骨盆倾斜对髋关节置换后站立位髋臼侧应力影响的有限元分析
闫瑞忠1，李佳慧 2 ，林树忠1，武晓刚 3 ，郭志坚1，刘文琦 1 ，刘 强4
文题释义：
骨盆倾斜角的调整：根据术前站立位骨盆倾斜角的值，以-10°和10°为界，若术前骨盆倾斜角> 10°，目标参考平面为站立位骨盆倾斜角减 10°；如果站立位骨盆倾斜角> 10°，目标参考平面取站立位骨盆倾斜角和仰卧位骨盆倾斜角之和的1/2，其理论基础为全髋关节置换术后骨 盆平均后倾10°。
功能性骨盆平面 (Functional pelvic plane，FPP)：在计算机导航软件应用于髋关节置换术前计划时，计算出髋臼杯的前倾角和外展角后，此 过程需选择一个平面作为参考平面，通常大多数患者选取术前仰卧位前骨盆平面作为参考平面，即三维CT重建图像前骨盆平面称之为功能 性骨盆平面，也称之为目标参考平面。
骨盆前倾、后倾：指骨盆在矢状位的旋转，直接影响髋臼的方向，如果骨盆后倾增加，相伴随的是髋臼前倾角和外展角的增加；反之，骨 盆后倾减少，伴随髋臼功能性前倾角和外展角的减少。后倾指骨盆相对脊柱外科医师；前倾指髋关节相对关节外科医师。
摘要
背景：在髋关节置换术中，仅利用髋臼解剖放置髋臼杯会改变功能性髋臼杯的方向；计算机导航完成髋关节置换手术可提高假体放置的准 确性。
目的：应用有限元模型模拟手术，模拟髋臼杯的应力大小及区域，结合骨盆倾斜角计划髋关节置换髋臼杯放置方向，探讨骨盆倾斜角对髋 关节置换术髋臼侧假体应力分布的影响。
方法：收集6例(标记为A-F)骨盆X射线片及CT数据，通过有限元软件ABAQUS 6.14-4(SIMULIA 公司，法国)建立髋关节模型，以仰卧位前骨 盆平面为坐标平面，模拟髋关节置换手术，建立6个模型，再根据站立位骨盆倾斜角，对骨盆倾斜角≤-10°与骨盆倾斜角 > 10°者，调整 假体植入的参考平面，建立9个模型，分为矫正前模型：A(-14°)，B(-29°)，C(11°)；矫正后模型：Aa(-7°)，Bb(-18°)，Cc(1°)；正常模型：D (-8°)，E(-2°)，F(-9°)。在有限元求解软件中，约束固定模拟单足站立，于骶髂关节、耻骨联合、大转子处加载关节负荷，比较各模型髋 臼、髋臼杯及内衬最大Von Mises应力分布情况。
结果与结论：①运算中模型B出现不收敛，在骨盆倾斜矫正后收敛；模型A出现不收敛的趋向。9个模型中髋臼负重区最大von Mises应力(简 称应力)在Cc模型，值为4.9 MPa，最低在D模型，值为1.07 MPa；髋臼杯负重区最大应力在Bb模型，值为29.87 MPa，最小在D模型，值为 17.21 MPa；内衬负重区最大应力在Bb模型，值为12.45 MPa，最低应力为D模型，值为5.21 MPa，负重区域在聚乙烯内衬边缘上部靠近中 部处。②站立位骨盆倾斜角-14°和-25°模型及11°模型相对-10° < 骨盆倾斜角≤10°模型表现出高的应力值，骨盆倾斜角为-14°模型矫正骨盆 前平面后应力值接近-10° < 骨盆倾斜角≤10°模型之值，提示骨盆倾斜角偏离-10°至10°区域是髋关节术后磨损继发脱位的危险因素；对骨 盆过度后倾者调整其骨盆前平面可降低全髋关节置换术后并发症的发生。
关键词：全髋关节置换；三维重建；髋关节假体；骨盆倾斜角；有限元分析
1山西医科大学附属太原中心医院骨科，山西省太原市 030009；2山西中医药大学，山西省晋中市 030619；3太原理工大学生物医学工程教研室， 山西省太原市 030024；4山西医科大学附属山西白求恩医院骨科，山西省太原市 030032
第一作者：闫瑞忠，男，1970年生，山西省和顺县人，汉族，2006年山西医科大学毕业，硕士，主任医师，硕士生导师，主要从事骨关节退行性 疾病治疗的研究。
通讯作者：刘强，主任医师，博士生导师，山西医科大学附属山西白求恩医院骨科，山西省太原市 030032 h■ps://orcid.org/0000-0003-0016-012X (闫瑞忠)
基金资助：山西省重点研发计划项目(201903D321172)，项目负责人：闫瑞忠
引用本文：闫瑞忠，李佳慧，林树忠，武晓刚，郭志坚，刘文琦，刘强. 骨盆倾斜对髋关节置换后站立位髋臼侧应力影响的有限 元分析[J].中国组织工程研究，2023，27(36):5795-5800.
