有限元分析在骨盆骨折生物力學研究中的應用

郭建輝，王朝暉，熊 波

骨盆骨折多因高能量暴力直接或間接作用導致，威脅患者生命［1］。常合并腹腔、盆腔臟器損傷和大出血，成為致殘率、病死率很高的疾?。?］。CT或MRI無法進行三維立體和力學研究，在骨盆骨折的研究中應用有限。隨著數(shù)字醫(yī)學的發(fā)展，關于骨盆骨折的研究也進入了新階段。20世紀70年代，有限元分析(finite element analyais，F(xiàn)EA)開始應用于骨結構的力學研究，其后逐漸應用到研究骨盆骨折的發(fā)病機制、骨折分型以及治療方案的優(yōu)化與選擇等方面。

1 骨盆的生物力學特性

骨盆是一環(huán)形結構，由髖骨、骶骨和尾骨及其周圍韌帶連接組成，是連接人體軀干和下肢的重要結構，由前環(huán)和后環(huán)組成。1984年Walheim等［3］指出恥骨聯(lián)合在垂直方向的移位＜2mm，在矢狀面和橫斷面的移位＜1mm，旋轉(zhuǎn)＜1．5°。生物力學研究發(fā)現(xiàn)，構成骶髂關節(jié)復合體的骶骨、髂骨之間缺乏骨性穩(wěn)定結構，骨盆環(huán)的穩(wěn)定性最主要依賴后方負重的骶髂復合體和盆底構造的完整性，韌帶在骨盆后環(huán)穩(wěn)定性維持上占重要地位。目前認為骨盆環(huán)的穩(wěn)定在于骶髂復合體是否完整，其中骶髂韌帶、髂棘韌帶和髂結節(jié)韌帶所占意義最大［4］。關于骨盆生物力學的研究還在進一步深入。

2 骨盆有限元模型的建立及其生物力學分析

2．1 有限元的發(fā)展

2．1．1 FEA二維模型發(fā)展到三維模型 FEA的概念在1943年由Courant首次提出，Turner等［5］對FEA做了進一步探索試驗。直到1960年，Clough提出有限元這個名詞，他將該方法應用于彈性力學方面研究，并取得成功。在1972年，Brekelmans和Rybicki等［6-7］分別首次將FEA應用到骨結構方面的工作當中。1973年，Belytschko等［8］在研究脊柱力學時，成功利用FEA建立了二維椎間盤模型，意味著FEA開始走進骨科實驗研究。

1982年Vasu等［9］建立了骨盆二維有限元模型，但這些模型在模擬骨盆的三力學機制(壓力、摩擦力、剪切力)方面難以呈現(xiàn)，無法完整地模擬、分析處于不同平面的骶髂關節(jié)、恥骨聯(lián)合與坐骨結節(jié)的靜力學與動力學特性。1989年骨盆三維有限元模型出現(xiàn)，Zheng等［10］利用骨盆的CT片建模，完成了骨盆三維有限元模型，并將其應用到骶髂關節(jié)疼痛的相關研究中。重建后的三維結構，可以顯示生物組織復雜的三維結構，可以進行任意剖切、旋轉(zhuǎn)、測量等操作。有限元法適合于分析骨盆這種復雜結構，在骨盆模擬方面較以往的方法更加準確［11］。

2．1．2 FEA從線性分析發(fā)展到非線性分析 骨盆的不規(guī)則性使FEA從最初的線性研究向非線性研究深入發(fā)展，使實驗數(shù)據(jù)更加精確。Shim等［12］通過構建非線性有限元骨盆模型，并驗證它與合成骨盆的預測能力，實驗發(fā)現(xiàn)通過模型預測的初始骨折模式也類似于實驗的實際模式，從模型預測結果與實驗結果的吻合表明采用非線性有限元建模在預測骨折方面的有效性。

2．1．3 FEA從靜態(tài)分析發(fā)展到動態(tài)分析 利用FEA進行模體實驗，動態(tài)觀察骨盆骨折的發(fā)病機制，預測骨盆骨折的程度。Breaud等［13］利用計算機構建了交通事故中骨盆骨折的有限元模型，并對骨盆環(huán)損傷和尿道損傷進行了生物力學分離;利用該模型重建了骨盆環(huán)上橫向沖擊力的機制，并對后尿道損傷時機進行了研究。通過三維模型的建立，分析骨盆環(huán)的橫向沖擊損傷及后尿道損傷之間的聯(lián)系，使骨盆骨折中后尿道損傷具有可預見性。

