肱骨近端三维有限元模型的建立与生物力学分析

南山信乙 发表于 2020-11-22 16:44:39 | 打印


本文原载于《中华创伤骨科杂志》2015年第4

本文由江苏省南京市江宁医院钟竟林医师推荐

【推荐理由】通过有限元模型对肱骨近端骨折从生物力学分析的角度进行分析,明确手术中的优先照顾的条件及恢复肱骨距的必要性。


肱骨近端骨折占所有骨折的l0%,在老年人群中是第3常见的骨折,也是引起肩痛和肩关节功能障碍的主要原因。肱骨近端骨折目前仍是临床治疗的难点,选择合理治疗方案可以有效改善临床预后,切开复位锁定钢板内固定是较常用的手术方法,Gardner等回顾性分析临床锁定钢板治疗肱骨近端骨折的患者资料,强调了肱骨内侧柱完整的重要性,并推荐在较上方置入斜行锁定肱骨距螺钉。因此进一步了解肱骨近端生物力学特性、尤其是肱骨距在肱骨近端骨折中作用,将有助于增加对肱骨近端骨折的了解,从而为内固定治疗方案的最优化提供理论依据。Brekelmans等早在1972年首次将有限元方法应用于骨科生物力学的研究,近年来,该方法在骨科领域得到了广泛应用。以往建立有限元模型耗时费力,本文采用医学建模软件Mimics 17.0及有限元分析软件ALGOR快速建立肱骨近端三维有限元模型,方模拟生理状态下肱骨近端的受力情况以进行生物力学分析,观察应力分布特征,分析肱骨距负重特点,旨在指导临床内固定治疗方案的制定,并为肱骨近端髓内钉的设计、肩关节置换假体的设计、肩袖损伤修复等生物力学分析奠定基础。

材料与方法

一、研究对象

20145月选取1名健康成年男性志愿者,28岁,身高为174 cm,体质量为70 kg,应用X线片检查排除肩关节病变、损伤等情况,对其肩关节行CT扫描。该志愿者知情同意并签署知情同意书,且获得医院伦理委员会批准。

二、研究方法

(一)原始数据采集 采用LightSpeed 64排螺旋CT(GE,美国)扫描志愿者双肩关节,得到326层重建图像,然后以Dicom3.0文件格式直接处理并保存在CT T作站。扫描条件:选择骨组织窗进行扫描,扫描电压为120 kV,扫描电流为300 mA,层厚为0.5 cm

(二)肱骨近端三维立体几何模型的建立

CT扫描得到的图像数据以Dicom 3.0格式直接导入交互式医学图像控制系统Mimics 17.0软件(Materialise公司,比利时),该系统口J-以自动识别图像序列。

调整正常方位后设定Hu阈值为148~1 720。通过蒙皮(Mask)、阈值分割(Thresholding)和区域增长( Regiongrowing)等操作,分离右侧肱骨近端骨组织和周围组织,提取肱骨近端骨骼图像(1)。通过WrapSmooth等处理最终计算生成肱骨近端的三维立体几何模型(2)。 (三)肱骨近端三维有限元模型的建立

将生成的三维立体几何模型通过Mimics17.0软件中FEA模块的网格优化器进行网格优化,利用优化的面网格生成体网格,调整软件参数,优化体网格质量,以便进一步进行生物力学分析。在Mimics 17.0软件中为肱骨近端模型赋材质,根据以往文献的参考数据,将皮质骨和松质骨都看成是各向同性材料,材料属性如下:①皮质骨:弹性模量为16 000MPa,泊松比为0.3;②松质骨:弹性模量为550 MPa,泊松比0.3。将该模型的网格节点信息导出为inp文本格式,然后使用大型通用商业有限元分析软件AL-GOR(AutodeskSimulation Mechanical 2014, Autodesk公司,美国)读取并生成可用于结构静力分析的三维有限元模型(3)。

(四)设定边界条件及载荷

设定边界条件为肱骨远端固定。根据肩关节的解剖结构特点,参照PoppenWalker的方法,正常肩关节在生理状态下外展90。时盂肱关节处所受合力最大,为0. 89倍体质量[合力(600 N)=体质量(70)×0. 89]4)。在盂肱关节面上施加600 N轴向压力,观察生理状态盂肱关节受力最大情况下模型的应力分布特征。

(五)主要观察指标

以肱骨近端的Von Mises应力作为主要的力学分析指标,通过应力云图观察力的分布特征。

结果

一、肱骨近端三维有限元模型结果

采用Dicom医学数字图像通讯标准、Mimics软件结合ALGOR有限元分析专用软件建立的有限元模型可以在三维空间内任意旋转,便于各个角度进行观察。借助软件的分割功能,可以从各个切面观看,直观地了解模型内部应力分布特征,所建模型的单元类型均为4节点,其中皮质骨单元数为9 346,松质骨单元数为25 732,总单元数为35 078,总节点数为6 819

二、有限元模型的受力结果

模拟肩关节外展90。生理状态条件,对肱骨近端三维有限元模型施加600 N的轴向载荷,观察模型受力情况。53个视角展示了肱骨近端三维有限元模型的受力分布情况,以蓝色到红色的渐变代表受力由小到大的变化。肱骨近端的受力从近端向远端逐渐增加,至肱骨干外侧达到应力的峰值,此处最大应力值为9.8 MPa。从图5可以看到肱骨近端外科颈内下侧皮质区应力分布较集中,此区域应力最大值为5.2MPa


