有限元分析在髖關(guān)節(jié)生物力學(xué)中的研究進(jìn)展

黃小龍 王拓 劉飛 胡華輝 全仁夫*

有限元分析在髖關(guān)節(jié)生物力學(xué)中的研究進(jìn)展

黃小龍 王拓 劉飛 胡華輝 全仁夫*

髖關(guān)節(jié)（hip joint），由股骨頭與髖臼相對(duì)構(gòu)成，起著不可或缺的支撐和活動(dòng)作用。其生物力學(xué)研究近年來(lái)受到普遍關(guān)注。有限元分析法是研究髖關(guān)節(jié)受力的一種重要方法，較以往的生物力學(xué)方法具有明顯的優(yōu)勢(shì)，已成為髖關(guān)節(jié)生物力學(xué)研究的熱點(diǎn)［1］。本文對(duì)有限元分析在髖關(guān)節(jié)生物力學(xué)中的相關(guān)應(yīng)用及進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1　有限元方法應(yīng)用概述

有限元分析法作為數(shù)值計(jì)算中的一種離散化方法，是矩陣方法在結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性力學(xué)等領(lǐng)域中的發(fā)展和應(yīng)用，是將一個(gè)由無(wú)數(shù)個(gè)質(zhì)點(diǎn)組成的自由連續(xù)體劃分為有限個(gè)小單元體所組成的集合體。對(duì)每一單元假定一個(gè)合適的較簡(jiǎn)單的近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件，從而得到問(wèn)題的解（近似解）。針對(duì)人體的有限元分析概括起來(lái)大體上包括圖像掃描-三維重建-體網(wǎng)格劃分-賦予材料屬性-有限元分析等基本步驟。而今，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，更加先進(jìn)﹑精確的分析程序的開(kāi)發(fā)，有限元法的應(yīng)用，從最初的簡(jiǎn)單應(yīng)力分析功能不斷地完善與擴(kuò)大。隨著新一代具備強(qiáng)大圖像處理功能的醫(yī)學(xué)有限元分析軟件的出現(xiàn)，以及有限元方法和其他虛擬數(shù)字技術(shù)的相結(jié)合，功能更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)和軟件能夠自動(dòng)從CT/MRI或虛擬數(shù)據(jù)中提取特征性參數(shù)或重要幾何細(xì)節(jié)，從而直接產(chǎn)生有限元模型。而且，有限元分析法（FEA）實(shí)現(xiàn)從二維到三維的飛躍，取得較多新進(jìn)展。Andriacchi等［2］最早采用二維有限元研究全髖關(guān)節(jié)置換后早期股骨干疲勞骨折的影響因素。二維有限元分析法建模比較簡(jiǎn)單，構(gòu)建不規(guī)則形態(tài)和多種材料復(fù)合物模型過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，錯(cuò)誤率高，存在影像重疊失真的問(wèn)題。而三維有限元分析法建模得出的結(jié)果更準(zhǔn)確，但由于其運(yùn)算量較大，對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件配置要求較高。除建模方式的與時(shí)俱進(jìn)，處理分析數(shù)據(jù)的相關(guān)軟件也組建多樣化。今后有限元模型的發(fā)展勢(shì)必將走向智能化﹑網(wǎng)絡(luò)化﹑集成化﹑面向臨床應(yīng)用。

