髋臼前倾角的变化对髋关节软骨生物力学的影响

发布时间：2020-05-25 00:34

【摘要】：目的:本课题主要通过建立不同髋臼前倾角的髋关节三维模型,利用有限元的技术分析不同髋臼前倾角的髋骨与股骨关节接触面应力值的大小以及软骨表面应力分布情况,进一步了解髋臼前倾角变化对髋关节软骨生物力学的影响,探讨髋臼前倾角在髋股撞击症的临床意义。方法:选择一位健康的成年女性志愿者进行双源CT断层扫描以获得影像学图像数据,将数据以Dicom格式直接导入Mimics医学处理软件进行三维实体建模,利用3-Matic处理软件创建髋臼前倾角0°、5°、10°、15°的三维实体模型并进行角度测量验证,其次以STL格式将模型导入Geomagic design X逆向工程软件进行三角面片网格优化并生成三维几何模型,再以Parasolid格式导入有限元处理软件Hypermesh中构建不同髋臼前倾角的三维有限元模型,分别定义材料属性、边界条件并赋予五种步态周期时相及坐下-起立最大屈髋位时相的载荷条件,最后导入ANSYS软件进行模拟运算,分析不同髋臼前倾角的髋关节表面软骨的接触力学。结果:1、在正常的步态周期加载期间,髋臼前倾角15°时,对应脚跟落地、单腿开始支撑、单腿支撑中期、单腿结束支撑、双腿支撑等五个时相点的髋臼软骨Von Mises应力峰值分别为3.595 MPa、3.904 MPa、4.543 MPa、3.307 MPa、3.484 MPa,股骨头软骨Von Mises应力峰值分别为4.047 MPa、4.472 MPa、4.776MPa、3.101 MPa、3.169 MPa,应力值均在正常范围内,其他髋臼角度的应力变化趋势与上述一致,且应力峰值无明显差异。不同髋臼前倾角的软骨面应力峰值与应力分布在一个完整步态周期中无显著区别,接触应力主要分布于髋臼与股骨头软骨前上方。2、在坐下-起立最大屈髋位加载过程中,起立时相前倾角0°、5°、10°、15°髋臼软骨Von Mises应力峰值分别为6.403 MPa、5.722 MPa、4.985 MPa、4.108MPa,股骨头软骨Von Mises应力峰值分别为7.443 MPa、6.161 MPa、5.168 MPa、4.141 MPa。坐下时相不同髋臼前倾角度的软骨面应力峰值与变化趋势与上述一致。不同前倾角的软骨面在坐下-起立屈髋90°时应力峰值有显著差异,髋臼前倾角0°软骨面最大压力峰值约为前倾角15°的1.797倍,虽仍在正常软骨应力值范围内,但接近上限值,接触压力也主要分布于髋臼与股骨头软骨前上方,但出现局部应力集中。结论:1.本课题基于髋关节CT断层图像数据,利用不同计算机处理软件,准确构建出了髋臼前倾角0°、5°、10°、15°的髋关节三维几何模型和有限元模型,为研究髋关节接触面软骨的生物力学提供了帮助。2.针对髋臼前倾角减小的人群,长期过度屈髋运动是导致髋关节接触面生物力学改变的重要因素,过高的软骨接触应力及异常的应力分布可能是引起撞击症出现软骨磨损剥离并最终导致髋关节骨性关节炎的生物力学机制。
【图文】：

测量方法,髋关节,髋臼

13]，股骨髋臼撞击是髋关节早期虽然对 OA 产生及进展的详细病理的改变是重要因素[14]，过高的关节脱分离。已有研究[15,16]分析异常适圆周半径点连线和股骨头颈轴线线和水平线垂线的夹角）引起撞击建异常髋臼前倾角的髋部三维有限未阐述髋臼前倾角的变化对髋关节 CT 影像学数据，辅以不同计算机、15°的髋关节三维几何模型和及坐下-起立时相下不同髋臼前倾而进一步了解髋臼前倾角对撞击症

髋关节,视窗,三维模型,蒙板

1-2 左上、左下、右上分别为髋关节冠状位、矢状位、横断位 CT 图像，右下为三维模型视3 图像分割及骨骼蒙板生成图像分割是将所需要的组织或感兴趣的区域从原始图像中快速独立出值分割是一种较好分割方法，根据骨骼与周围软组织密度不同（对应图度值的大小来表示），通过自动和（或）手动调整一定像素灰度值的范各个模型。设定合适的阈值是提取组织的关键，，阈值调整过高，将有较丢失，而阈值调整过低，图像上将出现很多噪点，严重影响分割。在 M中利用阈值工具（Thresholding）对 CT 图像进行调整，由于不同组织，在对话框中选择预定义阈值界面为 Compact Bone（CT，Adult）：662-1可以手动调整阈值范围将骨骼轮廓尽可能包含在内，而周围软组织尽可外，最后点击应用（Apply），在三个平面图像中生成骨骼蒙板（Mask断面图像，为了生成左侧髋骨与左侧股骨新的蒙板，先使用缩放工具（Z
【学位授予单位】：遵义医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R687.4;R318.01

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