三维有限元建模分析在髋关节撞击综合征诊疗中的应用研究进展

刘镕阁 徐雁

北京大学第三医院运动医学科（北京100191）

1 前言

髋关节撞击综合征(femoroacetabular impingement，FAI)是一种以髋关节结构异常导致的髋关节运动终末期异常撞击，从而使髋关节力学结构紊乱的疾病[1]。根据结构异常发生的部位，FAI 可以分为凸轮型畸形(Cam型)、钳型畸形(Pincer型)和二者皆有的混合型[2，3]。FAI患者运动终末期的异常撞击导致髋关节内压力增高，继发骨软骨退变，甚至引起早期髋关节骨关节炎[1，4]。凸轮畸形以股骨头-颈交界处的异常骨性凸起为特征，凸起的异常骨性结构导致α角增大[5-9]。有学者研究表明，较小的颈干角也与FAI密切相关，提示颈干角对FAI 的预测作用[10，11]。患有FAI 的患者常产生步行、上/下楼梯或蹲起过程中的关节活动范围受限和疼痛[11-18]。随着对FAI的认识不断深入，越来越多学者认识到无症状FAI 的存在[19-22]。然而，部分学者认为，无症状FAI 患者也存在着潜在的软骨下骨硬化，甚至存在潜在的骨关节炎[23-26]。

数字医疗，是指将数字化技术如计算机技术、信息技术等应用于医学领域的新型现代化医疗模式，是未来医学发展的“蓝海”之一[27-29]。其中，在关节外科和运动医学领域，数字化骨科技术正逐渐成为分析骨骼、肌肉、韧带、软骨等组织结构生物力学特性的主流手段。三维有限元分析方法(finite element method，FEM)作为数字化骨科的代表技术，在分析软骨和骨生物力学状况方面有着独特优势，在FAI 诊疗中的应用日趋广泛[30]。

本文通过在Pubmed、MEDLINE、中国知网和万方数据库中，以“Finite Element Method”、“Finite Element Analysis”、“Femoroacetabular impingement”、“FEA”、“有限元”、“髋关节撞击综合征”为关键检索词进行系统的文献检索，并对文献进行筛选，深入探讨FAI诊疗中有限元方法的技术发展和应用范围，以揭示高精高效有限元技术在FAI诊疗中应用的可能性。

2 髋关节相关的三维有限元技术的演变

髋关节相关的有限元技术经历了参数模拟模型、个体化有限元模型和联合骨肌多体动力学的个体化有限元模型三个阶段。总体趋势是向着个体化、精细化方向发展，并越来越注重软组织的作用和肌肉对关节的生物力学影响。

2.1 参数模拟模型

髋关节是典型的球-窝关节，由上方的髋臼和下方的股骨头构成。参数模拟模型是指利用3D 建模的方法，不考虑不同个体间的解剖差异，将髋关节的结构简单地理想化成纯粹的“球”和“窝”。通过调节所构建模型的参数，如α角、颈干角等数值，粗略地模拟不同解剖结构的FAI的力学特点的差异。参数模拟模型具有简单易行、不依赖影像学资料、可以自由调节各个参数等优点，可以很好地探究不同参数对FAI时髋关节生物力学特点的影响，但是，该方法未考虑不同患者的差异性，不适用于个体化地探究患者的关节内生物力学特点。

2009年，Chegini 等[31]最早报道了基于多参数模拟的FAI三维有限元模型。该研究将髋关节简化为简单的球-窝关节，调整所设定的模型的α角和外侧中心边缘角(central-edge angle，CE角)，以模拟不同严重程度的凸轮型畸形(较大的α角)和钳型畸形(较大的外侧CE 角)，随后修正边界条件，并计算蹲-坐过程和行走过程时的关节内压力情况。Chegini等的研究所使用的髋关节载荷来自于公共数据库[32]，并将载荷施加于股骨头上。Chegini 等每10 度进行一次模拟，计算了α角从40度到80度和外侧CE角从0度到40度的不同状态下的应力状态，并计算了不同状态下的髋臼软骨的最大接触力(Peak Contact Pressures)和Mises 等效应力(Von Mises Stresses)。其研究证实，在蹲-坐过程中，髋臼软骨的最大接触力和Mises等效应力与α角和外侧CE 角呈正相关；行走过程中的最大接触力和Mises 等效应力明显低于蹲-坐过程，α角与最大接触力和Mises等效应力无明显正相关效应。该研究初步探讨了不同α角和CE角情况下，FAI的关节内应力变化状况，但尚待进一步完善，尚欠缺探讨不同患者解剖结构的特异性带来的差异，以及患者肌肉和韧带的作用。

