正常與骨質疏松肱骨的三維重建及有限元分析

郭文文，劉靜，曹慧，周會林，呂松濤，湯偉昌

1.山東中醫藥大學 理工學院，山東 濟南 250355；2.上海道生醫療科技有限公司，上海 201203

引言

肱骨骨折是一種常見骨折，在全身骨折中約占4%～5%[1]，尤其對于骨質疏松患者，肱骨骨折發生率更高，嚴重影響著患者的生活質量。三維有限元方法因其方便快捷、可視化、無損傷、精確度高等優點，在骨科相關研究中成為了熱點內容，在四肢骨折[2]、椎體損傷[3]、植入體設計[4]等方面發揮著重要作用。本研究旨在通過建立健康肱骨和模擬骨質疏松肱骨三維有限元模型，通過受力特點施加外力，分析模型的應力分布情況，淺析肱骨骨折機制。

1 材料

志愿者：男，25歲，身高175 cm，體重62 kg，排除病變損傷情況，受試者對實驗方法和目的知情同意。

CT數據：采用東芝320排動態容積CT機，對完整肱骨部分施連續斷層掃描，厚度2 mm，共193張DICOM格式圖像數據。

軟 件：利 用MIMICS 15.0（Materialise’s interactive medical image control system 15.0，比利時Materialise公司）進行模型建立，利用ANSYS 15.0（美國ANSYS公司）軟件進行有限元分析。

計算機配置：制造商LENOVO，操作系統Windows 7旗艦版32位，處理器Pentium(R) Dual-Core，CPU E5200 2.5 GHz，內存 2.0 GHz。

2 實驗方法

2.1 三維模型重建

將斷層掃描數據導入MIMICS軟件，在肱骨處繪制一條輪廓線，根據灰度值的分布曲線，通過閾值分割將骨組織部分與背景部分分割開來。選取一點進行區域增長，對形成的mask進行手動孔洞填充和非目標部分的擦除，從而降低計算數量，通過Caculate 3D from mask命令建立初步的三維幾何模型。該模型此時已具備較為清晰的肱骨形態，但表面存在毛刺和褶皺，故對其進行光順和包裹的表面處理。通過Remesh命令鏈接到3-matic模塊，對模型進行網格重新劃分，主要包括減少三角面片數量、調整質量參數、重新表面劃網、創建體網格的步驟，最終生成了由40456個單元和7873個節點構成的有限元模型。

2.2 賦予材質

根據灰度值的不同，以Gravy value≥1686 Gv（HU≥662）建立密質骨蒙版，以1172≤Gravy value≤1685 Gv（148≤HU≤661）建立松質骨蒙版。MIMICS軟件包括3種賦予材質的方法，分別為Uniform法、Look-up file法和Mask法。第一種需要設置材料類型的數量，根據經驗公式賦值；第二種需要編寫XML文件，在XML文件中定義各種特性的材質所對應的灰度值區間；第三種需要先設置好不同材質所對應的蒙版，選擇蒙版手動輸入該蒙版的材料特性。本文采用Mask蒙版賦值法對該模型進行賦值，密質骨彈性模量設為15 GPa，泊松比為0.3，松質骨彈性模量為1.1 GPa，泊松比為0.3，構建健康有限元模型[5]。將密質骨與松質骨的彈性模量分別減少33%和66%，泊松比保持不變[6-7]，賦予材質，模擬形成骨質疏松有限元模型。

2.3 約束條件與載荷施加

分別將兩種模型載入ANSYS軟件，按照正常人體解剖位置固定，對肱骨近端在x、y、z坐標方向上進行約束，設置自由度為0，在外髁肱骨小頭處縱向施加向上的橈骨作用力，在內髁肱骨滑車處縱向施加向上的尺骨作用力，按照 Schuster等[8]的方法將 100、200、300、400、500 N的軸向壓力以2:3的比例施加在肱骨小頭處和肱骨滑車處。觀察模型的等值線圖顯示的應力分布云圖。

