有限元分析在骨盆骨折生物力學(xué)研究中的應(yīng)用

郭建輝，王朝暉，熊 波

骨盆骨折多因高能量暴力直接或間接作用導(dǎo)致，威脅患者生命［1］。常合并腹腔、盆腔臟器損傷和大出血，成為致殘率、病死率很高的疾病［2］。CT或MRI無(wú)法進(jìn)行三維立體和力學(xué)研究，在骨盆骨折的研究中應(yīng)用有限。隨著數(shù)字醫(yī)學(xué)的發(fā)展，關(guān)于骨盆骨折的研究也進(jìn)入了新階段。20世紀(jì)70年代，有限元分析(finite element analyais，F(xiàn)EA)開(kāi)始應(yīng)用于骨結(jié)構(gòu)的力學(xué)研究，其后逐漸應(yīng)用到研究骨盆骨折的發(fā)病機(jī)制、骨折分型以及治療方案的優(yōu)化與選擇等方面。

1 骨盆的生物力學(xué)特性

骨盆是一環(huán)形結(jié)構(gòu)，由髖骨、骶骨和尾骨及其周圍韌帶連接組成，是連接人體軀干和下肢的重要結(jié)構(gòu)，由前環(huán)和后環(huán)組成。1984年Walheim等［3］指出恥骨聯(lián)合在垂直方向的移位＜2mm，在矢狀面和橫斷面的移位＜1mm，旋轉(zhuǎn)＜1．5°。生物力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，構(gòu)成骶髂關(guān)節(jié)復(fù)合體的骶骨、髂骨之間缺乏骨性穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，骨盆環(huán)的穩(wěn)定性最主要依賴后方負(fù)重的骶髂復(fù)合體和盆底構(gòu)造的完整性，韌帶在骨盆后環(huán)穩(wěn)定性維持上占重要地位。目前認(rèn)為骨盆環(huán)的穩(wěn)定在于骶髂復(fù)合體是否完整，其中骶髂韌帶、髂棘韌帶和髂結(jié)節(jié)韌帶所占意義最大［4］。關(guān)于骨盆生物力學(xué)的研究還在進(jìn)一步深入。

2 骨盆有限元模型的建立及其生物力學(xué)分析

2．1 有限元的發(fā)展

2．1．1 FEA二維模型發(fā)展到三維模型 FEA的概念在1943年由Courant首次提出，Turner等［5］對(duì)FEA做了進(jìn)一步探索試驗(yàn)。直到1960年，Clough提出有限元這個(gè)名詞，他將該方法應(yīng)用于彈性力學(xué)方面研究，并取得成功。在1972年，Brekelmans和Rybicki等［6-7］分別首次將FEA應(yīng)用到骨結(jié)構(gòu)方面的工作當(dāng)中。1973年，Belytschko等［8］在研究脊柱力學(xué)時(shí)，成功利用FEA建立了二維椎間盤模型，意味著FEA開(kāi)始走進(jìn)骨科實(shí)驗(yàn)研究。

1982年Vasu等［9］建立了骨盆二維有限元模型，但這些模型在模擬骨盆的三力學(xué)機(jī)制(壓力、摩擦力、剪切力)方面難以呈現(xiàn)，無(wú)法完整地模擬、分析處于不同平面的骶髂關(guān)節(jié)、恥骨聯(lián)合與坐骨結(jié)節(jié)的靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)特性。1989年骨盆三維有限元模型出現(xiàn)，Zheng等［10］利用骨盆的CT片建模，完成了骨盆三維有限元模型，并將其應(yīng)用到骶髂關(guān)節(jié)疼痛的相關(guān)研究中。重建后的三維結(jié)構(gòu)，可以顯示生物組織復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)行任意剖切、旋轉(zhuǎn)、測(cè)量等操作。有限元法適合于分析骨盆這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)，在骨盆模擬方面較以往的方法更加準(zhǔn)確［11］。