髋关节盂唇有限制股骨头运动和将关节囊液密封于关节中的作用。关节液在髋臼软骨与股骨头软骨之间形成一层流体膜，使二者之间的应力分布更加均匀，避免了髋臼软骨与股骨头软骨的直接接触[33]。值得一提的是，由于模型复杂且难以构建，个体化有限元模型中往往忽略了盂唇的“封闭”作用。Ferguson 等[34]基于参数模拟模型的方法，进行了髋关节盂唇“封闭”作用的研究。Ferguson等学者构建了包含髋臼软骨、股骨头软骨，关节盂唇和关节液的参数模拟模型，其中，软骨和盂唇设定为各向同性多孔弹性材料。由于髋臼盂唇的结构与半月板相似，故在此研究中，髋臼盂唇的环周刚度在50 Mpa至200 Mpa之间调整。在此研究中，沿着股骨纵轴施加恒定的1200 N 的力。 Ferguson 等的研究显示，在盂唇周边的纤维刚度大于100 MPa时，髋关节盂唇可以起到显著的“封闭”作用。该研究使用有限元的方法，初步探讨了髋关节盂唇的“封闭”作用，为以后的髋关节盂唇的建模提供了启示，同时，该研究为盂唇重建手术的材料选择提供了参考。

2.2 个体化有限元模型

个体化有限元模型是指建模时使用影像学资料，考虑患者的个体解剖差异，从而更加真实地模拟FAI患者的生物力学状态。目前所采取的的影像学资料多为电子计算机断层扫描(computed tomography，CT)和磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)。多名学者采用个体化有限元模型的方法分析FAI患髋的应力变化。基于患者CT 的三维有限元建模方法被广泛采用[35-40]。由CT结果构建的三维有限元模型可以很好地反映骨组织的形态，但是由于CT对软组织的成像不够精确，软骨组织则是基于研究者的手动描绘。此外，髋关节盂唇的“封闭”效应难以在有限元模型中模拟，故在大多数研究中被忽略。

Jorge 等[41]报道了基于磁共振血管成像(magnetic resonance angiography，MRA)图像构建的三维有限元模型。尽管MRA成像比普通的MRI成像更加清晰，但是限于成像技术的局限性，MRA 的图像层面厚度远大于CT，图像精度有限，基于MRA 的有限元模型较为粗糙，仍不能很好地反映患者的解剖状况。

在主流的个体化有限元模型方法中，患者的软组织、软骨组织被认为是线性弹性和各向同性的，骨组织被认为是刚性的，髋臼软骨面和股骨头软骨面之间的接触为“面-面”接触，不考虑两面之间的摩擦力。骨组织、软骨组织的弹性系数和泊松比基于前人的测量数据[42，43]。有限元的载荷条件和髋臼-股骨距离使用Bergmann等[32]的测量数据。个体化有限元模型考虑了患者之间的个体化解剖差异，较参数模拟模型有了明显进步，但是尚欠缺对不同患者的运动方式差异的探究，欠缺对肌肉、韧带等软组织的功效以及盂唇的“封闭”作用的评价，仍有很大的发展潜力。

