劉彩銀，歐陽文輝，黃俊遠(yuǎn)

（1. 會昌縣人民醫(yī)院功能科，江西 贛州 341000；2. 廣州中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院，廣東 廣州 510000）

骨盆前后傾斜是骨盆在人體矢狀面上發(fā)生的姿態(tài)異常，是臨床常見的癥狀［1-2］。但與骨盆前后傾斜有關(guān)的研究報道較少，而且大部分報道僅是對相關(guān)癥狀的描述，沒有涉及其潛在危害的討論，因此很容易導(dǎo)致社會對骨盆前后傾斜問題的忽視。骨盆在人體中扮演重要的承上啟下角色，無論是靜止站立還是行走運(yùn)動都離不開骨盆對軀體的支撐和對下肢的連接，維持正常骨盆形態(tài)有助于保持動靜態(tài)的身體平衡。骨盆傾斜后不僅會影響外在形象美觀，更可能導(dǎo)致不良運(yùn)動姿勢和運(yùn)動穩(wěn)定，最終影響整體身體結(jié)構(gòu)的平衡。骨盆和股骨共同組成人體最大的承重關(guān)節(jié)——髖關(guān)節(jié)［3］，骨盆姿態(tài)的異常變化可能對人體髖關(guān)節(jié)的應(yīng)力傳導(dǎo)產(chǎn)生影響，而關(guān)節(jié)應(yīng)力的改變與關(guān)節(jié)疾病的發(fā)生發(fā)展有著密切聯(lián)系。

本文以真實(shí)人體CT數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建骨盆前后傾斜模型分析其在髖關(guān)節(jié)上的應(yīng)力變化，探討骨盆前后傾斜對髖關(guān)節(jié)應(yīng)力的影響，為臨床提供理論指導(dǎo)。

1 對象與方法

1.1 研究對象 33歲健康女性志愿者1名，排除髖部及全身系統(tǒng)性疾病病史。

1.2 數(shù)據(jù)采集 志愿者平臥位行CT掃描，參數(shù)：層距5 mm，層厚0.5 mm。描述范圍從髂嵴最高點(diǎn)至小轉(zhuǎn)子下10 cm。掃描完成后生成DICOM 格式數(shù)據(jù)。

1.3 半骨盆-全髖關(guān)節(jié)骨性幾何模型構(gòu)建 提取上述CT原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 17.0軟件進(jìn)行閾值分割后三維重建，重建內(nèi)容包括左側(cè)髂骨和股骨上段。重建后模型導(dǎo)入Solidworks 2015 軟件系統(tǒng)，根據(jù)原點(diǎn)配準(zhǔn)方式將左側(cè)髂骨和股骨進(jìn)行裝配（圖1A、1B、1C、1D）。

1.4 軟骨模型重建 裝配后髂骨和股骨模型僅僅包括骨性幾何形態(tài)，而髖臼和股骨間存在間隙即為軟骨區(qū)域。根據(jù)模型中髖臼軟骨面形態(tài)構(gòu)建等距曲面，參考陳凱寧等［4］報道，通過面增長功能，將曲面反向增厚1.2 cm，即為髖臼軟骨模型。根據(jù)文獻(xiàn)報道股骨頭軟骨分布范圍，在股骨頭表面軟骨區(qū)域構(gòu)建等距曲面，同樣通過曲面增長相應(yīng)厚度，即可獲得獨(dú)立的股骨頭軟骨。最后將上述髂骨、股骨、髖臼軟骨及股骨軟骨裝配，組成完整的半骨盆-全髖關(guān)節(jié)模型。

1.5 前后傾斜模型構(gòu)建 根據(jù)自然CT數(shù)據(jù)重建和裝配的模型即為中立位骨盆姿態(tài)模型。在Solid‐works 2015 軟件系統(tǒng)上，通過矢狀剖面視角調(diào)整髂骨模型在矢狀面上前傾20°及后傾20°，分別構(gòu)建骨盆前傾20°和骨盆后傾20°模型（圖1E）。

圖1 半骨盆-全髖關(guān)節(jié)模型重建及骨盆前后傾斜仿真圖

1.6 半骨盆-全髖關(guān)節(jié)有限元模型構(gòu)建 將上述3個幾何模型及其組件分別導(dǎo)入Abaqus 2019 軟件以進(jìn)行有限元分析前參設(shè)定，包括網(wǎng)格劃分、材料屬性設(shè)定［5］（表1）。髖關(guān)節(jié)軟骨接觸定義為面面接觸，摩擦系數(shù)0.015。模擬人體雙腿站立位，進(jìn)行載荷設(shè)定：骨盆恥骨聯(lián)合及骶髂關(guān)節(jié)處進(jìn)行約束，參考BROWN T D 等［6］報道將900 N 集中力加載于股骨遠(yuǎn)端，完成有限元前參設(shè)定，求解應(yīng)力。

表1 有限元模型相關(guān)參數(shù)屬性

1.7 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 數(shù)據(jù)采用SPSS 21.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，數(shù)據(jù)采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，多組間比較采用單因素方差分析，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié) 果

