三維可視化膝關(guān)節(jié)有限元模型構(gòu)建應(yīng)用進(jìn)展

劉強(qiáng)+廖琦

【中圖分類號(hào)】R318 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-6851（2017）10--01

與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)生物力學(xué)分析相比，具有可視化、無創(chuàng)性等特點(diǎn)的理論生物力學(xué)研究方法，日漸受到學(xué)者青睞，有限元分析法便是其典型代表[1]。研究人體膝關(guān)節(jié)解剖結(jié)構(gòu)和生物力學(xué)特性對(duì)于了解骨折發(fā)生機(jī)制、制定出手術(shù)規(guī)劃、術(shù)后康復(fù)和假體設(shè)計(jì)等具有重要作用。為了總結(jié)膝關(guān)節(jié)建模新思路及其有限元分析的應(yīng)用現(xiàn)狀，展望發(fā)展方向，本文就數(shù)據(jù)獲取方法、主要相關(guān)軟件、臨床成果等方面作一綜述。

1 膝關(guān)節(jié)有限元建模

如何建立一個(gè)準(zhǔn)確逼真的、可視化的膝關(guān)節(jié)有限元模型一直是學(xué)者們關(guān)注的焦點(diǎn)，是有限元生物力學(xué)分析應(yīng)用于臨床實(shí)踐的基礎(chǔ)。

1.1 有限元法的基本原理

有限元法實(shí)質(zhì)是一種離散數(shù)學(xué)計(jì)算方法，廣泛應(yīng)用于求解熱傳導(dǎo)、電磁場(chǎng)、流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)分析等連續(xù)性問題。它是將一個(gè)連續(xù)的由無限個(gè)質(zhì)點(diǎn)所構(gòu)成的彈性體，通過一定的數(shù)學(xué)計(jì)算法分割成為有限個(gè)體單元，利用有限元軟件在計(jì)算機(jī)中對(duì)原物體進(jìn)行合成，并對(duì)幾何體定義單元類型、賦予材質(zhì)，從而獲得與所模擬的實(shí)際物體相類似的材料質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、物理參數(shù)和機(jī)械性能，逐步研究每個(gè)單元，最終達(dá)到對(duì)彈性體整體進(jìn)行分析的目的，即基于“化整為零，集零為整”的基本思想[2]。

1.2 有限元力學(xué)分析流程

通?？煞譃槿襟E：一、建立實(shí)物的有限元模型；二、邊界條件和激勵(lì)、求解；三、查看結(jié)果。將獲取到的膝關(guān)節(jié)原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics、3D-Doctor等三維建模軟件中，建立對(duì)象的幾何模型，再導(dǎo)入Hypermesh、Geogamic等軟件中濾波去噪、平滑、網(wǎng)格化等修飾圖像，進(jìn)行有限元分析前處理，然后再導(dǎo)入ANSYS、ABAQUS等有限元分析軟件中，定義單元類型、材料賦值、邊界約束及加載、求解等，在后處理器中查看結(jié)果。以上為國內(nèi)大部分文獻(xiàn)建立膝關(guān)節(jié)有限元模型、力學(xué)分析的常規(guī)流程，部分研究者用自編軟件完成。因有限元建模的主要數(shù)據(jù)來源不同，所用軟件可自行選擇，所以目前尚無膝關(guān)節(jié)有限元分析的統(tǒng)一路徑，呈多樣化發(fā)展態(tài)勢(shì)。

1.2.1 數(shù)據(jù)獲取及新思路 常用的建模數(shù)據(jù)獲取方法主要有三種，即連續(xù)斷層切片法、三維激光掃描法、斷層掃描成像法。連續(xù)斷層切片法：將人尸體組織通過各種處理，使標(biāo)本固定硬化并予連續(xù)切片，獲取斷面圖像，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)整合，將二位平面信息轉(zhuǎn)換為三維體成像，獲取人的三維立體結(jié)構(gòu)信息[3]。三維激光掃描法：利用三維激光掃描儀對(duì)物體進(jìn)行空間三維測(cè)量、定位，獲取其表面的空間位置點(diǎn)云信息，再通過軟件把點(diǎn)云再現(xiàn)成三維實(shí)體數(shù)字模型。該法因需特殊的三維掃描儀器，且只能獲取表面信息，目前多用于膝關(guān)節(jié)金屬假體的有限元建模[4]。斷層掃描成像法：以計(jì)算機(jī)X線斷層掃描和核磁共振成像為代表，這兩種方法都具有無創(chuàng)性、數(shù)據(jù)易獲取等特點(diǎn)，目前應(yīng)用最為廣泛。前者具有定位精確、掃描層厚薄、速度快等優(yōu)點(diǎn)，所建模型較精準(zhǔn)，于骨骼系統(tǒng)有限元建模中應(yīng)用更廣泛[5]。核磁共振成像利用組織中含水率不同，即質(zhì)子振動(dòng)釋放信號(hào)強(qiáng)弱不同顯像，在軟組織顯示方面可彌補(bǔ)前者不足[6]。

