人體髖關節(jié)三維有限元模型的建立及其生物力學意義

1、    【摘要】  目的:構建正常人體髖關節(jié)的三維有限元模型，作為該部位進一步有限元分析的基礎。方法:采用活體髖關節(jié)為標本，應用CT掃描技術及圖形數(shù)字化方法獲取髖關節(jié)的三維坐標，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，建立髖關節(jié)的三維有限元模型。結果:所構建髖關節(jié)三維有限元模型客觀反映髖關節(jié)真實解剖形態(tài)及其生物力學行為，還原性良好，可以滿足有限元分析的需要。結論:采用CT掃描資料建立的三維有限元模型切實可靠，實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)格的生成分開進行，減少了模型生成的困難。所構建的髖關節(jié)三維

2、有限元模型，可以為髖關節(jié)力學行為以及骨折內固定、髖關節(jié)成型術的力學基礎研究提供精確模型。 【關鍵詞】  髖關節(jié) 三維有限元模型 生物力學 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)學與工程力學的結合，使分析有限元作為一種較新的生物力學研究手段，逐漸應用到醫(yī)學領域。隨著計算機技術的發(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部應力分布及定量分析應力集中等1。髖關節(jié)是人體重要承重關節(jié)，其骨折創(chuàng)傷程度重，無論保守治療還是手術治療經(jīng)常由于復位不完全，出現(xiàn)股骨頭壞死或骨關

8、節(jié)炎等嚴重后果。傳統(tǒng)的生物力學研究從不同的角度分析了髖關節(jié)的生物力學，并從不同側面提出了髖關節(jié)骨折的治療方法。由于髖關節(jié)形狀和結構的復雜性和特殊性，本研究旨在探討利用CT掃描技術，取得正常髖關節(jié)的各種結構的三維坐標值，在有限元分析軟件中采用實體建模，從而建立起正常髖關節(jié)的有限元模型，并對材料特性和網(wǎng)格大小等參數(shù)設定進行探討，以期為髖關節(jié)損傷的相關研究提供多維思路，進一步豐富髖關節(jié)生物力學行為的研究手段2,3。    1  材料和方法    1.1  材料和設備  選擇1名健康自愿者作為對象，女性

9、，49歲，實驗前行X線檢查，排除病理改變后，進行髖關節(jié)CT掃描，獲取用于建立三維計算機模型的相關資料。西門子SOMATOM Volume Zoom CT機。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  對髖關節(jié)進行CT斷層成像：在CT成像過程中，要求髖關節(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，刻錄光盤，從而得到表示髖關節(jié)每層橫截面的圖像（見圖1）。同時對所得的每一張CT圖像按照掃描的順序逐張進行處理，去除骨骼周圍肌肉和軟組織后得到處理后的髖關節(jié)每一個斷層CT圖像，在處理過程中保持骨骼灰度處理前與掃描時一致，為骨密度計算和彈性摸量設定打下基礎。    1.2.2  切片對齊：為了保證重建的模型能逼真反映髖關節(jié)的實際情況，選取圖片左邊標尺的上端點為第一基準點，下端點為第二基準點，使每一層的兩基準點嚴格保持一致，從而避免了圖像的相對位移和偏移。    1.2.3  坐標原點的確定：提取出股

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

12、其導入Unigraphics NX2.0軟件中，轉換成UG格式，并利用Unigraphics NX2.0軟件強大的縫合功能進行面片之間的縫合，縫合完成之后再導入SolidWorks2006軟件轉換成SolidWorks格式的文件，采用CAE有限元分析軟件COSMOSWorks2006進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小參數(shù)設置根據(jù)精細與經(jīng)濟兼顧的原則。    單元類型采用有限元分析軟件單元庫所提供的第三號角錐單元，每一單元具有四個節(jié)點，每個節(jié)點具有6個自由度（3個位移，3個旋轉）。髖關節(jié)骨骼在應力不超過其強度極限時，它的應力-應變關系與許多工程材料很類似，呈線性，因此對髖關節(jié)進行應力分析

13、時，假設髖關節(jié)為連續(xù)、均質、各向同性的線彈性材料，綜合前人實驗測量及有限元模型驗證結果，有關材料力學參數(shù)選擇如下: 皮質骨彈性模量17000 MPa，泊松比0.3；軟骨下皮質骨彈性模量2000 MPa，泊松比0.3；松質骨彈性模量70 MPa，泊松比0.24，5。    2  結果    2.1  髖關節(jié)三維有限元模型的建立  分析髖關節(jié)的解剖結構可以發(fā)現(xiàn)，髖臼及股骨頭內外表面都是相連在一起的，相鄰很近的兩層切片間，不會出現(xiàn)大的形變和位移；因此將上下對應的內、外輪廓線連接，生成輪廓面，再將內外表

14、面生成體積，建立正常髖關節(jié)的三維實體模型（見圖2）。    2.2  髖關節(jié)三維有限元分析  將建立的髖關節(jié)模型導入有限元構建軟件SolidWorks2006中，進行三維有限元網(wǎng)格劃分。髖關節(jié)的網(wǎng)格劃分完全按照實際的解剖構造進行，根據(jù)髖關節(jié)幾何形狀的特殊要求，采用三維十結點四面體實體單元，共劃分為121239個結點、112491個單元（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節(jié)的幾何坐標，利用實體建模法，經(jīng)合理設立參數(shù)與網(wǎng)格化，建立了正常髖關節(jié)的完整的三維有限元模型，這一模型反映了正常髖關節(jié)的幾何形狀和材料特性（見圖

