有限元分析在股骨股骨生物力学研究中的应用

1、有限元法(finite elementmethod,fem)是一种工程力学研究方法，它是用较简单的问题代 替攵杂问题后再求解，计算过程屮将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成, 有限元是那些集合在一起能够表示实际连接域的离散单元，对每一单元假定一个合适的(较 简单的)近似解，然后退到求解这个域总的满足条件，如结构的平衡的条件，从而得到问题 的解。有限元法正逐渐被应用到矫形外科领域，极大的促进了生物力学的发展。早期fem 主要应用于简单的应力分析。随着三维非线性有限元软件的开发,fem的应用取得长足进展, 目前主要从微观水平和定量测定两个方面研究骨各种时间依赖的生物力学特性。股骨联接競

2、 关节和膝关节，是人体最大的骨头，是人体正常运动不可或缺的支撑和活动单元。作者主要 从股骨力学性能研究，应力分析，预测骨折发牛的危险度及其好发部位，指导骨折固定物的 设计和改进及手术评价与术式选择方面综述了近年来有限元法在股骨的一些研究进展。1.股骨力学性能研究。股骨力学性能研究已有百余年的历史自从1892年wolft提出wolit定律以来，人们对股 骨的生物与力学特征进行了广泛研究.例如，koch证实骨小梁按主应力迹线排布，当荷载变 化时，骨小梁将按新的应力迹线重新取向3,4. carte:等研究提出股骨小梁体系受力并不 遵从wb班的主应力迹线定律.文献6,7】详细地研究了骨小梁结构与力学性

3、能的关 系.mullende:等比提出骨结构优化的自组织控制模型，并结合有限元方法模拟了股骨结构的 受力过程.keyak等9通过试验和有限元方法模拟研究了静载和冲击荷载下股骨的破坏行 为cody等lo提出应用有限元方法预测股骨颈的断裂强度比应用qct和dxa方法更为有 效.keyak等11利用ct扫描技术构建了股骨结构有限元模型，并利用该模型定量分析了股 骨的破坏荷.bayraktar等12系统地总结了股骨组织力学性质的实验数据和测试方法，通 过试验详细地测暈骨皮质的弹性模暈、屈服应变，为准确预测骨组织的破坏性质提供了参考. 王远亮等4系统地总结和分析了骨组织生物力学的研究.王以进等13研究了

4、扭矩对股骨的 破坏作用吴维才等14通过试验研究了扭转荷载下股骨的力学性质.赵宝林等15通过试验 研究了股骨下端松质骨的拉伸、扭转、剪切、弯曲等力学性能李德源等16利用数值模拟方 法分析了撞击荷载作用下具有横观各向同性松质骨的动力响应特征.2股骨应力分析应力分析是fem的主要用途乙一。松质骨应力特性依赖于骨密度和骨小梁结构的各向 异性，传统的实验方法根本无法全面、精确描述英应力特性。三维有限元分析(finite element analysis, fea)可以很好地表现骨关节等组织应力分布的总体趋势1。李苏垸等【1】应用有 限元法，通过建立股骨近端模型，分析人正常站立股骨的应力分析取得很好的结果

5、。刘杨等 【33】建立了完整的正常人股骨三维有限元模型，并应用于正常站立位生物力学分析，验证 了股骨骨折多发生于股骨体屮下段的理论，并证明了老年人多发股骨颈骨折，并且骨折难以 愈合的事实，从生物力学角度说明股骨颈骨折后应避免活动。gallagher等(1982年采用fem 对股骨的应力作了详尽的研究，他通过刈比骨小梁分布和应力分布状态，发现骨小梁主空间构 架分布与主应力方向一致。在单足站立时，股骨各截面上以压缩应力为主，且分布恒定，而非弯 曲变形;同时可观察到股骨的压缩应力分散，并发现这种应力分散与股骨的截面儿何形状有关 2。key-ak等3分析了引起股骨骨折的各种应力,发现扭转和剪切应力在股

6、骨骨折发生过程 中起重要作用。3.预测股骨骨折发生的危险度及英好发部位临床用dexa或qct等骨量/骨密度测定的方法來预测某一部位的骨折危险性，有一定 的局限性，因为骨质疏松性骨折的发生与骨量、骨强度和骨的结构均有关。对骨质疏松患者 骨折危险性的预测较好和较准确的指标是骨的力学特性。cody等7通过比较qct、dexa 和三维fea作为股骨颈骨折的预测指标后认为，三维fea是预测骨折载荷的最好方法，并能 用于在体骨强度变化的监测。二维fea基于一种简单、非侵入性、低花费的图像技术來获 得与骨强度特性有关的资料，并且计算量很少，可用于大样本骨质疏松人群屮股骨颈骨折的预 测研究8。而仅依靠数字x线

