综述：基于压力的生物力学建模在髋关节发育不良手术中的应用：一项综述性研究

《Journal of Biomechanics》：Stress-Based biomechanical modeling in hip dysplasia Surgery: A scoping review

　　埃布雷切·雷诺五世·阿莫阿孔（Ebrétchè Renaud V. I. Amoakon）、亚历克桑-安妮·塞坤（Alex-Anne Seguin）、埃蒂安·L·贝尔齐尔（Etienne L. Belzile）、扎伊纳布·阿瓦达（Zeinab Awada）、布梅迪恩·内贾尔（Boumediene Nedjar）和菲利普·科尔贝尔（Philippe Corbeil）共同完成了这项研究。他们来自加拿大魁北克省拉瓦尔大学（Université Laval）运动分析与人体工程学研究小组（GRAME），该小组隶属于运动学系。

**摘要**

基于应力的生物力学建模越来越多地被用于评估发育性髋关节发育不良（DDH）患者的关节力学情况，并为手术计划提供支持。本综述探讨了这类模型在DDH手术中的应用、它们所提供的机械学见解，以及它们在实际临床应用中的准备情况。通过对四个数据库的系统性搜索，共发现了21篇发表在2007年至2024年之间的研究。这些研究使用了有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）、离散元分析（Discrete Element Analysis, DEA）以及HIPSTRESS等分析方法来模拟手术矫正过程并评估关节力学。大多数研究在术前阶段应用这些模型，以指导髋臼的重新定位或量化负载分布的变化。尽管放射学检查结果看似令人满意，但所有研究均显示手术矫正与接触应力的峰值降低（约30–50%）和接触面积增加有关。然而，这些改善并未系统地导致关节内部力学状态的正常化，且有几项研究指出存在持续的异常载荷情况。尽管加载条件相对相似，不同建模方法所得到的应力幅值差异较大，这表明几何形状、个体差异和本构假设发挥了主导作用。大多数研究依赖于文献中的加载条件而非来自患者的具体数据，从而可能导致施加的力与解剖结构的表示之间存在不匹配。所有研究结果均基于计算模型得出，其验证程度有限，且在独立人群或不同建模框架间的重复性也很低。此外，大多数模型基于简化假设，例如静态加载条件及线性弹性材料行为，并未考虑时间依赖性或机械生物过程。尽管基于应力的生物力学建模在提高对DDH矫正的力学理解及优化方面具有潜力，但其临床应用仍面临局限。未来的研究应优先考虑特定于患者的加载条件，改进模型验证方法，并将其整合到实际可行的临床工作流程中。

**1. 引言**

发育性髋关节发育不良（DDH）是一种常见的先天性疾病，其特征通常是髋臼对股骨头的覆盖不足，但未发生明显的脱位。虽然严重的形式（如半脱位或完全脱位）可能发生在婴儿期，但大多数青少年和年轻成年患者的症状性病例表现为残余性发育不良而非脱位。这些患者常出现疼痛、功能下降以及早发性骨关节炎风险增加，主要原因是关节载荷发生了改变。手术治疗旨在恢复关节对合，使载荷分布正常化，并延缓或预防骨关节炎的进展（Clohisy等人，2008年）。

髋臼周围截骨术（Periacetabular Osteotomy, PAO）（Ganz等人，1988年）被广泛认为是针对症状性DDH且病变程度较轻患者的金标准保关节手术方法。通过调整髋臼的位置以改善股骨头覆盖情况，同时保留后柱和血管完整性，PAO能够增强关节稳定性，并已被证明可以延缓全髋关节置换术的时间（Larsen等人，2020年；Lerch等人，2017年；Ziran等人，2019年）。越来越多的证据表明，仅通过放射学测量（如外侧中心-边缘角或T?nnis角）来评估的矫正效果并不能准确反映 hips 的三维力学环境（Henak等人，2014年）。尽管3D成像技术提高了对髋臼形态和方向的可视化能力，但它无法捕捉功能性动态条件下的关节载荷情况，且通常是在仰卧位下获取的影像。因此，仅基于几何参数的优化可能会忽视诸如脊柱-骨盆平衡和载荷重新分配等关键力学因素。重要的是，过高的接触应力和不理想的载荷分布与软骨退化和手术结果不佳有关（Harris等人，2012年）。在日常活动中实现理想的髋关节应力分布可能与纠正静态对合同样重要。

生物力学建模为估计关节接触应力及评估手术矫正的力学影响提供了可能性。此类模型应遵循Anderson等人（Anderson等人，2010年）提出的计算最佳实践，包括验证、确认和敏感性分析。但目前尚不清楚DDH手术中的实际应用是否遵循这些标准。

