通过动物模型，探讨发育性髋脱位股骨头表面应力的变化及对前倾角改变的影响。
7只西藏小型猪，通过手术制作出左髋关节髋脱位模型，右侧作为对照组，术后即刻、术后1个月、3个月不同时间分别行骨盆X线检查，测量双侧sharp角及臼头指数，比较术后不同时间各项指标的差异。另分别于术后当天、术后1个月、3个月将实验动物行骨盆及下肢CT检查，收集数据，制作髋脱位三维有限元模型，分析实验侧股骨头表面与对照侧应力分布的变化特点。
术后当天实验侧较对照侧sharp角差异无统计学意义，术后1个月、3个月实验侧较对照侧sharp角增大，差异无统计学意义，术后当天、术后1个月、3个月实验侧头臼指数较对照侧减小，差异有统计学意义；同侧对比显示随着脱位时间的延长，实验侧sharp角逐渐增大，差异无统计学意义，头臼指数随着脱位时间的延长逐渐减小，差异有统计学意义。有限元股骨头表面应力分析结果提示：术后当天、术后1个月、3个月实验侧与对照侧股骨头内侧相同检测位点应力分布值比较，实验侧检测位点应力分布值增加，差异有统计学意义(P<0.05)；随着脱位时间的延长，实验侧股骨头内侧相同观察点应力值不断加大，相同位点应力分布值比较差异有统计学意义(P<0.05)。
前倾角加大及股骨头及髋臼的变形是一个渐变的过程，或与股骨头表面应力分布改变有较大关系。提示在临床工作中早期发现早期手术、以及手术中纠正前倾角显得十分重要。
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发育性髋关节发育不良是儿童骨科常见的疾病，在临床上通常通过重新调整髋臼与股骨头的位置关系，增加髋臼对股骨头的覆盖，达到改善髋关节生物力学性能的目的[1,2]，有学者报告应用动物模型观察发育不良髋关节的病理改变以及机械应力对髋臼发育的影响[3,4]，但股骨头表面应力的分布变化及其对前倾角、股骨头塑形的影响未见报道，本研究采用西藏小型猪建立髋关节脱位模型，观察在脱位后不同时间双侧sharp角及臼头指数、股骨头表面应力分布的变化，探讨髋关节脱位后股骨头及股骨前倾角异常发育规律，以期对临床个体化治疗髋关节脱位提供帮助。
模型制作方法：3个月龄大西藏小型猪(南方医科大学实验动物中心提供)，体重28 kg，雌雄不限，共7只，麻醉前称体重，采用速眠新与盐酸氯胺酮注射液按1∶1等体积混合，按0.2 ml/kg(体重)肌肉注射麻醉后，参考马承宣等[5]的方法于左侧股骨大粗隆上方1.5 cm处，沿髋臼方向作长约8 cm弧形切口，显露臀中肌，分离约1/3臀中肌，连同其在股骨大粗隆上的附着点一并切断，显露并切开髋关节囊，切断股骨头圆韧带，使股骨头脱出髋臼，模拟髋臼发育不良的病理学改变，将关节囊稍作游离后，将关节囊于髋臼入口处作收紧重叠缝合，模拟髋臼缘增生情况，阻挡股骨头复位，左髋关节模型建立完成，缝合深筋膜及皮肤，术后小型猪下肢不做固定，可自由活动。本研究符合我院实验动物伦理委员会所制定的伦理学标准。
术后分别于术毕、术后1个月、术后3个月进行药物麻醉，行骨盆X线摄片及三维CT扫描检查。
分别于术后当天、1、3个月行骨盆前后位摄片，摄片时将实验动物背部平卧在检查床上，双侧下肢分别外展45°、屈曲90°摄片，测量双侧sharp角及臼头指数。
将7只实验小型猪于术后当天、1、3个月，在麻醉状态下使用64排螺旋CT行骨盆及下肢扫描，并将数据用于有限元分析。
为西门子公司64排螺旋CT，计算机配置为Intel core 2 Duo 2.33 GHz双核CPU，Radeon HD 2600 PRO 256M显卡、内存4G。医学建模软件MIMICS 10.01(Materialise公司，比利时)，大型有限元软件ANSYS10.0(ANSYA公司，美国)。
64排螺旋CT对实验动物从骨盆至胫骨中段沿横断面连续扫描，共得到300层图像，以DICOM 3.0标准直接存储。扫描电压120 kV，扫描电流300 mA，骨组织窗扫描，层厚1 mm，层间隔0.5 mm。
