髋臼前倾和后倾的影像学及生物力学研究

                                               程士欢 朱东 谷贵山* 李长胜吉林大学第一医院骨关节科谷贵山

　 

摘要：目的  探讨髋臼前倾及后倾的影像学特点，及在前倾及后倾时髋臼缘的生物力学特点，为临床治疗提供相关的依据。方法  应用成年防腐骨盆标本制作4例发生髋臼前倾及后倾的骨盆模型，模型标准骨盆正位拍摄，模型加载，分别对前倾组及后倾组进行生物力学测定和影像学观察。结果  标准骨盆正位片上前倾时出现“人”字形，后倾时出现“交叉征”， “ 后壁征”；前倾组各点应变值，正常时与前倾时经秩和检验 P<0.05，差异有统计学意义。后倾组各点应变值，正常时与前倾时经秩和检验 P<0.05，差异有统计学意义。结论  本实验对髋臼前倾及后倾髋臼缘力学测定, 可以推测髋臼前倾及后倾与许多髋关节退行性疾病有密切联系。通过影像学特点早期发现, 早期治疗, 并根据生物力学特点制定适当的方案，提高临床治疗效果。

关键词：髋臼前倾；髋臼后倾；电阻应变片；生物力学

 

Abstract: Objective To discuss the radiograph features of the acetabular anteversion and retroversion,and the biomechanics characteris of acetabulum edge, The study will provide the biomechanics and radiograph basis for clinical treatment. Methods Four acetabular anteversion and retroversion models of human pelvis were made ,we put weight on the models, conventional AP pelvic radiographs, determine the stress of acetabulum edge, and observed radiograph changes.. Results  Radiograph: the“man word”sign wasas positive in acetabular anteversion the“cross-over-sign” was positive in acetabular retroversion, whereas including the“posterior wall”sign.Biomechanics: Statistics showed a significant difference (P<0.05) both in acetabular anteversion and acetabular retroversion.Conclusions Acetabular anteversion and retroversion occurs more commonly in association with a variety of hip diseases.In order to improve the clinical effect, early discovering and early treatment is necessary,and we can conclude surgical treatment for hip diseases according to biomechanics characteris.

Key words: acetabular anteversion;acetabular retroversion; Strain gauge; Biomechanics

 

股髋撞击综合征( femoroacetabular imp ingement, FA I) 最早由瑞士医师Reinhold Ganz提出^{[ 1、2 ]} , 即由于解剖形态学异常, 如髋臼的后倾、股骨颈前外侧缘的骨赘增生、股骨头颈偏心距的减小或股骨头形状的异常等^{[ 3、4 ]} , 导致长期不正常接触、碰撞, 产生反复的微型创伤致使关节盂缘和关节软骨退变, 从而引起一系列临床症状。对FAI 及其与骨关节炎关系的认识是早期诊断和治疗的关键，如果不早期干预处理, 会最终导致髋关节退行性骨关节炎^{[ 5 ]}。

在髋关节发育不良(DDH) 的患者中, 存在着髋臼前倾或后倾等畸形, 可以引起关节接触面积的下降, 关节不稳, 导致关节软骨受到长时间过度和偏心的应力作用, 引起软骨退变, 最终导致髋关节骨性关节炎的发生。即髋臼的前倾、后倾亦可引起FAI, ,可以引起髋关节疼痛和骨性关节炎的发生。并且更为重要的是,髋臼前倾、后倾的存在将会直接影响到手术当中髋臼截骨块的旋转方向。因此,在术前和术中判断髋臼是否存在前倾、后倾就显得尤为重要。本实验从影像学角度出发研究髋臼的前倾和后倾，并就发生髋臼前倾或后倾时髋臼缘生物力学变化进行测定。

1  材料和方法

1.1  实验室 

吉林大学南岭校区生物力学实验室，吉林大学第一临床医院放射线科实验室

1.2  实验材料与设备 

    ① 成年防腐骨盆标本3具(吉林大学基础医学院解剖教研室提供)

