髋关节关节面非球面耦合的形态结构与生物力学研究

正常髋关节关节面非球面耦合的解剖形态和结构具有重要的生理意义，然而长期以来却一直受忽视，导致临床实践、仿真研究和髋假体设计中一直将髋关节关节面简化为球面。申请者前期研究已发现，髋关节髋臼侧关节面是旋转椭球面，如将髋臼侧关节面替换成球面，将改变自然关节原有合理的力学性能。本项目拟在前期研究基础上，进一步研究和探索髋关节两侧关节面非球面耦合的解剖形态结构及其生物力学机制。首先应用逆向工程技术、计算机数值模拟技术及数学曲面理论，定量研究髋关节两侧关节面的非球面耦合特征，构建符合髋关节关节面解剖形态特征的高精度新型参数化模型；其次，仿真研究髋关节非球面耦合解剖形态结构的生物力学作用和意义，以及传统球面型髋假体的关节界面力学合理性。研究结果将为修正临床对髋关节关节面简化为球面的解剖认识、开拓髋关节疾病的临床诊疗新思路、提高现有髋关节仿真分析精度及开发新一代关节界面形态仿生型髋假体奠定理论基础。

髋关节关节面独特的形态结构具有重要的生理意义,长期以来却一直受忽视，导致临床实践、仿真研究和髋假体设计中一直将髋关节关节面简化为球面。为了修正该简化与粗略认识、提高现有髋关节仿真分析精度、为开发新一代形态仿生型髋假体提供重要参考，本项目从天然髋关节关节面的解剖形态对髋关节生物力学性能影响角度，对髋关节关节面的解剖形态及其生物力学性能进行了深入研究，获得了系列研究结果。.首先应用逆向工程技术、计算机数值模拟技术及数学曲面理论，定量研究髋关节两侧关节面的非球面耦合特征。结果显示: 1）正常髋关节软骨关节面在形态上更接近于旋转橢球面，而非简单的球面（p<0.05），且股骨头和髋臼的椭球参数并不一致，其中髋臼的椭球率为0.02, 股骨头的椭球率为0.01，即两侧关节面在总体形态上虽同属于旋转椭球面，但两者之间仍存在一定差异，髋臼关节面相比股骨头关节面稍扁些，而股骨头关节面则更接近于球面。2）对21例不同年龄志愿者（年龄：23~83岁）髋关节的CT影像进行曲面形态分析后得出：男女髋关节两侧软骨关节面的椭球率与年龄成反比，即随着年龄的增长，男女髋关节两侧软骨关节面更趋向于球面（p<0.05）。因此，髋假体在设计中还需考虑年龄因素的影响。.其次应用计算机优化拟和技术，建立了最佳匹配髋关节软骨关节面解剖形态特征的参数化几何模型，结果显示：新构建的髋关节旋转椭球面模型与传统球面模型在解剖匹配度上有显著性差异（p<0.001），尤其在髋关节髋臼侧的主要负重区，即髋臼的臼顶区域，新模型较球面模型具更精确的解剖匹配。.最后仿真分析了髋关节关节面解剖形态变化对髋关节接触应力与分布的影响。研究表明，髋关节关节面中任意一侧或两侧关节面被替换后，都将影响和改变正常髋关节的接触应力和应力分布，尤其是关节面被替换成球面后，髋关节的接触应力有明显升高和应力集中。本项目还还从运动生物力学角度研究了人体步行时采用不同摆臂模式对髋关节控制平衡干扰的影响，开发了基于医学影像的髋关节关节面非球面耦合解剖形态的分析软件。.总之，本研究获得了国人髋关节关节面的新形态特征参数和属性，为全面修正对髋关节关节面简化与粗略的解剖认识，提高髋关节仿真分析精度提供重要依据。其次发现球面型髋假体存在一定的力学不合理性。髋假体设计因考虑年龄因素，采用更接近于天然髋关节的解剖形态。基于上述研究，已授权2项人工关节发明专利。