近年來，多位研究者綜合上述多種方法的優(yōu)勢(shì)，建立了更加準(zhǔn)確可靠的有限元生物模型。如有人利用CT和MRI圖像配準(zhǔn)融合的方法構(gòu)建人體膝關(guān)節(jié)有限元模型，保證了各解剖結(jié)構(gòu)的真實(shí)性，并為準(zhǔn)確模擬膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)特性提供了前提，是值得借鑒的建模新思路[7]。因CT和MR圖像的配準(zhǔn)融合技術(shù)，存在數(shù)據(jù)獲取時(shí)的倫理學(xué)問題，掃描時(shí)的定位、標(biāo)定，配準(zhǔn)融合時(shí)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、變換矩陣、重定位等技術(shù)難點(diǎn)，故較少實(shí)際應(yīng)用于臨床實(shí)踐。

1.2.2 重建膝關(guān)節(jié)數(shù)字化模型的常用軟件 有限元分析所涉及軟件種類繁多，可靈活選擇不同軟件的組合形式。常用軟件有：Mimics軟件是目前數(shù)字醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的軟件，它是模塊化結(jié)構(gòu)的、交互式軟件，可以根據(jù)用戶的不同需求有不同的搭配。它具有強(qiáng)大的體數(shù)據(jù)瀏覽功能，可將CT或MRI掃描的二維DICOM數(shù)據(jù)導(dǎo)入，利用圖像分割工具提取感興趣區(qū)域，重建其三維模型，利用其測(cè)量工具進(jìn)行人體解剖學(xué)分析。其自帶的MedCAD模塊，可創(chuàng)建基本的CAD對(duì)象，是其與醫(yī)學(xué)影像的橋梁；Simulation模塊可虛擬手術(shù)、假體植入，術(shù)前即可對(duì)手術(shù)進(jìn)行預(yù)期和評(píng)估；FEA模塊是有限元分析前處理工具。

GeomagicStudio軟件是被廣泛應(yīng)用的逆向軟件，可從掃描所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)創(chuàng)建出完美的多邊形模型和網(wǎng)格，并可自動(dòng)轉(zhuǎn)換成NURBS曲面。利用該軟件對(duì)圖像進(jìn)行優(yōu)化處理，擬合曲面，網(wǎng)格劃分，消除模型中不合理的點(diǎn)、面，使所建立的模型更加美觀、舒適。

Hypermesh軟件是一款高性能、高質(zhì)量、高效率有限元前處理器，它有高度交互的可視化平臺(tái)幫助用戶建立有限元模型；提供了廣泛的與CAD、CAE、CFD軟件接口，供用戶選擇，可以與現(xiàn)有大部分仿真環(huán)境無縫銜接。其強(qiáng)大的幾何清理能力、高質(zhì)量高效率的網(wǎng)格技術(shù)、先進(jìn)的網(wǎng)格變形技術(shù)，能大大提高建模的效率和質(zhì)量。該軟件與Geomagic studio軟件是文獻(xiàn)中提及的兩款主流有限元網(wǎng)格優(yōu)化前處理軟件。

Ansys軟件和Abaqus軟件是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用最多的生物力學(xué)分析軟件，它們各有所長(zhǎng)，有多模塊、涉及多領(lǐng)域，覆蓋了結(jié)構(gòu)分析、電熱磁、流體分析等方面。Ansys軟件主要致力于線性分析[8]，后者致力于非線性力學(xué)分析，能解決結(jié)構(gòu)力學(xué)分析較深層次問題。實(shí)際工作中，為了簡(jiǎn)化計(jì)算量，通常我們會(huì)對(duì)模型作大量假設(shè)，如假設(shè)骨頭為同質(zhì)、同向、線性彈性體，忽略骨皮質(zhì)和松質(zhì)的不同，簡(jiǎn)要的重建膝關(guān)節(jié)的主要韌帶，只能在一定程度上模擬人體膝關(guān)節(jié)的某些機(jī)械性能、力學(xué)特征。事實(shí)上，非線性是更普遍的現(xiàn)象，故Abaqus軟件在生物力學(xué)研究方面的結(jié)果較前者更加真實(shí)、合理、可靠。