0 引言 Introduc■on
髋臼侧假体位置直接影响髋关节置换术的临床结果， 包括术后髋关节的活动范围、脱位风险、聚乙烯磨损的增 加，可引发假体周围骨质疏松和松动，是髋关节不稳及翻修 的主要原因[ 1]。Lewinnek安全区和联合前倾角是临床医生 在手术时的最佳参考，以提高髋臼侧假体位置的精确性[ 2]。CALLANAN等[ 3]报道以传统方法行全髋关节置换，仅50%假体安放在可接受的安全区。计算机导航下以仰卧位前骨盆平 面为参考行全髋关节置换可提高髋臼侧假体位置的精确性。DIGIOIA等[ 4]报道了骨盆倾斜角(pelvic ■lt angle，PTA)的差 异对术后假体力学环境及稳定性的影响[ 5-7]。骨盆倾斜角被 定义为站立侧位X射线片前骨盆平面与重垂线夹角，可影响髋臼杯的功能位置，附加此个体化的骨盆倾斜角到计算机导 航参数中有助于改善全髋关节置换后个体站立位腰椎骨盆复 合体静态平衡。
三维有限元技术已被应用到截骨、矫形、关节、脊柱领 域生物力学分析，但个体化的髋关节置换模拟手术及分析术 后骨盆倾斜角对髋关节受力情况影响的报道较少。该研究的 目的：①利用人体影像学资料，构建髋关节模型，模拟个体 化全髋关节置换术，分析骨盆倾斜对髋臼侧应力的影响；② 探讨骨盆倾斜角在全髋关节置换术的安全范围。
1 对象和方法 Subjects and methods
1.1 设计 有限元分析。
1.2 时间及地点 实验于2019年12月至2022年3月在太原理工大学生物医学工程学院实验室完成。
1.3 对象 获取6例站立位及仰卧位同一标准腰椎侧位X射 线片和骨盆前后位、侧位X射线片及CT影像学资料，标记为A， B，C，D，E，F，排除股骨近端畸形及肿瘤。A为男性24岁；B为男性75岁；C为女性83岁；D为男性61岁；E为男性 65岁；F为女性80岁。其中病例C，F为股骨近端骨折术后， 已解剖复位，E为全髋关节置换术后，能完全站立行走，都
以健侧髋关节为研究对象。
该研究方案经太原市中心医院伦理委员会批准，患者及 家属对资料的采集完全知情同意，并签署了知情同意书。
1.4 方法
1.4.1 影像资料采集 采用螺旋CT(Aquilion 64，Toshiba Medical System 公司，日本)，自第3腰椎至骨盆、股骨扫描，获得 CT图像，保存为DICOM格式。扫描参数：层厚1 mm，层间 距2.5 mm。骨盆侧位X射线片：在站立位髋关节伸直位， 双臂与躯干成90°放于支撑物拍摄；骨盆前后位X射线片：在站立位、仰卧位下，X射线中心垂直于耻骨联合上缘，距球管相同距离拍摄。
从6例骨盆CT轴位图像获取髋臼解剖前倾角等同于手术前倾角，冠状面获取髋臼解剖外展角等同于手术外展角，CT重建图像获得仰卧位骨盆倾斜角[ 8-9]，见表1；以骨盆前 平面(anterior pelvic plane，APP)为参考，根据站立位骨盆侧 位X射线片，测量站立位骨盆倾斜角(见图1)，后倾记为负值，前倾记为正值，将其分为骨盆倾斜角矫正前模型：站立位骨盆倾斜角≤-10°(A，B)，站立位骨盆倾斜角≥10°(C)；矫正后 模型：Aa，Bb，Cc；正常模型：-10° <站立位骨盆倾斜角< 10°(D，E，F)。
1.4.2 三维几何模型的建立 将6例DICOM文件导入Mimics Medical 21.0软件(Materialise公司，比利时)，通过阈值设定、区域增长、腔隙填充、包裹光滑等功能建立骨盆及股骨三维模型，其中阈值按照Mimics给定的Bone(CT)值设定为 226-1 631。利用3D TOOL中的Cut功能于股骨颈基底上缘 1.5 cm处截骨[ 10]。