2．2 有限元建模的基本原理 FEA的基本原理是利用數(shù)學原理中的近似法對客觀實體進行模擬。其主要工具有:螺旋CT、逆向工程軟件、有限元相關軟件。以下是幾種常見的軟件。

螺旋CT(spiral computed tomography，CT):即螺旋計算機斷層掃描，為生物力學分析提供了圖像來源。螺旋CT處理過的圖像，以醫(yī)學數(shù)字成像和通信(DICOM)格式存儲信息。利用逆向工程軟件建模后，將信息傳到有限元軟件中進行各方面的受力分析。螺旋CT無重建次數(shù)和層間隔大小的限制，可回顧性、任意地重建圖像。

Mimics(materialise’s interactive medical image control system，Mimics):即交互式醫(yī)學圖像控制系統(tǒng)，是逆向工程軟件和計算機輔助設計軟件。它能直接讀取DICOM格式的二維圖像，進行圖像分割，能自定義重建感興趣的區(qū)域，能直觀、準確、生動地重建出三維圖像，并對重建后的三維圖像進行全方位的自由旋轉(zhuǎn)和觀察。以光固化立體造型(STL)格式對三維圖像進行存儲并輸出，并導入到Patran、Ansys、Abaqus等軟件中，進行進一步處理。

Ansys軟件:一種有限元分析軟件，主要包括3個部分:前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊構造有限元模型，根據(jù)需要進行切割、填充、縮放、變形等處理;分析計算模塊可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析;后處理模塊是將計算結果以彩色等值線、梯度、矢量、粒子流跡、立體切片、透明及半透明等圖形方式顯示出來，也可將計算結果以圖表、曲線形式顯示或輸出。利用Ansys軟件可以對模型直接進行處理，所以它又被稱為“計算機雕刻技術”。

2．3 基于有限元模型的骨盆生物力學分析 由于骨盆復雜的幾何結構，必須要有一個較為精確的三維模型，1995年，Dalstra等［14］在這方面做了許多研究。2000年，Garcia等［15］建立了骨盆骨折-骶髂關節(jié)脫位模型，對內(nèi)外固定用于骨盆環(huán)損傷的力學穩(wěn)定性進行了FEA分析后表明，F(xiàn)EA分析不但降低了風險與費用，而且有利于治療方案的個體化選擇。

2．3．1 骨盆應力分析 骨盆應力特性主要靠骨密度和骨小梁的綜合特性，以往傳統(tǒng)的實驗研究方法無法做到全面、精確地評價。Leung等［16］利用FEA分析骨盆皮質(zhì)骨密度函數(shù)，發(fā)現(xiàn)皮質(zhì)表面密度占60%的作用，認為皮質(zhì)骨表面密度的變化，是骨盆發(fā)生不完全性骨折的因素之一。Zhou等［17］對模塊化半骨盆假體重建后的骨盆進行有限元分析，分別對坐姿、雙腳站立、患肢站立三個靜態(tài)位置正常骨盆與手術骨盆之間的應力分布進行分析。結果顯示，在正常骨盆，應力分布集中于髖臼、弓形線、骶髂關節(jié)、骶中線和坐骨切跡，在術后半骨盆，應力分布主要集中在恥骨板的近側(cè)區(qū)域、髖臼的頂部;實驗證明，在三種不同靜態(tài)位置下，術后半骨盆與正常骨盆的應力分布具有相似性，說明采用模塊化半骨盆假體重建取得了良好的生物力學特性。Ghosh等［18］開發(fā)了半骨盆三維有限元模型，研究其在一個步態(tài)周期中的應力與應變分布，該研究證明髖關節(jié)受力主要來自髖臼外側(cè)皮質(zhì)，以及骶髂關節(jié)和恥骨聯(lián)合的轉(zhuǎn)移;該研究也有助于髖臼內(nèi)載荷傳遞分析和髖臼假體的研制。

