劉镕閣 徐雁

北京大學(xué)第三醫(yī)院運(yùn)動醫(yī)學(xué)科（北京100191）

1 前言

髖關(guān)節(jié)撞擊綜合征(femoroacetabular impingement，F(xiàn)AI)是一種以髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)異常導(dǎo)致的髖關(guān)節(jié)運(yùn)動終末期異常撞擊，從而使髖關(guān)節(jié)力學(xué)結(jié)構(gòu)紊亂的疾病[1]。根據(jù)結(jié)構(gòu)異常發(fā)生的部位，F(xiàn)AI 可以分為凸輪型畸形(Cam型)、鉗型畸形(Pincer型)和二者皆有的混合型[2，3]。FAI患者運(yùn)動終末期的異常撞擊導(dǎo)致髖關(guān)節(jié)內(nèi)壓力增高，繼發(fā)骨軟骨退變，甚至引起早期髖關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎[1，4]。凸輪畸形以股骨頭-頸交界處的異常骨性凸起為特征，凸起的異常骨性結(jié)構(gòu)導(dǎo)致α角增大[5-9]。有學(xué)者研究表明，較小的頸干角也與FAI密切相關(guān)，提示頸干角對FAI 的預(yù)測作用[10，11]?；加蠪AI 的患者常產(chǎn)生步行、上/下樓梯或蹲起過程中的關(guān)節(jié)活動范圍受限和疼痛[11-18]。隨著對FAI的認(rèn)識不斷深入，越來越多學(xué)者認(rèn)識到無癥狀FAI 的存在[19-22]。然而，部分學(xué)者認(rèn)為，無癥狀FAI 患者也存在著潛在的軟骨下骨硬化，甚至存在潛在的骨關(guān)節(jié)炎[23-26]。

數(shù)字醫(yī)療，是指將數(shù)字化技術(shù)如計算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)等應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的新型現(xiàn)代化醫(yī)療模式，是未來醫(yī)學(xué)發(fā)展的“藍(lán)海”之一[27-29]。其中，在關(guān)節(jié)外科和運(yùn)動醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，數(shù)字化骨科技術(shù)正逐漸成為分析骨骼、肌肉、韌帶、軟骨等組織結(jié)構(gòu)生物力學(xué)特性的主流手段。三維有限元分析方法(finite element method，F(xiàn)EM)作為數(shù)字化骨科的代表技術(shù)，在分析軟骨和骨生物力學(xué)狀況方面有著獨(dú)特優(yōu)勢，在FAI 診療中的應(yīng)用日趨廣泛[30]。

本文通過在Pubmed、MEDLINE、中國知網(wǎng)和萬方數(shù)據(jù)庫中，以“Finite Element Method”、“Finite Element Analysis”、“Femoroacetabular impingement”、“FEA”、“有限元”、“髖關(guān)節(jié)撞擊綜合征”為關(guān)鍵檢索詞進(jìn)行系統(tǒng)的文獻(xiàn)檢索，并對文獻(xiàn)進(jìn)行篩選，深入探討FAI診療中有限元方法的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用范圍，以揭示高精高效有限元技術(shù)在FAI診療中應(yīng)用的可能性。

2 髖關(guān)節(jié)相關(guān)的三維有限元技術(shù)的演變

髖關(guān)節(jié)相關(guān)的有限元技術(shù)經(jīng)歷了參數(shù)模擬模型、個體化有限元模型和聯(lián)合骨肌多體動力學(xué)的個體化有限元模型三個階段?？傮w趨勢是向著個體化、精細(xì)化方向發(fā)展，并越來越注重軟組織的作用和肌肉對關(guān)節(jié)的生物力學(xué)影響。

2.1 參數(shù)模擬模型

髖關(guān)節(jié)是典型的球-窩關(guān)節(jié)，由上方的髖臼和下方的股骨頭構(gòu)成。參數(shù)模擬模型是指利用3D 建模的方法，不考慮不同個體間的解剖差異，將髖關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)簡單地理想化成純粹的“球”和“窩”。通過調(diào)節(jié)所構(gòu)建模型的參數(shù)，如α角、頸干角等數(shù)值，粗略地模擬不同解剖結(jié)構(gòu)的FAI的力學(xué)特點(diǎn)的差異。參數(shù)模擬模型具有簡單易行、不依賴影像學(xué)資料、可以自由調(diào)節(jié)各個參數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，可以很好地探究不同參數(shù)對FAI時髖關(guān)節(jié)生物力學(xué)特點(diǎn)的影響，但是，該方法未考慮不同患者的差異性，不適用于個體化地探究患者的關(guān)節(jié)內(nèi)生物力學(xué)特點(diǎn)。

