正常股骨頭仿真三維有限元分析及有效性驗(yàn)證

李永斌 凌觀漢(通訊作者) 潘學(xué)文 林衡鋒 李遠(yuǎn)春 陸柏宇 陳昌林

(玉林市中西醫(yī)結(jié)合骨科醫(yī)院，廣西 玉林 537000)

股骨頭壞死是骨科比較常見疾病，主要發(fā)生在中青年，創(chuàng)傷、酗酒、大量服用激素等可能為其誘發(fā)的原因。目前早期股骨頭壞死的保髖手術(shù)較多，也呈現(xiàn)一定的療效，但要對(duì)股骨壞死塌陷前瞻性研究，目前以有限元分析法占主導(dǎo)，有限元分析對(duì)塌陷的預(yù)測(cè)及為保髖治療提供力學(xué)依據(jù)。目前有限元分析法中出現(xiàn)模型的仿真度低載荷及邊界的設(shè)定條件與真實(shí)情況相差較大，所以建立正常髖關(guān)節(jié)的三維高度仿真模型，為下一步前瞻性研究保髖在虛擬環(huán)境下的手術(shù)模擬及有限元生物力學(xué)研究提供基礎(chǔ)。現(xiàn)就此研究報(bào)告如下。

資料與方法

1 一般資料：選取1名30歲健康男性志愿者，體質(zhì)量70 kg，核磁共振檢查及臨床已排除畸形、無基礎(chǔ)疾病且髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)正常、無創(chuàng)傷及手術(shù)史，根據(jù)玉林市中西醫(yī)結(jié)合骨科醫(yī)院提供的64排螺旋CT掃描數(shù)據(jù)DICOM文件。

2 研究軟件：三維模型建立軟件Mimics16.0(比利時(shí)Materialise公司)；優(yōu)化三維模型軟件Geomagic Studio2014(美國Geomagic公司)；網(wǎng)格劃分軟件為Hypermesh13.0(美國Altair公司)；有限元分析軟件MSC.Patran2012/MSC.Nastran2012(美國MSC軟件公司)。

3 方法

3.1 三維模型建立：將CT掃描圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimcs16.0軟件中，確定圖像的Top、Bottom、Left、Right、A nterior、Posterior6個(gè)方向，與人體坐標(biāo)軸方向一致。依據(jù)CT的灰度值提取骨輪廓，閾值范圍為Bone(CT)124-2 803 Hu，根據(jù)圖像的灰度值，分為皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨，最后得到髖關(guān)節(jié)髖骨、股骨上段的三維幾何模型，皮質(zhì)骨設(shè)定為2mm。采用Mimics16.0軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，重建出股骨上段、髖關(guān)節(jié)等正常骨結(jié)構(gòu)模型，并補(bǔ)充髖臼軟骨、股骨頭軟骨等結(jié)構(gòu)，一起導(dǎo)出STL格式文件。由三維重建得到正常髖關(guān)節(jié)(髖骨、股骨、股骨頭軟骨、髖臼軟骨)幾何模型比較粗糙，為三角面片模型，存在著畸形，扭曲，表面過于粗糙等不良結(jié)構(gòu)現(xiàn)象。將STL文件導(dǎo)入Geomagic Studio2014軟件，并根據(jù)國內(nèi)學(xué)者[1]的三維重建方法，最終形成正常髖關(guān)節(jié)三維實(shí)體模型，如圖1所示。

圖1 正常髖關(guān)節(jié)三維實(shí)體模型

3.2 有限元幾何模型建立：逆向處理好的正常髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)模型，包含股骨上段、髖骨、髖臼軟骨、股骨頭軟骨等，利用數(shù)字化三維CT重建技術(shù)來重建髖關(guān)節(jié)，如圖2所示。

圖2 正常髖關(guān)節(jié)幾何模型

3.3 三維有限元模型的生成：將正常髖關(guān)節(jié)模型的STP文件導(dǎo)入Hypermesh13.0軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格劃分為68088個(gè)node節(jié)點(diǎn)數(shù)，361980個(gè)四面體網(wǎng)格單元(圖3)。導(dǎo)出BDF格式文件，最后在MSC.Patran2012/MSC.Nastran2012軟件中進(jìn)行材料參數(shù)設(shè)置，邊界約束及荷載設(shè)定、計(jì)算工況設(shè)置，有限元后處理分析等工作。

圖3 正常髖關(guān)節(jié)局部網(wǎng)格細(xì)部模型

3.4 材料屬性賦值：根據(jù)相關(guān)研究皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨及軟骨的材料屬性定義為各向同性的、連續(xù)的線性彈性材料，且為連續(xù)均勻的[1-3]。參考國內(nèi)外相關(guān)研究數(shù)據(jù)，各結(jié)構(gòu)組織相對(duì)應(yīng)的材料參數(shù)[4-13]，如表1所示。