2．3．2 骨盆骨折的穩(wěn)定性及合并傷的預測 Bohme等［19］利用有限元計算機模擬“開書型”骨盆骨折并預測損傷是否具有穩(wěn)定性。實驗結果顯示:骨盆韌帶具有局部和全身穩(wěn)定功能，骶髂復合體在垂直和水平載荷的傳遞中起了重要作用，隨著數(shù)值模擬，損傷相關的不穩(wěn)定性是可以預測的。約15%的病人合并膀胱或尿道損傷，容易漏診，使骨盆骨折的整體死亡率提高［20］;合并髂外動脈損傷的開放性骨盆骨折，其死亡率和傷殘率是很高的［21］;對骨盆骨折合并的后尿道損傷，早期發(fā)現(xiàn)和正確處理至關重要［22］，了解這些并發(fā)傷的機制，對提高預防、防止惡化都有幫助［14］。Zhang等［23］利用有限元軟件建模，分析Stoppa入路治療髖臼骨折時植入內(nèi)固定螺釘?shù)陌踩珔^(qū)域，并將其分為“安全區(qū)”、“相對危險區(qū)”、“絕對危險區(qū)”，研究結果認為不推薦在“絕對危險區(qū)”植入螺釘，“相對危險區(qū)”植釘根據(jù)骨折類型和個人股骨解剖而定。

2．3．3 手術評價與優(yōu)化診治 FEA分析手術前后骨折局部的應力狀態(tài)，預測各種固定方式的效果和手術后可能發(fā)生的并發(fā)癥，對最佳手術方案的選擇有重要作用，并可以進一步發(fā)現(xiàn)更好的手術、固定方式、優(yōu)化設計內(nèi)置物。Zhao等［24］利用FEA建立Tile C型(右側(cè)骶骨縱行骨折)骨盆骨折模型，模擬使用加長骶髂螺釘和普通骶髂螺釘進行內(nèi)固定;通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計比較得出，Tile C型骨盆損傷的單側(cè)骶骨縱行骨折，使用S1、S2加長骶髂螺釘固定具有很好的穩(wěn)定性，而且二者同時應用加長固定時效果更佳;無法使用加長骶髂螺釘固定時，要盡可能選擇雙層面普通骶髂螺釘固定;當只能用單層面單枚骶髂螺釘或加長骶髂螺釘固定治療單側(cè)骶骨縱行骨折時，最好選擇S2層面。

骶髂關節(jié)為復雜結構，特別是當考慮到周圍的韌帶，很難構造準確的三維有限元模型，以往大多數(shù)盆腔模型在研究時進行了簡化。然而，在人體骨盆負荷傳遞影響因素的研究中，這些被簡化結構、組織尚未得到研究，因此這些研究的可靠性仍不清楚。Shi等［25］利用FEA建立模型，研究得出骶髂關節(jié)中滑液的存在對人體盆腔系統(tǒng)載荷傳遞產(chǎn)生很大影響，認為滑液的存在不應當在骨盆的生物力學行為研究中被忽略，特別是在臨床應用的相關研究中。

2．3．4 3D打印技術方面的應用 以有限元分析為基礎的3D打印技術已應用于生物材料的研究［26］，該技術在骨盆手術生物力學評價、復雜的骨盆骨折、髖關節(jié)置換術、個體化治療方面有獨特的優(yōu)勢，為骨盆物理測試、手術規(guī)劃提供了經(jīng)濟、有效的方法［27］。3D打印技術在我國逐漸應用于臨床。

3 結語

作為數(shù)字醫(yī)學發(fā)展的一部分，F(xiàn)EA為研究骨盆骨折生物力學研究提供了有效安全的方法，為研究骨盆骨折的受傷機制、診斷、手術方式以及內(nèi)固定的選擇與發(fā)明提供了重要途徑。實踐證明，F(xiàn)EA把復雜變得簡單、直接，使一些問題的解決從不可能變?yōu)榭赡?，是一種方便快捷、節(jié)約資源、高效省時的生物力學研究分析工具。

FEA模型是對真實情況的模擬，必然存在假設和簡化，從而影響結果的準確性;FEA需要實際過程中觀測的結果和數(shù)據(jù)作支持，才能建立起與實際水平接近的真實模型。目前針對骨盆骨折治療時主要集中在骨折類型，韌帶往往被忽視，而FEA關于骨盆周圍韌帶、血管等鄰近器官組織的研究較少，有待進一步深入［28］。

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