现有的建模方法包括基于X光片的简化二维估算、统计模型或基于人群的模型，以及针对患者的三维模拟（如有限元分析或离散元分析）。这些方法在解剖学真实性、复杂性和临床可行性方面存在差异。虽然一些术中系统整合了机器人技术或透视技术，但生物力学建模与实时工作流程的结合仍较为罕见。基于应力的模拟在指导手术计划、预测力学结果和支持长期关节保护方面的潜力尚未得到充分实现。本综述旨在评估这类模型在DDH矫正手术中的当前应用情况，具体而言，它们是否能够反映矫正后的关节力学变化，以及限制其临床应用的因素有哪些。

**2. 方法**

**2.1. 搜索策略**

本综述遵循Joanna Briggs Institute（JBI）制定的系统综述方法学框架（Peters等人，2020年），并依据PRISMA-ScR（系统综述和荟萃分析的优先报告项目扩展）检查表（Tricco等人，2018年）进行报道。选择这种方法是为了全面了解用于DDH手术治疗的生物力学建模工具，重点关注应力量化方法。搜索范围涵盖了2007年1月至2024年12月期间的文献，其中包括PubMed、EMBASE、Web of Science Core Collection和WHO Global Index Medicus四个数据库。这一时间范围选择了现代患者特定生物力学建模方法的发展时期，特别是三维有限元和离散元方法在髋关节生物学中的应用日益增多。早期研究中较少使用患者特定的几何形状、先进成像技术和现在常用的计算框架。搜索策略结合了与DDH、手术干预和生物力学建模相关的MeSH术语和自由文本关键词。Embase的布尔搜索字符串详见补充材料1。仅考虑以英语或法语发表的研究。

**2.2. 纳入标准和排除标准**

纳入标准为：
- 2007年1月至2024年间发表的经过同行评审的研究，这些研究采用了生物力学建模方法来评估DDH的手术干预措施；
- 将计算方法（如FEA、DEA或类似应力估算方法）应用于手术规划、力学风险评估或术后评估的研究；
- 明确定义了手术技术和患者群体的研究，包括定向截骨术（如Salter截骨术、髋臼周围截骨术、球形截骨术）、重塑截骨术（如Pemberton截骨术、Dega截骨术、San Diego截骨术）及挽救性手术（如Chiari手术、shelf手术），以及关节镜技术（Venkatadass等人，2022年）。

排除标准为：
- 缺乏关于手术干预的具体方法学细节的研究；
- 未能在DDH特定背景下应用生物力学模型的研究；
- 摘要、会议论文、未发表的论文和协议。

两名审稿人（AAS和ERVIA）独立筛选所有检索到的标题和摘要。对于符合纳入标准或需要进一步评估的研究，进行了全文审阅。如有意见分歧，通过讨论或在必要时咨询第三名审稿人（ELB）来解决。选择过程如图1所示的PRISMA流程图所示。共识别出1,653条记录（EMBASE 435条，Web of Science 362条，WHO Global Index Medicus 324条，PubMed 110条）。去除1,173条重复记录后，根据标题和摘要对480条记录进行了筛选。其中73篇全文文章经评估后被纳入本研究。

**2.3. 研究质量评估**

根据JBI关于系统综述的建议，未进行正式的偏倚风险评估，因为本研究的目的是分析而非估计治疗效果。然而，记录了研究作者报告的局限性，如样本量、外部有效性、模型假设和回顾性设计等，以提供研究的背景信息。采用Anderson等人（Anderson等人，2010年）提出的结构化评估框架来评估生物力学模型的方法学质量。该框架概述了计算生物力学的最佳实践，从四个维度对每项研究进行定性评估：数值验证（如网格收敛性）、实验或临床验证、敏感性分析以及建模简化程度。使用简单的分级量表（+++ = 完全满足；+ = 部分满足；? = 未满足）来总结各标准的遵守情况。当某一标准被明确描述并系统应用时（例如，通过定量评估进行网格收敛性分析；利用实验或临床数据进行验证），则视为“完全满足”；当该标准被提及或定性讨论但缺乏定量评估或方法学细节时，视为“部分满足”；当没有提供相关信息时，视为“未满足”。这种评估方法旨在帮助解释研究结果，而非正式对研究质量进行排序。

