儿童发育性髋关节脱位(developmental dislocation of the hip, DDH)的病理改变是骨骼、关节面、关节囊和软组织及下肢生物力学发生改变。骨骼方面表现为股骨颈、股骨头和髋臼形态异常及空间位置对应异常。股骨颈的改变主要包括股骨颈变短、变粗，股骨颈前倾角(femoral neck anteversion, FNA)增大，其对髋关节运动和传递系统、关节稳定性及关节力学结构有着重要的影响。目前国内外关于DDH患儿髋臼和股骨近端生物力学的研究较多，已基本达成共识的是DDH患儿FNA增大时髋臼和股骨颈处会发生应力集中现象，但关于FNA增大时股骨整体生物力学和股骨远端受力分析的研究较少^[1-6]。本研究探讨DDH患儿不同FNA时股骨的生物力学变化。

以2021年6月在山西省儿童医院骨科住院治疗的1例右侧DDH患儿作为研究对象。患儿女，6岁，身高86 cm，体重25 kg。采取128排螺旋CT对患儿双髋进行薄层扫描，得到DICOM影像学数据，提取正常侧(左侧)髋关节股骨扫描数据，利用Mimics19.0医学建模软件和3-matic对影像学数据进行三维重建。FNA的角度设计为35°、25°、15°。本研究获得山西省儿童医院伦理委员会(ZRB-KYYX-2021-003L44)审核批准。患儿及监护人知情同意并签署科研知情同意书。

FNA变化是指股骨头水平偏距和垂直偏距发生变化，三维空间位置改变, 进而导致下肢力线传递发生改变，引起膝关节受力改变。在三维重建软件中分别确定股骨头和股骨颈的中心点，此两点连线为一条边(a)，股骨内外侧髁冠状面连线为另一条边(b)，股骨颈前倾角即a边和b边的夹角^[7-10]。股骨颈前倾角的测量如图 1所示。

图 1 股骨颈前倾角的测量 Fig.1 Measurement of femoral neck anteversion angle

将DICOM薄层图像数据导入Mimics软件，根据CT灰度值进行阈值分割，对骨盆、股骨干、股骨骨骺进行分割重建，并以STL格式导出。在3-matic软件中设置FNA分别为35°、25°、15°(图 2)。在ABAQUS软件中对模型的材料属性进行设计，对模型的皮质骨、松质骨赋予材料属性。其中松质骨密度为1×10^-6 kg/mm³，弹性模量为220 MPa，泊松比为0.3；皮质骨密度为2×10^-6kg/mm³，弹性模量为20 000 MPa，泊松比为0.3；同时选择正四面体单元网格对模型进行划分。边界条件设置为人在直立状态时，向股骨头中心加载300 N轴向载荷，股骨远端与股骨远端骨骺接触面设置绑定约束，股骨远端骨骺设置为固定^[11-15]。

图 2 股骨颈前倾角为35°、25°、15°模型图 Fig.2 Models of FNA 35°, 25° and 15°

FNA为35°、25°、15°时股骨模型受最大应力分别为21.18 MPa、17.36 MPa、9.85 MPa, 应力集中均出现在股骨干中段(图 3)。其中FNA为35°时，股骨干应力尤为集中，其次为股骨颈应力达到3.75 MPa, 在股骨远端股骨骺与股骨干接触位置，也出现局部的应力集中为19.09 MPa(图 4)；FNA为25°时，股骨干应力集中数值与应力集中区域较FNA为35°时降低18%，但股骨远端骨骺的应力降低25%；FNA为15°时，股骨干应力集中数值较FNA为35°时降低55%，股骨干应力集中区域为股骨干中段小范围区域，股骨远端骨骺应力集中区域明显减小，此时应力传递效应最佳。

图 3 股骨颈前倾角为35°、25°、15°时股骨干应力分布云图 Fig.3 Stress cloud diagram of FNA 35°, 25° and 15°

图 4 股骨颈前倾角为35°、25°、15°远端股骨骺应力分布云图 Fig.4 Femoral epiphyseal stress cloud diagram of distal femur at FNA35°, 25° and 15°

FNA为35°、25°、15°时股骨模型受最大位移分别为3.166 mm、1.793 mm、1.165 mm，最大位移出现在载荷加载区域(图 5)。FNA为35°时，位移大于1 mm区间是股骨头至股骨干中段；FNA为25°时，位移大于1 mm区间是股骨头至股骨干中上端；FNA为15°时，位移大于1 mm区间是股骨头至股骨颈。FNA为35°、25°、15°时其股骨远端骨骺的最大位移分别为0.0041 mm、0.0018 mm、0.0012 mm(图 6)。因载荷为股骨头中心轴向加载，远端固定，故其位移由上而下依次减小。但在FNA 15°时，其位移变化最小。

图 5 股骨颈前倾角为35°、25°、15°时股骨模型位移云图 Fig.5 Displacement cloud diagram of FNA 35 °, 25 °, 15 °