2．1．2 FEA從線性分析發(fā)展到非線性分析 骨盆的不規(guī)則性使FEA從最初的線性研究向非線性研究深入發(fā)展，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加精確。Shim等［12］通過(guò)構(gòu)建非線性有限元骨盆模型，并驗(yàn)證它與合成骨盆的預(yù)測(cè)能力，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)通過(guò)模型預(yù)測(cè)的初始骨折模式也類似于實(shí)驗(yàn)的實(shí)際模式，從模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的吻合表明采用非線性有限元建模在預(yù)測(cè)骨折方面的有效性。

2．1．3 FEA從靜態(tài)分析發(fā)展到動(dòng)態(tài)分析 利用FEA進(jìn)行模體實(shí)驗(yàn)，動(dòng)態(tài)觀察骨盆骨折的發(fā)病機(jī)制，預(yù)測(cè)骨盆骨折的程度。Breaud等［13］利用計(jì)算機(jī)構(gòu)建了交通事故中骨盆骨折的有限元模型，并對(duì)骨盆環(huán)損傷和尿道損傷進(jìn)行了生物力學(xué)分離;利用該模型重建了骨盆環(huán)上橫向沖擊力的機(jī)制，并對(duì)后尿道損傷時(shí)機(jī)進(jìn)行了研究。通過(guò)三維模型的建立，分析骨盆環(huán)的橫向沖擊損傷及后尿道損傷之間的聯(lián)系，使骨盆骨折中后尿道損傷具有可預(yù)見(jiàn)性。

2．2 有限元建模的基本原理 FEA的基本原理是利用數(shù)學(xué)原理中的近似法對(duì)客觀實(shí)體進(jìn)行模擬。其主要工具有:螺旋CT、逆向工程軟件、有限元相關(guān)軟件。以下是幾種常見(jiàn)的軟件。

螺旋CT(spiral computed tomography，CT):即螺旋計(jì)算機(jī)斷層掃描，為生物力學(xué)分析提供了圖像來(lái)源。螺旋CT處理過(guò)的圖像，以醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信(DICOM)格式存儲(chǔ)信息。利用逆向工程軟件建模后，將信息傳到有限元軟件中進(jìn)行各方面的受力分析。螺旋CT無(wú)重建次數(shù)和層間隔大小的限制，可回顧性、任意地重建圖像。

Mimics(materialise’s interactive medical image control system，Mimics):即交互式醫(yī)學(xué)圖像控制系統(tǒng)，是逆向工程軟件和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件。它能直接讀取DICOM格式的二維圖像，進(jìn)行圖像分割，能自定義重建感興趣的區(qū)域，能直觀、準(zhǔn)確、生動(dòng)地重建出三維圖像，并對(duì)重建后的三維圖像進(jìn)行全方位的自由旋轉(zhuǎn)和觀察。以光固化立體造型(STL)格式對(duì)三維圖像進(jìn)行存儲(chǔ)并輸出，并導(dǎo)入到Patran、Ansys、Abaqus等軟件中，進(jìn)行進(jìn)一步處理。

Ansys軟件:一種有限元分析軟件，主要包括3個(gè)部分:前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊構(gòu)造有限元模型，根據(jù)需要進(jìn)行切割、填充、縮放、變形等處理;分析計(jì)算模塊可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析;后處理模塊是將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線、梯度、矢量、粒子流跡、立體切片、透明及半透明等圖形方式顯示出來(lái)，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。利用Ansys軟件可以對(duì)模型直接進(jìn)行處理，所以它又被稱為“計(jì)算機(jī)雕刻技術(shù)”。

2．3 基于有限元模型的骨盆生物力學(xué)分析 由于骨盆復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，必須要有一個(gè)較為精確的三維模型，1995年，Dalstra等［14］在這方面做了許多研究。2000年，Garcia等［15］建立了骨盆骨折-骶髂關(guān)節(jié)脫位模型，對(duì)內(nèi)外固定用于骨盆環(huán)損傷的力學(xué)穩(wěn)定性進(jìn)行了FEA分析后表明，F(xiàn)EA分析不但降低了風(fēng)險(xiǎn)與費(fèi)用，而且有利于治療方案的個(gè)體化選擇。