**2.4. 数据收集与提取**

数据提取由两名审稿人独立完成，他们使用了Covidence（版本2022.3；Veritas Health Innovation，澳大利亚墨尔本）提供的标准化模板，该模板根据Joanna Briggs Institute（JBI）的系统综述方法学设计。在试点阶段对模板进行了迭代改进，以确保解释的一致性和清晰度。审稿人之间的分歧通过协商解决。收集的数据域包括：
- **研究特征**：第一作者、发表年份、文章标题和期刊；
- **人群统计数据**：样本量、年龄和性别分布；
- **手术干预**：建模的手术类型，包括髋臼周围截骨术（PAO）、弧形髋臼周围截骨术（CPO）、旋转髋臼截骨术（RAO）、三重骨盆截骨术（TPO）、发育性髋关节的全髋关节置换术（THA）及其他骨盆截骨术；
- **术后随访**：随访时间、并发症和影像数据；
- **生物力学建模方法**：建模方法（如有限元分析（FEA）、离散元分析（DEA）、HIPSTRESS或其他计算应力估算技术；维度（2D vs. 3D）及模拟阶段（术前、术后或两者结合）；
- **应力相关结果**：力学指标（如峰值或平均接触应力、接触面积、关节对合度、力向量及替代指标，如应力指数或von Mises应力）。除非同时量化了应力或压力结果，否则排除那些仅报告力或力矩估算的研究；
- **研究局限性**：作者报告的研究局限性。

结果按主题进行了归纳，分析重点关注手术前的准备阶段、术中阶段和术后阶段。

**3. 结果**

**3.1. 纳入的生物力学模型概述**

本综述共纳入了21篇2007年至2024年间发表的研究，其中20篇提供了患者或髋关节层面的数据，涉及823名患者（约894个髋关节）。研究中位样本量为每项研究18名患者（四分位数范围[IQR]为4–54；范围为1–186）。一些研究报告了每个髋关节的结果，而非每个患者的结果，这通常是为了反映DDH患者中常见的不对称形态。研究设计具有多样性：12项研究（57%）仅使用合成或重建的几何模型进行模拟，且无临床随访；2项研究（10%）将模拟应用于患者特定的解剖结构，但没有报告纵向结果；4项研究（19%）比较了矫正前后的手术技术或关节配置；1项研究（5%）为回顾性队列分析，2项研究（10%）为单例报告。大多数研究关注髋臼周围截骨术（PAO），有14项研究（67%）对其进行了建模；1项研究（5%）分析了旋转髋臼截骨术，1项研究（5%）分析了发育性髋关节的全髋关节置换术（THA）。5项研究（24%）评估了多种手术配置，包括截骨方向的比较或固定方式的比较。

从地理分布来看，研究主要来自东亚（中国、日本、韩国）、中欧（特别是斯洛文尼亚）和北美，西欧、南美和大洋洲的研究数量较少（图2）。

有限元分析（FEA）是最常用的建模方法（15项研究，71%），通常使用基于计算机断层的患者特定三维重建数据。HIPSTRESS分析模型用于4项研究（19%），这些模型依赖于简化的二维X光几何数据和肌肉力平衡计算。离散元分析（DEA）或基于体素的接触方法用于2项研究（10%），以较低的计算复杂度估计软骨接触压力。

**3.2. 基于应力的生物力学模型的应用**

大多数模拟研究了术前关节力学情况。图3展示了术前和术后阶段建模方法的分布情况。十四项研究（67%）在手术前对发育性髋关节畸形进行了建模，以评估机械严重程度或探索潜在的髋臼重新定位策略；而五项研究（24%）分析了术后结构，两项研究（10%）直接比较了术前和术后的力学特征。下载：下载高分辨率图片（46KB）下载：下载全尺寸图片

图3. (a) 用于DDH手术规划的术前模拟的生物力学建模方法分布。(b) 用于术后分析以评估机械结果的建模方法分布

这些建模研究的主要生物力学目标可以分为三类：(1) 髋臼碎片的优化定位（11项研究，52%）；(2) 模拟矫正后应力变化的量化（9项研究，43%）；(3) 固定结构稳定性的评估（5项研究，24%）。不同手术程序和模拟阶段的建模方法多样性如图4所示。下载：下载高分辨率图片（70KB）下载：下载全尺寸图片

图4. DDH手术中不同手术程序的生物力学建模方法分布。PAO= 髋周截骨术，CPO= 弯曲髋周截骨术，RAO= 旋转髋臼截骨术，THA= 全髋关节置换术

最常报告的力学输出是基于接触的应力指标（13项研究，62%），包括有限元模型中的峰值接触压力和冯·米塞斯应力，以及离散元和分析模型中的峰值接触应力。其他常用的输出还包括接触面积（6项研究，29%）和应力分布指数，如一致性-压力（CP）比率（4项研究，19%）。定义为接触面积与峰值接触压力之比。

