三維有限元模型在發育性髖關節發育不良并發股骨頭壞死中的應用

宋志剛

遼寧省撫順市中醫院放射科，遼寧撫順 113000

發育性髖關節發育不良（developmental dysplasia of the hip，DDH）是骨科常見的發育性疾病，在病情進展過程中，其主要病變部位在髖臼、股骨近端及關節囊等結構，會導致髖關節半脫位、完全脫位等功能障礙[1]，臨床需要進行Pavlik 連衣挽具、閉合或切開復位術、骨盆截骨術等，目的是獲得髖關節正常形態，為髖關節發育營造良好環境，避免股骨頭缺血性壞死[2]。該病中晚期階段會發生股骨頭變形、塌陷、關節損壞等，治療難度大。如果在病變早期及時發現，對癥治療，能夠促進股骨頭缺血受損的部位改善血運循環和再生，防止股骨頭發生塌陷，保障關節功能。故早期診斷和治療對患者的預后具有重要意義[3]。隨著醫學設備技術的不斷發展，利用影像學數據結合三維有限元力學，建造模型，可為DDH 的病情預測和干預治療提供科學方案。

1 髖關節發育不良并發股骨頭壞死的發生機制

研究認為髖關節發育不良的患兒需接受DDH 閉合復位及髖臼周圍截骨術，術后旋股內動脈有可能受到髂腰肌、內收肌的壓迫，發生供血障礙，導致脂質代謝異常、骨細胞凋亡、內皮細胞損傷，加上術后骨量減少，關節壓力增大[4]，使軟骨內血管受壓發生阻塞，發生股骨頭壞死[5]；另外矯正時過度外展固定用石膏和支架會壓迫髖關節組織，也會造成股骨頭壞死。

2 髖關節發育不良的影像學檢查

目前診斷DDH 的主要方法有超聲檢查、X 線檢查、CT 檢查、MRI 檢查。超聲檢查快捷、有效，對于6 月齡內的嬰兒，其股骨頭骨化中心尚未形成，超聲檢查可以提供準確的髖臼與股骨頭的對位數據，監測高危患兒髖關節發育；也可對患兒治療后效果和后續發育情況進行監測和療效評價，為制訂和調整治療方案提供科學的參考依據，對預后具有重要價值。X 線檢查針對于4～6 月齡嬰兒，其股骨頭骨化中心已形成，骨盆正位攝片可以呈現骨化中心與髖臼的對位關系，對患兒的髖關節發育情況評估提供依據，但X 線檢查有放射性，需要患兒配合，3 月齡內嬰兒不宜應用。CT 檢查具有三維重建功能，診斷價值高，其橫斷掃描可能觀察患兒髖關節復位情況，但CT 檢查同樣具有放射性損害，不建議低月齡嬰兒應用。MRI 檢查用時長，患兒需要鎮靜，不存在電離輻射，且對軟組織識別度高，主要用于閉合復位或切開復位后的治療效果觀察及評價。

3 DDH 并發股骨頭壞死的影像學表現

3.1 X 線及CT 影像學檢查

CT 和X 線檢查均能提供股骨頭壞死患者在不同分期的病情變化及進展程度，但是在該病早期，應用X 線檢查，其分辨率較低，敏感度不高，不能良好地反映早期癥狀，有可能出現漏診情況，適用于常規檢查和隨訪。CT 影像診斷對于股骨頭壞死早期病變的篩出率較X 線略有提高，能較清晰地反映出股骨頭的結構以及周邊組織的變化情況，在股骨頭早期病變中，CT 檢查就可以顯示出骨小梁缺失、局部囊性變、骨質硬化、髖臼退行性改變等病變[6]，但早期CT 影像中顯示片狀低密度像，影像學呈現為部分骨小梁消失或吸收，而此時骨小梁缺失較少，在關節間隙表現上并無顯著變化[7]；且股骨頭壞死早期，其骨髓細胞缺血雖然導致壞死組織細胞水腫，但結構未發生改變，故CT成像無異常，檢出率低，不利于診斷。隨著疾病的進展，CT 影像會顯示出股骨頭的邊界模糊、內部囊狀病變，此時關節內部結構清晰，以高密度硬化為主要表現，顯示出股骨頭塌陷、變形，伴有關節間隙寬窄[8]；到晚期時，CT 影像顯示股骨頭內可見囊狀透光區模糊，股骨頭軟面消失、斷裂，變形，此時髖關節消失或變窄[9]。CT 成像是斷層掃描，對骨骼結構變化敏感，可為股骨頭壞死后期關節塌陷提供依據[10]。在輪廓診斷方面，CT 對囊性病變特異性高，可清晰呈現囊變周圍的硬化環與囊變情況[11]。故CT 在股骨頭壞死早期診斷率低，中晚期其診斷率會逐漸提高，可用于評估患者股骨頭壞死的病情發展趨勢[12]。

