人體髖關(guān)節(jié)三維有限元模型的建立及其生物力學(xué)意義

1、    【摘要】  目的:構(gòu)建正常人體髖關(guān)節(jié)的三維有限元模型，作為該部位進(jìn)一步有限元分析的基礎(chǔ)。方法: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。結(jié)果:所構(gòu)建髖關(guān)節(jié)三維有限元模型客觀反映髖關(guān)節(jié)真實(shí)解剖形態(tài)及其生物力學(xué)行為，還原性良好，可以滿足有限元分析的需要。結(jié)論:采用CT掃描資料建立的三維有限元模型切實(shí)可靠，實(shí)體建模法將有限元模型的幾何特征和邊界條件的定義與有限元網(wǎng)格的生成分開進(jìn)行，減少了模型生成的困難。所構(gòu)建的髖關(guān)節(jié)三維

2、有限元模型，可以為髖關(guān)節(jié)力學(xué)行為以及骨折內(nèi)固定、髖關(guān)節(jié)成型術(shù)的力學(xué)基礎(chǔ)研究提供精確模型。 【關(guān)鍵詞】  髖關(guān)節(jié) 三維有限元模型 生物力學(xué) 有限元分析 CT    Abstract:  Objective:To establish a three-dimensional finite element model of normal human hip as a foundation of finite element analysis in this area. Methods:Normal hip joint in vivo was

3、used as specimen. CT scan was used to obtain configuration, three-dimensional coordinate of the hip joint was obtained using autoCAD software. With the software of finite element analysis determining property parameter of material and meshing, a three-dimensional finite element model of the hip join

4、t was set up. Results:The constructed three-dimensional finite element model of normal human hip joint objectively reflected the real hip joint's anatomy and biomechanical behavior and could satisfy the need of finite element analysis. Conclusion:It was reliable to build three-dimensional finite

5、 element model with CT scan data and to simulate real and complicated geometry figure accurately. By the method of building the three-dimensional finite element model depends on entity, define border condition, determine the geometry character of finite element model, and meshes the model, respectiv

6、ely. The difficulty of building the finite element model can be reduced. The consruction of three-dimensional finite element model of normal human hip joint provides basic data for research on mechanical behavior of hip joint, internal fixation after fracture and hip arthroplasty.    Key w

7、ords:  hip joint; three-dimensional finite element model; biomechanics; finite element analysis; computer tomography    近年來，醫(yī)學(xué)與工程力學(xué)的結(jié)合，使分析有限元作為一種較新的生物力學(xué)研究手段，逐漸應(yīng)用到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，三維非線性有限元軟件的開發(fā)，有限元分析能夠精確分析骨骼假體的內(nèi)部應(yīng)力分布及定量分析應(yīng)力集中等1。髖關(guān)節(jié)是人體重要承重關(guān)節(jié)，其骨折創(chuàng)傷程度重，無論保守治療還是手術(shù)治療經(jīng)常由于復(fù)位不完全，出現(xiàn)股骨頭壞死或骨關(guān)

8、節(jié)炎等嚴(yán)重后果。傳統(tǒng)的生物力學(xué)研究從不同的角度分析了髖關(guān)節(jié)的生物力學(xué)，并從不同側(cè)面提出了髖關(guān)節(jié)骨折的治療方法。由于髖關(guān)節(jié)形狀和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和特殊性，本研究旨在探討利用CT掃描技術(shù)，取得正常髖關(guān)節(jié)的各種結(jié)構(gòu)的三維坐標(biāo)值，在有限元分析軟件中采用實(shí)體建模，從而建立起正常髖關(guān)節(jié)的有限元模型，并對(duì)材料特性和網(wǎng)格大小等參數(shù)設(shè)定進(jìn)行探討，以期為髖關(guān)節(jié)損傷的相關(guān)研究提供多維思路，進(jìn)一步豐富髖關(guān)節(jié)生物力學(xué)行為的研究手段2,3。    1  材料和方法    1.1  材料和設(shè)備  選擇1名健康自愿者作為對(duì)象，女性

