Cam型髋关节撞击综合征的生物力学三维有限元研究

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目的:通过构建正常髋关节和不同α角度的Cam型FAI髋关节三维几何模型并进行有限元生物力学分析,探讨不同严重程度的Cam型FAI髋关节与关节内力学环境改变的相关性,进一步了解Cam型FAI的病理力学特点,从而推测其与髋关节OA的关系。方法:选取一名正常成年女性的髋关节进行CT断层扫面获取影像数据,采用医学图像建模软件Mimics和有限元前处理软件Hypermesh准确构建正常髋关节及不同α角度的Cam型FAI髋关节三维有限元模型,定义边界条件和设置接触后,将上述三维有限元模型导入LS-DYNA软件中,加载文献测定的正常行走,坐下、起立等日常活动的力学条件,对正常髋关节和Cam型FAI髋关节的软骨接触力学进行分析。结果:1.基于髋关节CT断层影像数据,通过计算机辅助设计技术,准确构建出包含髋关节软骨的正常髋关节和不同α角度的Cam型FAI髋关节三维几何及有限元力学分析模型。2.完整步态周期加载过程中,不同α角度的Cam型FAI髋关节软骨接触压力分布与正常髋关节接近,无高压力和应力集中区域。3.坐下、起立加载过程中,正常髋关节在最大屈髋位时峰值接触压力分别为4.43MPa,4.59MPa,而Cam型FAI髋关节的接触压力均大于正常髋关节,当α角从60°增大至900时,坐下最大屈髋的髋臼软骨峰值压力依次为7.54MPa,8.41MPa,12.61MPa,14.96MP,起立最大屈髋依次为7.31MPa,8.57MPa,12.70MPa,14.86MP,其中最大值接近正常值的3.5倍。与此同时,Cam型FAI髋关节的接触区域主要位于髋臼缘前上方,相比正常髋关节不仅接触位置发生变化,而且局部出现过高压力和应力集中。结论:1.本研究基于CT断层扫描数据和计算机辅助设计技术,准确地构建了正常髋关节和不同a角度的Cam型FAI髋关节三维有限元模型,为髋关节软骨接触力学的研究提供了平台。2.Cam型FAI髋关节力学环境改变的决定性因素是运动。关节软骨过高的接触压力和Von Mises应力,可能是Cam型FAI引起软骨退变并最终导致OA的力学机制。
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