有限元求解完成，提取髖臼及股骨軟骨接觸面的CPRESS 應(yīng)力及接觸區(qū)域，對比不同模型的應(yīng)力分布結(jié)果差異。應(yīng)力云圖顯示三組模型的接觸應(yīng)力峰值區(qū)域都分布于髖臼表面軟骨穹頂部及股骨頭軟骨表面頂部，符合大體髖關(guān)節(jié)接觸應(yīng)力分布（圖2）。融合應(yīng)力云圖對比分析觀察到：骨盆前傾模型應(yīng)力峰值分布區(qū)域較中立位模型向后外側(cè)偏移，骨盆后傾模型應(yīng)力峰值分布區(qū)域則向后前內(nèi)側(cè)偏移。骨盆前后傾斜后峰值應(yīng)力區(qū)平均應(yīng)力較中立位增加，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）（表2）。

圖2 骨盆前后傾斜及中立位模型應(yīng)力分布云圖

表2 各模型峰值區(qū)平均接觸應(yīng)力比較

3 討 論

骨盆姿態(tài)異常指人體骨盆相對脊柱和股骨位置關(guān)系發(fā)生改變，根據(jù)人體三軸三面的解剖定義，臨床上將骨盆向不同方向的旋轉(zhuǎn)偏移分為：繞矢狀軸的骨盆左右傾斜，繞冠狀軸的骨盆前后傾斜，以及繞垂直軸骨盆左右旋轉(zhuǎn)［7］。其中骨盆前后傾斜，尤其是骨盆前傾是一種臨床較常見的癥狀以及普遍存在的問題。谷夢云［8］在對北京市一小學(xué)200 名學(xué)生的健康測試中發(fā)現(xiàn)，有57.8%的學(xué)生存在不同程度的骨盆前后傾斜的問題，其中多數(shù)為骨盆前傾，而冠狀面骨盆傾斜占比則為48.0%，說明低齡學(xué)生的骨盆姿態(tài)問題已經(jīng)非常普遍。但國內(nèi)對于骨盆前后傾斜問題卻少見報道，且大多只是對現(xiàn)狀的淺顯描述，未能深入分析現(xiàn)象背后的本質(zhì)，探究可能的潛在危害，從而更全面地認(rèn)識骨盆傾斜問題。

骨盆上承脊柱下連股骨，因此骨盆傾斜后，對于整個人體的力學(xué)傳導(dǎo)均會產(chǎn)生影響。但基于活體或尸體的人體力學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究存在諸多困難［9］，有限元仿真成為一種有效的手段。陳強(qiáng)等［10］通過構(gòu)建骨盆-髖關(guān)節(jié)模型，分析了發(fā)育性髖關(guān)節(jié)脫位后股骨頭表面應(yīng)力與前傾角的變化關(guān)系。蔡振存等［11］通過構(gòu)建骨盆-髖關(guān)節(jié)模型，研究髖關(guān)節(jié)“人”字型固定在不同角度的力學(xué)特征，從而提出更合理的臨床固定方案。這些研究都說明有限元仿真研究的可靠性。

本研究基于人體真實(shí)CT 數(shù)據(jù)構(gòu)建的半骨盆-髖關(guān)節(jié)模型能夠真實(shí)地反映人體骨骼結(jié)構(gòu)的幾何形態(tài)，軟骨的逆向重建符合生理設(shè)定。有限元的分析結(jié)果能夠較真實(shí)地反映人體內(nèi)部的力學(xué)特性。應(yīng)力云圖顯示出髖關(guān)節(jié)接觸應(yīng)力的分布，這與楊鵬等［12］報道的髖關(guān)節(jié)分布特征基本一致。對比骨盆前后傾斜模型，骨盆前傾后頭臼軟骨的接觸應(yīng)力向前后外側(cè)移動，骨盆后傾后接觸應(yīng)力向前內(nèi)側(cè)移動，二者峰值應(yīng)力都較中立位增加。應(yīng)力結(jié)果很好地揭示了骨盆前后傾斜后髖關(guān)節(jié)接觸應(yīng)力的變化特點(diǎn)，明確了骨盆前后傾斜將對髖關(guān)節(jié)應(yīng)力產(chǎn)生影響。髖關(guān)節(jié)應(yīng)力的增加可能用于解釋骨盆前傾后帶來的潛在危害。而髖關(guān)節(jié)接觸應(yīng)力的增加與髖部疾病的發(fā)生發(fā)展有著密切聯(lián)系［13-14］。例如股骨頭壞死［15］以及髖關(guān)節(jié)退行性變［16］都被證實(shí)是髖部力學(xué)改變的結(jié)果。而對于青少年兒童，他們正處于骨骼發(fā)育的重要階段，力學(xué)刺激是骨骼生長發(fā)育的重要因素［17］，但異常應(yīng)力負(fù)載可能最終導(dǎo)致髖關(guān)節(jié)發(fā)育異常，甚至畸形［18］。而骨盆前后傾斜在低齡兒童中卻普遍存在。

綜上，本研究通過仿真技術(shù)構(gòu)建了骨盆前后傾斜的有限元模型，仿真結(jié)果揭示了骨盆前后傾斜對髖關(guān)節(jié)接觸應(yīng)力的影響，理論上闡明了該問題可能帶來的潛在危害，因此臨床上必須重視骨盆前后傾斜并采取措施糾正。