基于有限元分析骨盆前后倾斜对髋关节应力的影响

刘彩银，欧阳文辉，黄俊远

（1. 会昌县人民医院功能科，江西 赣州 341000；2. 广州中医药大学第一附属医院，广东 广州 510000）

骨盆前后倾斜是骨盆在人体矢状面上发生的姿态异常，是临床常见的症状［1-2］。但与骨盆前后倾斜有关的研究报道较少，而且大部分报道仅是对相关症状的描述，没有涉及其潜在危害的讨论，因此很容易导致社会对骨盆前后倾斜问题的忽视。骨盆在人体中扮演重要的承上启下角色，无论是静止站立还是行走运动都离不开骨盆对躯体的支撑和对下肢的连接，维持正常骨盆形态有助于保持动静态的身体平衡。骨盆倾斜后不仅会影响外在形象美观，更可能导致不良运动姿势和运动稳定，最终影响整体身体结构的平衡。骨盆和股骨共同组成人体最大的承重关节——髋关节［3］，骨盆姿态的异常变化可能对人体髋关节的应力传导产生影响，而关节应力的改变与关节疾病的发生发展有着密切联系。

本文以真实人体CT数据为基础，构建骨盆前后倾斜模型分析其在髋关节上的应力变化，探讨骨盆前后倾斜对髋关节应力的影响，为临床提供理论指导。

1 对象与方法

1.1 研究对象 33岁健康女性志愿者1名，排除髋部及全身系统性疾病病史。

1.2 数据采集 志愿者平卧位行CT扫描，参数：层距5 mm，层厚0.5 mm。描述范围从髂嵴最高点至小转子下10 cm。扫描完成后生成DICOM 格式数据。

1.3 半骨盆-全髋关节骨性几何模型构建 提取上述CT原始数据导入Mimics 17.0软件进行阈值分割后三维重建，重建内容包括左侧髂骨和股骨上段。重建后模型导入Solidworks 2015 软件系统，根据原点配准方式将左侧髂骨和股骨进行装配（图1A、1B、1C、1D）。

1.4 软骨模型重建 装配后髂骨和股骨模型仅仅包括骨性几何形态，而髋臼和股骨间存在间隙即为软骨区域。根据模型中髋臼软骨面形态构建等距曲面，参考陈凯宁等［4］报道，通过面增长功能，将曲面反向增厚1.2 cm，即为髋臼软骨模型。根据文献报道股骨头软骨分布范围，在股骨头表面软骨区域构建等距曲面，同样通过曲面增长相应厚度，即可获得独立的股骨头软骨。最后将上述髂骨、股骨、髋臼软骨及股骨软骨装配，组成完整的半骨盆-全髋关节模型。

1.5 前后倾斜模型构建 根据自然CT数据重建和装配的模型即为中立位骨盆姿态模型。在Solid‐works 2015 软件系统上，通过矢状剖面视角调整髂骨模型在矢状面上前倾20°及后倾20°，分别构建骨盆前倾20°和骨盆后倾20°模型（图1E）。

图1 半骨盆-全髋关节模型重建及骨盆前后倾斜仿真图

1.6 半骨盆-全髋关节有限元模型构建 将上述3个几何模型及其组件分别导入Abaqus 2019 软件以进行有限元分析前参设定，包括网格划分、材料属性设定［5］（表1）。髋关节软骨接触定义为面面接触，摩擦系数0.015。模拟人体双腿站立位，进行载荷设定：骨盆耻骨联合及骶髂关节处进行约束，参考BROWN T D 等［6］报道将900 N 集中力加载于股骨远端，完成有限元前参设定，求解应力。

表1 有限元模型相关参数属性

1.7 统计学方法 数据采用SPSS 21.0 统计软件进行统计分析，数据采用均数±标准差表示，多组间比较采用单因素方差分析，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结 果

有限元求解完成，提取髋臼及股骨软骨接触面的CPRESS 应力及接触区域，对比不同模型的应力分布结果差异。应力云图显示三组模型的接触应力峰值区域都分布于髋臼表面软骨穹顶部及股骨头软骨表面顶部，符合大体髋关节接触应力分布（图2）。融合应力云图对比分析观察到：骨盆前倾模型应力峰值分布区域较中立位模型向后外侧偏移，骨盆后倾模型应力峰值分布区域则向后前内侧偏移。骨盆前后倾斜后峰值应力区平均应力较中立位增加，差异有统计学意义（P＜0.05）（表2）。

图2 骨盆前后倾斜及中立位模型应力分布云图

表2 各模型峰值区平均接触应力比较

3 讨 论

骨盆姿态异常指人体骨盆相对脊柱和股骨位置关系发生改变，根据人体三轴三面的解剖定义，临床上将骨盆向不同方向的旋转偏移分为：绕矢状轴的骨盆左右倾斜，绕冠状轴的骨盆前后倾斜，以及绕垂直轴骨盆左右旋转［7］。其中骨盆前后倾斜，尤其是骨盆前倾是一种临床较常见的症状以及普遍存在的问题。谷梦云［8］在对北京市一小学200 名学生的健康测试中发现，有57.8%的学生存在不同程度的骨盆前后倾斜的问题，其中多数为骨盆前倾，而冠状面骨盆倾斜占比则为48.0%，说明低龄学生的骨盆姿态问题已经非常普遍。但国内对于骨盆前后倾斜问题却少见报道，且大多只是对现状的浅显描述，未能深入分析现象背后的本质，探究可能的潜在危害，从而更全面地认识骨盆倾斜问题。

骨盆上承脊柱下连股骨，因此骨盆倾斜后，对于整个人体的力学传导均会产生影响。但基于活体或尸体的人体力学的实验研究存在诸多困难［9］，有限元仿真成为一种有效的手段。陈强等［10］通过构建骨盆-髋关节模型，分析了发育性髋关节脱位后股骨头表面应力与前倾角的变化关系。蔡振存等［11］通过构建骨盆-髋关节模型，研究髋关节“人”字型固定在不同角度的力学特征，从而提出更合理的临床固定方案。这些研究都说明有限元仿真研究的可靠性。

本研究基于人体真实CT 数据构建的半骨盆-髋关节模型能够真实地反映人体骨骼结构的几何形态，软骨的逆向重建符合生理设定。有限元的分析结果能够较真实地反映人体内部的力学特性。应力云图显示出髋关节接触应力的分布，这与杨鹏等［12］报道的髋关节分布特征基本一致。对比骨盆前后倾斜模型，骨盆前倾后头臼软骨的接触应力向前后外侧移动，骨盆后倾后接触应力向前内侧移动，二者峰值应力都较中立位增加。应力结果很好地揭示了骨盆前后倾斜后髋关节接触应力的变化特点，明确了骨盆前后倾斜将对髋关节应力产生影响。髋关节应力的增加可能用于解释骨盆前倾后带来的潜在危害。而髋关节接触应力的增加与髋部疾病的发生发展有着密切联系［13-14］。例如股骨头坏死［15］以及髋关节退行性变［16］都被证实是髋部力学改变的结果。而对于青少年儿童，他们正处于骨骼发育的重要阶段，力学刺激是骨骼生长发育的重要因素［17］，但异常应力负载可能最终导致髋关节发育异常，甚至畸形［18］。而骨盆前后倾斜在低龄儿童中却普遍存在。

综上，本研究通过仿真技术构建了骨盆前后倾斜的有限元模型，仿真结果揭示了骨盆前后倾斜对髋关节接触应力的影响，理论上阐明了该问题可能带来的潜在危害，因此临床上必须重视骨盆前后倾斜并采取措施纠正。