基于有限元分析法的老年粗隆間骨折建模仿真

何祥鑫+李鵬飛+林梓凌

[摘要] 目的 針對國內粗隆間骨折有限元模型建立的空白，采用LS-DYNA等軟件，建立粗隆間骨折模型，為粗隆間骨折的防治提供實驗參考。 方法 選取2017年3～4月于廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院骨科住院治療的老年單側粗隆間骨折患者1例，獲取健側髖關節(jié)CT影像資料，導入Mimics 19.0軟件中，通過區(qū)域增長、腔隙填充、編輯蒙罩等步驟，建立健側的股骨近端仿真幾何模型；經Geomagic studio 2013進行刪除釘狀物等模型處理；Hypermesh 14.0軟件，進行網格劃分，賦予材料參數及屬性，設置邊界條件及載荷等，最后導入LS-DYNA軟件中進行有限元分析運算，并在Hyper-View 14.0中查看運算結果。 結果 有限元模型中股骨近端內側最先出現(xiàn)應力集中，持續(xù)應力下該部位開始出現(xiàn)斷裂，骨折線由內側往外上側延伸，最終獲得 Evans Ⅰ型粗隆間骨折模型。 結論 基于LS-DYNA軟件的有限元分析法可以真實地模擬出粗隆間骨折的動態(tài)斷裂情況，為揭示粗隆間骨折的發(fā)生機制及防治提供一定的實驗參考。

[關鍵詞] 有限元分析；粗隆間骨折；應力分析；骨質疏松癥

[中圖分類號] R683 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673-7210（2017）08（c）-0088-04

[Abstract] Objective For the blank of finite element model about intertrochanteric fracture， the fracture model of the intertrochanteric fracture based on the finite element analysis softwares， to provide experimental basis for the prevention and treatment of intertrochanteric fracture. Methods From March to April 2017， in First Affiliated Hospital of Guangzhou University of Chinese Medicine， 1 elderly patient with intertrochanteric fracture was selected， the CT image data of the uninjured side was collected， the Mimics software was used to grow the contralateral area， fill the cavity， edit and rebuild the contralateral proximal femur model. Next， preprocessed it by Geomagic studio 2013. Data were imported in Hypermesh 14.0 and LS-DYNA software for meshing， and defining material properties. The failure parameters and interfacial properties were set. The load and force boundary constraints simulating the falling were simulated. The model of intertrochanteric fracture was calculated， then， the Hyper-View 14.0 software was used to check the results. Results The inside of proximal femur was the first appeared stress concentration， under the continuous stress it began to break， fracture line stretched from intside to outside of the upper， ultimately Evans Ⅰ intertrochanteric fracture model would be gained. Conclusion The finite element analysis method based on LS-DYNA software can simulate the dynamic fracture of the intertrochanteric fracture veritably， it provides experimental reference to reveal the mechanism and guides the prevention and the treatment of intertrochanteric fractures.

[Key words] Finite element analysis； Intertrochanteric fracture； Stress analysis； Osteoporosis

骨質疏松癥是一種以骨量減少，骨強度降低，從而導致脆性骨折風險增加的全身性骨病[1]。脆性骨折是該病最大的危害。隨著人口老齡化進程的加快，骨質疏松性骨折的發(fā)病率也逐年上升，由此給國家及家庭造成了巨額的醫(yī)療開支，其中以骨質疏松性髖部骨折為代表。Hernlund等[2]調查發(fā)現(xiàn)，2010年歐盟國家約有2200萬女性及550萬男性患有骨質疏松癥，每年新發(fā)的骨質疏松性脆性骨折約有330萬例，其中髖部骨折61萬例，由此耗費的醫(yī)療開支超過370億歐元。Cooper等[3]研究后預計，到21世紀中葉，全球髖部骨折的病例數可高達630萬例，而發(fā)生在亞洲國家的病例數將超過一半。國際骨質疏松基金會2013年的一份調查[4]發(fā)現(xiàn)，中國每年因骨質疏松到導致的髖部骨折數為68.7萬例。近年，有限元法逐漸在髖部骨折的研究中發(fā)揮優(yōu)勢，既往通過該技術，可以對各種外力作用下髖部的應力分布（Von Mises 應力）有直觀的了解，對髖部骨折的發(fā)生做出準確的預測[5]。然而，髖部骨折的有限元斷裂模型的建立和研究方面，國內外大多集中于股骨頸骨折的斷裂模型上，李鵬飛等[6]運用LS-DYNA軟件成功建立一例Garden Ⅳ型股骨頸斷裂模型，與患側骨折線的匹配率達到83%。粗隆間骨折模型的建立缺乏相關報道，其研究大部分是集中于粗隆間的應力分布[7]，及不同手術內固定方式對粗隆間應力改變的分析[8-10]。本文運用以LS-DYNA為主的有限元建模運算軟件，建立粗隆間骨折模型，為粗隆間骨折的應力分析及骨折發(fā)生機制的研究提供必要的實驗基礎。endprint

