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《第三军医大学》 2009年
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髋股撞击征的影像学及生物力学三维有限元研究

陈光兴  
【摘要】: 课题背景:原发性髋骨性关节炎(Osteoarthritis,OA)多见于老年人,传统发病机制强调向上过重负荷,髋关节软骨因应力积累数十年发生退变,最终导致OA。但临床上部分年轻人出现的髋关节OA症状,用传统机制难以解释。对于这一现象,Stulberg和Murray等最早提出了髋关节形态学异常的理论。随后,Ganz等根据临床及影像学研究提出了髋股撞击征( femoroacetabular impingement, FAI)的概念,认为这可能是导致年轻患者出现OA表现的原因,并基于解剖异常的不同,将其分为三种类型:凸轮撞击(Cam)型、钳夹撞击(Pincer)型及混合型撞击。上述类型的撞击将造成髋关节软骨及盂唇的损伤、退变,出现髋痛症状并最终可能引起OA。近年对于FAI的相关研究发现,FAI患者均会不同程度出现关节软骨和(或)盂唇的损伤。Ganz等在其回顾髋关节镜探查存在盂唇撕裂(特别是髋臼前上区域)的患者中,尽管一些患者有明确髋关节创伤病史,但几乎所有均符合FAI的影像学表现,所以Ganz等认为FAI是造成盂唇撕裂的主要原因。由于大部分FAI患者无明确外伤病史,表明上述髋臼软骨及盂唇的损伤与患者日常活动有关。既往研究表明,力学环境是软骨损伤、退变的决定因素,而Genda及Mavcic等的研究进一步发现,髋关节软骨损伤与局部压应力水平有关而与髋关节总体负荷无直接关系。尽管FAI可能由于其在不同髋关节活动状态下因为髋臼和股骨头颈部形态改变,引起局部应力变化并最终导致软骨和/或盂唇损伤的假设,得到FAI的病变特点及临床治疗有效性的间接支持,但目前缺乏直接支持的研究。所以,明确正常和不同类型FAI(Cam型、Pincer型及混合型)患者髋关节盂唇、软骨在不同日常活动(行走,静止单、双足站立,上、下楼和坐下、起立)下应力分布状况,将为我们提供FAI患者上述结构损伤的直接力学依据,并证明FAI软骨及盂唇在不同日常活动中的应力负荷变化,从而进一步推测其与髋关节退变的关系。同时,一些研究也证实,在一些早期阶段的FAI病例仅存在髋臼软骨损伤而没有盂唇的撕裂,但目前仍无直接证据确定盂唇损伤和关节软骨损伤的关系,是彼此存在前因后果的因素,还是独自因为解剖学异常引起不同活动下应力变化引起的,明确软骨和盂唇在不同日常活动下的应力分布,将有助于我们根据不同活动状态下盂唇及关节软骨各自的应力分布推测盂唇和软骨损伤的关系。 髋原发性OA在欧美是髋关节置换最主要的病因之一,大大超过股骨头坏死等疾病的置换比例。尽管国内一些文献认为国内原发性髋关节OA发病率较低,但仍然缺乏大规模的人群流行病学调查。同时目前国内也缺乏关于FAI发病情况的相关研究,国内绝大部分医院仍然没有确立FAI的影像学诊断,但是否存在符合FAI影像学及临床表现患者,目前并无文献报道。 研究目的: 1.针对目前国内绝大部分医院仍然没有确立FAI的影像学诊断的现状,对因髋痛行骨盆AP位片的患者进行FAI诊断的相关影像学分析(ɑ角、“8”字征及1/2Ra和1/1Ra测量),以明确这类患者中FAI的流行病学情况,推测FAI引起髋痛的可能性及其临床意义。同时,比较Cam型FAI组及对非FAI组的ɑ角、1/2Ra和1/1Ra,以明确其对于国人FAI诊断的准确性及特异性。 2.鉴于力学环境对髋关节软骨退变起关键作用,而目前缺乏FAI髋关节软骨、盂唇不同日常活动下的应力分布研究,本研究拟利用可视化人体数据库集,采用三维有限元的方法,建立包含骨、软骨及盂唇结构的正常髋关节及不同类型FAI三维有限元模型,通过模拟行走,单、双腿站立,坐下、起立和上、下楼等不同日常活动力学加载条件,观察髋关节软骨及盂唇的应力分布,以寻找FAI上述结构损伤的直接力学依据,并探讨FAI不同日常活动状态下盂唇及软骨损伤的风险,进而推测其与髋关节退变的关系。 主要研究内容及方法: 1.X线“阴性”髋痛患者FAI的影像学研究。X线“阴性”髋痛患者符合FAI诊断患者的临床流行病学分析:统计不同类型FAI在不同部位、性别及年龄段的发生率并比较。同时,比较FAI阳性及阴性组患者的α角、1/2Ra及1/1Ra。FAI诊断标准: Cam型FAI:ɑ角55°; Pincer型FAI:“8”字征阳性。 2.正常及FAI髋关节三维有限元模型构建及应力分析。 应用逆向工程技术构建正常髋关节及FAI三维有限元模型,利用有限元力学ABAQUS系统,分析髋关节软骨和盂唇的应力分布。 