作者單位：310053 浙江中醫(yī)藥大學(xué) （黃小龍 王拓 劉飛 胡華輝）311200 杭州市蕭山中醫(yī)院 （全仁夫）*通訊作者

2　有限元分析法在髖關(guān)節(jié)領(lǐng)域的應(yīng)用及進(jìn)展

2.1髖關(guān)節(jié)有限元模型建立 在髖關(guān)節(jié)中，股骨最早被應(yīng)用于有限元分析，股骨有限元模型的建立為其生物力學(xué)研究展現(xiàn)了一個(gè)全新的舞臺(tái)［3］。有限元分析方法對(duì)髖關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)形狀﹑載荷邊界條件﹑材料性能極其復(fù)雜的構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，可通過(guò)改變其中任何一參數(shù)來(lái)觀察其對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的影響，從而對(duì)髖關(guān)節(jié)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)有較好的適應(yīng)性，能夠模擬較多的臨床狀態(tài)，從而更好地分析髖關(guān)節(jié)在生理與病理過(guò)程中的力學(xué)變化。且具有實(shí)驗(yàn)時(shí)間短﹑費(fèi)用少﹑力學(xué)性能測(cè)試全面及可重復(fù)實(shí)驗(yàn)等突出優(yōu)點(diǎn)等。周納新等［4］基于正常人體的髖關(guān)節(jié)CT片，應(yīng)用CAD造型軟件minics 10.1﹑magics13.0軟件和abaques 6.9 軟件，采用四面體網(wǎng)格劃分方法，建立人工全髖關(guān)節(jié)三維有限元模型，較好的顯示皮質(zhì)骨，松質(zhì)骨，韌帶（髂股韌帶﹑股骨頭韌帶﹑恥骨韌帶﹑坐骨韌帶﹑輪匝韌帶）之間界面的形態(tài)，相比其它的模型更加接近真實(shí)。李永獎(jiǎng)等［5］采用活體髖關(guān)節(jié)為標(biāo)本，應(yīng)用 CT 掃描技術(shù)及圖形數(shù)字化方法獲取髖關(guān)節(jié)的三維坐標(biāo)，輸入有限元分析軟件，并通過(guò)確定材料特性參數(shù)和網(wǎng)格化，建立髖關(guān)節(jié)的三維有限元模型。亦有學(xué)者嘗試建立包含肌肉﹑韌帶組織等軟組織在內(nèi)的骨盆髖臼3D有限元模型，為觀察髖關(guān)節(jié)內(nèi)各關(guān)節(jié)活動(dòng)﹑骨盆力學(xué)環(huán)境的變化提供模型基礎(chǔ)［6］。