9、，49歲，實(shí)驗(yàn)前行X線檢查，排除病理改變后，進(jìn)行髖關(guān)節(jié)CT掃描，獲取用于建立三維計(jì)算機(jī)模型的相關(guān)資料。西門子SOMATOM Volume Zoom CT機(jī)。Unigraphics NX2.0、SolidWorks2006和 ABAQUS6.6有限元分析軟件。Windows XP 操作系統(tǒng)。圖像處理軟件PHOTOSHOP6.0。    1.2  建模方法與步驟     1.2.1  對(duì)髖關(guān)節(jié)進(jìn)行CT斷層成像：在CT成像過程中，要求髖關(guān)節(jié)在縱軸方向保持不變，每隔1.0 mm間距掃描一次，共278層。所得圖像以DICOM

10、格式直接存入CT機(jī)，刻錄光盤，從而得到表示髖關(guān)節(jié)每層橫截面的圖像（見圖1）。同時(shí)對(duì)所得的每一張CT圖像按照掃描的順序逐張進(jìn)行處理，去除骨骼周圍肌肉和軟組織后得到處理后的髖關(guān)節(jié)每一個(gè)斷層CT圖像，在處理過程中保持骨骼灰度處理前與掃描時(shí)一致，為骨密度計(jì)算和彈性摸量設(shè)定打下基礎(chǔ)。    1.2.2  切片對(duì)齊：為了保證重建的模型能逼真反映髖關(guān)節(jié)的實(shí)際情況，選取圖片左邊標(biāo)尺的上端點(diǎn)為第一基準(zhǔn)點(diǎn)，下端點(diǎn)為第二基準(zhǔn)點(diǎn)，使每一層的兩基準(zhǔn)點(diǎn)嚴(yán)格保持一致，從而避免了圖像的相對(duì)位移和偏移。    1.2.3  坐標(biāo)原點(diǎn)的確定：提取出股

11、骨頭中間斷面上距離最大的2個(gè)像素點(diǎn)，取該2個(gè)像素的中點(diǎn)定為三維坐標(biāo)系的原點(diǎn)，髖關(guān)節(jié)的近端為Z軸正方向，遠(yuǎn)端為負(fù)方向。    1.2.4  輪廓提?。簣D像中的輪廓信息通過計(jì)算各像素點(diǎn)間的灰度值“梯度”確定，梯度值大的地方通常是輪廓所在位置。對(duì)每層圖像處理，提取髖臼和股骨近端內(nèi)表面和外表面的一系列關(guān)鍵點(diǎn)，逐步建立代表各種結(jié)構(gòu)輪廓的點(diǎn)、線、面和體，并適時(shí)運(yùn)用布爾運(yùn)算，最終形成區(qū)分松質(zhì)骨、皮質(zhì)骨和骨髓腔的近視自然人正常髖關(guān)節(jié)的實(shí)體模型。    1.3  有限元分析  輸出的實(shí)體以IGS格式的文件展示，將

12、其導(dǎo)入U(xiǎn)nigraphics NX2.0軟件中，轉(zhuǎn)換成UG格式，并利用Unigraphics NX2.0軟件強(qiáng)大的縫合功能進(jìn)行面片之間的縫合，縫合完成之后再導(dǎo)入SolidWorks2006軟件轉(zhuǎn)換成SolidWorks格式的文件，采用CAE有限元分析軟件COSMOSWorks2006進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小參數(shù)設(shè)置根據(jù)精細(xì)與經(jīng)濟(jì)兼顧的原則。    單元類型采用有限元分析軟件單元庫所提供的第三號(hào)角錐單元，每一單元具有四個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有6個(gè)自由度（3個(gè)位移，3個(gè)旋轉(zhuǎn)）。髖關(guān)節(jié)骨骼在應(yīng)力不超過其強(qiáng)度極限時(shí)，它的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與許多工程材料很類似，呈線性，因此對(duì)髖關(guān)節(jié)進(jìn)行應(yīng)力分析