2.3 个体化有限元模型联合骨肌多体动力学分析

传统的个体化有限元模型方法在分析患髋运动状态时，载荷条件和髋臼-股骨距离多取自Bergmann 等的测量数据，忽略了不同患者之间的个体化运动方式的差异，无法计算体内的关节力和力矩、韧带力和肌肉力，难以预测日常活动下人体内的载荷状态[32，44]。多位学者研究表明，单一静态加载难以模拟运动状态下人体内骨骼肌肉的生物力学状态，边界条件对三维有限元模拟结果的影响差异巨大[45，46]。结合Vicon 系统的有限元分析方法，可以有效地提升关节生物力学分析的准确性。Vicon系统是由美国IST公司开发研制的商业化光学运动捕捉系统，被广泛用于电影、动画、工程、医疗、军事等多个领域。在膝关节研究中，Gerus等学者[47]的研究表明，基于Vicon系统的个体化肌骨动力学建模的分析结果较通用肌骨模型的准确度显著提升，膝关节的内侧接触力的精度提升47%，外侧接触力的精度提升7%。在髋关节的生物力学研究中，亦有很多学者使用Vicon 系统进行运动轨迹的捕捉及力学信息的记录[11，15，48，49]。因此，结合个体化肌骨动力学的有限元分析更能够反映患者运动过程中真实的力学状态。

Ng等学者[36]采用个体化肌骨动力学联合三维有限元方法，基于CT 资料，比较了不同颈干角的有症状的Cam 型FAI 患者、无症状Cam 型FAI 患者和健康人，比较其在屈髋90 度时的关节软骨及软骨下骨的应力。患者屈髋90 度时各个结构的相对位置及下肢的生物力学变化使用Vicon 系统监测并记录。研究显示与无症状FAI患者相比，有症状的FAI患者的关节软骨及软骨下骨应力分布更加集中；较小颈干角的FAI 患者的关节软骨及软骨下骨应力更大，分布更加不均匀。这一研究展现了个体化骨肌动力系统联合三维有限元在髋关节疾病诊疗中的重要前景，为日后的相关进展做出了探索。

3 三维有限元分析在FAI诊疗中应用

3.1 FAI患髋的应力分析

FAI是髋关节骨关节炎的重要致病因素之一，通过对FAI 患髋进行有限元建模分析，可以探究出髋臼软骨和股骨头的应力分布、最大应力峰值等信息，对FAI的骨软骨缺损、盂唇损伤的机制做出解释。现有的研究多集中于站立位和90 度屈髋时的生物力学分析。Ng等学者[37]对术前FAI的患者进行站立位和屈髋位有限元模拟，研究结果表明，与站立位相比较，屈髋位股骨头应力更高，其中FAI 患者屈髋位与站立位的股骨头应力差(平均差值11.65 MPa)显著高于非FAI 患者的屈髋位与站立位的股骨头应力差(平均差值1.1 MPa)，这提示FAI 患者在剧烈运动时关节内应力变化程度更为剧烈。

Ng等学者[36]的另一项研究利用个体化骨肌动力学联合三维有限元分析方法，对不同颈干角的有症状FAI患者、无症状FAI 患者和正常人在90 度屈髋时进行比较，研究结果显示，小颈干角的FAI患者髋臼软骨与股骨头软骨的平均应力更大，应力分布更为集中。这项研究中，与无症状FAI 患者和非FAI 对照组相比，有症状的FAI 患者表现出多个应力分布区域，其中小颈干角的FAI 患者的应力分布区域更为分散，这提示小颈干角是加重FAI 症状的影响因素。关于FAI 的有限元分析，揭示了FAI的相关致病因素，从生物力学上解释了FAI的致病原因，为详细阐述FAI的致病机制提供了一定支持。

国内亦有一些学者对FAI 的模型构建和利用有限元技术的力学分析进行了探究。刘骞等学者[40]对Cam型FAI 患者进行了基于CT 的有限元建模，进行力学分析，并与正常人相比较。结果显示，Cam 型FAI 患者在坐下和站立时的关节内应力更大，且应力集中于髋臼前上方，这从侧面证实了Cam 型FAI 患者的盂唇易损部位为前上方盂唇，与临床观察结果相符合[50-52]。