3.2 MRI 檢查

MRI 檢查可對股骨頭的任意斷面掃描成像，對脂肪和水分的細微變化很敏感，能夠反映股骨內部脂肪細胞信號強度，分析股骨頭壞死早期的線片及片狀水腫[13]，可表現為“雙線征”，以此劃分股骨頭組織正常供血與缺血性改變，同時監測T1WI 線樣低信號區中T2WI 的局限性信號升高程度，以此評估股骨頭早期缺血壞死的特異性較高[14]。MRI 的優勢在于多方向成像、對比度高、分辨率高、可進行軟組織成像，能更好地反映病理組織形態、關節積液情況，提高診斷價值。

3.3 常規增強MRI 檢查

股骨頭壞死診斷可分為4 期[15]。0 期：無臨床表現，MRI 檢查為陰性，但股骨已存在缺血性改變，可見骨骺血管及骨骺。1 期：骨骺血管或者骨骺可見雙側不對稱性強化，強度信號低于對側，可見斑點狀信號。2 期：關節間隙正常，股骨頭未發生變形，但可見硬化及局部囊變，呈星月形信號。3 期：股骨頭開始發生不同程度的變形，可見塌陷和骨皮質斷裂，形成新月體。國外研究結果顯示[16]，DDH 患者閉合復位術后，行常規增強MRI 檢查，股骨頭骨骺強化程度的敏感度的陽性及陰性預測值分別為87.5%和88.3%；而骨骺強化程度的特異度的陽性及陰性預測值分別為78.0% 和94.0%。其結果提示，以80.0%作為股骨頭骨骺強化程度的監測臨界值，用來判斷髖關節發育不良患者在進行閉合復位術后，發生股骨頭壞死的風險程度。只有盡早明確股骨頭壞死分期指數，制訂合理治療措施，才能挽救股骨頭功能，避免患者終生殘疾[17]。

3.4 動態增強MRI

國內研究者采用半定量灌注參數，對股骨頭部位的微循環、血流灌注指標進行評價，結果表明動態增強MRI 可無創性評估骨關節的微循環灌注，對骨關節疾病的診斷、預后、預測、療效評估提供參考價值[18]。馬偉麗等[19]對股骨頭壞死高危人群和正常人群股骨頭部位的微循環灌注進行了追蹤性評價及對比，研究結果顯示高危人群比正常人群股骨頭的血流灌注要低、灌注時間長，存在血流瘀滯現象；且正常人群的股骨頭負重區較非負重區比較，負重區的血流灌注較多。動態增強MRI 能夠反映出股骨頭內部的微血管分布情況，為調整治療方案提供科學的血流動力學信息。

3.5 彌散加權成像

MRI 是目前公認的股骨頭壞死診斷準確率最高的方法，在其諸多序列成像中彌散加權成像在股骨頭壞死的診斷中體現出優越的價值。由于正常人骨皮質內自由水含量較少，彌散信號有限，故ADC 值較小，而股骨頭壞死患者早期病變均為股骨頭部位供血減少，細胞壞死，引起骨組織炎性修復，水分子擴散，使骨組織含水量增高，ADC 值升高。ADC 值可作為FHN診斷的標志物，并且隨著病情的發展而變化，早期ADC 值較正常升高較小，中期最大，晚期減小。高?；純嚎啥ㄆ谟^察，及時采取干預見措施，可有效預防或者延緩股骨頭壞死的發生。

4 三維有限元模型系統的建立與應用

目前應用的影像學檢查各有優點，但受限因素也較多，很難在髖關節發育不良的治療和風險預測全過程中提供連續直觀的數據，而三維有限元建模概念的引入，將影像數據與力學相結合，創建關節不同壓力場景的三維模型，為臨床治療和病情監測提供科學依據。

