有限元分析骨盆三联截骨术对发育性髋关节发育不良生物力学变化的影响

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背景:发育性髋关节发育不良(development dysplasia of the hip,DDH)是小儿最常见的下肢畸形之一。对于8岁以上的大龄DDH患儿,随着年龄逐渐增大,生长潜力和塑形能力逐渐下降。单一的骨盆截骨术由于作为铰链的耻骨联合软骨弹性下降,不足以实现良好的覆盖。而通过骨盆三联截骨术(Triple pelvic osteotomy,TPO)获得的截骨块具有更高的活动度,能够在术中实现更好的翻转,因此受到越来越多术者地追捧,成为手术治疗大龄DDH的选择之一。同时,众所周知,Salter骨盆截骨术使得髋臼旋转中心发生外移,而TPO对髋臼旋转中心的影响如何,未见相关报道。此外,TPO术中冠状位截骨块翻转达到何种程度,即外侧中心边缘角(Lateral center edge angle,LCEA)纠正到多少,尚存在争议。本研究通过回顾性分析髋臼旋转中心的位移变化,基于有限元分析建立髋关节三维模型,模拟骨盆三联截骨术改变不同LCEA,观察TPO对髋关节生物力学变化的影响。方法:收集2012年10月至2016年10月于我院采用TPO治疗的大龄DDH患儿。测量患者术前、术后1年及末次随访时双侧中心边缘角(CEA)、髋臼指数(AI)、股骨头到前中线的距离、髋臼中心的位移和股骨头向内侧偏移的距离。采用ANOVA方差分析比较术前,术后1年和末次随访各项影像学指标,采用配对t检验比较健侧与患侧各时段的各项影像学指标。采用Pearson相关性分析评价髋臼旋转中心位移程度与术后功能(Harris评分)之间的关系。p<0.05被认为差异具有统计学意义。在上述病例中挑选3名患者,通过术前CT扫描获得数据建立三维模型,基于总结得出髋臼旋转中心位置,模拟三联截骨术式并以此旋转中心在冠状面进行旋转。利用有限元分析模拟并计算LCEA在原有基础上增加10°,20°,30°时髋臼与股骨头的接触面积,接触表面最大压力,关节软骨最大应力。结果:本研究共纳入患儿22例(31髋),平均患儿年龄9.81±1.51岁,平均随访时间为2.20±1.41年。术前平均CE角、髋臼指数分别为3.56±21.2°,29.5±7.1°。术后1年的CE角、髋臼指数分别为37.1±7.6°,13.1±6.1°。末次随访的CE角、髋臼指数分别为35.4°±9.5°,12.7°±4.3°。至随访结束,Severin分级评分的优良率为87.1%,术后头臼覆盖程度以及髋臼形态都得到了良好的改善(p<0.001),术前、术后1年及末次随访时髋臼旋转中心移位距离未见统计学显著性差异(p>0.05)。13例单侧患者中除CE角及AI以外,患侧股骨头中心到前正中线的距离获得靠近,其余测量指标无明显统计学差异。末次随访Harris功能评分平均为91.12±4.12。髋臼中心的水平、垂直位移,术前、术后的位移差与Harris功能评分结果相关性未见统计学显著性差异。选取的3名建模患者性别均为女性,年龄分别11岁,13岁,13岁,术前患侧CEA均为5°,8°,7°,体重分别为47.3kg,48.5kg和51kg。有限元分析的计算结果显示,骨盆三联截骨术后的髋关节软骨应力较术前明显下降。手术过程中,随着前外侧覆盖的增加,髋臼软骨和股骨头软骨的接触面积先是逐步增加,达到峰值后逐渐减小。伴随的接触表面最大压力以及软骨最大应力显示逐步减小,达到峰值后逐渐增大。结论:骨盆三联截骨术能够维持髋臼旋转中心的稳定,增加髋臼对股骨头的覆盖和接触面积,减少接触表面最大压力和髋关节软骨之间的应力,降低软骨的形变能力,获得更加符合生物力学的髋关节结构,术后获得令人满意的髋关节功能,延缓大龄DDH患者髋关节早期退变的发生。
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