本研究基于CT灰度值赋予材料属性方法建立了一名马拉松运动员髋关节有限元模型，分析其在单脚站立时髋关节生物力学情况。研究结果发现在骨盆模型中应力集中于弓状线、坐骨大切迹、耻骨梳及髋臼区；在股骨模型中应力集中于股骨头、股骨颈内侧及股骨干区。应力的传导由骶髂关节经弓状线传递至臼顶，在股骨头一侧由股骨颈内侧向小转子下方传递至股骨干内侧，另一侧由股骨颈上侧传递至股骨干外侧。最大主应力分布于髋臼顶后上方（7.22 MPa）和股骨头后上方（6.68 MPa）。模型位移程度在髂骨上缘1~3 mm，并沿股骨轴向下逐渐减小，髋关节处位移0.1~0.3 mm。
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运动损伤是运动员生命中不可避免的，随着长跑运动的普及，所引起的损伤机制也越来越受到重视。研究表明，运动损伤的本质是骨骼力学因素的改变［1］。马拉松运动员长期且周期性从事跑步运动，研究其髋关节的生物力学变化，对预防运动损伤和制定训练计划都具有非常重要的意义。由于髋关节解剖结构的复杂性，大多数建模方法都采用单一的材料属性，比如只针对松质骨和密质骨两个部分赋值，认为每部分骨材料都是各向同性的［2］。然而，在实际生理状态下，骨骼是由骨小梁连接而成的多孔网状结构，是各向异性的［3］。同时松质骨与密质骨也没有明确的界限，个体之间差异较大，所以建立个体化材料属性的髋关节模型对其生物力学的研究至关重要。本研究拟采用有限元方法建立马拉松运动员单侧髋关节模型，基于CT灰度值赋予模型个体化生物特性的材料属性，旨在探讨马拉松运动员髋关节的生物力学情况。
1. 研究对象：选取一名男性业余马拉松运动员，年龄41岁，身高181 cm，体重70 kg。该受试者跑龄4年，累计参加全程马拉松比赛4次，赛前准备期4~5个月，准备期每周训练3~4次，每周跑量30~40 km。X线片筛查受试者脊柱、骨盆及双侧股骨中上段发育无异常。双侧髋关节运动前后无不适症状。受试者签署知情同意书，该项目已获得大连大学附属中山医院医学伦理学委员会批准（2019-058）。
2. 髋关节几何模型构建：使用128排双源螺旋CT（德国Siemens公司）扫描受试者，扫描范围由髂骨上缘5 cm到股骨上1/3，扫描电压120 kV，扫描电流300 mA，层厚1 mm，螺距0.6 mm。扫描后共获得500层图像，以DICOM 3.0格式导入医学影像处理软件Mimics 21.0（比利时Materalise公司），利用高级分割功能CT Bone对右侧髋关节图像进行选区处理，初步构建髋关节三维几何模型（图1）。
3. 模型曲面构建及网格划分：将几何模型以STL格式导入逆向工程软件Geomagic Studio（美国Raindrop公司）对模型进行表面光顺、删除钉状物、曲面构建等处理，得到以多边形表示的封闭的曲面模型（图2A）。将曲面模型以IGS格式导入有限元前处理软件HyperMesh 2019（美国Altair公司）中进行面网格与体网划分（图2B）。
4. 模型材料赋值：将划分好网格的模型导入Mimics 21.0中，基于受试者CT图像的灰度值定义两种材料类型。材料类型1：将灰度值<100 HU的数据，使用密度为50 kg/m3的材料值，目的是为防止负密度值对结果的影响（图3A）。材料类型2：按照十种类别属性对髋关节有限元模型进行材料赋值，依据文献中的经验公式［4］ρ＝-13.4+1017Gv，E=-388.8+5 925ρ（ρ为密度，Gv为灰度值，E为弹性模量），泊松比设为0.3（图3B）。
5. 模型边界条件与载荷设置：将模型以CDB格式导入有限元仿真分析软件ANSYS Workbench（美国Ansys公司），设置髋臼与股骨头之间为无摩擦滑动接触［5］，边界条件设置为约束股骨下端和耻骨联合处所有方向的位移，在骶髂关节处施加受试者体重81%的力［6］，即560 N。最后进行有限元分析，与文献结果对比验证模型的有效性。