将生成的STL文件导入Geomagic Wrap 2017(3D Systems 公司，美国)，通过多边形阶段及曲面阶段等处理完成优化， 形成实体模型。在三维机械设计软件Solidworks(法国达索 SIMULIA公司)中生成实体，再将假体模型[嘉思特医疗器 材(天津)股份有限公司，中国]以TXT文件导入生成实体。完成手术模型：颈干角(135±2)°；前倾角(13±1)°；假体头尽量通过股骨头中心且与大转子的顶点在同一水平的标准进行 精确摆放[ 11-12]，并在Solidworks中调整髋臼前倾角、外展角 及骨盆倾斜角以符合实际CT值，见图2。
1.4.3 骨盆倾斜角度调整 因CT扫描采用仰卧位，在装配三维模型时以仰卧位骨盆前平面作为参考，它与水平面的夹角 为手术骨盆倾斜角，以骨盆前倾时骨盆倾斜角为正值，骨盆后倾时骨盆倾斜角为负值。对6例CT图像以仰卧位骨盆前 平面为参考平面建立模型A，B，C，D，E，F。根据INABA 等[ 13]，ZHU等 [14]，SUZUKI 等 [15]报道，站立位骨盆倾斜角≤-10°时，全髋关节置换术后骨盆会继续后倾，取手术骨盆倾斜角=(仰卧位骨盆倾斜角+站立位骨盆倾斜角)/2，建立模型 Aa，Bb；站立位骨盆倾斜角≥10°时，依据ISHIDA等[ 16]方法， 在全髋关节置换术后骨盆平均后倾10°，取手术骨盆倾斜 角=站立位骨盆倾斜角-10°，建立模型Cc。完成9个髋关 节置换实体模型，见图3。图注：图A，B为骨盆倾斜角≤-10°；C为骨盆倾斜角≥10°；D-F为 -10° <骨盆倾斜角< 10°
1.4.4 有限元模型的建立及分析
(1)建立有限元模型：将建立的9个模型分别导入软 件Hypermesh 2019(Altair公司，美国)中划分四面体网格， 经布尔运算区分皮质骨、松质骨后导入ABAQUS 6.14-4(法 国达索SIMULIA公司)建立有限元模型，见图3。区分皮质骨及松质骨的方法赋予骨材料属性；假体分别采用钛合金(髋臼杯、股骨头、股骨柄)及高分子聚乙烯(内衬)材 料并在ABAQUS中赋予其材料属性[ 17]，据嘉思特医疗器材 (天津)股份有限公司提供的假体参数赋予其材料属性。 见表2。
(2)模型边界条件及载荷：力的载荷采用简化髋关节受力模型，以点面耦合的方式分别于骶髂关节处和耻骨联合处施加600 N向下的力模拟60 kg体质量，并于股骨大转子处 施加了2 582 N的力以模仿外展肌力。固定股骨远端，为防止骨盆滑移造成无法收敛的现象，分别于骶髂关节和耻骨联合处施加6个方向为0的约束，加载和边界条件，行有限元 模型的静力分析[ 18-19]，见图4。
1.5 主要观察指标 观察矫正前、矫正后和正常模型髋臼、髋臼杯、内衬的应力分布和变化。
2 结果 Results
2.1 模型单元类型、单元数及节点数 成功构建的全髋关节置 换模型其单元类型及所包含单元数、节点数见表3，根据其 施加的载荷及边界条件，与前期相关研究结果对比[ 13，19-22]， 应力分布及大小具有相同趋势，证实构建的有限元模型有效。
2.2 模型各部件负重区域应力分布 髋臼及髋臼杯的应力峰值集中于前下方，在聚乙烯内衬应力集中于中、上部负重区。负重区域在聚乙烯内衬边缘上部靠近中部处，模拟运算中模型B出现不收敛，无法计算应力，在骨盆倾斜矫正后收敛；模型A出现不收敛的趋向，计算机可自行调整。模型A髋臼、 髋臼杯、聚乙烯内衬的负重区应力值分别为1.91，26.12， 8.89 MPa，经过矫正后模型Aa应力值均分别降低为1.46， 24.75，7.01 MPa；模型B出现不收敛，无法计算应力，此情 况等同于髋关节脱位状态，模型Bb的应力值分别为3.06， 29.87，12.45 MPa；模型C应力值分别为3.47，18.95，7.12 MPa，Cc模型应力值分别为4.9，28.73，6.78 MPa；正 常模型D的应力值分别为1.07，17.21，5.21 MPa；模型E的 应力值分别为2.05，18.53，6.52 MPa；模型F的应力值分别 为1.92，17.53，6.55 MPa。模型D，E，F聚乙烯内衬表现为 低的应力值，分别为5.21，6.52，6.55 MPa，见图5。9个模 型髋臼侧Von Mises stress 分布(以下简称应力)，见图6-8。