13、時(shí)，假設(shè)髖關(guān)節(jié)為連續(xù)、均質(zhì)、各向同性的線彈性材料，綜合前人實(shí)驗(yàn)測(cè)量及有限元模型驗(yàn)證結(jié)果，有關(guān)材料力學(xué)參數(shù)選擇如下: 皮質(zhì)骨彈性模量17000 MPa，泊松比0.3；軟骨下皮質(zhì)骨彈性模量2000 MPa，泊松比0.3；松質(zhì)骨彈性模量70 MPa，泊松比0.24，5。    2  結(jié)果    2.1  髖關(guān)節(jié)三維有限元模型的建立  分析髖關(guān)節(jié)的解剖結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，髖臼及股骨頭內(nèi)外表面都是相連在一起的，相鄰很近的兩層切片間，不會(huì)出現(xiàn)大的形變和位移；因此將上下對(duì)應(yīng)的內(nèi)、外輪廓線連接，生成輪廓面，再將內(nèi)外表

14、面生成體積，建立正常髖關(guān)節(jié)的三維實(shí)體模型（見圖2）。    2.2  髖關(guān)節(jié)三維有限元分析  將建立的髖關(guān)節(jié)模型導(dǎo)入有限元構(gòu)建軟件SolidWorks2006中，進(jìn)行三維有限元網(wǎng)格劃分。髖關(guān)節(jié)的網(wǎng)格劃分完全按照實(shí)際的解剖構(gòu)造進(jìn)行，根據(jù)髖關(guān)節(jié)幾何形狀的特殊要求，采用三維十結(jié)點(diǎn)四面體實(shí)體單元，共劃分為121239個(gè)結(jié)點(diǎn)、112491個(gè)單元（見圖3、圖4）。從CT掃描得到平面圖像經(jīng)加工處理后獲得髖關(guān)節(jié)的幾何坐標(biāo)，利用實(shí)體建模法，經(jīng)合理設(shè)立參數(shù)與網(wǎng)格化，建立了正常髖關(guān)節(jié)的完整的三維有限元模型，這一模型反映了正常髖關(guān)節(jié)的幾何形狀和材料特性（見圖

15、5）。    2.3  髖關(guān)節(jié)應(yīng)力分布  在所獲取的髖關(guān)節(jié)三維有限元網(wǎng)格劃分圖上，對(duì)于髖關(guān)節(jié)網(wǎng)格密集的區(qū)域進(jìn)行提取和分析，可以發(fā)現(xiàn)，在髖關(guān)節(jié)三維有限元模型上面，存在著如下應(yīng)力集中分布區(qū)域，分別是弓狀線，髂骨翼，髖臼后上方，坐骨結(jié)節(jié)以及小轉(zhuǎn)子上方、稍偏股骨頸的后方處等（見圖610）。    3  討論    有限元分析方法目前已被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，它可以通過CT或MRI掃描從活體組織提取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，由于影像學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，通過掃描所獲得的數(shù)據(jù)很準(zhǔn)確，據(jù)此而建立的幾何模型

16、接近于真實(shí)。建模時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況，由實(shí)體建模和直接建模兩種方式選擇建模方法，并可利用工作平面來輔助建模，以提高建模的精確性。尤其是三維模型，將有限元模型的幾何特征和邊界條件的定義與有限元網(wǎng)格的生成分開進(jìn)行，減少了模型生成的困難6。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分之前，應(yīng)先行定義單元屬性，設(shè)置網(wǎng)格生成選項(xiàng)，網(wǎng)格劃分前保留數(shù)據(jù)庫，最后進(jìn)行網(wǎng)格劃分。    3.1  髖關(guān)節(jié)三維有限元模型建立的意義  以往對(duì)髖臼和股骨頸進(jìn)行有限元分析，鑒于其形狀復(fù)雜，一般均對(duì)其作簡化處理，分析的結(jié)果必然引起誤差。本研究通過CT掃描、即時(shí)存儲(chǔ)，避免了數(shù)據(jù)收集過程中關(guān)鍵信息的丟失