2．3．1 骨盆應(yīng)力分析 骨盆應(yīng)力特性主要靠骨密度和骨小梁的綜合特性，以往傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究方法無(wú)法做到全面、精確地評(píng)價(jià)。Leung等［16］利用FEA分析骨盆皮質(zhì)骨密度函數(shù)，發(fā)現(xiàn)皮質(zhì)表面密度占60%的作用，認(rèn)為皮質(zhì)骨表面密度的變化，是骨盆發(fā)生不完全性骨折的因素之一。Zhou等［17］對(duì)模塊化半骨盆假體重建后的骨盆進(jìn)行有限元分析，分別對(duì)坐姿、雙腳站立、患肢站立三個(gè)靜態(tài)位置正常骨盆與手術(shù)骨盆之間的應(yīng)力分布進(jìn)行分析。結(jié)果顯示，在正常骨盆，應(yīng)力分布集中于髖臼、弓形線、骶髂關(guān)節(jié)、骶中線和坐骨切跡，在術(shù)后半骨盆，應(yīng)力分布主要集中在恥骨板的近側(cè)區(qū)域、髖臼的頂部;實(shí)驗(yàn)證明，在三種不同靜態(tài)位置下，術(shù)后半骨盆與正常骨盆的應(yīng)力分布具有相似性，說(shuō)明采用模塊化半骨盆假體重建取得了良好的生物力學(xué)特性。Ghosh等［18］開(kāi)發(fā)了半骨盆三維有限元模型，研究其在一個(gè)步態(tài)周期中的應(yīng)力與應(yīng)變分布，該研究證明髖關(guān)節(jié)受力主要來(lái)自髖臼外側(cè)皮質(zhì)，以及骶髂關(guān)節(jié)和恥骨聯(lián)合的轉(zhuǎn)移;該研究也有助于髖臼內(nèi)載荷傳遞分析和髖臼假體的研制。

2．3．2 骨盆骨折的穩(wěn)定性及合并傷的預(yù)測(cè) Bohme等［19］利用有限元計(jì)算機(jī)模擬“開(kāi)書(shū)型”骨盆骨折并預(yù)測(cè)損傷是否具有穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:骨盆韌帶具有局部和全身穩(wěn)定功能，骶髂復(fù)合體在垂直和水平載荷的傳遞中起了重要作用，隨著數(shù)值模擬，損傷相關(guān)的不穩(wěn)定性是可以預(yù)測(cè)的。約15%的病人合并膀胱或尿道損傷，容易漏診，使骨盆骨折的整體死亡率提高［20］;合并髂外動(dòng)脈損傷的開(kāi)放性骨盆骨折，其死亡率和傷殘率是很高的［21］;對(duì)骨盆骨折合并的后尿道損傷，早期發(fā)現(xiàn)和正確處理至關(guān)重要［22］，了解這些并發(fā)傷的機(jī)制，對(duì)提高預(yù)防、防止惡化都有幫助［14］。Zhang等［23］利用有限元軟件建模，分析Stoppa入路治療髖臼骨折時(shí)植入內(nèi)固定螺釘?shù)陌踩珔^(qū)域，并將其分為“安全區(qū)”、“相對(duì)危險(xiǎn)區(qū)”、“絕對(duì)危險(xiǎn)區(qū)”，研究結(jié)果認(rèn)為不推薦在“絕對(duì)危險(xiǎn)區(qū)”植入螺釘，“相對(duì)危險(xiǎn)區(qū)”植釘根據(jù)骨折類型和個(gè)人股骨解剖而定。