图5显示了建模方法的时间分布。在整个研究期间，始终使用如HIPSTRESS这样的分析模型，而有限元模拟在近年来使用频率略有增加，反映出患者特异性三维建模技术的逐步采用。

3.3. 载荷假设和边界条件

载荷条件是生物力学建模的一组关键输入参数。所有包含的研究都依赖于准静态载荷条件，最常见的是代表步态中的单腿站立状态（表1）。一些研究模拟了对应于最大载荷瞬间的单一静态配置，而其他研究则结合了从步态站立阶段的地面反作用力数据中得到的多个离散时间点。载荷定义在维度上有所不同。一些模型应用了简化的单向力，通常垂直方向；而其他模型则实现了完全三维的关节反作用力。载荷数据来源也因研究而异，包括来自肌肉骨骼模型的输出、实验数据集（例如，Bergmann等人）、简化的分析公式（例如，HIPSTRESS）或任意假设。

表1. 各研究中载荷假设的总结

任务
载荷公式
载荷条件
模型
报告的力学指标

单腿站立（步态衍生的峰值载荷）
静态平衡
2.37–2.38 × 体重
分析
归一化峰值接触应力 (pmax/WB) = 5274 m?2
Igli?等人，2002
1.91 ± 0.43 kN
峰值接触应力：2.90 ± 1.36 MPa
Mav?i?等人，2008
3.00 ± 0.40 × 体重
归一化接触应力：4.0 ± 1.5 kPa
Mav?i?等人，2009

规定载荷（Bergmann等人，2001）
1177 N (2.31 × 体重)
FEA
峰值接触压力：8.0 MPa
Lee等人，2015

规定载荷（Bergmann等人，2001）
1158 N (2.32 × 体重, 3D?1)
峰值接触压力：7.3 (4.1–14.0) MPa
Kitamura等人，2022
规定载荷（Bergmann等人，2010）
2.32 × 体重 (3D?1)
峰值接触压力：10.1 ± 6.1 MPa
Liu等人，2015；Acu?a等人，2019
规定载荷（Bergmann等人，2010）
2.38 × 体重
峰值接触压力：5.4 MPa；平均接触压力：4.5 MPa
Qu等人，2024
规定载荷（Bergmann等人，2001）
500 Na + 1000 Nb
峰值接触压力：约3.0 MPa；平均接触压力：约1.0–1.3 MPa
Igei等人，2024

规定载荷（Bergmann等人，2001）
1511 N (2.56 × 体重, 3D?2)
最大等效应力（冯·米塞斯）：15.0 ± 9.2 MPa
Ma等人，2023
基于文献的规定载荷
2.33 × 体重 (3D?3)
未报告
Bakhtiarinejad等人，2021

步态站立阶段
多状态载荷（Harris等人，2017）
JRF离散化为步态站立阶段均匀分布的13个步骤
DEA
峰值接触应力：24.2 [18.9–30.3] MPa；平均接触应力：5.1 [4.2–6.1] MPa
Aitken等人，2023

多阶段载荷（Bergmann等人，2001；Skalskoi等人，2015；Correa等人，2010）
JRF离散化为步态站立阶段均匀分布的13个步骤
最大接触应力在步态周期中变化（约4–12 MPa）
Thomas-Aitken等人，2018

全步态周期
肌肉骨骼模拟
3.00 ± 0.30 × 体重 c; 2.11 ± 1.03 × 体重 d
FEA
未报告
Yang等人，2023

双腿站立
规定载荷（Macirowski等人，1994）
1800 Ne
FEA
峰值等效应力：4.1 (2.7–6.5) MPa
Ike等人，2015
体重：BW；JRF：3D关节反作用力

3D?1：0.30 × 体重，0.142 × 体重，2.292 × 体重，分别对应内外侧、前后方向；3D?2：0.55 × 体重，-0.33 × 体重，2.48 × 体重 / 325 N，-195 N，146；3D?3：0.29 × 体重，-0.26 × 体重，2.30 × 体重；

值以原始研究中描述的平均值 ± 标准差、中位数 [IQR] 或范围（最小值–最大值）报告。
a：沿股骨纵轴施加的力；
b：沿大转子肌肉作用线施加的力；
c：JRF垂直分量的“M”形轮廓的初始峰值；
d：JRF垂直分量的“M”形轮廓的第二个峰值；
e：在腰椎向左右髋臼均匀施加的向下力。

