三维有限元模型在发育性髋关节发育不良并发股骨头坏死中的应用

宋志刚

辽宁省抚顺市中医院放射科，辽宁抚顺 113000

发育性髋关节发育不良（developmental dysplasia of the hip，DDH）是骨科常见的发育性疾病，在病情进展过程中，其主要病变部位在髋臼、股骨近端及关节囊等结构，会导致髋关节半脱位、完全脱位等功能障碍[1]，临床需要进行Pavlik 连衣挽具、闭合或切开复位术、骨盆截骨术等，目的是获得髋关节正常形态，为髋关节发育营造良好环境，避免股骨头缺血性坏死[2]。该病中晚期阶段会发生股骨头变形、塌陷、关节损坏等，治疗难度大。如果在病变早期及时发现，对症治疗，能够促进股骨头缺血受损的部位改善血运循环和再生，防止股骨头发生塌陷，保障关节功能。故早期诊断和治疗对患者的预后具有重要意义[3]。随着医学设备技术的不断发展，利用影像学数据结合三维有限元力学，建造模型，可为DDH 的病情预测和干预治疗提供科学方案。

1 髋关节发育不良并发股骨头坏死的发生机制

研究认为髋关节发育不良的患儿需接受DDH 闭合复位及髋臼周围截骨术，术后旋股内动脉有可能受到髂腰肌、内收肌的压迫，发生供血障碍，导致脂质代谢异常、骨细胞凋亡、内皮细胞损伤，加上术后骨量减少，关节压力增大[4]，使软骨内血管受压发生阻塞，发生股骨头坏死[5]；另外矫正时过度外展固定用石膏和支架会压迫髋关节组织，也会造成股骨头坏死。

2 髋关节发育不良的影像学检查

目前诊断DDH 的主要方法有超声检查、X 线检查、CT 检查、MRI 检查。超声检查快捷、有效，对于6 月龄内的婴儿，其股骨头骨化中心尚未形成，超声检查可以提供准确的髋臼与股骨头的对位数据，监测高危患儿髋关节发育；也可对患儿治疗后效果和后续发育情况进行监测和疗效评价，为制订和调整治疗方案提供科学的参考依据，对预后具有重要价值。X 线检查针对于4～6 月龄婴儿，其股骨头骨化中心已形成，骨盆正位摄片可以呈现骨化中心与髋臼的对位关系，对患儿的髋关节发育情况评估提供依据，但X 线检查有放射性，需要患儿配合，3 月龄内婴儿不宜应用。CT 检查具有三维重建功能，诊断价值高，其横断扫描可能观察患儿髋关节复位情况，但CT 检查同样具有放射性损害，不建议低月龄婴儿应用。MRI 检查用时长，患儿需要镇静，不存在电离辐射，且对软组织识别度高，主要用于闭合复位或切开复位后的治疗效果观察及评价。

3 DDH 并发股骨头坏死的影像学表现

3.1 X 线及CT 影像学检查

CT 和X 线检查均能提供股骨头坏死患者在不同分期的病情变化及进展程度，但是在该病早期，应用X 线检查，其分辨率较低，敏感度不高，不能良好地反映早期症状，有可能出现漏诊情况，适用于常规检查和随访。CT 影像诊断对于股骨头坏死早期病变的筛出率较X 线略有提高，能较清晰地反映出股骨头的结构以及周边组织的变化情况，在股骨头早期病变中，CT 检查就可以显示出骨小梁缺失、局部囊性变、骨质硬化、髋臼退行性改变等病变[6]，但早期CT 影像中显示片状低密度像，影像学呈现为部分骨小梁消失或吸收，而此时骨小梁缺失较少，在关节间隙表现上并无显著变化[7]；且股骨头坏死早期，其骨髓细胞缺血虽然导致坏死组织细胞水肿，但结构未发生改变，故CT成像无异常，检出率低，不利于诊断。随着疾病的进展，CT 影像会显示出股骨头的边界模糊、内部囊状病变，此时关节内部结构清晰，以高密度硬化为主要表现，显示出股骨头塌陷、变形，伴有关节间隙宽窄[8]；到晚期时，CT 影像显示股骨头内可见囊状透光区模糊，股骨头软面消失、断裂，变形，此时髋关节消失或变窄[9]。CT 成像是断层扫描，对骨骼结构变化敏感，可为股骨头坏死后期关节塌陷提供依据[10]。在轮廓诊断方面，CT 对囊性病变特异性高，可清晰呈现囊变周围的硬化环与囊变情况[11]。故CT 在股骨头坏死早期诊断率低，中晚期其诊断率会逐渐提高，可用于评估患者股骨头坏死的病情发展趋势[12]。