3 讨论 Discussion
3.1 有限元技术在髋关节置换术应用的可行性 在全髋关节
置换中应用计算机导航系统以前骨盆平面为参考被广泛应 用，在术前和术后无明显的变化，在全髋关节置换术后长期 的随访中被证实是可靠及稳定的参数，可提高髋臼杯放置的 准确性[ 23]，可作为术前计划的一个参数 [24]。对于骨盆倾斜 角偏离过多，以此为参考放置髋臼杯对假体力学影响在实体 研究受到限制。
此次研究根据个体化的CT数据构建有限元模型，模拟髋关节置换手术，特定髋关节节段作用力，纳入的髋关节模型提供了骨盆倾斜角≤-10°，骨盆倾斜角≥10°，骨盆倾斜 角在-10°与10°之间，及骨盆倾斜角调整后的髋关节受力分 析。选择10°为界限值的依据，FUJII等[ 25]在报道相对年轻的髋关节发育不良患者全髋关节置换术后骨盆发生后倾，术后1年后倾的平均值为10°。引发骨盆更向前倾斜的髋关节屈曲挛缩，在全髋关节置换术中消除挛缩因素后，会引起全 髋关节置换术后骨盆的后倾，术前计划的目标角度为站立位骨盆前平面减10°。站立位骨盆前平面值在-10°和10°之间，目标值设置在仰卧位骨盆前平面，原因是骨盆倾斜在全髋关 节置换术后变化较小。在明显骨盆后倾者，定义为站立位骨盆倾斜值≤-10°，在全髋关节置换术后与术前比较分为两种方式，一种是术后骨盆倾斜变化较小，另一种是术后骨盆倾 斜变化较大，后者的特征是腰椎前突减少，当腰椎前突角减少到30°或更小时，目标参考值选取仰卧位骨盆倾斜角与站 立位骨盆倾斜角之和的1/2，依据为站立位相对于仰卧位骨 盆后倾程度增加，全髋关节置换术后1年仰卧位骨盆前平面 值等于术前仰卧位、站立位骨盆倾斜角值之和的1/2。腰骶 角设置在30°的依据为平均腰骶角为(23.3±17.1)°[ 15]，在骨盆 后倾者全髋关节置换术后进一步进展者的亚洲人群平均腰骶角为(53.6±17.1)°[ 26]。在过去的研究中个体化的髋关节模型应用较少，然而，个体化的有限元模型能接近实际情况，且模 拟出与实验数据相一致的结果，在一定程度上可替代实验生 物力学[ 22]。
研究中选择正常行走模型单足站立阶段髋关节最大接触作用力作为研究的负荷状态。在CT成像时以去除关节软骨及关节盂唇，尽管软骨及盂唇在有限元模型的特性未知，残 留的关节软骨对关节假体负荷在将来的研究必定有临床指导 意义。模拟髋关节静态时受力，分析髋关节的作用力，提供 了单纯髋关节的作用力；忽略了作用在髋关节的体内接触力、 动态负荷及非线性旋转附加力，可进一步分析骨盆倾斜角对 髋关节的受力影响。
3.2 骨盆倾斜角对全髋关节置换髋臼侧假体应力的影响 在传统的髋关节置换术中很难做到假体精确放置，与自身情况相关。CHANG等[ 27]论述了站立位骨盆倾斜角可作为前骨盆 平面为参考的权重值附加于计算机导航参数中，可提高髋臼 杯放置的准确性。脊柱疾病或创伤常致骨盆前平面的改变，B模型伴有腰椎滑脱，继发骨盆后倾增加，A，B模型负重区应力在骨盆倾斜矫正后降低，间接反映脊柱疾患对髋关节受 力的影响，脊柱矢状位平衡的改变会进一步导致髋关节力学 的变化，将直接导致髋臼杯放置位置不良从而降低假体稳定 性[ 28]。其原因为骨盆后倾会导致股骨头负重面前移，髋臼覆 盖面积减少，从而增加髋臼的负荷[ 29]；适当骨盆前倾则可以 增加股骨头的覆盖率，负重区后移，减少髋臼的负荷[ 28]。因 此，伴有脊柱疾患行全髋关节置换者，仰卧位骨盆前平面为 参考放置髋臼侧假体可增加假体脱位、撞击、磨损等并发症 的发生。
