髖股撞擊征的影像學(xué)及生物力學(xué)三維有限元研究.pdf

1、課題背景:原發(fā)性髖骨性關(guān)節(jié)炎(Osteoarthritis,OA)多見于老年人,傳統(tǒng)發(fā)病機(jī)制強(qiáng)調(diào)向上過重負(fù)荷,髖關(guān)節(jié)軟骨因應(yīng)力積累數(shù)十年發(fā)生退變,最終導(dǎo)致OA。但臨床上部分年輕人出現(xiàn)的髖關(guān)節(jié)OA癥狀,用傳統(tǒng)機(jī)制難以解釋。對于這一現(xiàn)象,Stulberg和Murrav等最早提出了髖關(guān)節(jié)形態(tài)學(xué)異常的理論。隨后,Ganz等根據(jù)臨床及影像學(xué)研究提出了髖股撞擊征(femoroacetabular impingement,FAI)的概念,認(rèn)為這可能是

2、導(dǎo)致年輕患者出現(xiàn)OA表現(xiàn)的原因,并基于解剖異常的不同,將其分為三種類型:凸輪撞擊(Cam)型、鉗夾撞擊(Pincer)型及混合型撞擊。上述類型的撞擊將造成髖關(guān)節(jié)軟骨及盂唇的損傷、退變,出現(xiàn)髖痛癥狀并最終可能引起OA。近年對于FAI的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),FAI患者均會(huì)不同程度出現(xiàn)關(guān)節(jié)軟骨和(或)盂唇的損傷。Ganz等在其回顧髖關(guān)節(jié)鏡探查存在盂唇撕裂(特別是髖臼前上區(qū)域)的患者中,盡管一些患者有明確髖關(guān)節(jié)創(chuàng)傷病史,但幾乎所有均符合FAI的影像學(xué)表

3、現(xiàn),所以Ganz等認(rèn)為FAI是造成盂唇撕裂的主要原因。由于大部分FAI患者無明確外傷病史,表明上述髖臼軟骨及盂唇的損傷與患者日?；顒?dòng)有關(guān)。既往研究表明,力學(xué)環(huán)境是軟骨損傷、退變的決定因素,而Genda及Mavcic等的研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),髖關(guān)節(jié)軟骨損傷與局部壓應(yīng)力水平有關(guān)而與髖關(guān)節(jié)總體負(fù)荷無直接關(guān)系。盡管FAI可能由于其在不同髖關(guān)節(jié)活動(dòng)狀態(tài)下因?yàn)轶y臼和股骨頭頸部形態(tài)改變,引起局部應(yīng)力變化并最終導(dǎo)致軟骨和/或盂唇損傷的假設(shè),得到FAI的病變特

4、點(diǎn)及臨床治療有效性的間接支持,但目前缺乏直接支持的研究。所以,明確正常和不同類型FAI(Cam型、Pincer型及混合型)患者髖關(guān)節(jié)盂唇、軟骨在不同日常活動(dòng)(行走,靜止單、雙足站立,上、下樓和坐下、起立)下應(yīng)力分布狀況,將為我們提供FAI患者上述結(jié)構(gòu)損傷的直接力學(xué)依據(jù),并證明FAI軟骨及盂唇在不同日?；顒?dòng)中的應(yīng)力負(fù)荷變化,從而進(jìn)一步推測其與髖關(guān)節(jié)退變的關(guān)系。同時(shí),一些研究也證實(shí),在一些早期階段的FAI病例僅存在髖臼軟骨損傷而沒有盂唇的撕

5、裂,但目前仍無直接證據(jù)確定盂唇損傷和關(guān)節(jié)軟骨損傷的關(guān)系,是彼此存在前因后果的因素,還是獨(dú)自因?yàn)榻馄蕦W(xué)異常引起不同活動(dòng)下應(yīng)力變化引起的,明確軟骨和盂唇在不同日?；顒?dòng)下的應(yīng)力分布,將有助于我們根據(jù)不同活動(dòng)狀態(tài)下盂唇及關(guān)節(jié)軟骨各自的應(yīng)力分布推測盂唇和軟骨損傷的關(guān)系。
　　 髖原發(fā)性O(shè)A在歐美是髖關(guān)節(jié)置換最主要的病因之一,大大超過股骨頭壞死等疾病的置換比例。盡管國內(nèi)一些文獻(xiàn)認(rèn)為國內(nèi)原發(fā)性髖關(guān)節(jié)OA發(fā)病率較低,但仍然缺乏大規(guī)模的人群流行病

