有限元分析先天性髖關節(jié)半脫位及髖臼發(fā)育不良的應力變化

1、    有限元分析先天性髖關節(jié)半脫位及髖臼發(fā)育不良的應力變化        【摘要】目的 建立構成及形態(tài)接近實際的髖關節(jié)模型對髖關節(jié)進行有限元分析。從力學角度對關節(jié)發(fā)育、 關節(jié)穩(wěn)定性，骨關節(jié)炎等方面進行初步探討。方法收集714歲正常兒童9例及先天性髖關節(jié)半脫位及髖臼發(fā)育不良病例16例（男8例，女17例 ）的X線片,建立二維有限元網(wǎng)格,分析各組的生物力學特z點。 結果髖臼合力各組平均值為：正常組210.1?N/cm2；髖關節(jié)半脫位組745.4?N/cm2 ；髖臼發(fā)育不良組539

2、.6?N/cm2。股骨頭合力各組平均值為：正常組218.6?N/c m2；髖關節(jié)半脫位組636.5?N/cm2；髖臼發(fā)育不良組332.4?N/cm2。各組受 力差異具有統(tǒng)計學意義。正常組受力集中于髖臼頂,其他兩組受力集中于髖臼邊緣。 結論髖關節(jié)結構的改變使關節(jié)受力明顯增加,關節(jié)發(fā)育異常,穩(wěn)定性喪失，最終演變?yōu)楣顷P節(jié)炎。【關鍵詞】髖脫位，先天性；髖關節(jié)；髖臼； Stress change of congenital subluxation of hip and dysplasia of acetabular by fi nite element analysis ALiang,JI Shijun

3、，F(xiàn)AN Cifang.(Department of Pediatric Surgery,Second Clinical H ospital,China Medical University,Shenyang 110003，China【Abstract】Objective To make a primary mechanic research of the development, articular stability and osteoarthritis on hip models by finite element. MethodsA two-dimension finite eleme

4、nt web of the roentgenographs of 9 normal children and 16 cases of subluxation of congenital hip and dysplasia of acetabulum (8 boy s, 17 girls) were set up to analyze the biomechanical character through compute r calculation. ResultsThe average acetabular stress was 210.1?N/cm2 in normal group, 745

5、.4 ?N/cm2 in subluxation group and 539.6?N/cm2 in acetabular dysplasia group. The average stress on femoral head was 218.6?N/cm2 in normal gr oup, 636.5?N/cm2 in subluxation group and 332.4?N/cm2 in acetabu lar dysplasia group. The results had apparent statistic difference. The stress was focused on

6、 acetabular roof in normal group and on acetabular margin in the others. ConclusionThe osteoarthritis is resulted from changing in structure which leads to s tress increasing, instability and abnormal development of the hip in children.【Key words】Hip dislocation,congenital;Hip joint;Acetabulum髖關節(jié)作為人

7、體最大的承重關節(jié)在跳躍時承受體重5.5倍的負荷,正常行走時承受相當于 人體體重3倍的負荷。髖關節(jié)結構的改變將使其生物力學發(fā)生異常變化，當髖關節(jié)結構改變 時，如先天性髖脫位,致使接觸面積減少,持重壓力增加,這種生物力學的持久異常，將產生 關節(jié)退行性變，最終演變?yōu)楣顷P節(jié)炎。有限元計算是將連續(xù)的求解區(qū)域離散為一組有限個且按一定方式相互連接在一起的組合體 1。作為數(shù)值分析的一種方法有限元計算廣泛應用于工程學的各個領域。由于它在 復雜物體力學分析方面的優(yōu)越性，70年代以后逐漸為生物醫(yī)學所采用。近年來隨著計算機功 能的提高以及該項技術的不斷成熟，很多人將有限元計算用于髖關節(jié)的力學分析，并有人已 通過動物模