    ② 西门子骨密度测量仪，X--射线机

    ③CCS0-44100电子万能试验机（长春材料试验机研究所）

④YJ-31型静态电阻应变仪（华东电子仪器厂）

⑤ 电阻应变片：型号BX120-2CA的直角应变花；型号BX120-0.5AA的应变片以及合适的接线端子（浙江省台州市黄岩传感电子元件厂）

2  实验方法

2.1 标本制备

   取正常成人男性骨盆4 具, 自L3 水平及双大腿上1/ 3 交界处将尸体横断, 获骨盆(含双侧股骨干上段)标本4 个, 剥离附着于骨盆股骨干的肌肉骨膜, 切断股圆韧带，得到骨盆4 个, 正常髋臼8个。先将标本行骨密度测定，后将标本编号为8个髋关节：1L、1R，2L、2R，3L、3R，4L、4R。

2.2 髋臼前倾和后倾模型制作

通过在髋臼内固定一根金属线模拟缺损的后壁或前璧，金属线是距离髋臼顶1cm^[6]，在骨盆用橡皮泥创造一个增强的前璧或者后壁，增强的部分距离正常的髋臼顶1cm^[6]，并在这个增强的前璧或者后壁上放置一个金属线，这样他就可以在X线片见到，正常髋臼的形态学特点可以通过在放置金属线的X线摄影达到（图1）。L为后倾组，R为前倾组。

图1 模型制作示意图

A、模拟缺损的臼缘    B、模拟增加的臼缘

2.3 标准骨盆正位片拍摄法

所有患者均采用统一的拍片方法???标准骨盆正位片，即以髂前上嵴连线和耻骨联合上缘水平线之间的中点为骨盆“中心点”，放射线球管正对此点,且距离胶片120 cm。骨盆放平,透视下观察尾骨是否指向耻骨联合中点，双侧泪点、闭孔和髂骨翼是否对称,以此来确认骨盆不存在任何旋转^{[ 7 ]} 。此时骶尾关节中点到耻骨联合上缘的距离,男性应为40～55 mm,女性应为25～40 mm^{[ 8 ]} (图2) 。

图2 标准骨盆正位片

2.4 髋臼缘生物力学测定

髋臼生物力学实验中常用骨盆位置有3种，我们采用Olson等^[9]于1995年提出单足站立中立位（图3）。此位置承载力为体重的5/6，以人体单腿站立分别模拟生理情况下及存在髋臼的前倾后者后倾情况时，髋臼应力分布应变分析，两侧髂嵴连线平行于地面，两侧髂前上嵴与耻骨联合平面垂直于地面，在额状面上股骨相对骨盆内收约15°，在矢状面上股骨竖直且内旋5°－10°。单足站立位重心偏移，骨盆倾斜，需要外展肌参与发挥抗衡作用。本实验应用可调节长度的钢丝替代外展肌并发挥作用。

图3 单足站立位

2.5 应变片的布片位置及贴片

本实验采用直角应变花，根据卢志远等^[10]在骨盆模型应力分布实验中证明髋骨内板薄弱区应力较大，该区距离髋臼缘3-4cm，因此本实验应变片主要分布在这一区域，根据Thomas^[11]等描述的髋臼顶周围30°为主要受力区，我们以垂直臼顶切线画一条线，定位0°，向前、向后15°各画一条线，于这三条线距髋臼缘约3cm位置上各布一枚直角应变花，前缘由外向内定为C、B、A片（图4-1）；后缘由外向内定为D、E、F片（图4-2）

      

图4-1 髋臼前缘的布片           图4-2 髋臼后缘的布片

2.6 加载量及加载方法

先布片并贴片，待测量完正常髋臼各项数据后，再沿模拟缺损的前璧或者后壁的金属线金属线，去除髋臼，使之达到前倾或后倾，根据2.1步算出的体重，再根据单足站立中立位用于承载力为体重的5/6，算出加载力约为500N。预先对电阻应变仪进行标定、基零。将标本置于力学试验机加载平台后，先对其进行500N的预加载，然后卸载，加载力调零。加载速度为2mm/min。然后以200、300、400、500N4级力加载，通过电脑记录的数据计算得出所有加载均在弹性形变范围内进行。记录下各电阻片的应变值，每种实验条件下均加载2次，取平均值。每枚直角应变花得出3组应变值，根据公式及程序算出该点主应变的大小及方向。每次加载时都于电阻应变仪接出1根导线连接另一未加载标本的1枚应变片，用做温度补偿。