3.2 FAI患髋的手术效果评价

对于有症状的FAI 患者，采取以关节镜手术治疗为主的综合治疗策略。Teresa 等学者[35]通过计算机模拟FAI 患者的股骨头Cam 畸形区域的切除深度，探讨不同切除深度时的股骨头骨折风险，为FAI 手术的切除范围提供了生物力学上的指导。研究结果显示，当切除范围超过股骨头厚度的1/3时，或超过10 mm 时，发生股骨头骨折的风险迅速增加。

Lourenco 等学者[53]对同一FAI 患者的术前与术后影像学资料，在内旋0度至40度范围内，进行有限元建模。研究结果显示，髋关节手术可以有效减少关节内软骨接触力，这为FAI 患者早期手术，以预防关节退变、减缓或避免骨关节炎的发生提供了生物力学依据。尽管受限于样本量的局限性，该研究未详细地比较各种术式的效果，但该研究初步证实了手术治疗的有效性，为未来的相关研究提供了新思路。有限元分析在FAI 的术后效果评价方面前景广阔，更为精细化和个体化的有限元建模，尤其是结合了个体化骨肌动力学的有限元建模，将在患者术后效果评估方面发挥重要作用。

3.3 FAI发育过程的研究

越来越多的学者认为，FAI的形成与遗传、创伤、青春期骨软骨发育等有关。Roels等学者[38]对髋关节进行三维有限元分析，探究不同运动状况下髋关节的生物力学改变，尤其是髋关节骨骺板的应力改变。与其他研究不同，Roels等学者的研究将股骨头的材料特性定义为有弹性的材料，而非其他研究中的刚性材料。他们更关注于骨骺板的生物力学改变，而非关节内的机械应力状况。其研究发现，髋关节屈曲和内旋时，股骨骨骺的机械应力最大，最易形成Cam畸形。Roels等学者的研究以独特的角度，拓宽了三维有限元分析在髋关节疾病诊疗中的应用范围。随着技术的不断进展和人们对疾病发展过程的认识不断深化，在Roels等学者研究基础上的相关定量研究将成为可能。

Sadeghian 等学者[54]利用有限元模型，分析了Cam畸形发生发展中骺板的作用。在该研究中，Sadeghian等学者将软骨定义为线弹性、均质和各向同性的材料，其所构建的模型包括股骨头、垂直于股骨颈的骺板和过渡区等结构，骺板、骨小梁和皮质骨的杨氏模量分别为5 MPa、600 MPa和20 GPa。在该研究中，股骨远端被设置固定约束，并且该研究在大转子上选取了10个点，也设置了固定约束，以模拟外展肌群。该研究中定义了4 个载荷，分别向后方或向外侧，以15 度或30 度的角度施加载荷，以模拟日常活动时屈髋的应力，载荷以股骨头为中心，均匀分布于股骨头表面的设定区域。该研究表明，后方的应力更易导致骺板的屈曲和凹凸化，可能是Cam 畸形形成过程中的潜在机制。该研究较前人研究更加精确化，且模拟结果与临床观察相对比，进一步验证了模拟的合理性。在临床中，创伤因素亦为FAI发病的重要原因之一。该研究未详细探究创伤因素，尤其是创伤后的骨关节退变进而导致的生物力学变化对FAI 形成的影响，这有待后续学者的进一步研究。

4 展望

三维有限元分析在髋关节疾病诊疗中的应用将越来越广泛，这一技术的未来发展方向将集中于集合个体化骨肌动力学及更为精细化和迅捷的个体化两个方面。髋周软组织的合理模拟方式、极端运动状况下生物力学特性分析、精细化三维有限元建模、快速有限元建模等课题，是目前髋关节疾病中有限元分析的攻关难点，这势必需要数学、临床医学等多个学科共同攻关。相信在未来，结合个体化骨肌动力学的精细化三维有限元分析，将为髋关节疾病患者的生物力学检查提供重要的技术支持，为临床工作者提供患者关节的生物力学特性信息，指导手术方式的选择和术后预后的评估，在髋关节疾病的诊疗中将发挥日益重要的作用。