①数据预处理及空间模型的建立：将符合DICOM 3.0标准的骨盆及下肢CT断层图像导入MIMICS10.1中，设定阈值为228～3071Houfield unit，确定方位后经手动编辑，区域增长、形态学操作，及空洞处理生成骨盆及下肢的三维模型，从整个下肢模型中提取骨盆及股骨上段模型，对提取的模型进行面网格处理，得到骨盆及股骨上段骨骼面网格模型，共含有3 002个节点和6 000个三角形单元；②应用ANASYS建立体网格模型：将优化后骨盆及股骨上段面网格模型导入ANASYS中，定义单元类型2为solid 92，利用FVMESH命令完成体网格的划分；选择股骨头关节面上所有节点定义为节点集合，用于有限元分析边界条件的设置。骨盆及股骨上段模型共含有88 790个节点和68 927个四面体单元，得到体网格模型(图1)；③材料特性：MIMICS软件根据CT断层图像的灰度值完成模型材质的添加，本研究假定模型的材料为各向同性；④边界条件及载荷设置：模拟动物两组下肢交替行走情况，髋关节面在整个分析过程中被完全约束。分别加载14 kg载荷(图2)，于股骨头承重面设定10个检测点，测量出术后不同时间各点应力值(图3、图4)。
所有数据采用
±s表示，X线指标：组间均数比较采用单因素方差分析，ANOVA、X线指标组内均数比较采用配对t检验，选用SPSS 10.0统计学软件，P<0.05为差异有统计学意义。
实验动物小型猪创口愈合良好，未发生感染，逐步恢复行走，体重逐步增加。骨盆正位X线可见小型猪实验侧(左侧)股骨头脱位，Shenton线连续性中断，髋臼指数增大(图5、图6)。
术后当天实验侧sharp角较对侧无变化；头臼指数较对照侧减小，差异有统计学意义(P<0.01)，术后1个月，实验侧sharp角较对侧轻度增大，差异无统计学意义(P>0.05)，头臼指数较对照侧减小，差异有统计学意义(P<0.01)，术后3个月，实验侧sharp角较对侧增大，差异无统计学意义(P>0.05)，头臼指数较对照侧减小，差异有统计学意义(P<0.01)。同时从实验结果观察到，随着髋关节脱位时间的延长，实验侧同侧比较的sharp角轻度增大，差异无统计学意义(P>0.05)，头臼指数随着髋脱位时间的延长而出现减小，差异有统计学意义(P<0.01)。(表1)
髋脱位不同时间sharp角及头臼指数测量结果(
±s，n＝7)
髋脱位不同时间sharp角及头臼指数测量结果(±s，n＝7)
| 分组 | 时间(月) | sharp角(°) | 头臼指数(%) |
|---|---|---|---|
| 实验侧 | 0 | 58.36±0.63 | 47.54±1.86 |
| 1 | 59.65±0.52 | 40.14±1.36 | |
| 3 | 59.73±0.74 | 38.13±1.57 | |
| 对照侧 | 0 | 58.87±1.1.6a | 78.57±2.13b |
| 1 | 58.77±1.25a | 79.16±1.83b | |
| 3 | 58.68±1.20a | 78.97±1.43b |
注：实验组与对照组相比，aP>0.05，bP<0.01
实验小型猪 于术后当天和术后1、3个月，在麻醉状态下使用64排螺旋CT行骨盆及下肢扫描，并将数据用于有限元分析。
各检测点设置，从各检测点位置设定可以看出，1、2、3检测点分别对应股骨头最大周径的外上、外侧、外下位置，4、5、6检测点分别对应股骨头最大周径内下、内侧、内上位置，7、8、9、10检测点则分别对应股骨头顶部外上、外下、内下、内上位置。
通过表2检测的数据分析，可以看出在术后0个月、1个月、3个月，实验组1、2、3等检测点应力检测值与对照组比较明显降低，差异有统计学意义，4、5检测点应力值与对照侧比较增加明显，差异有统计学意义(P<0.01)，实验组7、8等检测点应力检测值与对照组比较明显降低，差异有统计学意义(P<0.05)，实验组9、10等检测点应力检测值与对照组比较明显增加，差异有统计学意义(P<0.05)。同时实验侧自身对照也提示术后1个月与术后0个月比较，4、5检测点应力值增加，差异有统计学意义(P<0.05), 9、10检测点应力分布逐渐变化不大，差异无统计学意义(P>0.05)；术后3个月与术后1个月实验侧自身对照比较，第4、5、9、10检测点应力值增加，差异有统计学意义 (P<0.01)。术后0个月、1个月、3个月时第6、7、8检测点应力与对照组比较明显降低，差异有统计学意义(P<0.05)。
