发育性髋关节发育不良患者不同髋关节外展角度下髋部应力分布的有限元分析

摘要背景：目前对于髋关节发育不良的有限元研究相对较少，髋关节外展角度对髋关节生物力学分布的影响也不明确。目的：应用有限元方法分析不同外展角度下髋关节发育不良患者健侧及患侧的髋关节应力分布，为髋关节发育不良的预防、治疗、康复等提供方案。方法：选取1例左侧髋关节发育不良患者双侧髋关节CT薄层扫描数据，利用Mimics软件建立髋关节模型，Geomagic Wrap软件完成实体化，Solidworks软件进行皮质骨与松质骨的装配，然后应用Ansys Workbench软件加载关节负荷，分析不同外展角度下单足着地条件下髋关节应力分布情况。结果与结论：①该研究所建模型与实际情况相符合，随着髋关节外展角度增加，正常髋关节的股骨颈最大应力值逐渐增大，且一直位于股骨颈内侧，当健侧髋关节外展为15°时股骨头最大应力值最小，当髋关节外展20°时髋臼上方最大应力值最小；②发育性髋关节发育不良患者患侧髋最大应力值一直位于髋臼上方，且当髋关节外展为25°时，髋臼最大应力值最小，当髋关节外展20°时，股骨头最大应力值最小，当髋关节外展0°时，股骨颈部最大应力值最小，且位于股骨颈后方，随着髋关节外展角度增大，股骨颈最大应力点逐渐向股骨颈内下侧移动。

实验方法

1.有限元模型的构建 CT 扫描时患者仰卧于扫描床中央，双下肢处于中立位，髋关节处于扫描视野中心。参数设置：层厚 1.0 mm，像素 512×512，以 DICOM 格式保存。将DICOM 格式的图像数据导入 Mimics 软件后，软件会自动识别数据格式并加载到系统中，获得髋关节冠状位、水平位、矢状位窗位。通过基本阈值分割、自动区域增长、手动编辑、布尔运算等操作过程，可建立不同的蒙板。经过分割、修复后，选择蒙板编辑工具修补、填充蒙版并删除多余部分。在二维图像满足要求后，重建髋关节三维模型，并以 STL 格式导出。处理结果如图 1 所示。

由于提取过程中可能存在不当人工操作和 CT 数据精度差异等因素，可能会影响后续有限元网格的划分及力学分析，遂将骨骼三维模型以 STL 格式导入 Geomagic wrap 软件中重画网格，使用“网格医生”命令对模型进行预处理。修复不规则的几何曲面，通过删除钉状物、松弛曲面、填补漏洞等操作来光滑曲面。其次，通过“减少噪音”“快速光顺”等命令，使模型更加光顺，减少模型问题引起分析结果不收敛的可能性。骨分为皮质骨和松质骨，皮质骨分布于骨表层，若要在后续生成松质骨，需对模型进行缩小偏移，该研究对髋部骨骼进行 1 mm 厚皮质骨建模，其余为松质骨。故该研究采用 Geomagic wrap 软件的“偏移 / 整体偏移”命令，将骨骼模型向内整体偏移 1 mm，使模型整体缩小，为松质骨的构建做前期准备。接下来使用“精确曲面”命令对模型进行自动曲面化、构造曲面片及曲面片修理。“精确曲面”命令可将多边形模型转换为精确曲面模型。通过“格栅修复”命令来修复带有偏差的格栅图，修复后在 Geomagic wrap 软件中构建 NURBS 曲面，然后拟合曲面，完成骨骼模型的实体化后，以 STP 的格式导出并保存。处理结果如图 2 所示。将 Geomagic wrap 软件生成的 STP 文件导入到 Solidworks 软件中进行密封检查，通过软件的“移动 / 复 制实体”及“组 合”命令对皮质骨与松质骨进行组合装配，然后进行皮质骨与松质骨、健侧与患侧髋关节的原位装配，干涉检查后以 XT 格式导出并保存。处理结果如图 3。

2. 设置边界条件及负载 模拟单足站立姿势下髋关节外展 0°，5°，10°，15°，20°，25°，30° 等 7 个体 位进行力学分析。力的载荷采用将髋关节负载以合力的方式 ( 与纵轴成 16° 且通过股骨头中心 ) 施加于股骨头与髋臼的接触区域内 [13]。单足站立状态下，由于髋关节承受的负荷约为体质量的 81%[14]，所以施加载荷的大小为患者体质量的 81%，为486 N，股骨远端固定，髋骨远端各节点在 X、Y 和 Z 轴上的位移均为 0，耻骨联合在 X、Y 和 Z 轴上的位移均为 0。 

3. 应力计算分析 将各组模型导入 ANSYS 软件中，设置材料属性 ( 皮质骨弹性模量为 17 000 MPa，泊松比为 0.3；松质骨弹性模量为 1 000 MPa，泊松比为 0.3)[10]。导入设定的边界条件，对三维有限元模型进行力学分析，计算各组模型应力分布情况。 

4. 髋关节模型可靠性验证 该研究对单腿站立工况下髋关节有限元模型进行了应力分析，从健侧髋关节直立位的应力分布云图看出，整个髋骨中臼部处应力最大，此处骨质厚，为主要负重区，见图 4。在股骨近端，股骨头、股骨颈的内侧区域应力分布较为集中，说明此处为股骨的主要负重区。由此可以说明应力分析结果较合理。另外，该研究有限元模型模拟加载负荷，力学分析结果与既往研究结果无明显差异 [14-15]，表明该研究构建的髋关节有限元模型有效，可进行应力分析。

结果 

该研究构建了不同外展角度下髋关节三维有限元模型，形象直观、仿真度高，能从各个面观察，且可编辑性强，能导入到其他软件及应用中进行相应操作。由 ANSYS 软件分析得出不同外展角度下双髋各部位 VonMises 峰值，见表 1，不同外展角度下右髋部应力分布云图，见图 5，不同外展角度下左髋部应力分布云图，见图 6。不同外展角度下双髋各部位 Von Mises 峰值变化，见图 7。随着髋关节外展角度增加，正常髋关节股骨颈最大应力值逐渐增大，且一直位于股骨颈内侧，当健侧髋关节外展 15° 时股骨头 Von Mises 峰值最小，为 1.642 7 MPa，当髋关节外展 20°时髋臼上方 Von Mises 峰值最小，为 5.269 7 MPa。而 DDH 患者患侧髋部最大应力值一直位于髋臼上方，且当外展为 25°时，髋臼 Von Mises 峰值最小，为 7.475 9 MPa，当髋关节外展 20° 时，股骨头 Von Mises 峰值最小，为 4.135 3 MPa，当髋关节外展 0° 时， 股 骨 颈 Von Mises 峰 值 最 小， 为0.684 3 MPa，且位于股骨颈后方，随着髋关节外展角度增大，股骨颈最大应力点逐渐向股骨颈内下方移动。

参考文献：略

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