表1 各結(jié)構(gòu)組織材料參數(shù)表

3.5 邊界約束和荷載設(shè)置：(1)骶髂關(guān)節(jié)與恥骨聯(lián)合節(jié)點(diǎn)的x和y方向位移進(jìn)行邊界約束，只發(fā)生Z方向位移。股骨遠(yuǎn)端的節(jié)點(diǎn)完全固定，以防止任何平移和旋轉(zhuǎn)，對(duì)股骨遠(yuǎn)端面上所有節(jié)點(diǎn)限制其6個(gè)方向的自由度。髖臼和股骨頭軟骨之間的接觸面定義為摩擦系數(shù)為0.01[8]。(2)根據(jù)chen等[14]研究的股骨近端的肌肉力加載條件予施加，具體如下：外展肌力：300N，角度δ20°，γ180°；髂腰肌力：188N，角度δ47°，γ262°；股外側(cè)肌力：292N，角度δ180°，γ0°。股骨應(yīng)力施加則在股骨遠(yuǎn)端對(duì)髖關(guān)節(jié)反作用力700N[15]。(3)研究中將髖關(guān)節(jié)的滑動(dòng)機(jī)制定義為無摩擦接觸機(jī)制，橫向的關(guān)節(jié)反作用力可以被忽略掉[16]。將股骨頭軟骨和盂唇之間的接觸定義為無摩擦接觸[17]。

3.6 有限元分析結(jié)果：三維有限元模型在MSC.Patran2012/MSC.Nastran2012軟件中進(jìn)行條件附加后，進(jìn)行正常髖關(guān)節(jié)有限元分析(圖4)。對(duì)正常髖關(guān)節(jié)模型進(jìn)行有限元仿真模擬，經(jīng)計(jì)算分析得出正常髖關(guān)節(jié)各結(jié)構(gòu)的Von Mises應(yīng)力應(yīng)變、Displacement位移等，如圖5所示。

圖4 正常髖關(guān)節(jié)模型有限元分析模擬

圖5 正常股骨頭VonMises應(yīng)力云圖(MPa)

由上圖可知，在成人單腿著地時(shí)關(guān)節(jié)承載受力下股骨頭Von Mises應(yīng)力分布規(guī)律為：正常股骨頭的應(yīng)力峰值主要發(fā)生在股骨頭前外側(cè)，正常股骨頭最大應(yīng)力峰值約12 MPa。

4 模型有效性驗(yàn)證：目前國內(nèi)外研究學(xué)者有較多相關(guān)這方面的研究，如李博[18]進(jìn)行研究顯示，正常股骨中上段三維有限元模型行走步態(tài)周期的30%加載下，股骨頭與髓臼接觸面積平均(391±48)mm2，股骨頭負(fù)重區(qū)接觸壓力平均(8.32±2.31)MPa，松質(zhì)骨最大應(yīng)變值0.33mm。Von Eisenhart R 等[19]對(duì)8個(gè)人體髖關(guān)節(jié)標(biāo)本研究，結(jié)果示各壓力分布不均勻，平均最大壓力為(7.7±1.95)MPa之間。Abraham CL等[20]有限元分析預(yù)測(cè)股骨頭軟骨較高的峰值接觸應(yīng)力為6.2-9.8MPa，也有學(xué)者研究[21-22]顯示軟骨應(yīng)力值接近5MPa。Anderson AE 等[11]進(jìn)行正常股骨頭有限元分析分別預(yù)測(cè)峰值壓力、平均壓力和接觸面積分別為10.8-12.7MPa、5.1-6.2MPa和304.2-366.1mm。Brown TD等[12,23]研究正常股骨頭當(dāng)給予1500-3000N載荷時(shí),接觸壓力為4-8MPa。綜合上述，峰值接觸應(yīng)力約為6.2-12.7 Mpa，平均接觸壓力約為4-10.63 Mpa。本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)接近此范圍，據(jù)此認(rèn)為本研究所建立三維有限元模型有效，可進(jìn)行下一步研究。

討 論

本研究建立的正常髖關(guān)節(jié)三維模型包含了皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、軟骨及肌肉4個(gè)結(jié)構(gòu)，Rushfeld等[24]認(rèn)為壓力分布與軟骨密切相關(guān)，并盡量把載荷及邊界的設(shè)定條件與真實(shí)情況接近，高度仿真模擬了正常髖關(guān)節(jié)站立位的受力狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與國內(nèi)外研究學(xué)者的結(jié)果符合，驗(yàn)證了模型的有效性，為下一步進(jìn)行髖關(guān)節(jié)不同步態(tài)的生物力學(xué)研究提供條件，也為下一步保髖的有限元分析提供平臺(tái)。