髖關節關節面非球面耦合的形態結構與生物力學研究

《髖關節關節面非球面耦合的形態結構與生物力學研究》是依託上海交通大學，由顧冬雲擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：髖關節關節面非球面耦合的形態結構與生物力學研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：顧冬雲
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

正常髖關節關節面非球面耦合的解剖形態和結構具有重要的生理意義，然而長期以來卻一直受忽視，導致臨床實踐、仿真研究和髖假體設計中一直將髖關節關節面簡化為球面。申請者前期研究已發現，髖關節髖臼側關節面是旋轉橢球面，如將髖臼側關節面替換成球面，將改變自然關節原有合理的力學性能。本項目擬在前期研究基礎上，進一步研究和探索髖關節兩側關節面非球面耦合的解剖形態結構及其生物力學機制。首先套用逆向工程技術、計算機數值模擬技術及數學曲面理論，定量研究髖關節兩側關節面的非球面耦合特徵，構建符合髖關節關節面解剖形態特徵的高精度新型參數化模型；其次，仿真研究髖關節非球面耦合解剖形態結構的生物力學作用和意義，以及傳統球面型髖假體的關節界面力學合理性。研究結果將為修正臨床對髖關節關節面簡化為球面的解剖認識、開拓髖關節疾病的臨床診療新思路、提高現有髖關節仿真分析精度及開發新一代關節界面形態仿生型髖假體奠定理論基礎。

結題摘要

髖關節關節面獨特的形態結構具有重要的生理意義,長期以來卻一直受忽視，導致臨床實踐、仿真研究和髖假體設計中一直將髖關節關節面簡化為球面。為了修正該簡化與粗略認識、提高現有髖關節仿真分析精度、為開發新一代形態仿生型髖假體提供重要參考，本項目從天然髖關節關節面的解剖形態對髖關節生物力學性能影響角度，對髖關節關節面的解剖形態及其生物力學性能進行了深入研究，獲得了系列研究結果。 首先套用逆向工程技術、計算機數值模擬技術及數學曲面理論，定量研究髖關節兩側關節面的非球面耦合特徵。結果顯示: （1）正常髖關節軟骨關節面在形態上更接近於旋轉橢球面，而非簡單的球面（p＜0.05），且股骨頭和髖臼的橢球參數並不一致，其中髖臼的橢球率為0.02, 股骨頭的橢球率為0.01，即兩側關節面在總體形態上雖同屬於旋轉橢球面，但兩者之間仍存在一定差異，髖臼關節面相比股骨頭關節面稍扁些，而股骨頭關節面則更接近於球面。（2）對21例不同年齡志願者（年齡：23~83歲）髖關節的CT影像進行曲面形態分析後得出：男女髖關節兩側軟骨關節面的橢球率與年齡成反比，即隨著年齡的增長，男女髖關節兩側軟骨關節面更趨向於球面（p＜0.05）。因此，髖假體在設計中還需考慮年齡因素的影響。 其次套用計算機最佳化擬和技術，建立了最佳匹配髖關節軟骨關節面解剖形態特徵的參數化幾何模型，結果顯示：新構建的髖關節旋轉橢球面模型與傳統球面模型在解剖匹配度上有顯著性差異（p＜0.001），尤其在髖關節髖臼側的主要負重區，即髖臼的臼頂區域，新模型較球面模型具更精確的解剖匹配。 最後仿真分析了髖關節關節面解剖形態變化對髖關節接觸應力與分布的影響。研究表明，髖關節關節面中任意一側或兩側關節面被替換後，都將影響和改變正常髖關節的接觸應力和應力分布，尤其是關節面被替換成球面後，髖關節的接觸應力有明顯升高和應力集中。本項目還還從運動生物力學角度研究了人體步行時採用不同擺臂模式對髖關節控制平衡干擾的影響，開發了基於醫學影像的髖關節關節面非球面耦合解剖形態的分析軟體。 總之，本研究獲得了國人髖關節關節面的新形態特徵參數和屬性，為全面修正對髖關節關節面簡化與粗略的解剖認識，提高髖關節仿真分析精度提供重要依據。其次發現球面型髖假體存在一定的力學不合理性。髖假體設計因考慮年齡因素，採用更接近於天然髖關節的解剖形態。基於上述研究，已授權2項人工關節發明專利。