2 膝關(guān)節(jié)有限元生物力學(xué)分析的應(yīng)用

2.1 有限元應(yīng)用于膝關(guān)節(jié)損傷、退變機(jī)制研究endprint

膝關(guān)節(jié)是人體全身各骨關(guān)節(jié)中結(jié)構(gòu)最大、最復(fù)雜，承受杠桿作用力最強(qiáng)的關(guān)節(jié)，由于其形態(tài)特征的特異性，膝關(guān)節(jié)并非非常穩(wěn)定，損傷很常見。據(jù)世界衛(wèi)生部統(tǒng)計(jì)，膝骨關(guān)節(jié)炎在40歲以上人群中總患病率為28.7%[9]，多見于中老年人，是影響中老年人生存質(zhì)量的重要因素。二者是膝關(guān)節(jié)有限元應(yīng)用于臨床非手術(shù)領(lǐng)域的主要研究方向。對(duì)膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)特性進(jìn)行分析，不僅可以對(duì)膝關(guān)節(jié)創(chuàng)傷發(fā)生的機(jī)制進(jìn)行明確的論述，而且可以對(duì)診斷和康復(fù)提出科學(xué)的指導(dǎo)和計(jì)劃；可整體上把握膝骨性關(guān)節(jié)炎的病理生理機(jī)制，更直觀的分析其易感因素[10]。多位研究者[11-13]利用膝關(guān)節(jié)有限元模型，模擬膝關(guān)節(jié)交叉韌帶及半月板損傷，分析其對(duì)膝關(guān)節(jié)應(yīng)力的影響。姚杰等[14]模擬跳傘著陸過程的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了跳傘員特殊人群膝關(guān)節(jié)損傷的機(jī)理。張冠軍[15]模擬現(xiàn)實(shí)交通事故中膝關(guān)節(jié)損傷，對(duì)研究行人下肢損傷機(jī)制及其防護(hù)方法提供了參考依據(jù)。有限元分析在研究膝關(guān)節(jié)損傷機(jī)制及關(guān)節(jié)退變、關(guān)節(jié)炎病理生理機(jī)制方面的運(yùn)用，對(duì)于相關(guān)疾病的防治有積極指導(dǎo)作用。

2.2 有限元應(yīng)用于膝關(guān)節(jié)手術(shù)領(lǐng)域研究

主要體現(xiàn)在術(shù)式選擇與手術(shù)效果評(píng)價(jià)、骨折固定器械及假體的力學(xué)研究等方面。骨折導(dǎo)致骨骼失去原有功能及形態(tài)，力學(xué)性能改變或消失，手術(shù)的目的是重建其解剖結(jié)構(gòu)及恢復(fù)支撐功能，利用術(shù)前的三維數(shù)據(jù)重建有限元模型，并在計(jì)算機(jī)中模擬手術(shù)，進(jìn)行應(yīng)力分析，了解手術(shù)是否能盡可能地恢復(fù)骨骼原有力學(xué)特性，綜合評(píng)估多種可行術(shù)式的優(yōu)劣點(diǎn)，利于建立更完善、優(yōu)良的手術(shù)規(guī)劃。葉俊星[16]研究前交叉韌帶重建術(shù)后股骨隧道角度對(duì)股骨隧道壁接觸應(yīng)力的影響，得出最佳股骨隧道角度為25°。劉忠堂[17]對(duì)比置換髕骨后對(duì)髕股關(guān)節(jié)生物力學(xué)的影響，認(rèn)為術(shù)中可選擇性地不進(jìn)行髕骨置換。對(duì)于手術(shù)所需的骨折固定器械及假體設(shè)計(jì)，既要求骨折固定切實(shí)可靠，同時(shí)應(yīng)減少應(yīng)力阻擋、并發(fā)術(shù)后骨質(zhì)疏松風(fēng)險(xiǎn)，故適當(dāng)強(qiáng)度的科學(xué)設(shè)計(jì)方利于患者術(shù)后康復(fù)。有限元分析法，可以對(duì)假體或植入物進(jìn)行數(shù)字化模擬，定量分析應(yīng)力場(chǎng)變化，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。劉利等通過在不同工況、不同夾角情況下對(duì)相同型號(hào)配對(duì)和不同型號(hào)交叉配對(duì)的人工膝關(guān)節(jié)的對(duì)比接觸分析，研究了這兩種配對(duì)之間的應(yīng)力關(guān)系，為人工膝關(guān)節(jié)相近型號(hào)交叉配對(duì)的可行性提供了參考。張緒樹通過對(duì)不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下國產(chǎn)人工膝關(guān)節(jié)接觸壓力分析，認(rèn)為國產(chǎn)人工膝關(guān)節(jié)假體符合臨床需求。

3 膝關(guān)節(jié)有限元分析存在的問題與展望

有限元分析具有可反復(fù)利用、節(jié)約成本、可操控性強(qiáng)、影響因素小等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，我們也應(yīng)看到其不足：它只是一種數(shù)字化模擬，只能在一定程度上對(duì)解剖結(jié)構(gòu)、力學(xué)特征進(jìn)行仿真；目前尚無驗(yàn)證膝關(guān)節(jié)模型正確性、合理性的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，存在一定的主觀性或誤差。

綜上述，三維可視化膝關(guān)節(jié)有限元模型構(gòu)建的數(shù)據(jù)獲取及逆向工程重建方法、途徑多樣，并隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件工程的發(fā)展，所構(gòu)建的模型日漸復(fù)雜、逼真，可一定程度上模擬真實(shí)膝關(guān)節(jié)的力學(xué)特征，為其更廣泛地應(yīng)用于臨床奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)，如何將其更好地與臨床相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)由基礎(chǔ)研究向臨床應(yīng)用轉(zhuǎn)化及提高轉(zhuǎn)化率，是下一個(gè)課題。

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