术后不同时间动物有限元模型股骨头应力分布(
±s，MPa，n＝7)
术后不同时间动物有限元模型股骨头应力分布(±s，MPa，n＝7)
| 检测点 | 部位 | 术后当天 | 术后1个月 | 术后3个月 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 实验侧 | 0.812±0.072 | 0.608±0.054 | 0.630±0.049 |
| 对照侧 | 1.080±0.099c | 1.079±0.101c | 1.022±0.098c | |
| 2 | 实验侧 | 1.750±0.124 | 1.308±0.131 | 1.615±0.136 |
| 对照侧 | 0.432±0.038c | 0.459±0.041c | 0.429±0.045c | |
| 3 | 实验侧 | 1.653±0.157 | 1.279±0.117 | 1.737±0.129 |
| 对照侧 | 0.408±0.038c | 0.398±0.031c | 0.420±0.037c | |
| 4 | 实验侧 | 1.016±0.112 | 1.189±0.119b | 1.731±0.156c |
| 对照侧 | 0.244±0.021c | 0.186±0.019c | 0.286±0.030c | |
| 5 | 实验侧 | 1.028±0.113 | 1.120±0.105b | 1.421±0.137c |
| 对照侧 | 0.675±0.056c | 0.661±0.058c | 0.830±80.079c | |
| 6 | 实验侧 | 0.650±0.058 | 0.638±0.060 | 0.770±40.068 |
| 对照侧 | 1.013±0.112c | 0.970±0.089c | 1.156±0.012c | |
| 7 | 实验侧 | 0.537±0.049 | 0.579±0.043 | 0.525±0.036 |
| 对照侧 | 0.623±0.045b | 0.632±0.056b | 0.658±0.048b | |
| 8 | 实验侧 | 0.657±0.056 | 0.633±0.049 | 0.625±0.054 |
| 对照侧 | 0.710±0.056b | 0.727±0.064b | 0.704±0.057b | |
| 9 | 实验侧 | 0.708±0.045 | 0.701±0.051a | 0.733±0.047c |
| 对照侧 | 0.620±90.039c | 0.634±0.054c | 0.620±50.049c | |
| 10 | 实验侧 | 0.510±70.043 | 0.529±0.039a | 0.672±0.046c |
| 对照侧 | 0.474±0.036b | 0.467±0.039b | 0.453±0.040c |
注：实验组与对照组相比，aP>0.05；bP<0.05；cP<0.01
国内外建立先天性髋关节脱位模型的方法有很多种，有利用家兔、犬等动物，方法有手术切开关节囊臀中肌填塞造成髋关节脱位[5]、强制膝关节伸直位外展位石膏固定造成脱位、伸髋内收位胶带固定、膝关节伸直位钢针固定、切除髋关节髋臼后缘上缘等方法[4,6,7,8]，本研究采用切断股骨头圆韧带，使股骨头脱出髋臼，模拟髋臼发育不良的病理学改变，将关节囊稍作游离后，将关节囊于髋臼入口处作收紧重叠缝合，模拟髋臼缘增生情况，阻挡股骨头复位，成功制作出髋臼脱位动物模型，同时也具有容易操作，创伤小，动物恢复快的优点。西藏小型猪作为髋关节脱位动物模型制作载体，具有动物大小合适、成活率高、容易饲养、抵抗力强等优点，本组中动物无一只死亡，术后均为给予抗生素，无一只出现伤口感染影响恢复及实验检测情况，是一种可靠的动物模型。
在髋关节脱位的情况下，骨盆的影像学检查如X线及MRI检查均有异常改变，骨盆X线检查中，sharp角提示髋臼的发育，本组中可见髋臼发育受到影响，随着髋关节脱位时间的延长，实验侧同侧比较的sharp角轻度增大，头臼指数随着髋脱位时间的延长而出现减小，证实随着髋关节脱位时间的延长，臼缘逐渐受到挤压磨损，导致sharp角加大，脱位股骨头逐渐上移，表现为头臼指数逐渐减小，所以提示早期发现早期手术十分必要，能有效防止畸形加重。