17、；更重要的是，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)建模過程的全數(shù)字化，最大程度上保證了建模的準(zhǔn)確性和精確性。為了使計(jì)算模型反映實(shí)際情況，建模時(shí)以髖關(guān)節(jié)的實(shí)際形狀為對(duì)象，建立髖關(guān)節(jié)的三維有限元模型，采用三維十結(jié)點(diǎn)四面體實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分為121239個(gè)節(jié)點(diǎn)、112491個(gè)單元，外觀整齊、逼真，網(wǎng)格適當(dāng)，而且三維有限元圖像還原性好，能從力學(xué)上真實(shí)代表實(shí)物，對(duì)于今后研究髖關(guān)節(jié)的生物力學(xué)行為、髖關(guān)節(jié)骨折及骨折后治療和髖關(guān)節(jié)置換術(shù)等方面有極其重要的意義。    目前髖關(guān)節(jié)的研究,較多偏重于股骨上端髓腔、股骨假體的設(shè)計(jì)及股骨的測(cè)量7，而髖臼側(cè)由于解剖結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及患者個(gè)體差異性的存在,除了通過骨性標(biāo)志

18、或X線片進(jìn)行髖臼直接、間接測(cè)量CE角(股骨頭中心點(diǎn)至髖臼頂外緣連線與雙側(cè)股骨頭中心點(diǎn)連線的垂線的夾角)、外翻角及髖臼的深度等之外，很難對(duì)髖臼作進(jìn)一步量化處理。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及圖像技術(shù)的發(fā)展，不僅能進(jìn)一步準(zhǔn)確重建髖臼的解剖形態(tài)，而且還能達(dá)到對(duì)髖臼進(jìn)行定量的測(cè)量。髖臼形態(tài)結(jié)構(gòu)是髖關(guān)節(jié)保持穩(wěn)定、發(fā)揮正常運(yùn)動(dòng)功能以及維持其軟骨面良好受力狀態(tài)的基礎(chǔ)。在人工全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中，髖臼假體的穩(wěn)定固定也依賴于假體與髖臼窩周圍骨結(jié)構(gòu)的緊密結(jié)合。然而，髖臼窩骨形態(tài)結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，其中，臼窩內(nèi)壁和邊緣形態(tài)尤甚，通常很難在大體解剖或X線片下作三維形態(tài)的定量分析。    本研究通過對(duì)髖關(guān)節(jié)CT三維重建，并

19、對(duì)其生物力學(xué)的計(jì)算分析和實(shí)驗(yàn)力學(xué)的方法得到的結(jié)果進(jìn)行比較，來研究此種建模的可行性和準(zhǔn)確性，基于此的解剖形態(tài)特征和力學(xué)相應(yīng)進(jìn)行研究,所構(gòu)建模型為臨床應(yīng)用提供相關(guān)的形態(tài)學(xué)和生物力學(xué)依據(jù)。    3.2  髖關(guān)節(jié)力學(xué)行為分析  生理狀況下，骨骼的結(jié)構(gòu)和功能在很大程度上依賴于其所處的力學(xué)環(huán)境。在髖關(guān)節(jié)三維有限元模型上可以清楚地看到，髖臼后上方應(yīng)力集中，可能與髖臼頂部承載人體重量并在上下應(yīng)力傳導(dǎo)中起著非常重要的作用有關(guān)；股骨頸作為下肢應(yīng)力傳遞、分散的主要途徑，其應(yīng)力集中比較明顯，表現(xiàn)在網(wǎng)格劃分圖上網(wǎng)格劃分密集分布，且以股骨頸的中下段為主，并在小