2009年，Chegini 等[31]最早報道了基于多參數(shù)模擬的FAI三維有限元模型。該研究將髖關(guān)節(jié)簡化為簡單的球-窩關(guān)節(jié)，調(diào)整所設(shè)定的模型的α角和外側(cè)中心邊緣角(central-edge angle，CE角)，以模擬不同嚴(yán)重程度的凸輪型畸形(較大的α角)和鉗型畸形(較大的外側(cè)CE 角)，隨后修正邊界條件，并計算蹲-坐過程和行走過程時的關(guān)節(jié)內(nèi)壓力情況。Chegini等的研究所使用的髖關(guān)節(jié)載荷來自于公共數(shù)據(jù)庫[32]，并將載荷施加于股骨頭上。Chegini 等每10 度進(jìn)行一次模擬，計算了α角從40度到80度和外側(cè)CE角從0度到40度的不同狀態(tài)下的應(yīng)力狀態(tài)，并計算了不同狀態(tài)下的髖臼軟骨的最大接觸力(Peak Contact Pressures)和Mises 等效應(yīng)力(Von Mises Stresses)。其研究證實，在蹲-坐過程中，髖臼軟骨的最大接觸力和Mises等效應(yīng)力與α角和外側(cè)CE 角呈正相關(guān)；行走過程中的最大接觸力和Mises 等效應(yīng)力明顯低于蹲-坐過程，α角與最大接觸力和Mises等效應(yīng)力無明顯正相關(guān)效應(yīng)。該研究初步探討了不同α角和CE角情況下，F(xiàn)AI的關(guān)節(jié)內(nèi)應(yīng)力變化狀況，但尚待進(jìn)一步完善，尚欠缺探討不同患者解剖結(jié)構(gòu)的特異性帶來的差異，以及患者肌肉和韌帶的作用。

髖關(guān)節(jié)盂唇有限制股骨頭運(yùn)動和將關(guān)節(jié)囊液密封于關(guān)節(jié)中的作用。關(guān)節(jié)液在髖臼軟骨與股骨頭軟骨之間形成一層流體膜，使二者之間的應(yīng)力分布更加均勻，避免了髖臼軟骨與股骨頭軟骨的直接接觸[33]。值得一提的是，由于模型復(fù)雜且難以構(gòu)建，個體化有限元模型中往往忽略了盂唇的“封閉”作用。Ferguson 等[34]基于參數(shù)模擬模型的方法，進(jìn)行了髖關(guān)節(jié)盂唇“封閉”作用的研究。Ferguson等學(xué)者構(gòu)建了包含髖臼軟骨、股骨頭軟骨，關(guān)節(jié)盂唇和關(guān)節(jié)液的參數(shù)模擬模型，其中，軟骨和盂唇設(shè)定為各向同性多孔彈性材料。由于髖臼盂唇的結(jié)構(gòu)與半月板相似，故在此研究中，髖臼盂唇的環(huán)周剛度在50 Mpa至200 Mpa之間調(diào)整。在此研究中，沿著股骨縱軸施加恒定的1200 N 的力。 Ferguson 等的研究顯示，在盂唇周邊的纖維剛度大于100 MPa時，髖關(guān)節(jié)盂唇可以起到顯著的“封閉”作用。該研究使用有限元的方法，初步探討了髖關(guān)節(jié)盂唇的“封閉”作用，為以后的髖關(guān)節(jié)盂唇的建模提供了啟示，同時，該研究為盂唇重建手術(shù)的材料選擇提供了參考。

2.2 個體化有限元模型

個體化有限元模型是指建模時使用影像學(xué)資料，考慮患者的個體解剖差異，從而更加真實地模擬FAI患者的生物力學(xué)狀態(tài)。目前所采取的的影像學(xué)資料多為電子計算機(jī)斷層掃描(computed tomography，CT)和磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)。多名學(xué)者采用個體化有限元模型的方法分析FAI患髖的應(yīng)力變化?；诨颊逤T 的三維有限元建模方法被廣泛采用[35-40]。由CT結(jié)果構(gòu)建的三維有限元模型可以很好地反映骨組織的形態(tài)，但是由于CT對軟組織的成像不夠精確，軟骨組織則是基于研究者的手動描繪。此外，髖關(guān)節(jié)盂唇的“封閉”效應(yīng)難以在有限元模型中模擬，故在大多數(shù)研究中被忽略。