前倾角在髋关节的稳定性和正常步态方面扮演着重要的角色．前倾角的存在为髋关节周围肌肉行使功能提供了必要的力臂，它的存在保证了重力经由髋关节的有效传导，优化了髋关节的活动范围[9,10,11,12]。
在髋关节脱位患者中，髋关节脱位后患者股骨颈前倾角出现明显增大，前倾角的增大可能与多种因素有关，例如肌肉牵拉、关节囊挤压等，本组实验结果发现髋关节脱位股骨头内外侧不同部位应力分布的改变是一个渐进性的变化过程，本研究通过实验证实，在制作完成髋关节脱位模型后1～3个月间，髋关节的sharp角变化不大，髋臼及股骨上段自身早期解剖学改变不大，但由于髋关节的解剖学联系发生了改变，导致股骨头表面内侧点应力分布变化逐渐增大，特别是位于内侧应力值逐渐增大(如本研究中4、5及9、10观测点记录的应力值)，4、5股骨头内侧检测点应力的急剧增高，提示压应力未能有效的分散到整个股骨头表面，集中在此处。本实验通过对股骨头应力分布的三维有限元分析，通过对股骨上段模型的应力加载，证实股骨头内侧及颈部内侧为主要应力集中区域，因此，在这种生理应力的作用下，股骨头外侧应力值明显低于内侧应力值，由此可以看出，当身体的体重垂直负荷作用于股骨头后，股骨头内外侧存在着明显的应力不均衡，提示脱位后压应力未能通过髋臼作用于股骨头上方，而是通过作用于内侧、内下方等位置，内侧明显高于外侧，从而朝向内侧的分散应力也相应增加，从而形成以加大股骨颈朝外侧偏转的力量，可以推测股骨头及颈部骨小梁等结构会有极大可能在应力作用下发生偏移，从而出现前倾角的加大，对此进行组织形态学的研究是今后的研究方向。
第6、7、8检测点的应力下降、9、10点应力的增加，提示关节囊等软组织的约束可能导致部分应力通过软组织的传导作用于股骨头的各个部分。
本实验结果还观察到，随着脱位时间的延长，左侧股骨头内侧观察点应力不断加大，股骨头的侧向分应力不断加大，从实验中应力变化的趋势看到，脱位时间越长内侧应力越大，导致股骨头前倾的力量越显著。提示前倾角及颈干角的改变是一个渐变的过程，在髋脱位治疗手术中如不能有效地纠正已发生改变的前倾角，术后股骨头应力的分布不均衡必然继续存在及对髋关节同心圆结构的恢复产生影响，病程越长畸变越重，所以早期手术及术中有效纠正前倾角的改变十分重要。
本研究的结果还提示髋关节发育不良股骨头应力分布特点直接影响股骨头的发育，以及股骨前倾角等的发展。有学者[12]通过肘关节有限元分析提出若关节受力方向脱出了关节正常接触区，同时周围软组织失去正常张力，则关节稳定性将丧失，脱位方向与最大应力方向一致。从本实验观察到，相对于髋关节正常覆盖的情况，髋关节半脱位或髋臼发育不良受力面积明显减小，并集中于股骨头表面内侧，脱位后股骨头内侧压力集中，侧方分散应力增大，随着脱位时间的延长，侧方分散应力有一逐渐加大的趋势，推测脱位负重后前倾角随着侧方最大分散应力方向有一加速发展的过程。提示在临床工作中及早发现髋关节发育不良及脱位，早期干预，对适龄儿童患者及时手术，在术中纠正前倾角对恢复髋关节的同心圆结构十分重要。
有限元分析是一种基于数学近似概念的新型数值求解方法，具有较高的模拟仿真精确性、较强的复杂形态适应性而得以广泛应用于骨关节等组织器官的生物力学研究，特别是应用于解剖及结构力学性能复杂的髋关节的力学研究，在先天性髋脱位的研究中也有较好的研究分析作用[13,14,15]。
本研究中三维模型的建立基于CT扫描后的DICOM数据，将其导入MIMICS10.1中，确定方位后经手动编辑、区域增长、形态学操作，及空洞处理生成骨盆及下肢的三维模型。本建模方法的优势：①基于计算机处理数据能力的增强，实现图像信息的无损传递，大幅度缩短建模时间，能够获得较为可靠的有限元模型并进行较真实的应力分析；②应用MIMICS软件为模型分配材料属性，根据股骨颈股骨头不同区域的灰度值计算出对应区域的密度，并在此基础上得出区域的弹性模量，在精度上有较大的提高；③应用三维有限元模型分析应力的情况，能直观看到脱位后的股骨头表面应力变化过程，本研究建立的三维模型为今后建立手术模型、进行术前演示、确定手术方式及前倾角纠正幅度、建立个性化治疗方案都能提供较好的研究平台。
无