在分析性的HIPSTRESS模型中，载荷通常在单腿站立条件下使用简化的身体分段和肌肉力平衡来表示。例如，Igli?等人（2002）将身体建模为两个刚性部分，产生的关节反作用力约为体重的2.37–2.38倍。在有限元研究中，载荷条件从简化的静态力（例如，沿股骨轴线和解剖标志物如大转子施加的500–1000 N）到生理学衍生的关节反作用力（约2.3 × 体重）不等。这些载荷可以是集中在股骨头上的，也可以分布在髋臼接触面上。更高级的模型应用了来自步态数据的三维关节反作用力和关节角度，并在内外侧、前后方向上定义了解剖学方向。在各研究中，施加的关节反作用力的大小相对一致，通常在单腿站立或步态条件下约为体重的2.3至3.0倍（表1）。

3.4. 报告的接触应力

表2提供了不同建模方法报告的力学输出的总结。在各研究中，分析模型（例如，HIPSTRESS）通常报告的峰值接触应力约为2–3 MPa，而有限元模拟报告的值约为4–15 MPa，离散元方法报告的峰值应力更高，可达10–24 MPa。

表2. 不同建模方法（单腿站立或步态衍生条件）报告的力学输出总结
模型
指标类型
峰值（MPa）
平均值（MPa）
研究数量

分析（HIPSTRESS）
接触应力
2.0 – 3.0
—
有限元分析（FEA）
接触压力
3.0 – 10.1
约1.0 – 4.5
等效应力（冯·米塞斯）
约4.1 – 15.0
—
离散元分析（DEA）
接触应力
10.5 – 24.2
约5.1

少数研究提出了累积暴露指标，以更好地描述时间积分的机械载荷。在DEA框架中，Aitken等人（2023）将慢性暴露定义为软骨应力超过1 MPa的累积时间，加权考虑步态周期数和患者年龄。使用这一指标，报告的中位暴露为14.1 MPa·年。

优化和手术意义

基于HIPSTRESS及相关简化方法是最早使用放射几何形状和应力衍生指数探索机械上有利矫正目标的方法之一（Igli?等人，2002；Ur?i?等人，2021）。这些分析研究表明了髋臼覆盖范围、承重面积与关节应力分布之间的关系。模拟的手术矫正与峰值接触应力的降低和接触面积的增加一致相关（表3）。峰值接触应力的降低范围为1.6至8.2 MPa（约30–51%），平均相对降低约35%。接触面积增加了约30–87%，研究中平均增加约55%。接触面积的增加与峰值接触应力的降低一致相关，反映了载荷分布的改善。

表3. 髋臼重新定位后的接触面积和峰值应力变化

任务
方法
峰值应力（MPa）
Δ 峰值应力（%）
接触面积（mm2）
Δ 接触面积（%）
研究
术前与术后PAO
FEA
10.1 ± 6.1 → 4.9 ± 1.1
?51%
72
3.5 ± 22
7.3 → 11
68.3 ± 32
0.1
+61%
Liu等人，2019
8.0 → 4.3
?46%
64
3.4 → 8
49.1
+32%
Lee等人，2015
7.3 (4.1–14.0) → 3.8 (2.2–7.5)
?48%
49
3 ± 160 → 8
24 ± 23
+67%
Kitamura等人，2022

术前与术后CPO
5.4 → 3.8
?30%
53
2.4 → 9
4.6
+87%
Qu等人，2024

手术与优化配置
DEA
24.2 [18.9–30.3] → 17.2 [14.1–20.0]
?29%
64
4 [576–843] → 9
69 [763–1121]
+50%
Aitken等人，2023

六项研究探讨了生物力学建模如何为髋关节发育性畸形（DDH）的手术矫正提供信息，包括髋臼重新定位的优化、截骨术力学的评估以及与持续异常载荷相关的术后阈值识别。表4总结了各研究的优化结果。这些优化策略从直接的术后评估到大规模的髋臼方向参数探索不等，报告的关节应力降低范围从约1.3 MPa到8.2 MPa，取决于所采用的方法。

表4. DDH中髋臼矫正的生物力学优化

任务
方法
峰值应力（MPa）（术前→术后）
Δ 峰值应力（%）
其他结果
优化参数
研究
手术结果评估
FEA
7.3 → 3.8
?48%
接触面积增加
Kitamura等人，2022
4.1 → 2.8
?32%
—
截骨术配置
Ike等人，2015

基于优化的方法
DEA
24.2 → 17.2
?29%
接触面积增加
多个候选方向（n = 143）
Aitken等人，2023
FEA
—
平均接触压力约1.0–1.3 MPa（最佳）
多个PAO配置（约60个）
Igei等人，2024

参数/敏感性分析
FEA
—
?3%至?13%
接触面积增加；应力降低
CE角变化（21–39°）
Zou等人，2013
14.9–19.9 → 14.3–16.6
?3.9%至?16.6%
固定CE角（25°）
Zhao等人，2010

