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

1、    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        【摘要】目的 建立构成及形态接近实际的髋关节模型对髋关节进行有限元分析。从力学角度对关节发育、 关节稳定性，骨关节炎等方面进行初步探讨。方法收集714岁正常儿童9例及先天性髋关节半脱位及髋臼发育不良病例16例（男8例，女17例 ）的X线片,建立二维有限元网格,分析各组的生物力学特z点。 结果髋臼合力各组平均值为：正常组210.1?N/cm2；髋关节半脱位组745.4?N/cm2 ；髋臼发育不良组539

2、.6?N/cm2。股骨头合力各组平均值为：正常组218.6?N/c m2；髋关节半脱位组636.5?N/cm2；髋臼发育不良组332.4?N/cm2。各组受 力差异具有统计学意义。正常组受力集中于髋臼顶,其他两组受力集中于髋臼边缘。 结论髋关节结构的改变使关节受力明显增加,关节发育异常,稳定性丧失，最终演变为骨关节炎。【关键词】髋脱位，先天性；髋关节；髋臼； Stress change of congenital subluxation of hip and dysplasia of acetabular by fi nite element analysis ALiang,JI Shijun

3、，FAN 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髋关节作为人

7、体最大的承重关节在跳跃时承受体重5.5倍的负荷,正常行走时承受相当于 人体体重3倍的负荷。髋关节结构的改变将使其生物力学发生异常变化，当髋关节结构改变 时，如先天性髋脱位,致使接触面积减少,持重压力增加,这种生物力学的持久异常，将产生 关节退行性变，最终演变为骨关节炎。有限元计算是将连续的求解区域离散为一组有限个且按一定方式相互连接在一起的组合体 1。作为数值分析的一种方法有限元计算广泛应用于工程学的各个领域。由于它在 复杂物体力学分析方面的优越性，70年代以后逐渐为生物医学所采用。近年来随着计算机功 能的提高以及该项技术的不断成熟，很多人将有限元计算用于髋关节的力学分析，并有人已 通过动物模

8、型、尸体及有限元分析进行比较，验证了该项技术的实用性、科学性。先天性髋脱位及髋臼发育不良的有限元分析目前国内外已有报道。虽然Hiroshi Tsunmucra 等2文献对正常及发育不良的成人髋关节进行三维力学分析，马承宣等3 对正常儿童理想化髋关节进行三维有限元分析，并发现了儿童髋关节拉压力、剪应力、切 应力的特点，但对于儿童先天性髋脱位生物力学有限元分析，目前国内外尚无报道。本实验 旨在通过建立构成及形态接近实际的髋关节模型，并对髋关节进行有限元分析，从力学角度 对关节发育、关节稳定性、骨关节炎等方面进行初步探讨。资料及方法一、 一般资料1. 收集714岁正常儿童9例及先天性髋关节半脱位及髋

9、臼发育不良病例16例,共25例（男8 例，女17例）的X线片。髋臼发育不良或髋关节半脱位诊断标准为髋臼指数(acetabular ind ex简称AI)>39°或Sharp角>50° 。将各例X线平片利用ARcus扫描仪输入计算机，利用Pho toshop软件求得髋臼及股骨近端边缘的二维坐标值。2. 本组患儿体重1852?kg，平均36.3?kg。3. 测全组儿童CE角，AI, Sharp角。二、二维有限元模型的建立将各儿童X线平片坐标值输入Ansys软件，描绘出髋关节边缘轮廓线，股骨头及髋臼间设为软 骨覆盖,建立股骨头、髋臼、软骨二维网格，各部分采用三边或四边

10、形单元，关节间采用接 触单元（1）。1.材料特性骨骼弹性模量1.7E6(1.7E6=1.7×106 ,经离体骨骼生物力学 测试所得)，经Pissonis系列公式计算其比为0.9；软骨弹性模量1?400，Pisson is比0.3。2.结构分析方法采用单腿站立平衡状态下髋关节受力分析,受力方向沿重力作用线从股骨 远端至近端，作用力大小为体重，设髋臼及股骨远端固定为边界条件。3.计算规模平均股骨上端建立517个单元，髋臼363个单元, 接触单元1?721个, 结点 615个。结果各组间体重t检验结果(表1)。经计算机Ansys软件计算,结果见表2。表1各组体重情况（±s）组别例

11、数体 重 (kg)对照组930.2±8.36?髋关节半脱位组827.4±7.20?髋臼发育不良组826.5±5.37?* 各组间比较P>0.051髋关节二维有限元网格结果表明，各组间体重统计学检验差异无显著性意义(P>0.05)，因此排除体重因素 对关节受力的影响。随着髋关节一些参数的改变，关节受力明显增加，正常组臼头合力平均 为218.6?N/cm2、210.1?N/cm2；而在半脱位及髋臼发育不良组臼头合力则分 别为：636.5?N/cm2(股骨头)、745.4?N/cm2(髋臼)； 332.4?N/cm2( 股骨头)、539.6?N/cm2（髋

12、臼），为正常组的3倍及2倍左右，半脱位组较髋臼发育 不良组也有增加，各组统计学分析P<0.01。从结果还发现各组头臼受力接近，从应 力分布看正常髋关节受力均匀，受力面积较大，峰值压力集中于髋臼顶附近，股骨头受力 分布与骨小梁形态分布一致，多与纵行骺板呈垂直角度(2)。病理状态下关节受力面积明 显减少，甚至呈点状而非面状受力，受力区趋向于髋臼边缘，这在半脱位及髋臼发育不良改 变中尤为明显 (3、4)。讨论一、 髋关节有限元模型的建立生物力学作为髋关节研究的主要内容，许多人利用多种方法进行了深入探讨，但由于活体 情况下直接测量关节受力特点，目前尚无一种方便又非损伤的技术，因此对于病理状态下患

13、 儿，关节生物力学规律无法了解。有些人通过建立数学模型分析关节受力，然后利用传 感器、力学敏感胶片、生物力学机等方法对离体髋关节受力进行测量，通过实践证实这种方法是可行的。有限元分析作为数值 分析的一种方法，实验证明其在髋关节生物力学研究中具有一定价值，并在此基础上建立了 一套较成熟的髋关节有限元分析模型，本实验即利用这些模型对先天性髋脱位的生物力学进 行分析。表2各组间应力比较结果（±s ）组别例数髋臼股骨头合力(N/cm2）压应力（N/cm2）合力(N/cm2）压应力（N/cm2）对照组9210.1±17.1?-196.4±18.8218.6±21.