2.2髖關(guān)節(jié)相關(guān)疾病的有限元分析 有限元分析現(xiàn)已被越來(lái)越多應(yīng)用于人體骨骼﹑關(guān)節(jié)和肌肉的相關(guān)研究，在骨科生物力學(xué)領(lǐng)域占有重要的地位［7，8］。有限元分析對(duì)人體髖關(guān)節(jié)相關(guān)疾病的研究有明顯的優(yōu)越性。在對(duì)人體髖關(guān)節(jié)正常生理及病理力學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究時(shí)幾乎無(wú)法直接進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)，而采用有限元數(shù)值模擬力學(xué)實(shí)驗(yàn)已成為一種有效的方法，既可為髖關(guān)節(jié)疾病的力學(xué)分析提供理論平臺(tái)，又可為判斷疾病的進(jìn)展及預(yù)后的評(píng)估和治療方法的選擇提供更為科學(xué)理論依據(jù)。（1）股骨頭壞死有限元分析：股骨頭壞死會(huì)導(dǎo)致壞死區(qū)的逐漸塌陷。周建偉等［9］采用球囊擴(kuò)張骨水泥填充治療股骨頭缺血壞死，后進(jìn)行有限元分析和生物力學(xué)研究，從而得出：球囊擴(kuò)張骨水泥填充股骨頭壞死區(qū)域，增強(qiáng)股骨頭的支撐能力，能夠有效抵抗股骨頭塌陷，可能避免股骨頭塌陷進(jìn)一步進(jìn)展。林永亮等［10］創(chuàng)建不同大小的股骨頭壞死病灶，及各病灶鉭棒植入后的三維有限元模型，觀察鉭棒植入手術(shù)對(duì)不同分期的股骨頭壞死應(yīng)力集中的影響，確定最佳的手術(shù)時(shí)機(jī)，指導(dǎo)臨床上應(yīng)用該術(shù)式治療股骨頭壞死。龐智暉等［11］基于患者圍塌陷期股骨頭壞死的CT和MRI資料，應(yīng)用Mimics軟件進(jìn)行三維重建和壞死區(qū)的形態(tài)學(xué)定量研究，建立股骨頭壞死個(gè)體化三維有限元模型，應(yīng)用ABAQUS軟件進(jìn)行量化的有限元分析和保髖手術(shù)規(guī)劃。完善股骨頭壞死圍塌陷期“圍觀辨證論治體系”體系，有助于進(jìn)一步明確保髖手術(shù)指證﹑優(yōu)化保髖方案，并提高保髖療效。趙萬(wàn)鵬等［12］通過(guò)MRI三維重建，對(duì)壞死股骨頭的塌陷情況作有限元分析，結(jié)果表明正常載荷（300N）下股骨頭壞死組織≥40%就有發(fā)生塌陷的危險(xiǎn)，壞死組織＜ 40%時(shí)則在較大載荷下才發(fā)生塌陷的危險(xiǎn)，這為預(yù)見(jiàn)股骨頭壞死進(jìn)展提供了依據(jù)。（2）髖關(guān)節(jié)骨折有限元分析：骨折是日常生活中多發(fā)的髖關(guān)節(jié)創(chuàng)傷疾病，了解骨折好發(fā)的位置以及相關(guān)機(jī)制十分重要。骨盆﹑髖臼作為人體承上啟下的重要結(jié)構(gòu)，在人體活動(dòng)過(guò)程中處于重要地位，其解剖不規(guī)則，導(dǎo)致骨盆髖臼骨折的治療對(duì)于骨科醫(yī)生依然是一大挑戰(zhàn)［13］。何榮新等［14］研究認(rèn)為全髖置換前股骨近端的股骨距與粗隆下區(qū)域應(yīng)力較高，當(dāng)大轉(zhuǎn)子處突然受到較高的暴力時(shí)容易造成轉(zhuǎn)子的骨折。陳振沅等［15］建立股骨近段三維有限元模型，探討股骨轉(zhuǎn)子間六部分骨折分型的產(chǎn)生機(jī)制及臨床意義，顯示骨轉(zhuǎn)子間六部分骨折分型符合人摔倒時(shí)轉(zhuǎn)子部所受的復(fù)雜應(yīng)力情況，結(jié)合CT三維重建，較以往的分型更加直觀，并可根據(jù)不同分型選擇手術(shù)方式。Keyak等［16］評(píng)估基于定量CT的股骨近端有限元模型預(yù)測(cè)站立及側(cè)身跌倒時(shí)骨折部位和類型的能力，認(rèn)為有限元分析預(yù)測(cè)股骨骨折部位的準(zhǔn)確率約60%～70%。王煒等［17］通過(guò)Evans-Jensen's Ⅰ﹑Ⅱb型股骨轉(zhuǎn)子間骨折的滑動(dòng)髖螺釘（DHS）﹑股骨近端防旋髓內(nèi)釘（PFNA）內(nèi)固定有限元模型，通過(guò)4種模型有限元分析﹑對(duì)比研究股骨小轉(zhuǎn)子在該類骨折中的維穩(wěn)作用和模型中內(nèi)固定的安全性發(fā)現(xiàn)在有限元角度，股骨小轉(zhuǎn)子在股骨轉(zhuǎn)子間骨折內(nèi)固定手術(shù)中具有穩(wěn)定支持作用，在Evans-Jensen'sⅡb型骨折中應(yīng)用DHS系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)固定是不安全的，PFNA是比較理想的內(nèi)固定器械。（3）髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良（DDH）有限元分析：DDH是一種臨床較為常見(jiàn)的髖關(guān)節(jié)畸形，國(guó)外文獻(xiàn)報(bào)道發(fā)展中國(guó)家DDH發(fā)病率0.5%～2%，我國(guó)約1‰［18］。因此，有限元分析在髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良方面的應(yīng)用近年來(lái)已越來(lái)越引起重視，成為新的研究領(lǐng)域。李冬松等［19］對(duì)成人髖臼發(fā)育不良內(nèi)壁內(nèi)移截骨的有限元分析發(fā)現(xiàn)，髖臼內(nèi)壁截骨的內(nèi)移最佳位置在完全陷入骨盆腔1mm處。劉桂奇等［20］通過(guò)CroweⅣ型髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良骨盆有限元模型的構(gòu)建，探索出一種快速建立骨盆三維有限元模型的方法，并對(duì)發(fā)育性髖關(guān)節(jié)脫位患者假髖臼周圍的受力情況進(jìn)行初步分析。李長(zhǎng)有等［21］分別建立正常﹑髖臼發(fā)育不良及髖臼過(guò)度覆蓋的髖關(guān)節(jié)三維有限元模型，結(jié)果顯示髖臼覆蓋程度降低所致生物力學(xué)改變?cè)隗y關(guān)節(jié)繼發(fā)性骨關(guān)節(jié)炎中起重要作用。

