股骨头坏死是骨伤科临床诊疗中常见的疾病,在其复杂的病理学进程中,塌陷是转归的关键,而塌陷是生物学和生物力学共同作用的结果。预防、预测塌陷的相关力学机理已被大量阐述,仿真研究层出不穷,但针对股骨头坏死相关的仿真研究仍存在不足。（1）坏死区空间、形态的数字重建是股骨头坏死仿真研究的前提和基础。目前,研究者常采用逆向工程软件,参照临床坏死影像分型来根据自己研究需要设计坏死区的空间、形态,这是一种“按需重建”的方法。但影像分形体系为了便于临床使用,通常是高度简化（二维化）或是仅仅针对某一方面的空间、形态特征的概述,这类分型大都未确切定义坏死区位置分布信息,更缺乏形态学的数据。因此,现有临床中使用的坏死影像分型体系无法适用于有限元研究的需求,坏死区“按需重建”缺乏完整有效的空间、形态参数标准。（2）另一方面,现有的有限元分析仍以单姿态站立模型为主,而更为复杂的多姿态有限元仿真需考虑人体在运动过程中肌肉响应问题,但因有限元单元属性限制,带主动肌力的有限元仿真仍较为困难,仿真研究中“筋骨”不统一。近年来,多体动力仿真技术在求解肌力,关节反力、力矩问题上显示出优势。因此,本研究拟:（1）基于一批股骨头坏死患者临床影像数据,通过逆向工程软件测量各病例坏死区的三维空间、形态参数,通过聚类方法确定这些参数的分布概率并进行模块化划分,以此为有限元仿真的坏死区“按需重建”,设定一套可行的参数标准。（2）同时,基于有限元技术与多体动力技术进行肌骨联合仿真,构建多体动力模型与有限元模型相结合的联合仿真框架,以“筋骨并重”理论为指导探究上述模块化坏死区在肌骨联合仿真中的力学水平。方法:1.本研究采用病例系列观察研究方法,回顾2019年1月～2020年12月,广州中医药大学第一附属医院关节骨科收治的JIC C1、C2型非创伤性ONFH患者,患者同期行CT扫描检查,收集影像资料并对一般数据进行统计学描述。基于逆向工程软件建立可以进行个体化标识的参考坐标系,借鉴地球经纬区域划分的方法,将股骨头视为球体并划分为144块标准化的模块单元,以此为为参考体系建立CAD评估模型。基于患者CT扫描得到的DICOM格式数据,联合股骨头地球经纬区域划分体系进行坏死区空间、形态的参数评估,根据统计数据绘制坏死区分布平面热图及三维热图,可视化方式展示JIC C1、C2型坏死的二维、三维经纬分布水平。2.基于经纬划分体系,通过各单元坏死概率进行聚类,分配90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%、20%、10%、0%十种分布概率模型并进行模块化重建。采集两位健康志愿者CT数据进行髋关节几何模型重建,同时基于三维动态捕捉设备采集志愿者行走步态数据以驱动骨肌多体动力模型完成相应步态动作。多体动力模型完成步态仿真,提取运动学及逆向动力学数据以验证模型仿真程度。提取髋周主要肌力,髋关节、膝关节关节反力及力矩数据串联有限元模型,完成单个步态周期的八个步态相有限元分析,分析头臼接触应力在单步态周期中的变化情况。在此基础上结合模块化构建的各坏死分布概率模型进行支撑相中期的坏死髋关节力学仿真,比较不同JIC C1、C2分型,不同坏死分布概率模型的应力水平差异。结果:1.一般资料:本次研究共收集包含研究所需完整资料的股骨头坏死患者数据56例,男性32例,女性24例,共86髋,年龄18-60岁,平均年龄33.72±17.53岁,坏死分期ARCO II期67髋,ARCO III A期19髋,JIC C1型39髋,JIC C2型47髋。所有纳入患者均在同期行CT扫描并能获取相应DICOM格式数据资料以完成仿真重建。2.统计所有86髋坏死区（JIC C型）在经纬划分区域的坏死分布平面热图及三维热图,86髋坏死区（JIC C型）分布具有明显的聚集性\,表现为坏死区集中分布于北半区、东半区（股骨头上、前部分）,热区以N5E2、N6E2、N2E3、N3E3、N4E3、N5E3、N6E3为中心（90%概率分布区）向周围环状梯度扩散。外环与内环热区分布基本一致,但仍存在差异,内环区热区经度范围较外环区大、纬度范围较外环区小,这种分布特点使股骨头坏死区整体分布呈由外向内的略扁平圆锥体形态。3.统计所有47髋坏死区（JIC C2型）在经纬划分区域的分布特点热图所示,47髋坏死区（JIC C2型）热区以N2E2、N3E2、N4E2、N5E2、N6E2、N2E3、N3E3、N4E3、N5E3、N6E3、N4E4为中心（90%概率分布区）向周围环状梯度扩散。统计所有39髋坏死区（JIC C1型）在经纬划分区域的分布特点,39髋坏死区（JIC C1型）热区以N5E2、N6E2、N3E3、N4E3、N5E3、N6E3、N5E4为中心（90%概率分布区）向周围环状梯度扩散。