3. 统计学处理 

应用SAS软件对数据进行统计学处理。2组经秩和检验，P <0.05视为有显著统计学差异。

4. 结果

4.1 影像学

在标准的骨盆正位片上，前倾时，前缘呈水平位偏内侧，后缘呈垂直位偏外侧，后缘的上半部分位于前缘的外侧，后缘位于股骨头中心点外侧，两者投影呈不相交的“人”字形^[12]（图5-a、b）；后倾时,后缘的上半部分位于前缘的内侧，随后髋臼前缘向髋臼后缘内侧走行且更加水平,因而与相对垂直的髋臼后缘的轮廓线相交叉,从而形成“交叉征”^[12、13]（图5-a、c）,后缘位于股骨头中心点的内侧，提示髋臼后缘对股骨头的覆盖很小，称之为“后壁征”。Kalberer等^{[ 14 ]}发现标准骨盆片上投影坐骨棘在骨盆腔内,对诊断髋臼后倾畸形的敏感性达91%,与“交叉征”具有高度的相关性。Peelle等[15]经回顾性分析发现，49%髋臼撞击患者存在至少一种上述影像学改变。

 

 

图5 髋臼

4.2 生物力学

应变值为正说明该点该方向下所受应力为拉应力，如为负值则是受压。其中A、B、C、D 、E、F为直角应变花，通过公式：

计算得出各点最大最小主应变。根据强度理论^[16]，骨为脆性材料，抗压不抗拉，即拉应力下的骨所产生的应变值更具有代表性，所以本实验均采用拉应力下的应变值，如果最大最小应变均为压应变，则采用最大主应变。

表1. 正常状态500N下各点应变值

	1L	2L	3L	4L	1R	2R	3R	4R
A0或A90	284	124	154	154	184	-318	200	116
A45或A135	120	258	-3	-3	32	-22	32	-24
A90或A180	16	-178	13	13	-198	134	-192	-301
B0或B90	404	302	375	375	408	168	515	145
B45或B135	220	240	189	189	132	-50	162	-35
B90或B180	-166	-212	-155	-155	-222	-222	-263	-184
C0或C90	418	166	389	389	328	-6	387	121
C45或C135	334	196	321	321	-218	-74	-237	-71
C90或C180	60	22	-30	-30	-212	140	-231	-59
D0或D90	-300	-4	-299	-299	-242	-222	-259	54
D45或D135	-532	-84	-499	-499	274	-266	312	-280
D90或D180	-44	-330	-54	-54	-168	34	-194	-291
E0或E90	-182	-84	-338	-338	-234	-8	-233	16
E45或E135	-128	112	-250	-250	-46	-186	-23	-233
E90或E180	36	-98	-28	-28	-174	-172	-175	-268
F0或F90	-168	-114	-173	-173	-254	38	-297	-47
F45或F135	76	-36	44	44	-106	-82	-130	-72
F90或F180	88	-22	37	37	88	-68	83	-45

 

表2发生前倾、后倾时各点的应变值（L’为前倾组、R’为后倾组）

	1L’	2L’	3L’	4L’	1R’	2R’	3R’	4R’
A0或A90	238	188	259	230	302	46	273	29
A45或A135	44	0	42	32	130	-122	210	-75
A90或A180	-148	-212	-138	-174	-160	22	-378	50
B0或B90	520	370	600	338	694	188	691	119
B45或B135	290	366	270	306	260	-156	324	-214
B90或B180	-152	-238	-164	-176	-378	-220	-260	-198
C0或C90	546	64	554	79	484	-40	488	135
C45或C135	358	332	372	289	-290	-60	-196	-58
C90或C180	-122	74	-142	76	-226	122	-267	-110
D0或D90	-492	294	-449	194	-352	-368	138	14
D45或D135	-764	404	-686	430	468	-352	379	-269
D90或D180	-96	-446	-69	-431	-234	2	-162	-372
E0或E90	-222	-100	-211	-86	-296	62	178	185
E45或E135	-306	114	-282	149	156	-286	130	138
E90或E180	-80	-118	-91	-160	-108	-296	-56	-215
F0或F90	-286	-234	-254	-206	-514	-46	-48	-176
F45或F135	94	-54	72	-53	-122	-218	-74	-186
F90或F180	30	122	29	101	88	-68	83	-45

 