1.模型等效应力分布：经过有限元静力学计算，得到模型在上述条件下的等效应力分布云图（图4），黄色部分为应力集中区域与传导途径。在骨盆部分，应力集中于弓状线、坐骨大切迹、耻骨梳及髋臼区。力的传导是由骶髂关节经弓状线传递至髋臼臼顶处。在股骨近端部分，应力集中于股骨头、股骨颈内侧及股骨干区。力的传导由股骨头经两条路径传递，一侧由股骨颈内侧向小转子下方传递至股骨干内侧，另一侧由股骨颈上侧传递至股骨干外侧。其中在髋臼顶部后上方存在最大主应力，为7.22 MPa（图5A）；股骨头表面后上方存在最大主应力，为6.68 MPa（图5B）。
2.模型应变分布：经过有限元模态计算，得到模型在负载作用下的应变程度图（图6）。在直接接触力的髂骨上缘位移最大，值为1~3 mm，位移程度沿弓状线及股骨轴向下逐渐减小，在髋臼与股骨头处位移0.1~0.3 mm，较髂骨上缘明显减少，而在股骨远端几乎无位移。
本研究以马拉松运动员CT图像为基础，经过Mimics软件建立初始髋关节三维模型，极大保留了研究对象的原始数据，保证了模型的准确性和高仿真性。有限元分析的精准度还与网格划分的质量和密度相关［7］，本研究经过Hypermesh网格划分后，共生成了98 504个面网格单元、722 977个体网格单元，网格数量大大高于之前研究模型，所有网格经检验均未出现不合格网格。人体骨骼是由多种各向异性的材料构成［8］，不同个体的骨组织因所处环境的差异在生物力学表现上不尽相同，以往研究简单地把骨骼分为两种材料属性与真实情况差异较大，不能反映出单独个体的骨质特性，对于长期从事马拉松运动者，其骨骼中脂肪、水分的含量和骨质密度与普通人有所差别［9］。本研究基于马拉松运动员髋关节CT图像的灰度值，按照经验公式对骨密度进行弹性模量的转换，并按十种类别属性对模型进行生物材料的赋值，这种方法既可以反映出不同个体的骨质特性，又能提高计算速度和保证计算准确，适合个体化有限元生物力学分析。
通过观察模型的应力分布云图发现，髋骨区域的应力主要集中在弓状线、坐骨大切迹、耻骨梳及髋臼区，股骨近端应力主要集中在股骨头、股骨颈内侧及股骨干区域。髋臼后上方与股骨头的应力集中区与其主要承载人体重量并在力的上下传导过程中起重要作用，股骨颈作为力在下肢呈递和分散的路径也存在应力集中区。研究表明，骨强度与骨质量指数之间存在较弱的正相关关系［10］，因此密质骨比松质骨能传递更大的力，根据Wolff效应，这些区域骨小梁分布密集也印证了解剖上的力学分布特点。根据Bergmann等［11］在髋关节内植入压力芯片的力学研究，在人单脚站立状态下股骨头表面的应力峰值约5.4~8.6 MPa，而本研究模型在股骨头上最大应力为6.68 MPa，结果与体内实验范围相符。以上说明模型结果的合理性，可用于对髋关节生物力学的分析研究。模型的应变反映了骨骼在力的影响下的位移大小。结果显示，髂骨上方变形最大，变形程度沿弓状线及股骨轴向下逐渐减小，髋臼与股骨头处变形程度中等，耻骨联合及股骨远端处几乎无变形。在下肢运动负载中髋关节能吸收由自身重力和地面反馈产生的绝大部分能量，在力的缓冲和减震上起重要作用［12］。在解剖上髋臼包绕2/3的股骨头，这限制了髋臼与股骨头的相对位移，同时增大了接触面积，使力的传导更为稳定和均匀。
综上所述，有限元分析法可以根据不同的约束条件对骨骼进行生物力学的研究，并对实体实验进行相应的验证和补充。本研究基于CT灰度值赋予材料属性方法建立了马拉松运动员髋关节有限元模型，获得了马拉松运动员单脚站立时髋关节的应力分布、传导途径和位移情况，可为进一步探讨髋关节运动力学、撞击损伤和影像改变提供模型基础。
所有作者均声明不存在利益冲突