8、型、尸體及有限元分析進行比較，驗證了該項技術的實用性、科學性。先天性髖脫位及髖臼發(fā)育不良的有限元分析目前國內外已有報道。雖然Hiroshi Tsunmucra 等2文獻對正常及發(fā)育不良的成人髖關節(jié)進行三維力學分析，馬承宣等3 對正常兒童理想化髖關節(jié)進行三維有限元分析，并發(fā)現(xiàn)了兒童髖關節(jié)拉壓力、剪應力、切 應力的特點，但對于兒童先天性髖脫位生物力學有限元分析，目前國內外尚無報道。本實驗 旨在通過建立構成及形態(tài)接近實際的髖關節(jié)模型，并對髖關節(jié)進行有限元分析，從力學角度 對關節(jié)發(fā)育、關節(jié)穩(wěn)定性、骨關節(jié)炎等方面進行初步探討。資料及方法一、 一般資料1. 收集714歲正常兒童9例及先天性髖關節(jié)半脫位及髖

9、臼發(fā)育不良病例16例,共25例（男8 例，女17例）的X線片。髖臼發(fā)育不良或髖關節(jié)半脫位診斷標準為髖臼指數(shù)(acetabular ind ex簡稱AI)>39°或Sharp角>50° 。將各例X線平片利用ARcus掃描儀輸入計算機，利用Pho toshop軟件求得髖臼及股骨近端邊緣的二維坐標值。2. 本組患兒體重1852?kg，平均36.3?kg。3. 測全組兒童CE角，AI, Sharp角。二、二維有限元模型的建立將各兒童X線平片坐標值輸入Ansys軟件，描繪出髖關節(jié)邊緣輪廓線，股骨頭及髖臼間設為軟 骨覆蓋,建立股骨頭、髖臼、軟骨二維網(wǎng)格，各部分采用三邊或四邊

10、形單元，關節(jié)間采用接 觸單元（1）。1.材料特性骨骼彈性模量1.7E6(1.7E6=1.7×106 ,經離體骨骼生物力學 測試所得)，經Pissonis系列公式計算其比為0.9；軟骨彈性模量1?400，Pisson is比0.3。2.結構分析方法采用單腿站立平衡狀態(tài)下髖關節(jié)受力分析,受力方向沿重力作用線從股骨 遠端至近端，作用力大小為體重，設髖臼及股骨遠端固定為邊界條件。3.計算規(guī)模平均股骨上端建立517個單元，髖臼363個單元, 接觸單元1?721個, 結點 615個。結果各組間體重t檢驗結果(表1)。經計算機Ansys軟件計算,結果見表2。表1各組體重情況（±s）組別例

11、數(shù)體 重 (kg)對照組930.2±8.36?髖關節(jié)半脫位組827.4±7.20?髖臼發(fā)育不良組826.5±5.37?* 各組間比較P>0.051髖關節(jié)二維有限元網(wǎng)格結果表明，各組間體重統(tǒng)計學檢驗差異無顯著性意義(P>0.05)，因此排除體重因素 對關節(jié)受力的影響。隨著髖關節(jié)一些參數(shù)的改變，關節(jié)受力明顯增加，正常組臼頭合力平均 為218.6?N/cm2、210.1?N/cm2；而在半脫位及髖臼發(fā)育不良組臼頭合力則分 別為：636.5?N/cm2(股骨頭)、745.4?N/cm2(髖臼)； 332.4?N/cm2( 股骨頭)、539.6?N/cm2（髖

12、臼），為正常組的3倍及2倍左右，半脫位組較髖臼發(fā)育 不良組也有增加，各組統(tǒng)計學分析P<0.01。從結果還發(fā)現(xiàn)各組頭臼受力接近，從應 力分布看正常髖關節(jié)受力均勻，受力面積較大，峰值壓力集中于髖臼頂附近，股骨頭受力 分布與骨小梁形態(tài)分布一致，多與縱行骺板呈垂直角度(2)。病理狀態(tài)下關節(jié)受力面積明 顯減少，甚至呈點狀而非面狀受力，受力區(qū)趨向于髖臼邊緣，這在半脫位及髖臼發(fā)育不良改 變中尤為明顯 (3、4)。討論一、 髖關節(jié)有限元模型的建立生物力學作為髖關節(jié)研究的主要內容，許多人利用多種方法進行了深入探討，但由于活體 情況下直接測量關節(jié)受力特點，目前尚無一種方便又非損傷的技術，因此對于病理狀態(tài)下患