3.2 MRI 检查

MRI 检查可对股骨头的任意断面扫描成像，对脂肪和水分的细微变化很敏感，能够反映股骨内部脂肪细胞信号强度，分析股骨头坏死早期的线片及片状水肿[13]，可表现为“双线征”，以此划分股骨头组织正常供血与缺血性改变，同时监测T1WI 线样低信号区中T2WI 的局限性信号升高程度，以此评估股骨头早期缺血坏死的特异性较高[14]。MRI 的优势在于多方向成像、对比度高、分辨率高、可进行软组织成像，能更好地反映病理组织形态、关节积液情况，提高诊断价值。

3.3 常规增强MRI 检查

股骨头坏死诊断可分为4 期[15]。0 期：无临床表现，MRI 检查为阴性，但股骨已存在缺血性改变，可见骨骺血管及骨骺。1 期：骨骺血管或者骨骺可见双侧不对称性强化，强度信号低于对侧，可见斑点状信号。2 期：关节间隙正常，股骨头未发生变形，但可见硬化及局部囊变，呈星月形信号。3 期：股骨头开始发生不同程度的变形，可见塌陷和骨皮质断裂，形成新月体。国外研究结果显示[16]，DDH 患者闭合复位术后，行常规增强MRI 检查，股骨头骨骺强化程度的敏感度的阳性及阴性预测值分别为87.5%和88.3%；而骨骺强化程度的特异度的阳性及阴性预测值分别为78.0% 和94.0%。其结果提示，以80.0%作为股骨头骨骺强化程度的监测临界值，用来判断髋关节发育不良患者在进行闭合复位术后，发生股骨头坏死的风险程度。只有尽早明确股骨头坏死分期指数，制订合理治疗措施，才能挽救股骨头功能，避免患者终生残疾[17]。

3.4 动态增强MRI

国内研究者采用半定量灌注参数，对股骨头部位的微循环、血流灌注指标进行评价，结果表明动态增强MRI 可无创性评估骨关节的微循环灌注，对骨关节疾病的诊断、预后、预测、疗效评估提供参考价值[18]。马伟丽等[19]对股骨头坏死高危人群和正常人群股骨头部位的微循环灌注进行了追踪性评价及对比，研究结果显示高危人群比正常人群股骨头的血流灌注要低、灌注时间长，存在血流瘀滞现象；且正常人群的股骨头负重区较非负重区比较，负重区的血流灌注较多。动态增强MRI 能够反映出股骨头内部的微血管分布情况，为调整治疗方案提供科学的血流动力学信息。

3.5 弥散加权成像

MRI 是目前公认的股骨头坏死诊断准确率最高的方法，在其诸多序列成像中弥散加权成像在股骨头坏死的诊断中体现出优越的价值。由于正常人骨皮质内自由水含量较少，弥散信号有限，故ADC 值较小，而股骨头坏死患者早期病变均为股骨头部位供血减少，细胞坏死，引起骨组织炎性修复，水分子扩散，使骨组织含水量增高，ADC 值升高。ADC 值可作为FHN诊断的标志物，并且随着病情的发展而变化，早期ADC 值较正常升高较小，中期最大，晚期减小。高危患儿可定期观察，及时采取干预见措施，可有效预防或者延缓股骨头坏死的发生。

4 三维有限元模型系统的建立与应用

目前应用的影像学检查各有优点，但受限因素也较多，很难在髋关节发育不良的治疗和风险预测全过程中提供连续直观的数据，而三维有限元建模概念的引入，将影像数据与力学相结合，创建关节不同压力场景的三维模型，为临床治疗和病情监测提供科学依据。