Jorge 等[41]報道了基于磁共振血管成像(magnetic resonance angiography，MRA)圖像構(gòu)建的三維有限元模型。盡管MRA成像比普通的MRI成像更加清晰，但是限于成像技術(shù)的局限性，MRA 的圖像層面厚度遠(yuǎn)大于CT，圖像精度有限，基于MRA 的有限元模型較為粗糙，仍不能很好地反映患者的解剖狀況。

在主流的個體化有限元模型方法中，患者的軟組織、軟骨組織被認(rèn)為是線性彈性和各向同性的，骨組織被認(rèn)為是剛性的，髖臼軟骨面和股骨頭軟骨面之間的接觸為“面-面”接觸，不考慮兩面之間的摩擦力。骨組織、軟骨組織的彈性系數(shù)和泊松比基于前人的測量數(shù)據(jù)[42，43]。有限元的載荷條件和髖臼-股骨距離使用Bergmann等[32]的測量數(shù)據(jù)。個體化有限元模型考慮了患者之間的個體化解剖差異，較參數(shù)模擬模型有了明顯進(jìn)步，但是尚欠缺對不同患者的運(yùn)動方式差異的探究，欠缺對肌肉、韌帶等軟組織的功效以及盂唇的“封閉”作用的評價，仍有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2.3 個體化有限元模型聯(lián)合骨肌多體動力學(xué)分析

傳統(tǒng)的個體化有限元模型方法在分析患髖運(yùn)動狀態(tài)時，載荷條件和髖臼-股骨距離多取自Bergmann 等的測量數(shù)據(jù)，忽略了不同患者之間的個體化運(yùn)動方式的差異，無法計算體內(nèi)的關(guān)節(jié)力和力矩、韌帶力和肌肉力，難以預(yù)測日?；顒酉氯梭w內(nèi)的載荷狀態(tài)[32，44]。多位學(xué)者研究表明，單一靜態(tài)加載難以模擬運(yùn)動狀態(tài)下人體內(nèi)骨骼肌肉的生物力學(xué)狀態(tài)，邊界條件對三維有限元模擬結(jié)果的影響差異巨大[45，46]。結(jié)合Vicon 系統(tǒng)的有限元分析方法，可以有效地提升關(guān)節(jié)生物力學(xué)分析的準(zhǔn)確性。Vicon系統(tǒng)是由美國IST公司開發(fā)研制的商業(yè)化光學(xué)運(yùn)動捕捉系統(tǒng)，被廣泛用于電影、動畫、工程、醫(yī)療、軍事等多個領(lǐng)域。在膝關(guān)節(jié)研究中，Gerus等學(xué)者[47]的研究表明，基于Vicon系統(tǒng)的個體化肌骨動力學(xué)建模的分析結(jié)果較通用肌骨模型的準(zhǔn)確度顯著提升，膝關(guān)節(jié)的內(nèi)側(cè)接觸力的精度提升47%，外側(cè)接觸力的精度提升7%。在髖關(guān)節(jié)的生物力學(xué)研究中，亦有很多學(xué)者使用Vicon 系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動軌跡的捕捉及力學(xué)信息的記錄[11，15，48，49]。因此，結(jié)合個體化肌骨動力學(xué)的有限元分析更能夠反映患者運(yùn)動過程中真實的力學(xué)狀態(tài)。

Ng等學(xué)者[36]采用個體化肌骨動力學(xué)聯(lián)合三維有限元方法，基于CT 資料，比較了不同頸干角的有癥狀的Cam 型FAI 患者、無癥狀Cam 型FAI 患者和健康人，比較其在屈髖90 度時的關(guān)節(jié)軟骨及軟骨下骨的應(yīng)力?；颊咔y90 度時各個結(jié)構(gòu)的相對位置及下肢的生物力學(xué)變化使用Vicon 系統(tǒng)監(jiān)測并記錄。研究顯示與無癥狀FAI患者相比，有癥狀的FAI患者的關(guān)節(jié)軟骨及軟骨下骨應(yīng)力分布更加集中；較小頸干角的FAI 患者的關(guān)節(jié)軟骨及軟骨下骨應(yīng)力更大，分布更加不均勻。這一研究展現(xiàn)了個體化骨肌動力系統(tǒng)聯(lián)合三維有限元在髖關(guān)節(jié)疾病診療中的重要前景，為日后的相關(guān)進(jìn)展做出了探索。