2.3有限元分析法在髖關(guān)節(jié)置換領(lǐng)域中的應(yīng)用 有限元分析最為廣泛地應(yīng)用于人工髖關(guān)節(jié)置換的研究，分析人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)前術(shù)后應(yīng)力的分布情況［22］。以往有對(duì)假體置換后的有限元分析首先建立正常股骨的三維有限元模型，體外假體模型，按照股骨頭假體置換的手術(shù)安裝步驟，應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬切割安裝，建立髖關(guān)節(jié)置換后的有限元模型，研究全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)前術(shù)后髖關(guān)節(jié)應(yīng)力的分布情況［23］?，F(xiàn)今有限元分析還用于骨水泥殘余應(yīng)力的細(xì)致分析﹑應(yīng)力遮擋的深入研究，并對(duì)很多種新設(shè)計(jì)的假體和假體優(yōu)化設(shè)計(jì)方案提出新觀點(diǎn)，同時(shí)在髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后假體表面聚乙烯磨損和脫位的研究也取得進(jìn)展。（1）有限元分析法在全髖關(guān)節(jié)置換中股骨假體的應(yīng)用： Andriacchi等［24］最早采用二維有限元研究全髖關(guān)置換后早期股骨干疲勞骨折的影響因素。劉文廣等［25］對(duì)水泥型人工髖關(guān)節(jié)置換治療老年Evans Ⅰ～Ⅲ型粗隆間骨折股骨假體的生物力學(xué)特性研究發(fā)現(xiàn)：股骨假體的應(yīng)力分布和人工全髖關(guān)節(jié)置換后股骨假體的應(yīng)力分布情況相似；長(zhǎng)柄股骨假體的各應(yīng)力集中峰值比短柄股骨假體高，但均未超過(guò)金屬斷裂的應(yīng)力極值。鐘務(wù)學(xué)等［26］通過(guò)采用體繪制建立股骨三維模型，所建實(shí)體模型可以反映股骨內(nèi)結(jié)構(gòu)，生物仿真度高，再利用其有限元分析方法可以模擬股骨在不同狀態(tài)下的力學(xué)載荷，精準(zhǔn)模擬反映股骨應(yīng)力分布。郝思春等［27］建立股骨偏心距對(duì)全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中應(yīng)力水平影響的三維有限元分析模型，得出結(jié)論：股骨偏心距對(duì)THA應(yīng)力水平的影響巨大，重建股骨偏心距有利于恢復(fù)外展肌力臂﹑重建正常髖關(guān)節(jié)的生物力學(xué)。呂大偉等［28］對(duì)老年人股骨頸骨折股骨頭置換術(shù)中短柄假體進(jìn)行有限元分析，結(jié)果顯示短柄假體所受最大mises應(yīng)力較常規(guī)股骨假體明顯減小，力學(xué)傳導(dǎo)模式仍為遠(yuǎn)端應(yīng)力集中，最大mises 應(yīng)力仍出現(xiàn)在張力側(cè)。顯示出老年人股骨頸骨折關(guān)節(jié)置換術(shù)中短柄假體力學(xué)特性優(yōu)越。王宇等［29］同樣建立表面髖關(guān)節(jié)置換三維有限元模型，為今后髖關(guān)節(jié)表面置換提供可靠的股骨生物力學(xué)依據(jù)。（2）有限元分析法在髖臼假體研究方面的應(yīng)用：髖臼和股骨假體的準(zhǔn)確植入是全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)成功的關(guān)鍵。現(xiàn)有的THA的假體研究大部分集中于股骨端假體的優(yōu)化研究。而大量長(zhǎng)期隨訪顯示，髖臼假體相對(duì)于股骨端假體有較高的松動(dòng)和翻修率，髖臼假體的體內(nèi)駐存率明顯低于股骨干假體。Hedia等［30］通過(guò)軸對(duì)稱有限元模型分析骨水泥型金屬臼杯所受應(yīng)力情況，認(rèn)為金屬臼杯設(shè)計(jì)時(shí)的厚度不應(yīng)保持一致，臼杯弧頂部應(yīng)加厚而邊緣應(yīng)變薄，這樣可防止假體周圍部骨-水泥及水泥-金屬之間的疲勞破損，且防止對(duì)髖臼弧頂部的應(yīng)力遮擋。有限元三維重建髖臼模型對(duì)于復(fù)雜髖臼重建的術(shù)前計(jì)劃提供較大幫助。Patil等［31］對(duì)髖臼假體置入位置的有限元分析研究表明，髖臼假體放置位置對(duì)假體磨損影響較大。許杰等［32］建立髖臼發(fā)育不良者全髖置換中置入不同直徑髖臼杯的有限元分析模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：髖臼發(fā)育不良患者全髖關(guān)節(jié)置換時(shí)應(yīng)在保證骨床包容的前提下，選擇較大直徑的髖臼杯，這樣有利于應(yīng)力的均勻分布，同時(shí)應(yīng)盡量避免或減少擴(kuò)大磨銼髖臼骨床所導(dǎo)致的髖臼內(nèi)壁穿破。潘浩等［33］利用三維有限元仿真的方法研究全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)治療成人髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良時(shí)3 種不同髖臼假體位置與髖臼假體初始穩(wěn)定的相關(guān)性，研究表明髖臼假體在真臼位置安放的解剖重建，出現(xiàn)應(yīng)力集中和大剪切應(yīng)力的可能性最小，穿透內(nèi)移安放的模擬應(yīng)力分布略高于真臼重建，而在假體上移高位安放的模擬則出現(xiàn)預(yù)測(cè)應(yīng)力大幅增加。Korhonen等［34］經(jīng)有限元分析發(fā)現(xiàn)，髖臼杯設(shè)的幾何形態(tài)﹑厚度和外展角，甚至股骨頭與髖臼杯的間隙改變，均會(huì)影響應(yīng)力分布。