4.1 有限元建模分析

随着三维建模技术的不断发展和完善，建立三维有限元模型首先从患儿CT 或MRI 影像资料中提取髋关节和股骨组织的几何数据和特征性参数，并利用专业软件对髋关节、股骨组织进行划分，包括皮质骨、松质骨外壳等，再根据划分好的各部位模型重新组合建立成三维图像，导入软件，将影像检查中无法显影的椎间盘、软骨组织和韧带等组织进行模拟补洞，形成患儿当前病情下完整的髋关节和股骨模型。再利用软件对模型各部位进行原始赋值，同时利用软件设定受力场景，在研究部位施加应力，计算数值[20]，用以模拟不同类型的临床病理状态，从而得到不同病理状态下髋关节的生物力学数据，目的是指导、制订和调整治疗方案[21]。

4.2 发育性髋关节脱位有限元模型的建立

经过有限元模型在髋关节发育中应用不断加深，国外学者[22]对发育性髋关节脱位也进行了实验，研究中通过建模计算股骨外展角40°、60°、80°时关节软骨所受压力，结果得出：外展角增大，软骨压力也增大，应力主要集中在髋臼后外侧，外展角为80°时，股骨头上表面应力明显增大，髋臼受力超过骨组织屈服最大强度，容易发生塌陷，且该应力直接影响股骨头的内部血管血流量，发生股骨头坏死。通过对外展角的研究，有利于优化发育性髋关节脱位的治疗。

4.3 利用三维有限元模型预测股骨头坏死发生

利用三维有限元模型可以清晰地表达患者股骨头坏死区和非坏死的应力改变，以及不同病理状态下坏死区的位置、大小、受力、形态等。国外学者[23]应用有限元分析建立多种角度的髋臼周围截骨术模型，以不同中心边缘角为变量参数，对髋臼部位的翻转角度进行测量，计算得出不同角度下头臼座的应力值，研究结果显示，当中心边缘角为25°时，发育不良髋关节与健康髋关节的应力峰值及应分布情况基本近似；但当中心边缘角超过25°时，髋臼边缘会出现应力集中点，软骨组织长时间处于高应力压迫，使股骨头发生骨性关节炎，甚至坏死，故髋关节发育不良需要干预时，矫正最佳位置并非恢复放射学“正常”范围，而是应该根据髋关节发育不良的严重程度进行矫正，轻度患者最佳矫正中心边缘角度应为略大于“正常”值，中度患者矫正角度应控制在“正常”值范围内，重度患者的最佳矫正角度应小于“正常”值的下限[24]。

4.4 有限元模型对股骨头塌陷的预测

经过国内外医学界的不断研究，应用有限元模拟场景，对股骨头近端形态力学进行分析计算，得出股骨头坏死后力学的分布情况，可以准确地预测塌陷。在预测过程中可以设置为不同的坏死区、面积、形状等场景，根据场景计算应力，根据材料特性评估股骨头塌陷的风险。正常股骨头的应力指数为0.05～0.10，当应力指数＞0.1 就可能发生骨折[25]。坏死骨的屈服应力为5.5 MPa，也就是说当骨折发生时，其所受应力需＞0.55 MPa[26]。通过模拟得出，以坏死区表面积达到25%的比例作为评估股骨头发生塌陷的临界值[27]。

4.5 股骨头缺血性坏死塌陷后的有限元分析

在实际临床治疗过程中，股骨头坏死后有一部分塌陷通过治疗后是可以获得康复的。研究显示[25]：有50%的股骨头坏死患者发生塌陷，一部分患者虽然影像上发现股骨头塌陷，但实际生活中并未受到影响，查体时髋关节功能良好，此时影像学成像就受到限制，很难呈现出关节内部情况，借助有限元分析能够获得坏死区是否与应力区发生重叠，从而可以根据具体情况制订治疗方案，使带塌陷生存的患者获得满意的疗效。并通过模拟场景如日常动作、步行、上下楼、下蹲、站立等，计算应力，指导患者如何避免高危动作，可有效延缓病情加重。

5 展望

三维有限元模型为髋关节发育不良的治疗和股骨头坏死的监测提供了新的途径，将影像数据结合有限元力学，可以得出股骨近端形态，以及不同场景的受力情况，为临床诊断、治疗、病情监测提供科学依据。但建模研究样本较小，图像数据与真实情况存在差距，且软件复杂，还需进行大量临床实验，取得可靠结果。