图 6 股骨颈前倾角为35°、25°、15°时股骨远端骨骺位移云图 Fig.6 Femoral epiphyseal of distal femur of displacement cloud diagram at FNA 35°, 25°, 15°

股骨远端骨骺是膝关节运动的重要接触位置，在一定程度上反映膝关节与髌股关节的受力及应力传递情况。U1方向股骨远端骨骺在FNA为35°、25°、15°时的位移分别为0.00029 mm、0.00014 mm、0.00012 mm(图 7)；U2方向股骨远端骨骺在FNA为35°、25°、15°时的位移分别为0.0022 mm、0.0003 mm、0.00025 mm(图 8)；U3方向股骨远端骨骺在FNA为35°、25°、15°时的位移为0.00356 mm、0.0009 mm、0.00003 mm(图 9)。FNA为35°时，U1、U2、U3位移高于FNA为15°与25°时。FNA大于15°时，在U1方向，最大位移区域分布于两侧；FNA为15°时最大位移区域分布于中间。FNA大于25°时，最大位移区域分布于两侧；FNA为25°时最大位移区域分布于中间。在U3方向，最大位移区域分布一致。

图 7 股骨颈前倾角为35°、25°、15°时股骨远端骨骺U1方向位移云图 Fig.7 Displacement cloud diagram in U1 direction of femoral epiphyseal of distal femur at FNA35°, 25° and 15°

图 8 股骨颈前倾角为35°、25°、15°时股骨远端骨骺U2方向位移云图 Fig.8 Displacement cloud diagram in U2 direction of femoral epiphyseal of distal femur at FNA35°, 25° and 15°

图 9 股骨颈前倾角为35°、25°、15°时股骨远端骨骺U3方向位移云图 Fig.9 Displacement cloud diagram in U3 direction of femoral epiphyseal of distal femur at FNA35°, 25° and 15°

目前观点认为，DDH患儿FNA增大，需要用股骨近端截骨去旋转的方法使增大的FNA接近正常。DDH患儿FNA究竟增大了多少，一般以就诊时患儿健侧FNA作为参考，并以此决定术中需要截骨矫正的角度大小。也有学者对于FNA在40°以下的DDH患儿是否需行股骨去旋转截骨存在异议^[3]。

本研究中，FNA为35°、25°、15°时三者应力集中区域主要分布在股骨干，FNA改变时其整体应力有着明显的改变，FNA为15°时股骨颈、股骨干、股骨远端骨骺应力明显减小，可明显降低股骨干应力集中效应，使其在宿主条件下的应力传递效应更加顺畅，避免股骨干变形过大，力能够更好传导到膝关节处。

三组模型的位移变化趋势均为自近端至远端逐步变小，与载荷加载条件和固定约束条件有关，符合受力的一般特点。但从位移形变来看，FNA为15°时水平面位移形变明显下降。从股骨远端骨骺U1、U2、U3方向位移形变可以明显看出远端位移受FNA影响较大。在人体水平面上U1、U2的位移形变较大，容易导致股骨远端和胫骨近端接触面不稳，且该处可导致膝关节软骨长期处于高应力状态，进而发生骨关节炎。

本研究结果显示，股骨的应力分布随FNA的改变而改变；FNA增大，应力、位移、最大冠状面位移均升高，且偏离正常态角度越大，升高越明显，在股骨干位置出现明显应力集中现象；应力集中导致力线传递较差，增加股骨干的形变。FNA越大，股骨远端骨骺在水平面的变形也越大，导致股骨远端骨骺内外髁关节面不稳，同时FNA的增大可能会使下肢旋转失调的可能性增加，影响髌股关节稳定性。

综上所述，利用计算机仿真技术模拟FNA变化，重新认识FNA对股骨生物力学的稳定性，为临床中DDH的诊断及矫治提供了新的思路。股骨颈前倾角对DDH患儿的股骨力学有着重要影响，随着股骨颈前倾角的改变，股骨的应力分布有所改变。股骨颈前倾角度增大，股骨干的应力逐渐增大，在股骨干位置出现应力集中现象；股骨颈前倾角越大，应力传递在股骨干区域受到的遮挡效应越大，股骨远端骨骺在横断面的变形也加大。股骨颈前倾角15°时股骨应力分布好。

本研究不足之处：本研究以股骨远端骨骺应力与位移代替膝关节面上的变化，在分析过程中忽略了肌肉、韧带及其协调作用，虽未改变受力的趋势与走向，但在一定程度上与实际情况产生了数值上的差异。

利益冲突  所有作者声明不存在利益冲突

作者贡献声明  李杰、龙江涛、王倩倩负责研究的设计、实施和起草文章；程鑫葵、成毅、徐树明负责病例数据收集及分析；席红卫负责研究设计与酝酿，并对文章知识性内容进行审阅