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2017年3～4月于廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院骨科住院治療的老年單側粗隆間骨折患者1例，患者男，72歲，經X線檢查診斷為單側股骨粗隆間骨折，采用GE 64排螺旋CT對雙側髖關節(jié)自髖臼至股骨中上段，掃描條件：155 mA 120 kV，層厚2 mm，層距4 mm，行螺旋掃描，以Dicom格式保存影像資料?；颊吆突蚣覍倬橥獠⒑炇鹬橥鈺?。

1.2 方法

1.2.1 實驗軟件 Mimics 19.0軟件（Materialise公司，比利時），由廣州中醫(yī)藥大學國家重點學科中醫(yī)骨傷科學數字骨科與生物力學實驗室提供；Geomagic studio 2013軟件（Geomagic公司，美國）、Hypermesh 14.0軟件（Altair公司，美國）、有限元運算軟件LS-DYNA軟件（LSTC公司，美國），由廣州有道計算機有限公司提供。

1.2.2 三維建模 將患者CT資料，導入Mimics 19.0軟件中，參考林梓凌等[11]實驗建模步驟，通過區(qū)域增長、腔隙填充、編輯蒙罩等步驟，建立健側的骨骼仿真幾何模型。幾何模型導入Geomagic studio 2013軟件中進行刪除釘狀物、填充孔、編輯輪廓線、構造曲面、構造格柵、擬合曲面等步驟后建立較高生物仿真度的健側股骨近端三維模型。

1.2.3 有限元模型建立 將上述建立的股骨近端三維模型導入Hypermesh 14.0軟件中，進行四面體網格劃分，參考彭睿[12]、李鵬飛等[6]研究將骨質材料定義為：plastic-kinematic材料，通過表面網格定義皮質骨、內部網格定義松質骨的方式劃分骨皮質及骨松質，并分別賦予相關材料參數及屬性，建立股骨近端有限元網格模型，詳見圖1～2（封三）。

1.2.4 設置載荷及邊界條件 以股骨頭局部反作用力的形式，模擬股骨近端剪切應力，邊界條件設置為股骨近端固定，載荷：500 N，以Rigidbody形式作用于股骨頭內上側，詳見圖3（封三）。

1.2.5 有限元分析運算 將有限元模型導入運算分析軟件LS-DYNA中，在Hyper-View 14.0中查看運算結果，主要觀察指標：股骨近端受力分布（Von Mises云圖）、骨折線起始及走行。

2 結果

股骨近端內側最早出現(xiàn)應力集中，并在持續(xù)的載荷作用下最早出現(xiàn)斷裂，骨折線由內下方至外上方延伸，最終運算得Evans Ⅰ型粗隆間骨折模型，模型運算結果詳見圖4～5（封三）。

3 討論

有限元分析法的原理是將模型細分為數量龐大并由節(jié)點連接的細小單元，該分析法從首創(chuàng)到現(xiàn)在已經有70余年歷史，20世紀70年代Brekelmans等[14]開創(chuàng)性的將該技術應用于骨科的生物力學研究，經過幾十年的發(fā)展，該技術與骨科研究聯(lián)系越來越密切，從簡單的骨骼應力到手術內固定的選擇，及動態(tài)骨折的仿真分析，有限元技術已經成為推進臨床骨科發(fā)展不可忽視的力量。髖部骨折的相關研究是臨床骨科研究的熱點，有限元技術憑借其操作簡便、仿真度高、可重復利用的優(yōu)勢在髖部骨折的研究中得到重視。近年來，眾多學者通過建立股骨的有限元模型分析不同因素下股骨的應力分布情況[15-19]，然而骨骼作為一種生物材料，其斷裂過程是在外力的不斷作用下，由細微骨小梁的斷裂逐漸拓展到骨質斷裂而骨折發(fā)生的連續(xù)過程，這與連續(xù)損傷力學的理念相吻合[20]。骨折的有限元仿真過程引入連續(xù)損傷力學的指導，頗具必要。本研究基于連續(xù)損傷力學的指導，應用有限元分析法，成功建立一型股骨粗隆間骨折模型。在有限元模型的質量方面，該模型的建立依據患者真實的髖部CT數據，依據灰度值的大小區(qū)分骨質，通過有限元建模軟件進行自動劃分，整個過程缺乏人為干預，有限元模型具有較高仿真度。其次，在股骨近端應力分布及粗隆間骨折斷裂模型方面，汪金平等[13]建立股骨有限元模型，施加載荷后發(fā)現(xiàn)，股骨頸的應力集中部位在小轉子上方、偏股骨頸后方處，由此得出股骨頸處的壓力骨小梁和股骨距是主要的承重結構，這與本文研究高度符合。實驗運算得出的粗隆間骨折模型與臨床廣泛應用的Evans分型具有較高仿真度，該股骨粗隆間骨折模型對揭示粗隆間骨折的發(fā)生發(fā)展機制具有一定的臨床指導價值，為后期粗隆間骨折的深入研究及防治提供實驗基礎。