3 結果

圖1 100～500 N實驗模型的Von Mises應力情況

對模型施加100、200、300、400、500 N的軸向載荷，觀察模型的Von Mises應力情況，結果見圖1。如圖所示，在健康模型和骨質疏松模型中，除骨質疏松模型在500 N載荷的情況外，應力主要集中在骨干中上部，且在大結節嵴下方存在明顯的應力集中區。分別從肱骨髁上區尺側與橈側隨機選取50個節點，計算平均值，結果見表1，發現兩種模型中皆為尺側平均應力值大于橈側平均應力值，進行t檢驗，P＜0.05，具有統計學意義。隨機選取各個模型的肱骨頭處節點40個、應力集中區節點30個，計算平均值，除載荷為100 N情況外，正常模型均大于骨質疏松模型，具有統計學意義。觀察云圖，發現兩種模型的最大應力值所處位置大致相同，均位于肱骨側面大結節處。返回模型賦予材質的步驟查看，發現該處是密質骨和松質骨過渡的部位，推測其為肱骨大結節骨折在肱骨近端骨折中多發（占20%概率）的原因[9]。

4 討論

骨質疏松癥是一種好發于中老年人、嚴重影響患者正常生活的全身性骨骼系統疾病[10]，其主要臨床表現為骨脆性增加、易發骨折、骨密度降低、骨組織顯微結構發生變化等。骨質疏松性骨折是由于骨強度下降，在無創傷或輕度、中度創傷情況下引起的骨骼完整性與連續性遭破壞的疾病[11]。肱骨近端骨折多在骨質疏松患者中發生，發病率約占全身骨折的5%～9%，由于骨強度的降低，手術難度較大。

當前對于骨質疏松的科學研究主要集中在下肢股骨和腰椎、胸椎等典型位置，未見使用三維有限元方法對骨質疏松性肱骨的文獻報道，故本文同時建立正常人體肱骨模型和骨質疏松肱骨模型，比較二者在不同載荷下的應力表現，試探討骨質疏松性骨折的應力情況。

表1 不同載荷下尺橈側平均應力值（Mpa）

有限元法是起源于工程學的一種數值分析方法，在航空航天、建筑科學與工程、汽車工業等領域發揮著重大作用，其基本思想是將一連續實體離散成有限個獨立單元聯結在一起的集合體，通過對每個小單元的計算求解目標整體的力學性能。自1972年由Brekelmans等[12]、Rybicki等[13]首次應用到骨科生物力學后，目前已成為研究領域的熱點方法。本文所建三維模型數據采用多層螺旋CT掃描，厚度為2 mm，精確高效;根據CT灰度值分辨密質骨和松質骨，正常人體模型的材料特質采用密質骨彈性模量15 Gpa，泊松比0.3；松質骨彈性模量1.1 Gpa，泊松比0.3，對于骨質疏松模型，將密質骨與松質骨的彈性模量分別減少33%和66%，泊松比保持不變，彭李華等[14]在模擬骨質疏松股骨有限元模型時材料屬性亦按照此種方法，實驗結果與以往研究一致，模型有效性得到驗證。

分析兩種模型在100～500 N載荷下的應力分布云圖，二者的應力都為基本集中于骨干中上部，肱骨近端和肱骨遠端應力較小，說明骨質疏松對肱骨受力整體趨勢影響較小。隨機提取髁上部位的節點，計算均值，兩種模型都是尺側應力大于橈側應力，這與劉劍等[15]的研究結果一致，從有限元方法上解釋了髁上部位骨折后發生肘內翻的原因。隨機選取肱骨頭和大結節嵴下方的節點求應力均數，正常模型基本大于骨質疏松模型，這與謝冠豪[16]使用補腎活血中藥治療椎體骨折時實驗組比對照組更能增加椎體載荷的結果相符，正常骨骼比骨質疏松性骨骼的應力更大，推測是由于骨質疏松性骨骼骨密度減小、骨小梁變細、骨強度降低導致。云圖中最大應力值區域約位于肱骨側面大結節處，此處是密質骨向松質骨過渡的結合區域，是肱骨近端骨折的多發地帶。

由于研究者首次運用三維有限元技術進行骨質疏松癥方面的研究，在建模和賦予材質的過程中必然存在一定的確定和不足之處，在今后的研究中，將克服以上問題，使模型與真實情況更為接近，以期得出更為全面準確的生物力學研究結果。

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