15、5）。    2.3  髖關節(jié)應力分布  在所獲取的髖關節(jié)三維有限元網(wǎng)格劃分圖上，對于髖關節(jié)網(wǎng)格密集的區(qū)域進行提取和分析，可以發(fā)現(xiàn)，在髖關節(jié)三維有限元模型上面，存在著如下應力集中分布區(qū)域，分別是弓狀線，髂骨翼，髖臼后上方，坐骨結節(jié)以及小轉子上方、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用于生物醫(yī)學領域，它可以通過CT或MRI掃描從活體組織提取相應的數(shù)據(jù)，由于影像學技術的快速發(fā)展，通過掃描所獲得的數(shù)據(jù)很準確，據(jù)此而建立的幾何模型

16、接近于真實。建模時應根據(jù)具體情況，由實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)格的生成分開進行，減少了模型生成的困難6。在進行網(wǎng)格劃分之前，應先行定義單元屬性，設置網(wǎng)格生成選項，網(wǎng)格劃分前保留數(shù)據(jù)庫，最后進行網(wǎng)格劃分。    3.1  髖關節(jié)三維有限元模型建立的意義  以往對髖臼和股骨頸進行有限元分析，鑒于其形狀復雜，一般均對其作簡化處理，分析的結果必然引起誤差。本研究通過CT掃描、即時存儲，避免了數(shù)據(jù)收集過程中關鍵信息的丟失

17、；更重要的是，實現(xiàn)了整個建模過程的全數(shù)字化，最大程度上保證了建模的準確性和精確性。為了使計算模型反映實際情況，建模時以髖關節(jié)的實際形狀為對象，建立髖關節(jié)的三維有限元模型，采用三維十結點四面體實體單元進行網(wǎng)格劃分，共劃分為121239個節(jié)點、112491個單元，外觀整齊、逼真，網(wǎng)格適當，而且三維有限元圖像還原性好，能從力學上真實代表實物，對于今后研究髖關節(jié)的生物力學行為、髖關節(jié)骨折及骨折后治療和髖關節(jié)置換術等方面有極其重要的意義。    目前髖關節(jié)的研究,較多偏重于股骨上端髓腔、股骨假體的設計及股骨的測量7，而髖臼側由于解剖結構的復雜性及患者個體差異性的存在,除了通過骨性標志

18、或X線片進行髖臼直接、間接測量CE角(股骨頭中心點至髖臼頂外緣連線與雙側股骨頭中心點連線的垂線的夾角)、外翻角及髖臼的深度等之外，很難對髖臼作進一步量化處理。計算機輔助設計及圖像技術的發(fā)展，不僅能進一步準確重建髖臼的解剖形態(tài)，而且還能達到對髖臼進行定量的測量。髖臼形態(tài)結構是髖關節(jié)保持穩(wěn)定、發(fā)揮正常運動功能以及維持其軟骨面良好受力狀態(tài)的基礎。在人工全髖關節(jié)置換術中，髖臼假體的穩(wěn)定固定也依賴于假體與髖臼窩周圍骨結構的緊密結合。然而，髖臼窩骨形態(tài)結構極為復雜，其中，臼窩內壁和邊緣形態(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。    本研究通過對髖關節(jié)CT三維重建，并

19、對其生物力學的計算分析和實驗力學的方法得到的結果進行比較，來研究此種建模的可行性和準確性，基于此的解剖形態(tài)特征和力學相應進行研究,所構建模型為臨床應用提供相關的形態(tài)學和生物力學依據(jù)。    3.2  髖關節(jié)力學行為分析  生理狀況下，骨骼的結構和功能在很大程度上依賴于其所處的力學環(huán)境。在髖關節(jié)三維有限元模型上可以清楚地看到，髖臼后上方應力集中，可能與髖臼頂部承載人體重量并在上下應力傳導中起著非常重要的作用有關；股骨頸作為下肢應力傳遞、分散的主要途徑，其應力集中比較明顯，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、轉子上方、稍偏股骨頸后方處集中更為突出。將研究結果與人體骨小梁的分布較好統(tǒng)一起來也從另一側面印證，骨小梁的分布是順應人體的力學分布而進行的。    當然，髖關節(jié)應力集中點，在髖關節(jié)遭受突然暴力作用時，一方面作為應力分散的主要途徑；另一方面，如果暴力未能及時得到分散，那么極有可能在上述幾個應力集中處最先發(fā)生骨折，這也將在之后的研究中進行探討。    從某種意義上講，髖關節(jié)應力集中點也可以作為骨折內固定力點的較好選擇之一。鑒于股骨頸區(qū)的生物力學特點，其應力主要通過壓力骨小梁和股骨距向遠端傳導，內固定的放置應與壓力骨小梁的方向一致并緊貼股骨矩。內固定與股骨的主

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

22、用CT掃描資料建立三維有限元模型切實可靠，采用實體建模法比直接建模法更加簡便、高效。本研究成功構建的正常髖關節(jié)三維有限元模型可以從不同角度進行觀察，較真實、準確地模擬了人體髖關節(jié)的解剖形態(tài)及其特點，反映了髖關節(jié)的生物力學特性。當然，這是全面認識髖關節(jié)生物力學改變的第一步，理想的模型將為進一步的髖關節(jié)生物力學研究提供可靠的手段和方法，提高我們對髖關節(jié)病變的認識及人工假體的設計水平，為髖關節(jié)外科學的發(fā)展提供有益的思路?！緟⒖嘉墨I】  1 李永獎,張力成,楊國敬,等. 全髖關節(jié)置換術生物力學有限元分析研究進展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,