相較于股骨頸骨折，股骨粗隆間骨折的力學發(fā)生機制較為復雜，模擬難度加大，這也是粗隆間骨折模型缺乏報道的一大原因。要準確模擬出粗隆間骨折，要解決的問題包括兩大方面。一方面是，力學載荷。臨床中，大部分粗隆間骨折的發(fā)生是因跌倒所致，老年人骨質疏松，髖部肌肉松弛，跌倒后大轉子局部受到暴力撞擊，首股骨頸干角及前傾角等特殊結構的影響，撞擊力沿大粗隆、粗隆間區(qū)、股骨頸及股骨頭傳導后，受髖臼的頂托作用后，往往形成對股骨近端的剪切效應，并在應力集中的區(qū)域出現(xiàn)應力失效而骨折。另外方面，粗隆間骨折患者多數有骨質疏松的情況，股骨近端骨量減少，骨強度減弱，抗應力能力不足，在一定大小的外力作用下股骨近端較容易出現(xiàn)應力性骨折。Kayak[21]在1998年及2001年的兩次實驗研究也驗證了該論述。國內陳振沅[7]的關于粗隆間骨折分型機制研究也驗證了剪切力和骨強度在粗隆間應力分析中的重要性。髖關節(jié)是人體最大的關節(jié)，運動功能豐富，肌肉組織多。要準確的模擬出跌倒過程中股骨近端的力學情況較為困難，Bessho等[22]在應用有限元法預測股骨近端骨折的實驗中，采取大粗隆部固定，股骨頭內側施加載荷的方式，對粗隆間骨折的發(fā)生做出預測。結合上述，本文在骨強度模擬上，建立區(qū)分皮質及松質的股骨近端有限元模型，根據老年人的骨強度特點，賦予相應密度及泊松比等參數，盡可能真實的模擬骨質疏松性股骨近端的骨強度特點。此外，采取股骨近端固定、股骨頭內外側施加載荷的方式，模擬跌倒過程中的剪切作用。

本研究的不足及未來改進方向：第一，本研究建立的股骨近端有限元模型，大致區(qū)分骨皮質及骨松質，賦予不同的密度、泊松比、彈性模量等材料參數而同一的材料屬性，對股骨近端一些特殊的力學結構缺乏有效仿真。未來期望通過對股骨近端不同部位的力學性能加于研究，賦予不同的力學材料及性質，建立多種材料組成的股骨近端有限元模型，以達到更佳的仿真效果。第二，有限元分析法本身的局限方面，雖然有限元分析法在眾多的實驗研究中被證實是預測骨折發(fā)生的一種新的有效手段，但是有限元模型都是建立于人體外的數字模型，模型計算的結論有待于實體驗證。未來擬運用實體骨，對相關邊界及載荷限定條件下粗隆間骨折的模型進行驗證。第三，在股骨近端受力的分析中，本研究為簡化運算，參考國外相關研究，僅賦予一項載荷，對跌倒過程中各功能肌肉的肌肉收縮力缺乏模擬。未來擬在各肌肉起始點施加相應載荷，更真實的模擬股骨近端的受力情況。最后，本研究僅模擬出粗隆間骨折中的一種類型，后期研究擬強化對股骨近端應力情況的分析，完善有限元模型，模擬更多的粗隆間骨折分型。為系統(tǒng)的揭示粗隆間骨折的發(fā)生機制及防治提供更豐富的實驗參考。endprint

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（收稿日期：2017-05-29 本文編輯：蘇 暢）endprint