2．3．3 手術(shù)評(píng)價(jià)與優(yōu)化診治 FEA分析手術(shù)前后骨折局部的應(yīng)力狀態(tài)，預(yù)測(cè)各種固定方式的效果和手術(shù)后可能發(fā)生的并發(fā)癥，對(duì)最佳手術(shù)方案的選擇有重要作用，并可以進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)更好的手術(shù)、固定方式、優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)置物。Zhao等［24］利用FEA建立Tile C型(右側(cè)骶骨縱行骨折)骨盆骨折模型，模擬使用加長(zhǎng)骶髂螺釘和普通骶髂螺釘進(jìn)行內(nèi)固定;通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)比較得出，Tile C型骨盆損傷的單側(cè)骶骨縱行骨折，使用S1、S2加長(zhǎng)骶髂螺釘固定具有很好的穩(wěn)定性，而且二者同時(shí)應(yīng)用加長(zhǎng)固定時(shí)效果更佳;無(wú)法使用加長(zhǎng)骶髂螺釘固定時(shí)，要盡可能選擇雙層面普通骶髂螺釘固定;當(dāng)只能用單層面單枚骶髂螺釘或加長(zhǎng)骶髂螺釘固定治療單側(cè)骶骨縱行骨折時(shí)，最好選擇S2層面。

骶髂關(guān)節(jié)為復(fù)雜結(jié)構(gòu)，特別是當(dāng)考慮到周圍的韌帶，很難構(gòu)造準(zhǔn)確的三維有限元模型，以往大多數(shù)盆腔模型在研究時(shí)進(jìn)行了簡(jiǎn)化。然而，在人體骨盆負(fù)荷傳遞影響因素的研究中，這些被簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、組織尚未得到研究，因此這些研究的可靠性仍不清楚。Shi等［25］利用FEA建立模型，研究得出骶髂關(guān)節(jié)中滑液的存在對(duì)人體盆腔系統(tǒng)載荷傳遞產(chǎn)生很大影響，認(rèn)為滑液的存在不應(yīng)當(dāng)在骨盆的生物力學(xué)行為研究中被忽略，特別是在臨床應(yīng)用的相關(guān)研究中。

2．3．4 3D打印技術(shù)方面的應(yīng)用 以有限元分析為基礎(chǔ)的3D打印技術(shù)已應(yīng)用于生物材料的研究［26］，該技術(shù)在骨盆手術(shù)生物力學(xué)評(píng)價(jià)、復(fù)雜的骨盆骨折、髖關(guān)節(jié)置換術(shù)、個(gè)體化治療方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，為骨盆物理測(cè)試、手術(shù)規(guī)劃提供了經(jīng)濟(jì)、有效的方法［27］。3D打印技術(shù)在我國(guó)逐漸應(yīng)用于臨床。

3 結(jié)語(yǔ)

作為數(shù)字醫(yī)學(xué)發(fā)展的一部分，F(xiàn)EA為研究骨盆骨折生物力學(xué)研究提供了有效安全的方法，為研究骨盆骨折的受傷機(jī)制、診斷、手術(shù)方式以及內(nèi)固定的選擇與發(fā)明提供了重要途徑。實(shí)踐證明，F(xiàn)EA把復(fù)雜變得簡(jiǎn)單、直接，使一些問(wèn)題的解決從不可能變?yōu)榭赡埽且环N方便快捷、節(jié)約資源、高效省時(shí)的生物力學(xué)研究分析工具。

FEA模型是對(duì)真實(shí)情況的模擬，必然存在假設(shè)和簡(jiǎn)化，從而影響結(jié)果的準(zhǔn)確性;FEA需要實(shí)際過(guò)程中觀測(cè)的結(jié)果和數(shù)據(jù)作支持，才能建立起與實(shí)際水平接近的真實(shí)模型。目前針對(duì)骨盆骨折治療時(shí)主要集中在骨折類型，韌帶往往被忽視，而FEA關(guān)于骨盆周圍韌帶、血管等鄰近器官組織的研究較少，有待進(jìn)一步深入［28］。

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