6、學(xué)調(diào)查。同時(shí)目前國內(nèi)也缺乏關(guān)于FAI發(fā)病情況的相關(guān)研究,國內(nèi)絕大部分醫(yī)院仍然沒有確立FAI的影像學(xué)診斷,但是否存在符合FAI影像學(xué)及臨床表現(xiàn)患者,目前并無文獻(xiàn)報(bào)道。
　　 研究目的:
　　 1.針對目前國內(nèi)絕大部分醫(yī)院仍然沒有確立FAI的影像學(xué)診斷的現(xiàn)狀,對因髖痛行骨盆AP位片的患者進(jìn)行FAI診斷的相關(guān)影像學(xué)分析(α角、“8”字征及1/2Ra和1/1Ra測量),以明確這類患者中FAI的流行病學(xué)情況,推測FAI引起髖痛的可

7、能性及其臨床意義。同時(shí),比較Cam型FAI組及對非FAI組的α角、1/2Ra和1/1Ra,以明確其對于國人FAI診斷的準(zhǔn)確性及特異性。
　　 2.鑒于力學(xué)環(huán)境對髖關(guān)節(jié)軟骨退變起關(guān)鍵作用,而目前缺乏FAI髖關(guān)節(jié)軟骨、盂唇不同日?；顒?dòng)下的應(yīng)力分布研究,本研究擬利用可視化人體數(shù)據(jù)庫集,采用三維有限元的方法,建立包含骨、軟骨及盂唇結(jié)構(gòu)的正常髖關(guān)節(jié)及不同類型FAI三維有限元模型,通過模擬行走,單、雙腿站立,坐下、起立和上、下樓等不同日?；?/p>

8、動(dòng)力學(xué)加載條件,觀察髖關(guān)節(jié)軟骨及盂唇的應(yīng)力分布,以尋找FAI上述結(jié)構(gòu)損傷的直接力學(xué)依據(jù),并探討FAI不同日常活動(dòng)狀態(tài)下盂唇及軟骨損傷的風(fēng)險(xiǎn),進(jìn)而推測其與髖關(guān)節(jié)退變的關(guān)系。
　　 主要研究內(nèi)容及方法:
　　 1.X線“陰性”髖痛患者FAI的影像學(xué)研究。
　　 X線“陰性”髖痛患者符合FAI診斷患者的臨床流行病學(xué)分析:統(tǒng)計(jì)不同類型FAI在不同部位、性別及年齡段的發(fā)生率并比較。同時(shí),比較FAI陽性及陰性組患者的α角、1

9、/2Ra及1/1Ra。FAI診斷標(biāo)準(zhǔn):Cam型FAI:α角＞55°;Pincer型FAI:“8”字征陽性。
　　 2.正常及FAI髖關(guān)節(jié)三維有限元模型構(gòu)建及應(yīng)力分析。
　　 應(yīng)用逆向工程技術(shù)構(gòu)建正常髖關(guān)節(jié)及FAI三維有限元模型,利用有限元力學(xué)ABAQUS系統(tǒng),分析髖關(guān)節(jié)軟骨和盂唇的應(yīng)力分布。
　　 基于中國可視人數(shù)據(jù)集正常及FAI髖關(guān)節(jié)三維實(shí)體模型的構(gòu)建:獲取可視化人體數(shù)據(jù)庫中完整髖關(guān)節(jié)及骨盆圖像,導(dǎo)入AutoC

10、AD2004后,準(zhǔn)確進(jìn)行骨、軟骨及盂唇的輪廓提取,導(dǎo)出AutoCAD輪廓文件。在正常髖關(guān)節(jié)輪廓文件中,根據(jù)設(shè)定提取FAI的Cam及Pincer型輪廓曲線并保存。按可視化人體數(shù)據(jù)庫圖像縱軸間距確定圖像Z軸,導(dǎo)入Solidwork中逐一精細(xì)添加引導(dǎo)線,準(zhǔn)確構(gòu)建正常及FAI不同類型三維實(shí)體模型,以Solidworks part文件導(dǎo)出上述三維實(shí)體模型。
　　 正常髖關(guān)節(jié)及FAI三維有限元模型構(gòu)建與應(yīng)力分析:將上述三維實(shí)體模型導(dǎo)入ABA

11、QUS分析軟件中,確定骨、軟骨及盂唇材料屬性,修飾尖銳邊緣后對不同實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分完畢的實(shí)體定義相對空間位置予以組裝,定義接觸條件為非線性有摩擦接觸(摩擦系數(shù)為0.001罰函數(shù)摩擦)。按照文獻(xiàn)測定的行走,單、雙腿站立,坐下、起立和上、下樓等不同日?；顒?dòng)力學(xué)加載條件后,計(jì)算分析不同加載條件下髖關(guān)節(jié)軟骨及盂唇的應(yīng)力分布。
　　 結(jié)果:
　　 1.1128例患者骨盆前后位X線符合納入標(biāo)準(zhǔn)269例,均表現(xiàn)單髖痛,其中男