讨论

肱骨近端骨折的内固定方式包括微创骨折内固定、切开复位锁定钢板内固定和锁定髓内钉内固定。Lescheid等进行了1项肱骨近端尸体标本骨生物力学试验,模拟了肱骨近端二部分骨折,证实了内侧皮质完整的解剖复位是最坚固的结构支撑。Osterhoff等通过对肱骨近端骨折锁定钢板内同定患者进行随访,评估影像学结果和功能恢复等,肱骨距粉碎足临床预后的可预见相关因素。因此,通过对肱骨近端生物力学的分析,评估肱骨距的受力特征,可以指导临床治疗方案的选择,改善预后。

有限元分析曰前在骨科生物力学领域得到了越来越多的应用,其基本原理是“化整为零、集零为整”。该方法将连续的弹性几何体分割成有限个单元,单元问靠节点连接,模拟成不同几何形状的求解小区域,然后进行整体分析。通过有限元软件设计出近似于人体反应的试验条件,模拟不同生理状态下应力分布情况。随着计算机技术的不断发展,有限元分析已经成为骨科生物力学研究中必不可少的重要工具之—。

一、肱骨近端三维有限元模型的建立

人体骨骼的解剖结构复杂、不规则,以往的有限元分析将大量精力都用在了建模上,建模方法包括磨片及切片法、三维测量法等,磨片及切片法破坏了实物模型,很难保证所得断面厚度的一致性,而且将断面几何形状数字化需要大量的时间和精力,三维测量法是使用激光表面扫描设备扫描物体表面轮廓,建立表层结构特征,不能反映组织内在的材料特性。这些方法不仅耗时、误差大,而且准确性低、可重复性差,而本实验利用薄层CT扫描获得的Dicom数据,直接进行建模。Dicom医学数字图像通讯是医学信息图像系统领域的核心,Mimics软件可以直接识别Dicom格式图像,进行分割和识别,该文件为三维建模提供了精确的组织密度信息,同时也包括了非常完整的几何信息。

本实验使用了Mimics软件的自动建模功能,直接读取Dicom数据,通过其强大的断层图像处理功能(如选择性编辑、补洞处理等),可以有效地提取出每层图像的几何数据,在建模过程中无需数据转换,直接导入软件进行处理,避免了数据失真,明显提高了建模的速度。在进行前后处理时,Mimics17.0软件建立的肱骨近端模型可以在三维空间内任意旋转,便于各个角度进行观察,直观看到内部应力分布特征。

二、有限元模型的评价

影响有限元模型及计算结果准确性的因素有很多,包括单元大小、网格划分形状及数日等。本实验对所建立的肱骨近端三维有限元模型进行了适当的优化:①单元数量:理论上单元数量越多,有限元精确度越高,但计算越复杂;单元数量过少会影响应力传导的流畅性,增大整体力学特征与实际情况间的误差。本试验模型的单元数量比较适中,载荷传导的流畅性较满意。②为了保证受力分析结果的准确性,本试验模型的约束条件及载荷模拟了人体肩关节在外展90。时的生理状态,此条件下盂肱关节所受外力最大,所得应力分布结果可以用于解释生理状态下肱骨近端受力分布特征,分析肱骨距的负重特征。

三、肱骨近端生物力学特点

由本实验的Von Mises应力云图结果可以观察到肱骨近端外科颈区应力变化较显著,当受较大外力时,此处发生形变较大,更易发生骨折,临床上外科颈骨折是最常见的肱骨近端骨折,占所有肱骨近端骨折的60%~70%,这与本实验结果相符。

临床治疗肱骨干骨折时,钢板放置在外侧,因其为张力侧,而内侧为拉力侧,在以往的文献中未见相关的研究与报道。本实验结果显示肱骨干远端外侧为应力集中区域,内固定治疗后仍为易发生相关并发症的部位,因此在肱骨近端骨折内固定治疗时,应首先保证肱骨干张力侧的支撑,加强这一区域内固定强度,这是保证内固定成功的重要因素之一。

从应力云图上可以看到肱骨近端外科颈内下侧皮质区域,即肱骨距,应力集中更加明显。Gardner等对肱骨内侧柱不完整的患者使用腓骨白体骨移植进行内侧柱的支撑复位,并使用锁定钢板固定,随访49周时的临床功能恢复和影像学评估满意,其平均Con-stant评分为87分。HelmyHintermann在临床试验中证实肱骨近端骨折使用锁定板钉固定时,内侧骨皮质的缺失或内翻复位不良容易导致复位丢失和内翻畸形。Gardner等通过回顾性分析使用锁定钢板内固定治疗的肱骨近端骨折患者资料,证实肱骨距锁定螺钉的使用可以获得更加稳定的内侧皮质支撑,复位更加稳定。Lescheid等的肱骨近端尸体骨生物力学试验证实,在模拟的肱骨近端两部分骨折中,内侧皮质完整的解剖复位是最坚固的结构支撑。从图5可以看到肱骨近端外科颈内下侧皮质区应力分布较集中,说明肱骨距在生理载荷下是最主要的承重结构之一,具有重要的负重作用,因此在肱骨近端骨折内固定治疗中应意识到外科颈内下侧皮质支撑的重要性,在保证肱骨干张力侧支持的条件下,注意恢复肱骨距的完整,减少内固定失败的发生。

本实验所用的有限元分析来源于真实的人体数据,所建模型最大程度上模拟了人体肱骨近端骨骼,通过Mimics17.0及有限元分析软件精确地赋予单元材料属性,使加载结果尽可能接近真实情况,但是由于无法模拟肩关节复杂的受力环境,而且为了简化实验,我们去除了肩关节的肌肉、韧带等软组织,所以与真实情况仍存在一定误差,今后需要对完整肩关节模型的建立及更加接近生理条件的受力特点进行更加深入的研究。

参考文献()

(收稿日期:2015-01-19

(本文编辑:张以芳)



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