表3  计算所得后倾组各应变花在正常及后倾时最大主应变值

	正常状态					发生后倾时
	1L	2L	3L	4L	均数	1L’	2L’	3L’	4L’	均数
A	287.32	295.53	195.09	285.65	265.90	238.00	188.36	259.86	230.04	229.07
B	421.37	367.61	386.52	408.80	396.07	536.32	493.10	603.52	422.58	513.88
C	441.65	218.85	432.31	211.29	326.03	576.52	332.05	591.56	289.01	447.28
D	210.08	15.92	168.48	13.43	101.98	216.00	530.05	208.36	512.78	366.80
E	49.09	112.12	-14.14	89.72	59.20	19.49	114.18	-6.91	151.51	69.57
F	132.74	-11.96	85.52	100.79	76.77	144.48	122.01	120.01	101.00	121.88

与正常对照组相比，后倾组各点应变值有显著统计学差异，（S=107，P=0.0009）。数据显示当髋臼发生后倾时，髋臼缘受力发生显著变化。

表4 计算所得前倾组各应变花在正常及前倾时最大主应变值

	正常状态					发生前倾时
	1R	2R	3R	4R	均数	1R’	2R’	3R’	4R’	均数
A	187.94	144.59	201.99	126.96	165.37	309.42	190.46	365.66	154.48	255.00
B	410.41	169.35	516.66	145.73	310.54	703.62	231.42	703.22	196.24	458.62
C	444.10	225.78	519.26	167.03	339.04	678.17	170.47	596.76	153.84	399.81
D	275.43	120.40	312.98	117.80	206.65	470.28	67.57	406.79	33.95	244.65
E	-43.18	36.25	-20.69	51.80	6.05	168.14	129.17	196.83	236.81	182.74
F	-58.22	75.27	-40.13	-46.08	-17.29	101.46	104.38	130.03	-10.55	81.33

与正常对照组相比，前倾组各点应变值有显著统计学差异，（S=123，P=0.001）。数据显示当髋臼发生前倾时，髋臼缘受力发生显著变化。

4. 讨论

值得一提的是，拍摄骨盆正位片时应当作到标准化(如前所述) ，这对医生正确判断髋臼的前倾角至关重要。如果在拍摄过程中骨盆出现前倾、后倾或旋转,都会对判断髋臼前倾角造成影响^[8]。

根据0lson^[9] et al（1995年）的理论，中立位单足站立承载力为体重的5/6，根据前述计算得出为500N力，同时，我们通过预实验，将标本加载力由ON升至500N时所得数据，绘制出载荷一应变曲线，发现其成线性关系，说明500N载荷下骨盆为弹性变形，在这个范围内进行力学实验，所得数据更有意义。

当人为发生髋臼前倾或后倾状态时, 股骨头和髋臼接触面积明显减少，Kojima[17]等发现头臼的覆盖率的降低，使髋关节的负重面减少，其表面尤其是缺损周围关节面的各种应力过于集中，单位面积内的压强增高，与我们的实验结果相符，从而造成关节面创伤，该创伤积少成多，逐渐加剧，相对应的髋关节间隙变窄，负重区软骨下骨面逐渐出现不同程度的硬化、囊性变、软骨面剥脱、骨赘形成；股骨头变形、磨损、塌陷等改变。在长期异常应力环境下，缺损周围软组织反应性增生肥厚纤维化，以增加相应髋臼的强度及稳定性，但同时挛缩的关节囊使关节间隙变窄，增加了髋关节内的压力，压迫股骨头的供血动脉，并使静脉回流障碍，股骨头缺血坏死发生；大量的增生组织常可突入关节腔，从而影响股骨头与髋臼的契合，进一步加速了关节炎及股骨头坏死的发生。

髋臼前倾或后倾会影响载荷的传导，所以髋臼后倾与多种髋关节疾病有着密切的联系，如骨性关节炎、儿童股骨头无菌性坏死、骨坏死、髋臼发育不良，并且髋臼后倾引起的继发性退行性关节炎的发病率呈上升趋势^[18]。所以我们如果能通过最经济实惠的X线判定是否存在髋臼前倾或后倾，以及有无因髋臼异常引起的FAI，早期诊断，并根据生物力学特点，制定恰当的治疗方式，能够解除疼痛，延缓甚至阻止病情的发展，取得良好的临床疗效。

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