14、3?-231. 8±14.0髋关节半脱位组8745.4±25.7?-771.5±41.2636.5±80.5 ?-673.9±24.7髋臼发育不良组8539.6±10.7?-555.0±11.2332.4±18.9? -346.7±37.6?各组间比较P<0.01， 负值表示作用力方向相反2正常髋关节的受力分布3髋关节半脱位的受力分布4髋臼发育不良的受力分布本组实验采用714岁儿童髋关节，关节受力体基本为骨性成分，由于骨骼在应力作用下形 变较小，可以忽略不计，因此骨骼可以近似为刚体，这样就使髋关节有

15、限元模型的建立及关 节的力学分析更方便、准确。但关节软骨在儿童髋关节功能中发挥重要作用且软骨成分较多 ，因此本实验设定头臼接触区为软骨覆盖，这样建立的有限元模型在形态和材料构成上更接 近于实际髋关节。通过计算结果看，正常儿童髋关节受力平均为，头：218.6?N/cm2 ，臼：210.1?N/cm2，即髋关节能够承受约200?N/cm2的压力,受力分布靠近 髋臼顶部。从分布发现其关节受力峰值以臼顶为中心,承受面积均匀, 类似于Thomas等 4描述的以髋臼顶周围30°为主要受力区，股骨头受力方向与骨小梁走行一致，且 与纵行板成角近似90°。Pauwels5定律也揭示了这一特点

16、。病理状态下髋关节应 力明显增加，达到正常的23倍，受力面积减少，甚至呈点状，趋向于髋臼边缘，这与一些 文献报道的髋关节炎髋臼硬化带的表现是一致的。本实验利用髋关节刚体弹性模型分析其受 力情况，揭示了先天性髋脱位生物力学的特点。二、生物力学对髋关节发育、关节稳定性、骨关节炎的影响头臼同心是关节发育的重要条件，也是先天性髋脱位复位的主要指标，头臼同心，关节接触 面积大，受力均匀，可以刺激髋关节发育。先天性髋关节全脱位，由于失去头臼相互作用， 两者不能正常发育，股骨头变小，髋臼变浅、覆盖面积减少。复位后23年髋臼骨骺骨化中 心出现3说明复位的股骨头对髋臼有刺激作用，股骨头复位对髋臼产生的生物力 学

17、刺激，使髋臼迅速发育，尤以复位后1年内更为明显，其后逐渐缓慢，34年趋于平稳， 这与小儿髋关节发育高峰期相符。先天性髋关节半脱位或髋臼发育不良不能及时得到矫正， 将使头臼承受应力增加，逐渐造成股骨头多种畸形发育，由于髋臼发育依赖于股骨头,髋臼 失去正常发育，AI增加，外侧缘发育差，股骨头覆盖面积减少，髋臼承受应力增加，受力集 中于髋臼外侧缘，长期应力超过正常范围，使髋关节发生退行性变。髋关节病理改变不能及时纠正，髋臼坡度增加，外缘发育异常，不能呈球窝状覆盖股骨头， 使关节受力面积减小，应力增加，受力点倾向于髋臼边缘。An等6通过肘关节有 限元分析提出若关节受力方向脱出了关节正常接触区则关节稳定

18、性将丧失。脱位方向与最大 应力方向一致，髋关节半脱位或髋臼发育不良受力面积明显减小，并集中于关节外侧，关节 形状改变造成关节应力方向改变，当最大应力方向脱出正常接触区，同时周围软组织失去正 常张力，则关节稳定性丧失。Wynarsky和Greenwald等7,8认为关节应力分布主要依赖于关节软骨厚度的变化 ，Carter等9认为关节软骨长期处于高应力状态将造成软骨退行性变，退行性关 节炎病即是软骨基质骨化的后期改变。因此我们可以认为髋脱位患儿关节长期处于高应力状 态，软骨退行性变，逐渐骨化变薄，使关节接触面发生异常改变，关节受力进一步增加， 使松质骨骨小梁塌陷，骨质血供减少，骨坏死形成，X线片上

19、表现为硬化带，若硬化区为纤 维组织取代则形成囊性变，这就是为什么先天性髋脱位不及时治疗髋臼将出现硬化带、囊性 变表现的病理基础，进一步发展将形成骨突、关节内粗糙，运动障碍，持重关节疼痛。本研究通过有限元分析这一先进的研究方法对先天性髋关节半脱位及髋臼发育不良的生物力 学进行初步探讨，揭示了该病的病理生物力学特点。 作者单位：阿良(中国医科大学第二临床学院小儿外科 110003沈阳)吉士俊(中国医科大学第二临床学院小儿外科 110003沈阳)范慈方（东北大学CAD中心）参考文献1，王瑁成， 邵敏. 有限单元法基本原理和数值方法. 第2版. 北京： 清华大学出 版社， 1997.1-2.2，马承宣

20、， 刘贵麟， 房论光， 等. 儿童髋关节表面应力分布状态及与髋臼指数的关系. 中华小儿外科杂志， 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.