基于中国可视人数据集正常及FAI髋关节三维实体模型的构建:获取可视化人体数据库中完整髋关节及骨盆图像,导入AutoCAD2004后,准确进行骨、软骨及盂唇的轮廓提取,导出AutoCAD轮廓文件。在正常髋关节轮廓文件中,根据设定提取FAI的Cam及Pincer型轮廓曲线并保存。按可视化人体数据库图像纵轴间距确定图像Z轴,导入Solidwork中逐一精细添加引导线,准确构建正常及FAI不同类型三维实体模型,以Solidworks part文件导出上述三维实体模型。 正常髋关节及FAI三维有限元模型构建与应力分析:将上述三维实体模型导入ABAQUS分析软件中,确定骨、软骨及盂唇材料属性,修饰尖锐边缘后对不同实体进行网格划分。网格划分完毕的实体定义相对空间位置予以组装,定义接触条件为非线性有摩擦接触(摩擦系数为0.001罚函数摩擦)。按照文献测定的行走,单、双腿站立,坐下、起立和上、下楼等不同日常活动力学加载条件后,计算分析不同加载条件下髋关节软骨及盂唇的应力分布。 结果: 1.1128例患者骨盆前后位X线符合纳入标准269例,均表现单髋痛,其中男121例,女148例。影像学诊断符合FAI 42例(15.6%),男、女性分别为27例(22.3%)和15例(10.1%)两者差异有统计学意义(p0.05)。Cam型与Pincer型和混合型比较差异有统计学意义(p0.05)。ɑ角测量:Cam型FAI组为86.3°±16. 7°;非FAI组为46.3°±4. 1°,两组间差异有统计学意义(P 0.05)。1/2Ra和1/1Ra: Cam型FAI组分别为1.02±0.04和0.74±0.06;非FAI组分别为0.86±0.03和0.69±0.05。ɑ角及1/2Ra在Cam型FAI组和非FAI组间差异有统计学意义(P 0.05),而1/1Ra在两组间差异无统计学意义(P0.05)。 2.利用中国可视化人体数据集,通过平滑实体相减构建法,准确构建出包含髋关节骨、软骨及盂唇完整结构的三维实体及有限元应力分析模型。 3.模拟完整步态周期及单、双腿交替站立过程中,不同FAI髋关节在髋臼、股骨头软骨的Von Mises应力分布与正常髋关节接近,无明显过度集中区域,盂唇部位无应力集中。 4.上、下楼加载中,不同FAI髋关节在模拟合力峰值及下楼最大屈髋位加载时,髋臼、股骨头软骨的Von Mises应力分布与正常髋关节接近,盂唇部位无应力集中。Cam型及混合型FAI髋关节上楼最大屈髋位时盂唇外上缘部位出现应力集中分布区域,峰值Cam型为1.61Mpa,混合型为1.92 Mpa,两者对应的髋臼软骨应力峰值分别为2.77 Mpa和2.88 Mpa。 5.坐下、起立加载中,Pincer型、Cam型及混合型FAI髋关节在模拟合力峰值加载时,髋臼、股骨头软骨的Von Mises应力分布与正常髋关节接近,盂唇部位无应力集中分布。但在最大屈髋位加载条件下,髋臼软骨应力分布明显减小,应力主要集中在前侧及外侧盂唇,其峰值(坐下和起立相)分别为:Pincer型峰值为3.33Mpa和3.74Mpa,Cam型为3.5Mpa和4.0Mpa,混合型为5.77Mpa和6.20Mpa。Pincer型及混合型FAI股骨头软骨应力集中于前部较小区域。Cam型则应力集中于前侧增生部位,范围与头颈联合部增生位置接近一致。 结论: 1. FAI在X线“阴性”髋痛患者的高发病率,表明其作为髋痛的可能原因,具有不可忽略的临床意义。鉴于ɑ角和1/2Ra在Cam型FAI组和非FAI组间的差异,提示除ɑ角外,1/2Ra可以作为诊断Cam型FAI的特异参数。 2.利用中国可视化人体数据集,通过平滑实体相减构建法,能准确构建包含髋关节完整结构的三维实体及有限元应力分析模型,并避免了其它构建方法无盂唇结构的缺陷。 3.正常行走及单、双腿站立及下楼活动中,不同FAI髋关节的应力分布和正常髋关节接近。上楼最大屈髋位时,Cam型及混合型FAI髋关节的盂唇外上缘部位出现应力集中分布区域,但并非应力主要集中区域。 4.坐下、起立最大屈髋位时,三种FAI髋关节髋臼应力主要集中分布区域均位于前侧及外侧盂唇,尤其混合型,髋臼软骨几乎无应力集中分布区域,提示前方明显撞击的杠杆作用导致股骨头轻度半脱位。 5.上述结果无疑为FAI髋关节在上楼和坐下、起立活动时,因撞击导致应力分布异常而产生盂唇和软骨慢性磨损的可能性提供力学依据,为FAI引起盂唇及软骨磨损继而诱发OA的理论奠定基础。
【学位授予单位】:第三军医大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:R687.3

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