20、轉(zhuǎn)子上方、稍偏股骨頸后方處集中更為突出。將研究結(jié)果與人體骨小梁的分布較好統(tǒng)一起來也從另一側(cè)面印證，骨小梁的分布是順應(yīng)人體的力學(xué)分布而進(jìn)行的。    當(dāng)然，髖關(guān)節(jié)應(yīng)力集中點(diǎn)，在髖關(guān)節(jié)遭受突然暴力作用時(shí)，一方面作為應(yīng)力分散的主要途徑；另一方面，如果暴力未能及時(shí)得到分散，那么極有可能在上述幾個(gè)應(yīng)力集中處最先發(fā)生骨折，這也將在之后的研究中進(jìn)行探討。    從某種意義上講，髖關(guān)節(jié)應(yīng)力集中點(diǎn)也可以作為骨折內(nèi)固定力點(diǎn)的較好選擇之一。鑒于股骨頸區(qū)的生物力學(xué)特點(diǎn)，其應(yīng)力主要通過壓力骨小梁和股骨距向遠(yuǎn)端傳導(dǎo)，內(nèi)固定的放置應(yīng)與壓力骨小梁的方向一致并緊貼股骨矩。內(nèi)固定與股骨的主

21、應(yīng)力方向一致，有利于股骨頸的應(yīng)力傳導(dǎo)和骨折端的加壓，符合生物力學(xué)原理。    3.3  本研究的意義  表面提取技術(shù)和水平的發(fā)展使得幾何重建的精度提高，但仍只能是接近真實(shí)而不能完全等同于事實(shí)，假設(shè)某個(gè)部位（如松質(zhì)骨、皮質(zhì)骨區(qū)）的材料是均質(zhì)的且對(duì)關(guān)節(jié)軟骨、肌肉、韌帶、關(guān)節(jié)囊等組織作用忽略，這都與實(shí)際不符，因而在其基礎(chǔ)上產(chǎn)生的有限元模型的建立和分析有可能產(chǎn)生誤差。通過使用更加先進(jìn)的邊界和表面提取技術(shù)，建立包含多種組織和如流體-結(jié)構(gòu)有限元模型等耦合場(chǎng)模型，可以盡量簡化和假設(shè)，從而使有限元模擬技術(shù)更加接近真實(shí)8。    采

22、用CT掃描資料建立三維有限元模型切實(shí)可靠，采用實(shí)體建模法比直接建模法更加簡便、高效。本研究成功構(gòu)建的正常髖關(guān)節(jié)三維有限元模型可以從不同角度進(jìn)行觀察，較真實(shí)、準(zhǔn)確地模擬了人體髖關(guān)節(jié)的解剖形態(tài)及其特點(diǎn)，反映了髖關(guān)節(jié)的生物力學(xué)特性。當(dāng)然，這是全面認(rèn)識(shí)髖關(guān)節(jié)生物力學(xué)改變的第一步，理想的模型將為進(jìn)一步的髖關(guān)節(jié)生物力學(xué)研究提供可靠的手段和方法，提高我們對(duì)髖關(guān)節(jié)病變的認(rèn)識(shí)及人工假體的設(shè)計(jì)水平，為髖關(guān)節(jié)外科學(xué)的發(fā)展提供有益的思路?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】  1 李永獎(jiǎng),張力成,楊國敬,等. 全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)生物力學(xué)有限元分析研究進(jìn)展J. 中華創(chuàng)傷骨科雜志,2007,9(3):75-78.2 Bergmann G, Deuretzbacher G, Heller M, et al. Hip contact forces and gait patterns from routine activitiesJ. J Biomech, 2001,34(7):859-871. 3 Vaverka M, Navrat TS, Vrbka M,