13、 兒，關節(jié)生物力學規(guī)律無法了解。有些人通過建立數(shù)學模型分析關節(jié)受力，然后利用傳 感器、力學敏感膠片、生物力學機等方法對離體髖關節(jié)受力進行測量，通過實踐證實這種方法是可行的。有限元分析作為數(shù)值 分析的一種方法，實驗證明其在髖關節(jié)生物力學研究中具有一定價值，并在此基礎上建立了 一套較成熟的髖關節(jié)有限元分析模型，本實驗即利用這些模型對先天性髖脫位的生物力學進 行分析。表2各組間應力比較結果（±s ）組別例數(shù)髖臼股骨頭合力(N/cm2）壓應力（N/cm2）合力(N/cm2）壓應力（N/cm2）對照組9210.1±17.1?-196.4±18.8218.6±21.

14、3?-231. 8±14.0髖關節(jié)半脫位組8745.4±25.7?-771.5±41.2636.5±80.5 ?-673.9±24.7髖臼發(fā)育不良組8539.6±10.7?-555.0±11.2332.4±18.9? -346.7±37.6?各組間比較P<0.01， 負值表示作用力方向相反2正常髖關節(jié)的受力分布3髖關節(jié)半脫位的受力分布4髖臼發(fā)育不良的受力分布本組實驗采用714歲兒童髖關節(jié)，關節(jié)受力體基本為骨性成分，由于骨骼在應力作用下形 變較小，可以忽略不計，因此骨骼可以近似為剛體，這樣就使髖關節(jié)有

15、限元模型的建立及關 節(jié)的力學分析更方便、準確。但關節(jié)軟骨在兒童髖關節(jié)功能中發(fā)揮重要作用且軟骨成分較多 ，因此本實驗設定頭臼接觸區(qū)為軟骨覆蓋，這樣建立的有限元模型在形態(tài)和材料構成上更接 近于實際髖關節(jié)。通過計算結果看，正常兒童髖關節(jié)受力平均為，頭：218.6?N/cm2 ，臼：210.1?N/cm2，即髖關節(jié)能夠承受約200?N/cm2的壓力,受力分布靠近 髖臼頂部。從分布發(fā)現(xiàn)其關節(jié)受力峰值以臼頂為中心,承受面積均勻, 類似于Thomas等 4描述的以髖臼頂周圍30°為主要受力區(qū)，股骨頭受力方向與骨小梁走行一致，且 與縱行板成角近似90°。Pauwels5定律也揭示了這一特點

16、。病理狀態(tài)下髖關節(jié)應 力明顯增加，達到正常的23倍，受力面積減少，甚至呈點狀，趨向于髖臼邊緣，這與一些 文獻報道的髖關節(jié)炎髖臼硬化帶的表現(xiàn)是一致的。本實驗利用髖關節(jié)剛體彈性模型分析其受 力情況，揭示了先天性髖脫位生物力學的特點。二、生物力學對髖關節(jié)發(fā)育、關節(jié)穩(wěn)定性、骨關節(jié)炎的影響頭臼同心是關節(jié)發(fā)育的重要條件，也是先天性髖脫位復位的主要指標，頭臼同心，關節(jié)接觸 面積大，受力均勻，可以刺激髖關節(jié)發(fā)育。先天性髖關節(jié)全脫位，由于失去頭臼相互作用， 兩者不能正常發(fā)育，股骨頭變小，髖臼變淺、覆蓋面積減少。復位后23年髖臼骨骺骨化中 心出現(xiàn)3說明復位的股骨頭對髖臼有刺激作用，股骨頭復位對髖臼產生的生物力 學