12、121例,女148例。影像學(xué)診斷符合FAI42例(15.6％),男、女性分別為27例(22.3％)和15例(10.1％)兩者差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p＜0.05)。Cam型與Pincer型和混合型比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p＜0.05)。Α角測量:Cam型FAI組為86.3°±16.7°;非FAI組為46.3°±4.1°,兩組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)。1/2Ra和1/1Ra:Cam型FAI組分別為1.02±0.04和0.74±0.06;

13、非FAI組分別為0.86±0.03和0.69±0.05。Α角及1/2Ra在Cam型FAI組和非FAI組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05),而1/1Ra在兩組間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05)。
　　 2.利用中國可視化人體數(shù)據(jù)集,通過平滑實(shí)體相減構(gòu)建法,準(zhǔn)確構(gòu)建出包含髖關(guān)節(jié)骨、軟骨及盂唇完整結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體及有限元應(yīng)力分析模型。
　　 3.模擬完整步態(tài)周期及單、雙腿交替站立過程中,不同F(xiàn)AI髖關(guān)節(jié)在髖臼、股骨頭軟骨的Von

14、 Mises應(yīng)力分布與正常髖關(guān)節(jié)接近,無明顯過度集中區(qū)域,盂唇部位無應(yīng)力集中。
　　 4.上、下樓加載中,不同F(xiàn)AI髖關(guān)節(jié)在模擬合力峰值及下樓最大屈髖位加載時(shí),髖臼、股骨頭軟骨的Von Mises應(yīng)力分布與正常髖關(guān)節(jié)接近,盂唇部位無應(yīng)力集中。Cam型及混合型FAI髖關(guān)節(jié)上樓最大屈髖位時(shí)盂唇外上緣部位出現(xiàn)應(yīng)力集中分布區(qū)域,峰值Cam型為1.61Mpa,混合型為1.92Mpa,兩者對應(yīng)的髖臼軟骨應(yīng)力峰值分別為2.77Mpa和2.88

15、Mpa。
　　 5.坐下、起立加載中,Pincer型、Cam型及混合型FAI髖關(guān)節(jié)在模擬合力峰值加載時(shí),髖臼、股骨頭軟骨的Von Mises應(yīng)力分布與正常髖關(guān)節(jié)接近,盂唇部位無應(yīng)力集中分布。但在最大屈髖位加載條件下,髖臼軟骨應(yīng)力分布明顯減小,應(yīng)力主要集中在前側(cè)及外側(cè)盂唇,其峰值(坐下和起立相)分別為:Pincer型峰值為3.33Mpa和3.74Mpa,Cam型為3.5Mpa和4.0Mpa,混合型為5.77Mpa和6.20Mpa。

16、Pincer型及混合型FAI股骨頭軟骨應(yīng)力集中于前部較小區(qū)域。Cam型則應(yīng)力集中于前側(cè)增生部位,范圍與頭頸聯(lián)合部增生位置接近一致。
　　 結(jié)論:
　　 1.FAI在X線“陰性”髖痛患者的高發(fā)病率,表明其作為髖痛的可能原因,具有不可忽略的臨床意義。鑒于α角和1/2Ra在Cam型FAI組和非FAI組間的差異,提示除α角外,1/2Ra可以作為診斷Cam型FAI的特異參數(shù)。
　　 2.利用中國可視化人體數(shù)據(jù)集,通過平滑實(shí)

17、體相減構(gòu)建法,能準(zhǔn)確構(gòu)建包含髖關(guān)節(jié)完整結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體及有限元應(yīng)力分析模型,并避免了其它構(gòu)建方法無盂唇結(jié)構(gòu)的缺陷。
　　 3.正常行走及單、雙腿站立及下樓活動(dòng)中,不同F(xiàn)AI髖關(guān)節(jié)的應(yīng)力分布和正常髖關(guān)節(jié)接近。上樓最大屈髖位時(shí),Cam型及混合型FAI髖關(guān)節(jié)的盂唇外上緣部位出現(xiàn)應(yīng)力集中分布區(qū)域,但并非應(yīng)力主要集中區(qū)域。
　　 4.坐下、起立最大屈髖位時(shí),三種FAI髖關(guān)節(jié)髖臼應(yīng)力主要集中分布區(qū)域均位于前側(cè)及外側(cè)盂唇,尤其混合型,髖