临床实践中站立位骨盆倾斜角≤-10°或骨盆倾斜角≥ 10°时，其从仰卧位到站立位骨盆倾斜角会发生较大的变化， 尤其骨盆倾斜角对假体植入角度的影响明显。模型B伴腰椎 滑脱，以髋关节为一节段做受力分析；模型C一侧股骨转子间骨折，已解剖复位并固定，以健侧髋关节为研究对象，不影响受力分析结果。9例髋关节置换手术模型结果表明，模 型B在计算中出现不收敛现象，视为髋关节发生脱位[ 28]；模型A有不收敛的倾向，经过矫正后可顺利计算结果，表明随着骨盆后倾增加，髋臼杯的前倾角及外展角均增加，股 骨头与髋臼杯出现分离，预示骨盆后倾到一个界限，髋臼杯 边缘负荷增加，促成股骨头假体与髋臼杯的分离，增加了髋 关节假体的不稳定性，这与临床研究相一致，即偏大的髋臼 杯的前倾角增加术后脱位的风险[ 30-31]。严重骨盆后倾会增加 聚乙烯的磨损，与TEZUKA等[ 32]研究结果相一致。站立位 骨盆倾斜角> 10°的Cc模型较C模型聚乙烯内衬负重区最大 Von Mises值减少，接近正常模型，髋臼及髋臼杯的最大Von Mises值较矫正前增加并高于正常模型，表明关节假体应力转移至髋骨，减少了聚乙烯的应力。骨盆后倾矫正后髋臼侧 的应力都降低，而骨盆前倾矫正后降低了聚乙烯内衬的负重 区应力，增加了髋臼及髋臼杯负重区的应力。髋臼和髋臼杯 应力增加及髋臼杯出现应力高峰值是由于髋臼杯相比其相邻结构的高弹性模量，应力在髋臼杯被分解，减少了其相邻结 构的应力，基于此结果，可推断骨盆倾斜的调整可降低股骨 头与内衬接触面的重塑性继而阻止磨损开端。矫正模型和正常模型相比较，模型Aa，Cc内衬负重区最大Von Mises应力 值接近正常模型，模型Bb高于正常模型，Bb及Cc模型髋 臼及髋臼杯Von Mises应力大于正常模型，说明骨盆过度的前倾、后倾都增加髋臼的应力，经过矫正后使内衬的应力接 近但不能完全恢复正常，由于人体骨盆倾斜的变化往往伴脊 柱及膝关节整体矢状位的改变，髋关节的受力受多因素的影 响，包括脊柱形态、脊柱骨盆运动单元复合体、膝关节等，与MURPHY等[ 33]观点一致。
关于仰卧位到站立位骨盆倾斜角的变化(ΔPTA)对全髋 关节置换髋臼侧体应力的影响，有些ΔPTA数值较大， ΔPTA的数值不是全髋关节置换术后影响假体应力的重要因 素，所以未把ΔPTA作为变量因素[ 31]。
3.3 研究的局限性和不足 虽然此研究结果表明骨盆倾斜角对髋关节置换髋臼侧假体应力分布有影响，特别在站立位骨盆倾斜角≤-10°、骨盆倾斜角≥10°且增大时，骨盆后倾矫正后可减少髋关节的应力，但研究仍有自身不足之处：①重 点分析站立位骨盆倾斜角对全髋关节置换模型髋臼侧假体应 力的影响，需量化负重区；②入选的样本量较小，可能会引 起较大的偏倚；③动态下的受力分析会更全面反映髋臼侧假 体的受力分布；④仅考虑髋臼前倾角，外展角变化的影响未 列入研究[ 34]。
结论：站立位骨盆倾斜角在-14°和-25°模型及11°模 型相对-10° <骨盆倾斜角≤10°模型髋臼侧表现出高的应 力值，骨盆倾斜角为-14°模型矫正骨盆前平面后应力值接 近-10° <骨盆倾斜角≤10°模型之值，提示偏离-10° <骨盆 倾斜角≤10°范围外增大是髋关节术后发生磨损，继发脱位的危险因素；对骨盆后倾过大者，调整其骨盆前平面参考平 面可降低全髋关节置换术后并发症的发生。
免责声明：本文系网络转载或改编，版权归原作者所有。如涉及版权，请联系删
承接医学有限元分析项目委托
盆骨、腰椎、颈椎、肩关节、髋关节、肘关节、膝关节、踝关节、义齿、种植体、上下颌骨、黏膜、牙冠 等分析。
02
医学有限元分析培训课程
ABAQUS医学有限元分析及SolidWorks医学3D建模培训
ANSYS 医学有限元分析及SolidWorks医学3D建模培训
一对一教学，随到随学！ 可选择线上或线下培训