17、刺激，使髖臼迅速發(fā)育，尤以復位后1年內更為明顯，其后逐漸緩慢，34年趨于平穩(wěn)， 這與小兒髖關節(jié)發(fā)育高峰期相符。先天性髖關節(jié)半脫位或髖臼發(fā)育不良不能及時得到矯正， 將使頭臼承受應力增加，逐漸造成股骨頭多種畸形發(fā)育，由于髖臼發(fā)育依賴于股骨頭,髖臼 失去正常發(fā)育，AI增加，外側緣發(fā)育差，股骨頭覆蓋面積減少，髖臼承受應力增加，受力集 中于髖臼外側緣，長期應力超過正常范圍，使髖關節(jié)發(fā)生退行性變。髖關節(jié)病理改變不能及時糾正，髖臼坡度增加，外緣發(fā)育異常，不能呈球窩狀覆蓋股骨頭， 使關節(jié)受力面積減小，應力增加，受力點傾向于髖臼邊緣。An等6通過肘關節(jié)有 限元分析提出若關節(jié)受力方向脫出了關節(jié)正常接觸區(qū)則關節(jié)穩(wěn)定

18、性將喪失。脫位方向與最大 應力方向一致，髖關節(jié)半脫位或髖臼發(fā)育不良受力面積明顯減小，并集中于關節(jié)外側，關節(jié) 形狀改變造成關節(jié)應力方向改變，當最大應力方向脫出正常接觸區(qū)，同時周圍軟組織失去正 常張力，則關節(jié)穩(wěn)定性喪失。Wynarsky和Greenwald等7,8認為關節(jié)應力分布主要依賴于關節(jié)軟骨厚度的變化 ，Carter等9認為關節(jié)軟骨長期處于高應力狀態(tài)將造成軟骨退行性變，退行性關 節(jié)炎病即是軟骨基質骨化的后期改變。因此我們可以認為髖脫位患兒關節(jié)長期處于高應力狀 態(tài)，軟骨退行性變，逐漸骨化變薄，使關節(jié)接觸面發(fā)生異常改變，關節(jié)受力進一步增加， 使松質骨骨小梁塌陷，骨質血供減少，骨壞死形成，X線片上

19、表現(xiàn)為硬化帶，若硬化區(qū)為纖 維組織取代則形成囊性變，這就是為什么先天性髖脫位不及時治療髖臼將出現(xiàn)硬化帶、囊性 變表現(xiàn)的病理基礎，進一步發(fā)展將形成骨突、關節(jié)內粗糙，運動障礙，持重關節(jié)疼痛。本研究通過有限元分析這一先進的研究方法對先天性髖關節(jié)半脫位及髖臼發(fā)育不良的生物力 學進行初步探討，揭示了該病的病理生物力學特點。 作者單位：阿良(中國醫(yī)科大學第二臨床學院小兒外科 110003沈陽)吉士俊(中國醫(yī)科大學第二臨床學院小兒外科 110003沈陽)范慈方（東北大學CAD中心）參考文獻1，王瑁成， 邵敏. 有限單元法基本原理和數(shù)值方法. 第2版. 北京： 清華大學出 版社， 1997.1-2.2，馬承宣

20、， 劉貴麟， 房論光， 等. 兒童髖關節(jié)表面應力分布狀態(tài)及與髖臼指數(shù)的關系. 中華小兒外科雜志， 1986，7：31.3，Tsumura H,Miura H,Wamoto YI.Three-dimensional pressure distribution of the h uman hip finite element comparsion between normal hips and dysplastic hips.Fuduo ka Acta Med,1998,89(4):109-118.4，Thomas DB, Daniel TS. In vivo contact stress distributions in the natural hum an hip.