注：百分比变化对应于术前和术后配置之间或基线和机械优化配置之间的相对变化，如每项研究中定义的。

最全面的基于患者的优化框架由Aitken等人（2023）报告，他们使用离散元分析对20个发育性髋关节的每个患者模拟了143种候选髋臼重新定位。机械优化降低了中位峰值接触应力并增加了相对于手术实现的配置的接触面积。Igei等人（2024）报告了针对不同表型的优化结果，模拟了多种弯曲PAO配置。最佳配置因表型而异，但通常发生在约30°的髋臼旋转，有时结合前向旋转。在特定标本的有限元分析中，Zou等人（2013）报告称，放射学矫正改善了机械结果，但并未统一恢复生理应力水平。类似地，Zhao等人（2010）显示，对初始畸形程度不同的髋关节应用相同的放射学矫正目标可以降低应力，但并未恢复等效的机械状态。在51个发育性髋关节的临床队列模拟中，Kitamura等人（2022）报告称，PAO后峰值接触应力降低且接触面积增加，尽管并非所有案例都实现了正常接触压力（表4）。

在包含的研究中，生物力学模拟一致显示手术矫正后载荷分布有所改善。然而，这些发现仅来自计算模型，没有研究提供预测应力变化的直接实验或临床验证。也没有研究在前瞻性设计中直接比较基于应力的规划和传统手术规划。

3.5. 方法学质量和报告差距

表5总结了所包含研究的方法学评估。在文献中，关键的质量标准并未一致得到处理。大多数研究未报告验证程序，包括Lee等人（2015）、Zhao等人（2010）和Zou等人（2013）。只有一项研究明确报告了网格收敛性分析（Ike等人，2015）。针对实验或临床数据的验证也很有限，尽管在少数研究中报告了间接验证方法，包括Kitamura等人（2022）、Wang等人（2016）和Yang等人（2023）。只有少数研究进行了敏感性分析，通常仅限于选定的参数，如髋臼方向或载荷大小。Igei等人（2024）、Kitamura等人（2022）和Yang等人（2023）报告了敏感性分析的正面评价，而Vafaeian等人（2017）、Zhao等人（2010）和Zou等人（2013）报告了部分敏感性分析。研究评分采用定性评分标准（++ = 完全满意；+ = 部分满意；– = 未涉及）
作者验证
敏感性分析
简化处理
Acu?a等人，2019年 --- ++
Aitken等人，2023年 --- ++
Igli?等人，2002年 --- ++
Bakhtiarinejad等人，2021年 --- ++
Igei等人，2024年 --++++
Ike等人，2015年 +-- ++
Kitamura等人，2022年 -+++++
Lee等人，2015年 --- ++
Ma等人，2023年 --- ++
Mav?i?等人，2008年 -++-++
Mav?i?等人，2009年 --- ++
Qu等人，2024年 --- ++
Thomas-Aitken等人，2018年 --- ++
Toma?evi?等人，2019年 -++-++
Ur?i?等人，2021年 -++-++
Vafaeian等人，2017年 --+++
Wang等人，2019年 --- ++
Wang等人，2016年 -+-++
Yang等人，2023年 -+++++
Zhao等人，2010年 --+++
Zou等人，2013年 --+++

相比之下，所有研究中都存在一定的建模简化现象。这些简化体现在模型构建的多个方面。大多数研究依赖于简化的加载条件，而非生理上真实的动态负载。静态单腿站立模型被频繁使用，而只有少数研究考虑了步态相关或多状态加载条件。软骨的材料建模也被简化，大多数有限元研究假设其具有均匀的线性弹性行为，未考虑双相相互作用或深度依赖性结构。解剖学表示也有所简化，通常仅包含软骨层，省略了唇缘、关节囊和周围软组织等结构。重要的数值细节报告不一致，包括网格密度、收敛性测试、求解器设置和接触公式等。

所有四项使用HIPSTRESS的研究均来自同一研究团队或密切相关的合作者（Igli?等人，2002年；Mav?i?等人，2008年；Mav?i?等人，2009年；Ur?i?等人，2021年），且未发现独立的外部验证或组间再现性研究。此外，一些研究基于小样本队列或单例模型，这可能限制了研究结果的普遍性。仅有少数研究考虑了术后即时条件之外的时间依赖性或累积性机械暴露，例如Mav?i?等人（2009年）和Aitken等人（2023年）。

4. 讨论
4.1 主要发现
本综述强调，尽管解剖学矫正至关重要，但难以完全解决发育性髋关节发育不良（DDH）的生物力学复杂性。诸如髋关节截骨术（PAO）等程序旨在恢复髋臼覆盖并优化关节对齐，但传统的放射学参数（如外侧中心-边缘角）仍然是真实机械矫正的有限替代指标。