3 三維有限元分析在FAI診療中應(yīng)用

3.1 FAI患髖的應(yīng)力分析

FAI是髖關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎的重要致病因素之一，通過對FAI 患髖進(jìn)行有限元建模分析，可以探究出髖臼軟骨和股骨頭的應(yīng)力分布、最大應(yīng)力峰值等信息，對FAI的骨軟骨缺損、盂唇損傷的機(jī)制做出解釋?，F(xiàn)有的研究多集中于站立位和90 度屈髖時的生物力學(xué)分析。Ng等學(xué)者[37]對術(shù)前FAI的患者進(jìn)行站立位和屈髖位有限元模擬，研究結(jié)果表明，與站立位相比較，屈髖位股骨頭應(yīng)力更高，其中FAI 患者屈髖位與站立位的股骨頭應(yīng)力差(平均差值11.65 MPa)顯著高于非FAI 患者的屈髖位與站立位的股骨頭應(yīng)力差(平均差值1.1 MPa)，這提示FAI 患者在劇烈運(yùn)動時關(guān)節(jié)內(nèi)應(yīng)力變化程度更為劇烈。

Ng等學(xué)者[36]的另一項研究利用個體化骨肌動力學(xué)聯(lián)合三維有限元分析方法，對不同頸干角的有癥狀FAI患者、無癥狀FAI 患者和正常人在90 度屈髖時進(jìn)行比較，研究結(jié)果顯示，小頸干角的FAI患者髖臼軟骨與股骨頭軟骨的平均應(yīng)力更大，應(yīng)力分布更為集中。這項研究中，與無癥狀FAI 患者和非FAI 對照組相比，有癥狀的FAI 患者表現(xiàn)出多個應(yīng)力分布區(qū)域，其中小頸干角的FAI 患者的應(yīng)力分布區(qū)域更為分散，這提示小頸干角是加重FAI 癥狀的影響因素。關(guān)于FAI 的有限元分析，揭示了FAI的相關(guān)致病因素，從生物力學(xué)上解釋了FAI的致病原因，為詳細(xì)闡述FAI的致病機(jī)制提供了一定支持。

國內(nèi)亦有一些學(xué)者對FAI 的模型構(gòu)建和利用有限元技術(shù)的力學(xué)分析進(jìn)行了探究。劉騫等學(xué)者[40]對Cam型FAI 患者進(jìn)行了基于CT 的有限元建模，進(jìn)行力學(xué)分析，并與正常人相比較。結(jié)果顯示，Cam 型FAI 患者在坐下和站立時的關(guān)節(jié)內(nèi)應(yīng)力更大，且應(yīng)力集中于髖臼前上方，這從側(cè)面證實了Cam 型FAI 患者的盂唇易損部位為前上方盂唇，與臨床觀察結(jié)果相符合[50-52]。

3.2 FAI患髖的手術(shù)效果評價

對于有癥狀的FAI 患者，采取以關(guān)節(jié)鏡手術(shù)治療為主的綜合治療策略。Teresa 等學(xué)者[35]通過計算機(jī)模擬FAI 患者的股骨頭Cam 畸形區(qū)域的切除深度，探討不同切除深度時的股骨頭骨折風(fēng)險，為FAI 手術(shù)的切除范圍提供了生物力學(xué)上的指導(dǎo)。研究結(jié)果顯示，當(dāng)切除范圍超過股骨頭厚度的1/3時，或超過10 mm 時，發(fā)生股骨頭骨折的風(fēng)險迅速增加。

Lourenco 等學(xué)者[53]對同一FAI 患者的術(shù)前與術(shù)后影像學(xué)資料，在內(nèi)旋0度至40度范圍內(nèi)，進(jìn)行有限元建模。研究結(jié)果顯示，髖關(guān)節(jié)手術(shù)可以有效減少關(guān)節(jié)內(nèi)軟骨接觸力，這為FAI 患者早期手術(shù)，以預(yù)防關(guān)節(jié)退變、減緩或避免骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生提供了生物力學(xué)依據(jù)。盡管受限于樣本量的局限性，該研究未詳細(xì)地比較各種術(shù)式的效果，但該研究初步證實了手術(shù)治療的有效性，為未來的相關(guān)研究提供了新思路。有限元分析在FAI 的術(shù)后效果評價方面前景廣闊，更為精細(xì)化和個體化的有限元建模，尤其是結(jié)合了個體化骨肌動力學(xué)的有限元建模，將在患者術(shù)后效果評估方面發(fā)揮重要作用。

