)

目的 通过三维有限元要素分析髋关节的应力情况。方法 通过骶骨上方设定垂直向下700 N的力量为荷重条件，采用增分法分10步逐渐增加载荷量。通过三维有限元软件MSC.MARC对CE角、VCA角同为15°、10°、0°的骨盆模型的髋关节面的应力进行计算。结果 髋关节CE与VCA角逐渐减小时，关节软骨的有效负重面积也减小，在荷重条件相同条件下，软骨承重部分的接触压应力逐渐增大。结论 对于髋臼发育不良的患者应根据自身情况选择适当的治疗方式。

髋关节；中心边缘角；生物力学；有限元分析

为了提高先天性发育性髋关节发育不良(DDH)患者的生活质量，许多临床医师选择手术干预〔1〕。由于治疗选择时机的不同，对DDH进行手术治疗的难易程度也不尽相同〔2，3〕。因此有必要对患者术前情况进行评估，同时进行周密的术前设计。DDH不仅是髋臼侧方被覆不足，同时也受到髋臼前方被覆的影响〔4〕。因此，对髋臼三维立体结构的评估十分重要，而CT检查则是判断髋臼前方被覆程度的有效手段〔5〕。单纯的X线检查仅在二次元上通过CE角和VCA角对髋臼被覆情况进行评估〔6，7〕，本次实验通过三维有限元要素法对髋臼发育不良髋关节的应力情况进行分析，同时对股骨头的覆盖状态进行研究。

1 材料与方法

采用临床正常的24岁男性的下肢全长CT建立解析模型，CT的层厚为1.25 mm，通过mimics建立三维模型。正常模型，包括骨盆、骶骨、左侧股骨的上半段。模型区分皮质骨、松质骨、软骨、关节唇余。将各个组成部分根据文献〔1，2，4，7，8〕赋予相对应材料系数。对于髋关节发育不良模型的髋臼股骨头覆盖状态，通过X线平片测定CE角及VCA角后，分别建立CE角、VCA角同为15°(图1-b)、10°(图1-c)、0°(图1-d)的骨盆模型。荷重条件根据文献在骶骨上方设定垂直向下700 N的力量，采用增分法分10步逐渐增加载荷量。边界条件方面，本试验在坐骨的前后轴向上约束模型，在股骨远端完全固定。关节面的应力计算通过三维有限元软件MSC.MARC进行，设定髋臼与股骨头为接触面，将上面三个模型分别进行计算。

a.正常;b.CE角15°,VCA角15°;c.CE角10°,VCA角10°;d.CE角0°,VCA角0°

2 结 果

髋臼部分的应力分布如图2所示，正常髋关节模型上，髋臼前外侧缘到髋臼顶部应力分布均匀(图2-a)。髋臼发育不良模型与正常髋关节比较，mises应力值增高，随着CE角、VCA角度的减少，髋臼与股骨头接触界面的应力增加。正常模型与CE角及VCA角分别在15(图2-b)、10(图2-c)、0(图2-d)度模型上，髋臼上缘的应力值呈峰值，分别为17.3 MPa、18.9 MPa、24.6 MPa、35.8 MPa。髋臼发育不良模型的应力特点：CE角15°模型和CE角、VCA角10°模型，髋臼应力集中区域为髋臼前外侧；CE角、VCA角均为0°模型，髋臼应力集中部位则以髋臼后方为中心。

a.正常;b.CE角15°,VCA角15°;c.CE角10°,VCA角10°;d.CE角0°,VCA角0°

3 讨 论

许多人利用多种方法对髋关节进行了深入探讨，由于条件的限制，我们无法采用无损而方便的技术进行测定。有些人通

过建立数学模型分析关节受力，利用传感器、力学敏感胶片等方法对离体髋关节受力进行分析，实践证明这种方法是可行的〔6，9〕。本实验应用三维有限元要素法对髋臼发育不良髋关节的应力情况进行分析。

本研究结果表明当CE与VCA角从正常逐渐减小到0度时，关节软骨的有效负重面积也减小，在荷重条件相同条件下，软骨承重部分的接触压应力增大。当CE角、VCA角减小时，髋臼与股骨头接触面积逐渐减小，髋臼对于股骨头的被覆越来越小，髋关节股骨头向外侧位移，当股骨头侧方位移超出关节接触面积的约束范围时就会发生脱位〔2〕。当髋臼发育不良时，其可改变了髋关节的生物力学结构，以致关节软骨内张力超过组织适应能力，关节软骨变形、萎缩、甚至消失。软骨下骨内有假性囊肿，周围可见骨质增生、骨赘形成，最终发展成关节炎。

先天性发育性髋臼发育不良是引起的髋关节骨性关节炎最常见的原因。对于髋臼发育不良的患者，可根据CE、VCA角确定髋臼对股骨头的被覆程度以及患者自身情况，选择最佳治疗方法〔10，11〕。

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2 张发智.生物力学分析髋臼指数的临床意义〔J〕.中国实用医药学,2008；3(17):46-7.

3 Chosa E,Tajima N.evaluation of acetabular coverage of the femoral head with anterposterior and false profile radiographs of hip joint〔J〕.J Orthop Sci,1997；2：378-90.

4 Li Z,Butala NB.A biomechanical study of periacetabular defect and cement filling〔J〕.J Biomech Eng,2007；129：129-36.

5 Chosa E,Tajima N.Anterior acetabular head index of the hip on false-profile views.New index of anterior acetabular cover〔J〕.J Bone Joint Surg Br,2003；85：826-9.

6 阿 良，吉士俊，范慈方.有限元分析先天性髋关节半脱位及髋臼发育不良的应力变化〔J〕.中华小儿外科杂志,2000；21(6):327-30.

7 Shepherd DE,Seedhom BB.The'instantaneous'compressive modulus of human articular cartilage in joints of the lower limb〔J〕.Rheumatology(Oxford),1999；38：124-32.

8 邬培慧，傅 明.髋臼CE角及关节作用力方向的生物力学研究〔J〕.第三军医大学学报,2011；11(33):42-5.

9 郭 磊.髋臼发育不良的生物力学实验研究〔J〕.中国医科大学学报,2001；30(4):55-6.

10 许 杰.成人髋臼发育不良伴骨关节炎行髋臼结构性植骨重建关节置换术的力学分析〔J〕.中华关节外科杂志(电子版),2014；8(5)：618-23.

11 刘时麟.先天性髋关节脱位手术治疗的术式选择探究.四川省卫生管理干部学院学报,1998；17(2)：30-1.

〔2015-03-19修回〕

(编辑 郭 菁)

王金成(1964-)，男，教授，主任医师，博士导师，主要从事四肢与关节疾病研究。

赵 宇(1981-)，男，在读硕士，主要从事四肢与关节疾病研究。

R68

A

1005-9202(2015)12-3395-02；

10.3969/j.issn.1005-9202.2015.12.099