JIC C1、C2型坏死在经纬划分区域的分布都有明显的聚集性特点,坏死区集中分布于北半区、东半区（股骨头上、前部分）。比较二者分布热图,C2型热区中心较C1型热区向0°经线水平偏移（股骨头前外侧）,卡方检验外环区JIC C1、C2型坏死在不同经度水平的分布差异具有统计学意义,其差异主要在E1L、E2L经度水平,对比热图可观察到E1L、E2L在S1-N4纬度水平的差异是C1、C2型坏死的主要分布差异。整体上观察,C2型坏死分布范围较C1型大,并主要体现在经度范围上,纬度范围二者差异并不明显,这使C2型坏死三维形态整体更为宽平。4.骨肌多体动力仿真结果:获取的步态数据能够顺利驱动骨肌多体动力仿真模型完成动作仿真,各模型的左髋关节屈伸（矢状面旋转）、收展（冠状面旋转）、内外旋转（横断面旋转）角度在单步态周期中的变化趋势与BTS步态分析仪采集分析的结果基本一致。提取左侧髋周主要肌肉（群）在单步态周期内的逆向动力学数据并进行归一化处理,绘制曲线图显示各模型左侧髋周主要肌肉（群）肌力变化呈明显步态时相分布特点,各模型中同一肌（群）肌力在各时相的变化趋势基本一致,但峰值水平存在差异。表现为臀大肌、臀中肌、股二头肌、股四头肌及大收肌在支撑相初、中期出现峰值肌力,而由臀小肌、髂腰肌、内收肌及短外旋肌群则在支撑相末期、摆动相前期出现峰值肌力。整个步态过程中臀中肌在各组肌肉（群）中的肌力峰值最大超过0.8倍体重。髋关节反力数据归一化处理比对比文献数据其各步态相的反力水平及变化趋势基本一致,单步态周期中髋关节反力呈“单波谷双波峰”曲线分布,第一波峰值应力在承重反应期,第二波峰值应力在支撑相末期,波谷值应力在支撑相中期。模型平均波峰值为2.5-3.0倍体重。5.正常髋关节有限元分析结果:头臼软骨表面CPRESS应力云图显示在整个步态周期中头臼接触应力分布范围和大小。头臼软骨在各步态相最大CPRESS应力分布均主要出现在股骨头侧软骨的顶部及髋臼侧软骨的顶穹部,并以峰值区为中心向周围放射状递减。头臼软骨最大峰值应力出现在支撑相末期为6.92MPa,其结果与多体动力模型髋关节反力数据分布趋势基本一致。股骨头皮质骨峰值应力区位于相应软骨接触应力区下与之对应的皮质骨区域,最大峰值应力出现在支撑相末期为23.42MPa。6.支撑相中期坏死髋关节有限元分析结果:模块化重建各坏死区各概率分布模型并进行有限元分析,坏死组中负重区皮质骨最大峰值应力为37.2MPa（0%模型1C2）,最小峰值应力为18.93MPa（90%模型2 C1）,坏死组负重区皮质骨峰值平均应力29.67±4.32,坏死组内各模型负重区皮质骨峰值应力差异明显。C1型坏死组中负重区皮质骨最大峰值应力为36.12MPa,C2型坏死组中负重区皮质骨最大峰值应力37.2MPa,最大峰值应力均出现在0%概率坏死模型。配对t检验结果提示两组均数比较有统计学差异（P=0.0002）,C1、C2型坏死负重区皮质骨峰值应力随概率分布减少而增加。比较各分布概率模型组间、各分布概率模型与正常组模型的负重区皮质骨峰值应力均值差异,进行随机区组方差分析,Shapiro-Wilk检验各组数据成正态分布（P=0.5699）,BartlettX2检验总体方差相等。多因素方差分析采用Dunnett’s检验比较各分布概率模型与正常模型负重区触峰值应力差异,结果提示各分布概率模型与正常组模型比较90%、80%坏死概率分布组与正常组比较无统计意义,70%、60%、50%、40%、30%、20%、10%、0%与正常组比较结果有统计意义。Sidak’s检验比较各分布概率模型组间负重区股骨头皮质骨应力差异,结果提示相邻分布概率组间应力差异无统计学意义,部分非相邻分布概率组间应力差异存在统计学意义。结论:1.基于逆向工程软件设立的股骨头经纬区域划分体系能够较好反映JIC C型坏死的空间、形态分布情况,并实现坏死区空间、形态数据的参数化、可视化、标准化、模块化。2.JIC C1、C2型坏死在经纬水平分布具有明显的聚集性特点并形成热区分布,热区以N5E2、N6E2、N2E3、N3E3、N4E3、N5E3、N6E3单元为中心,热度呈环状梯度向外围扩散,这是JIC C型坏死的重要分布特点。3.E1L、E2L单元组在S1-N4纬度水平的分布差异是JIC C1、C2型坏死分类、力学性能差异的关键。4.基于经纬区域划分体系进行坏死区模块化重建,可以优化建模方案,实现“按需重建”。推荐以JIC C1、C2型坏死70%、20%分布概率的单元进行模块化重建以减少选择导致的数据偏倚。5.“步态分析-多体动力-有限元”联合仿真框架能够基于真实的步态数据实现相应步态下的逆动力学分析并串联有限元模型实现从宏观到微观的髋关节“肌骨”力学研究,“筋骨并重”思想在股骨头坏死仿真研究中具有重要的价值。