3.3 FAI發(fā)育過程的研究

越來越多的學(xué)者認(rèn)為，F(xiàn)AI的形成與遺傳、創(chuàng)傷、青春期骨軟骨發(fā)育等有關(guān)。Roels等學(xué)者[38]對髖關(guān)節(jié)進(jìn)行三維有限元分析，探究不同運(yùn)動狀況下髖關(guān)節(jié)的生物力學(xué)改變，尤其是髖關(guān)節(jié)骨骺板的應(yīng)力改變。與其他研究不同，Roels等學(xué)者的研究將股骨頭的材料特性定義為有彈性的材料，而非其他研究中的剛性材料。他們更關(guān)注于骨骺板的生物力學(xué)改變，而非關(guān)節(jié)內(nèi)的機(jī)械應(yīng)力狀況。其研究發(fā)現(xiàn)，髖關(guān)節(jié)屈曲和內(nèi)旋時，股骨骨骺的機(jī)械應(yīng)力最大，最易形成Cam畸形。Roels等學(xué)者的研究以獨(dú)特的角度，拓寬了三維有限元分析在髖關(guān)節(jié)疾病診療中的應(yīng)用范圍。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)展和人們對疾病發(fā)展過程的認(rèn)識不斷深化，在Roels等學(xué)者研究基礎(chǔ)上的相關(guān)定量研究將成為可能。

Sadeghian 等學(xué)者[54]利用有限元模型，分析了Cam畸形發(fā)生發(fā)展中骺板的作用。在該研究中，Sadeghian等學(xué)者將軟骨定義為線彈性、均質(zhì)和各向同性的材料，其所構(gòu)建的模型包括股骨頭、垂直于股骨頸的骺板和過渡區(qū)等結(jié)構(gòu)，骺板、骨小梁和皮質(zhì)骨的楊氏模量分別為5 MPa、600 MPa和20 GPa。在該研究中，股骨遠(yuǎn)端被設(shè)置固定約束，并且該研究在大轉(zhuǎn)子上選取了10個點(diǎn)，也設(shè)置了固定約束，以模擬外展肌群。該研究中定義了4 個載荷，分別向后方或向外側(cè)，以15 度或30 度的角度施加載荷，以模擬日常活動時屈髖的應(yīng)力，載荷以股骨頭為中心，均勻分布于股骨頭表面的設(shè)定區(qū)域。該研究表明，后方的應(yīng)力更易導(dǎo)致骺板的屈曲和凹凸化，可能是Cam 畸形形成過程中的潛在機(jī)制。該研究較前人研究更加精確化，且模擬結(jié)果與臨床觀察相對比，進(jìn)一步驗證了模擬的合理性。在臨床中，創(chuàng)傷因素亦為FAI發(fā)病的重要原因之一。該研究未詳細(xì)探究創(chuàng)傷因素，尤其是創(chuàng)傷后的骨關(guān)節(jié)退變進(jìn)而導(dǎo)致的生物力學(xué)變化對FAI 形成的影響，這有待后續(xù)學(xué)者的進(jìn)一步研究。

4 展望

三維有限元分析在髖關(guān)節(jié)疾病診療中的應(yīng)用將越來越廣泛，這一技術(shù)的未來發(fā)展方向?qū)⒓杏诩蟼€體化骨肌動力學(xué)及更為精細(xì)化和迅捷的個體化兩個方面。髖周軟組織的合理模擬方式、極端運(yùn)動狀況下生物力學(xué)特性分析、精細(xì)化三維有限元建模、快速有限元建模等課題，是目前髖關(guān)節(jié)疾病中有限元分析的攻關(guān)難點(diǎn)，這勢必需要數(shù)學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)等多個學(xué)科共同攻關(guān)。相信在未來，結(jié)合個體化骨肌動力學(xué)的精細(xì)化三維有限元分析，將為髖關(guān)節(jié)疾病患者的生物力學(xué)檢查提供重要的技術(shù)支持，為臨床工作者提供患者關(guān)節(jié)的生物力學(xué)特性信息，指導(dǎo)手術(shù)方式的選擇和術(shù)后預(yù)后的評估，在髖關(guān)節(jié)疾病的診療中將發(fā)揮日益重要的作用。