正常股骨頭仿真三維有限元分析及有效性驗證

李永斌 凌觀漢(通訊作者) 潘學文 林衡鋒 李遠春 陸柏宇 陳昌林

(玉林市中西醫結合骨科醫院，廣西 玉林 537000)

股骨頭壞死是骨科比較常見疾病，主要發生在中青年，創傷、酗酒、大量服用激素等可能為其誘發的原因。目前早期股骨頭壞死的保髖手術較多，也呈現一定的療效，但要對股骨壞死塌陷前瞻性研究，目前以有限元分析法占主導，有限元分析對塌陷的預測及為保髖治療提供力學依據。目前有限元分析法中出現模型的仿真度低載荷及邊界的設定條件與真實情況相差較大，所以建立正常髖關節的三維高度仿真模型，為下一步前瞻性研究保髖在虛擬環境下的手術模擬及有限元生物力學研究提供基礎。現就此研究報告如下。

資料與方法

1 一般資料：選取1名30歲健康男性志愿者，體質量70 kg，核磁共振檢查及臨床已排除畸形、無基礎疾病且髖關節結構正常、無創傷及手術史，根據玉林市中西醫結合骨科醫院提供的64排螺旋CT掃描數據DICOM文件。

2 研究軟件：三維模型建立軟件Mimics16.0(比利時Materialise公司)；優化三維模型軟件Geomagic Studio2014(美國Geomagic公司)；網格劃分軟件為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掃描圖像數據導入Mimcs16.0軟件中，確定圖像的Top、Bottom、Left、Right、A nterior、Posterior6個方向，與人體坐標軸方向一致。依據CT的灰度值提取骨輪廓，閾值范圍為Bone(CT)124-2 803 Hu，根據圖像的灰度值，分為皮質骨和松質骨，最后得到髖關節髖骨、股骨上段的三維幾何模型，皮質骨設定為2mm。采用Mimics16.0軟件對其進行數據提取，重建出股骨上段、髖關節等正常骨結構模型，并補充髖臼軟骨、股骨頭軟骨等結構，一起導出STL格式文件。由三維重建得到正常髖關節(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構現象。將STL文件導入Geomagic Studio2014軟件，并根據國內學者[1]的三維重建方法，最終形成正常髖關節三維實體模型，如圖1所示。

圖1 正常髖關節三維實體模型

3.2 有限元幾何模型建立：逆向處理好的正常髖關節結構模型，包含股骨上段、髖骨、髖臼軟骨、股骨頭軟骨等，利用數字化三維CT重建技術來重建髖關節，如圖2所示。

圖2 正常髖關節幾何模型

3.3 三維有限元模型的生成：將正常髖關節模型的STP文件導入Hypermesh13.0軟件中進行網格劃分，得到對應的網格劃分為68088個node節點數，361980個四面體網格單元(圖3)。導出BDF格式文件，最后在MSC.Patran2012/MSC.Nastran2012軟件中進行材料參數設置，邊界約束及荷載設定、計算工況設置，有限元后處理分析等工作。

圖3 正常髖關節局部網格細部模型

3.4 材料屬性賦值：根據相關研究皮質骨、松質骨及軟骨的材料屬性定義為各向同性的、連續的線性彈性材料，且為連續均勻的[1-3]。參考國內外相關研究數據，各結構組織相對應的材料參數[4-13]，如表1所示。

表1 各結構組織材料參數表

3.5 邊界約束和荷載設置：(1)骶髂關節與恥骨聯合節點的x和y方向位移進行邊界約束，只發生Z方向位移。股骨遠端的節點完全固定，以防止任何平移和旋轉，對股骨遠端面上所有節點限制其6個方向的自由度。髖臼和股骨頭軟骨之間的接觸面定義為摩擦系數為0.01[8]。(2)根據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°；股外側肌力：292N，角度δ180°，γ0°。股骨應力施加則在股骨遠端對髖關節反作用力700N[15]。(3)研究中將髖關節的滑動機制定義為無摩擦接觸機制，橫向的關節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 有限元分析結果：三維有限元模型在MSC.Patran2012/MSC.Nastran2012軟件中進行條件附加后，進行正常髖關節有限元分析(圖4)。對正常髖關節模型進行有限元仿真模擬，經計算分析得出正常髖關節各結構的Von Mises應力應變、Displacement位移等，如圖5所示。

圖4 正常髖關節模型有限元分析模擬

圖5 正常股骨頭VonMises應力云圖(MPa)

由上圖可知，在成人單腿著地時關節承載受力下股骨頭Von Mises應力分布規律為：正常股骨頭的應力峰值主要發生在股骨頭前外側，正常股骨頭最大應力峰值約12 MPa。

4 模型有效性驗證：目前國內外研究學者有較多相關這方面的研究，如李博[18]進行研究顯示，正常股骨中上段三維有限元模型行走步態周期的30%加載下，股骨頭與髓臼接觸面積平均(391±48)mm2，股骨頭負重區接觸壓力平均(8.32±2.31)MPa，松質骨最大應變值0.33mm。Von Eisenhart R 等[19]對8個人體髖關節標本研究，結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]有限元分析預測股骨頭軟骨較高的峰值接觸應力為6.2-9.8MPa，也有學者研究[21-22]顯示軟骨應力值接近5MPa。Anderson AE 等[11]進行正常股骨頭有限元分析分別預測峰值壓力、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]研究正常股骨頭當給予1500-3000N載荷時,接觸壓力為4-8MPa。綜合上述，峰值接觸應力約為6.2-12.7 Mpa，平均接觸壓力約為4-10.63 Mpa。本實驗數據接近此范圍，據此認為本研究所建立三維有限元模型有效，可進行下一步研究。

討 論

本研究建立的正常髖關節三維模型包含了皮質骨、松質骨、軟骨及肌肉4個結構，Rushfeld等[24]認為壓力分布與軟骨密切相關，并盡量把載荷及邊界的設定條件與真實情況接近，高度仿真模擬了正常髖關節站立位的受力狀態，實驗結果與國內外研究學者的結果符合，驗證了模型的有效性，為下一步進行髖關節不同步態的生物力學研究提供條件，也為下一步保髖的有限元分析提供平臺。