4.1 有限元建模分析

隨著三維建模技術的不斷發展和完善，建立三維有限元模型首先從患兒CT 或MRI 影像資料中提取髖關節和股骨組織的幾何數據和特征性參數，并利用專業軟件對髖關節、股骨組織進行劃分，包括皮質骨、松質骨外殼等，再根據劃分好的各部位模型重新組合建立成三維圖像，導入軟件，將影像檢查中無法顯影的椎間盤、軟骨組織和韌帶等組織進行模擬補洞，形成患兒當前病情下完整的髖關節和股骨模型。再利用軟件對模型各部位進行原始賦值，同時利用軟件設定受力場景，在研究部位施加應力，計算數值[20]，用以模擬不同類型的臨床病理狀態，從而得到不同病理狀態下髖關節的生物力學數據，目的是指導、制訂和調整治療方案[21]。

4.2 發育性髖關節脫位有限元模型的建立

經過有限元模型在髖關節發育中應用不斷加深，國外學者[22]對發育性髖關節脫位也進行了實驗，研究中通過建模計算股骨外展角40°、60°、80°時關節軟骨所受壓力，結果得出：外展角增大，軟骨壓力也增大，應力主要集中在髖臼后外側，外展角為80°時，股骨頭上表面應力明顯增大，髖臼受力超過骨組織屈服最大強度，容易發生塌陷，且該應力直接影響股骨頭的內部血管血流量，發生股骨頭壞死。通過對外展角的研究，有利于優化發育性髖關節脫位的治療。

4.3 利用三維有限元模型預測股骨頭壞死發生

利用三維有限元模型可以清晰地表達患者股骨頭壞死區和非壞死的應力改變，以及不同病理狀態下壞死區的位置、大小、受力、形態等。國外學者[23]應用有限元分析建立多種角度的髖臼周圍截骨術模型，以不同中心邊緣角為變量參數，對髖臼部位的翻轉角度進行測量，計算得出不同角度下頭臼座的應力值，研究結果顯示，當中心邊緣角為25°時，發育不良髖關節與健康髖關節的應力峰值及應分布情況基本近似；但當中心邊緣角超過25°時，髖臼邊緣會出現應力集中點，軟骨組織長時間處于高應力壓迫，使股骨頭發生骨性關節炎，甚至壞死，故髖關節發育不良需要干預時，矯正最佳位置并非恢復放射學“正?！狈秶?，而是應該根據髖關節發育不良的嚴重程度進行矯正，輕度患者最佳矯正中心邊緣角度應為略大于“正?！敝担卸然颊叱C正角度應控制在“正常”值范圍內，重度患者的最佳矯正角度應小于“正?！敝档南孪轠24]。

4.4 有限元模型對股骨頭塌陷的預測

經過國內外醫學界的不斷研究，應用有限元模擬場景，對股骨頭近端形態力學進行分析計算，得出股骨頭壞死后力學的分布情況，可以準確地預測塌陷。在預測過程中可以設置為不同的壞死區、面積、形狀等場景，根據場景計算應力，根據材料特性評估股骨頭塌陷的風險。正常股骨頭的應力指數為0.05～0.10，當應力指數＞0.1 就可能發生骨折[25]。壞死骨的屈服應力為5.5 MPa，也就是說當骨折發生時，其所受應力需＞0.55 MPa[26]。通過模擬得出，以壞死區表面積達到25%的比例作為評估股骨頭發生塌陷的臨界值[27]。

4.5 股骨頭缺血性壞死塌陷后的有限元分析

在實際臨床治療過程中，股骨頭壞死后有一部分塌陷通過治療后是可以獲得康復的。研究顯示[25]：有50%的股骨頭壞死患者發生塌陷，一部分患者雖然影像上發現股骨頭塌陷，但實際生活中并未受到影響，查體時髖關節功能良好，此時影像學成像就受到限制，很難呈現出關節內部情況，借助有限元分析能夠獲得壞死區是否與應力區發生重疊，從而可以根據具體情況制訂治療方案，使帶塌陷生存的患者獲得滿意的療效。并通過模擬場景如日常動作、步行、上下樓、下蹲、站立等，計算應力，指導患者如何避免高危動作，可有效延緩病情加重。

5 展望

三維有限元模型為髖關節發育不良的治療和股骨頭壞死的監測提供了新的途徑，將影像數據結合有限元力學，可以得出股骨近端形態，以及不同場景的受力情況，為臨床診斷、治療、病情監測提供科學依據。但建模研究樣本較小，圖像數據與真實情況存在差距，且軟件復雜，還需進行大量臨床實驗，取得可靠結果。