3　展望

髖關(guān)節(jié)具有獨(dú)特的解剖學(xué)特點(diǎn)及復(fù)雜的生理功能，其生物力學(xué)研究已日益受到重視。有限元方法作為一種新興方法，不僅降低實(shí)驗(yàn)成本﹑節(jié)省時(shí)間﹑消除標(biāo)本間個(gè)體差異，還可以靈活控制實(shí)驗(yàn)條件，重復(fù)或通過(guò)調(diào)節(jié)物質(zhì)的材料屬性，既可以測(cè)得實(shí)驗(yàn)對(duì)象的外部受力情況，又可分析實(shí)驗(yàn)對(duì)象內(nèi)部的應(yīng)力變化，進(jìn)而提高臨床診斷的準(zhǔn)確性。從理論上講，這可彌補(bǔ)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)﹑物理實(shí)驗(yàn)和體外實(shí)驗(yàn)的不足，為制定髖關(guān)節(jié)最佳手術(shù)方案提供最有價(jià)值的信息。隨著有限元分析法的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益成熟，所應(yīng)用的軟件不斷升級(jí)，建模方法也日益多樣化，仿真度也不斷提高，建立的髖關(guān)節(jié)有限元模型模擬不僅是髖部的鋼性結(jié)構(gòu)部分，也觀察髖關(guān)節(jié)周圍的軟組織對(duì)關(guān)節(jié)活動(dòng)的影響情況，以建立完整的骨骼肌肉髖關(guān)節(jié)模型。

現(xiàn)有的髖關(guān)節(jié)置換術(shù)假體有限元分析大部分集中于股骨側(cè)假體的優(yōu)化研究，在髖臼假體研究方面的應(yīng)用相對(duì)較少，而大量的長(zhǎng)期隨訪結(jié)果顯示，髖臼假體的松動(dòng)和翻修相對(duì)高于股骨側(cè)假體，髖臼假體的體內(nèi)駐存率明顯低于股骨假體。在今后的科研中希望可以應(yīng)用有限元分析法，嘗試進(jìn)行相關(guān)研究，探討髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良繼發(fā)骨關(guān)節(jié)病，特別是高位髖關(guān)節(jié)脫位患者的最佳髖臼重建方法，從而指導(dǎo)臨床工作，降低聚乙烯磨損所致的關(guān)節(jié)假體的松動(dòng)率與假體翻修率。

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浙江省衛(wèi)生和計(jì)劃生育委員會(huì)醫(yī)藥衛(wèi)生科技計(jì)劃基金項(xiàng)目（2014KYA191）