本综述发现的基于应力的生物力学建模文献数量有限且方法学多样性较大。有限元分析是最常用的建模框架，而分析型HIPSTRESS模型和离散元件方法则应用较少（Zou等人，2013年；Zhao等人，2010年；Igei等人，2024年）。在纳入的研究中，髋臼覆盖减少通常与髋臼上外侧的有效承重面积减小和应力集中增加相关（Mav?i?等人，2009年；Lee等人，2015年）。手术矫正通常通过降低峰值接触应力和增加关节接触面积来改善载荷分布（Kitamura等人，2022年）。然而，尽管放射学结果看似满意，仍有研究报告持续的异常载荷（Aitken等人，2023年；Zhao等人，2010年），这突显了需要更细致的、基于力学的手术成功定义。

当前文献的一个主要局限性在于基于应力的建模的机械目标。大多数研究关注关节软骨接触相关的指标（如接触应力或接触压力），这些指标主要反映关节界面的载荷分布，而非组织的内部机械状态。在这种情况下，峰值接触压力与局部载荷强度和潜在的表面磨损更为相关，而内部应力测量（如von Mises应力）则更直接关联材料响应和结构完整性。因此，当前的建模方法可能只能捕捉表面载荷模式，而不能完全反映关节组织的潜在机械行为。这一局限性进一步体现在大多数模型未包括髋臼唇缘，尽管有证据表明发育不良髋关节的唇缘载荷可能增加（Henak等人，2014年）。

生物力学优化并未朝着单一的通用髋臼方位目标收敛。实际上，不同的患者和发育不良表型对应的机械上有利的髋臼重新定位各不相同（Zou等人，2013年；Igei等人，2024年）。同样，放射学标准化并不一定对应于机械标准化，因为有些研究在达到传统放射学目标后仍报告持续的异常应力分布（Aitken等人，2023年；Kitamura等人，2022年；Zhao等人，2010年）。

4.2 应力大小和建模多样性的解释
不同研究中报告的接触应力大小差异很大，反映了建模框架、加载定义和解剖学表示的差异。有趣的是，尽管各研究的加载大小大致相当（通常在体重的2.3至3.0倍范围内，见表1），这种变异性仍然存在。这表明除加载大小外，还有其他因素起主导作用，包括几何表示的差异、针对受试者的建模程度、本构假设和数值公式。特别是，针对受试者的加载条件的有限可用性是一个关键限制，因为大多数研究依赖于基于文献的关节反作用力，而非使用生成解剖几何数据的同一受试者得到的力。加载和解剖学之间的不匹配可能导致报告的机械结果存在较大变异。

基于放射学的分析模型（如HIPSTRESS）通常报告较低的应力大小（Mav?i?等人，2009年），而针对特定患者的计算模拟往往产生较高的局部应力估计，尤其是在离散元件方法中（Aitken等人，2023年）。有限元研究通常报告中等应力大小，模拟后的应力减小幅度在不同研究中有所差异。尽管进行了矫正，但仍有多项研究报告持续的异常载荷（Aitken等人，2023年；Zhao等人，2010年），表明接触压力的改善并不一定反映关节内部机械状态的正常化。这种变异性可能反映了建模假设的差异，包括加载条件、几何表示和本构公式。

一些模拟依赖于简化的准静态单腿站立加载条件，而其他模拟则结合了步态衍生的关节反作用力或从肌肉骨骼模型估计的肌肉驱动载荷（Yang等人，2023年）。这些差异可能使得研究间的绝对应力大小比较变得复杂。相比之下，同一模型内的比较（如术前与术后模拟）对这些方法学差异的敏感性较低，因此可能提供更准确的相对机械变化指示。综上所述，应谨慎解释基于接触的指标和内部应力测量的绝对值，而在给定建模框架内的相对变化可能提供更可靠的见解。

4.3 从放射学矫正到机械矫正
从回顾的文献中可以得出一个重要区别：发育性髋关节的放射学矫正与机械矫正之间存在差异。DDH的手术计划传统上依赖于放射学参数，如外侧中心-边缘角或髋臼指数。然而，研究结果表明，达到放射学上可接受的覆盖并不一定能恢复最佳的关节力学状态。Aitken等人（2023年）发现，机械优化的髋臼方位与手术实现的方位不同，且与较低的峰值接触应力和较大的接触面积相关。Zou等人（2013年）进一步表明，针对不同初始严重程度的髋关节，最佳重新定位也存在显著差异。Zhao等人（2010年）进一步证明，对不同初始状态的髋关节应用相同的矫正目标并不能恢复相同的术后机械状态。这些发现表明，生物力学建模可以为放射学评估提供补充信息，尤其是在目标不仅是几何矫正还包括有利载荷重新分配的情况下。这可能是这些方法的主要附加价值之一，尽管其实际应用受到下文讨论的方法学限制的制约。

4.4 内部一致性的证据，但验证有限
大多数研究报告模拟矫正后机械状态的改善，包括峰值接触应力的降低和接触面积的增加。这些重复发现表明，模型捕捉了结构重新定向后的广泛一致性的机械趋势。然而，外部有效性和可重复性仍有限。模型的可信度关键方面（包括验证、确认和敏感性分析）的处理并不一致。很少有研究报告网格收敛性测试，针对实验或体内数据的验证也很少见。在独立队列和建模平台间的有限复制性引发了这些发现普遍性的担忧。这种在数据集和计算框架间的不可重复性被认为是生物力学建模研究的一个关键限制（Anderson等人，2010年）。

总体而言，现有文献提供了机械上合理的模拟趋势的一致证据，但对报告结果的定量准确性信心仍然有限。这种不确定性可能会限制用户信心和临床应用的广泛性。

4.5 局限性和缺失的时间维度
应承认本综述的几个局限性。搜索范围仅限于英语和法语发表的研究。尽管这两种语言涵盖了大部分同行评审的生物力学文献，但其他语言发表的相关研究可能被遗漏。根据JBI对综述的指导原则，未进行正式的偏倚风险评估。定性评估（++ / + / ?）旨在反映方法学的透明度水平，而不是提供研究的定量排名。当前文献的一个局限性是缺乏时间依赖性或纵向建模，从而限制了对机械载荷随时间演变的理解。因此，当前模型在探索改变的机械载荷模式与后续长期退化之间的因果关系方面的能力有限。在借鉴纳入累积暴露指标的努力基础上（例如Mav?i?等人，2009年；Aitken等人，2023年），开发完全耦合的退化或重塑的生物力学模型是DDH手术模拟的重要下一步。虽然搜索策略未明确针对会议论文，但包含Web of Science和Embase等索引会议贡献的数据库可能部分缓解了这一局限性。

4.6 朝向临床应用
这种临床应用有限的一个解释是当前建模流程的复杂性，这些流程通常需要手动分割、材料分配、网格划分和边界条件调整。这些步骤耗时且需要专业知识。然而，医学图像计算的最新进展表明，其中一些障碍可能会得到缓解。基于深度学习的分割框架（如U-Net衍生的架构）现在可以从计算机断层扫描（CT）或磁共振成像（MRI）数据中快速且可重复地提取骨盆和股骨几何结构（Yousef等人，2023年）。基于模板或统计形状的网格划分方法进一步使得适合有限元分析的标准化网格生成成为可能（Kok等人，2023年）。同时，图形处理单元（GPU）加速的求解器和基于云计算的计算有望大幅减少模拟时间（Zhang等人，2021年）。尽管这些工具尚未应用于DDH的基于应力的手术规划，但它们的出现为半自动化、可扩展和临床可部署的生物力学工作流程指明了可行路径。

5. 结论
生物力学建模是DDH手术评估中的一个有前景的辅助工具。在回顾的研究中，HIPSTRESS作为一个简单易用的工具脱颖而出，可以从放射学图像中估计关节应力，适用于资源有限环境下的初步评估和术后监测。先进的方法如有限元分析（FEA）和离散元分析（DEA）允许进行详细的、针对患者的模拟，并一致显示出矫正后载荷分布的改善（Aitken等人，2023年；Ike等人，2015年；Lee等人，2015年）。然而，由于建模方法的多样性、缺乏验证以及缺乏优化的工作流程，临床应用仍然有限。为了提高临床实用性，未来的工作应优先考虑标准化建模流程，包括验证的边界条件、自动分割和可重复的加载场景。与手术规划平台的整合以及对临床结果的前瞻性验证将是关键。最后，将模型扩展到骨骼层面之外的软骨和唇缘组织可能有助于开发基于生物学的、针对患者的干预措施，以促进DDH患者的长期关节健康。

cRediT作者贡献声明
Ebrétchè Renaud V.
Amoakon：撰写－审稿与编辑，数据整理
Alex-Anne Seguin：撰写－审稿与编辑，研究调查
Etienne L. Belzile：撰写－审稿与编辑，监督，方法学，概念化
Zeinab Awada：撰写－审稿与编辑，监督，方法学
Boumediene Nedjar：撰写－审稿与编辑，监督，方法学
Philippe Corbeil：撰写－审稿与编辑，监督，方法学，概念化