7、片通过代数重建技术(algebraic reconstruction technique,art) 来建立三维有限元模型，有利于提高fea在预测骨折发生风险方面的作用9。鞠杨等【34】 建立了一个针对高危女性人群股骨结构的三维有限元模型，分析了运动荷载作用下此类股骨 的应力和应变分布以及股骨破坏的可能部位.结果表明:运动荷载使股骨产生较大的横向位移 和弯曲变形;股骨颈处的应力和应变最大，容易在股骨颈处以及大转子与股骨干的连接部位 附近发生破坏.模拟结果为研制适用于此类人群的高性能人工股骨提供了参考。4.指导股骨骨折固定物的设计和改进在骨折治疗中要求固定切实可靠，同时减小骨折断端间的剪切应力和应

8、力遮挡，以利于早 期功能锻炼，促进骨折愈合。实验应力分析和临床资料表明:坚强的钢板固定因应力遮挡及影 响骨表面重建，可造成局部骨质吸收和骨质疏松。但以往的实验方法不能获得这种应力遮挡 作用的定量资料。当三维fea引入骨科生物力学以后，可以定量分析研究内固定系统的应力 场,进而优化设计内植物° h einey jp bamettm d等32制作股骨远段c型骨折内固定模型， 分析内固定后整体结构的刚度，微动和疲劳损伤。就整体结构的刚度和微动而言，逆行交锁 髓内钉的稳定性更好。然而，逆行交锁髓内钉抵抗疲劳失效的能力最差，动力課螺钉抵抗疲 劳失效的能力最强。应根据不同需要，选择合适的内固定。

9、v rabec g aseral等15应用 fem研究股骨转子间骨折经gamma钉和髓内钉(pfn)固定后的力学行为，发现两者均引起骨 组织的应力.重分布，在同等载荷下，gamma钉比pfn承受更高的应力，而pfn固定的骨折稳 定性更好。王志彬等16应用三维fea对改进设计后的抗应力遮挡内固定钢板与原來的钢 板进行比较，在正向力、弯矩my和mz的作用下,柔度分别增加了 601%、308%、61 -2%, 定量分析了改进后的钢板刚度和应力替代作用降低的程度。ferguson等17设计一种兼有金 属扭转与弯曲刚度和聚合体轴向顺应性的可降解复合内固定系统,经三维fea表明,该系统 可明显降低对轴向应

10、力的遮扌当作用。gimens等20对grosse-kempf股骨髄内钉作fea发现: 在其上端开孔处应力明显集中,同时在行走时扭转应力增加，单足站立时达最大值。brown等21指出，髓内钉近端设计2颗拉力螺钉可能对那些骨质条件较好和需要拉力螺钉/主钉界面 承担较大载荷的患者有益,但易并发断钉，若将锁钉孔设计成椭圆形，对降低这种并发症并没 有任何作用。这些提示在钉身设计应注意保持厚度一致，锁钉孔部位是折断的好发部位，应作 适当改进，且在骨折未愈吋避免单足站立。w idjaja等22认为，合并骨质疏松的股骨骨折行带 锁髓内钉固定时，锁钉部位的“骨质失败”是最常见的并发症。为此，他们在原内固定的基础

11、 上设计了一种新的内固定系统，通过fea发现这种改良有利于减少骨质和锁钉部位的应力。 wang等23对股骨近段pfn固定不同类型股骨骨折的有限元模型进行分析发现，为使近端2 颗拉力螺钉的应力平均，偏上1颗应稍大一些，这同时能均衡主钉穿孔部位的应力。严世贵等 【35】通过建立三维有限元模型研究charnley elite骨水泥和summit近端多孔if-骨水泥型股 骨假体置换后股骨总体应力以及假体周围骨质区应力分布的变化发现,两种假体植入后均在 股骨近端形成显著的应力遮挡，假体周围骨质应力大小和分布的改变时引起术后骨量丢失和 假松动的原因z,也是术后股骨骨折发生的类型以术后肢体疼痛发生的力学基础

12、。两种固 定方式的假体均需通过进一步改进以减少应力遮挡。5手术评价与术式选择chen等25比较了股骨转子间不同水平的旋转截骨术分別行松质骨螺钉和dhs固定后 的稳定性,fea结果表明松质骨螺钉在近段股骨有明显的应力集中,不正确(特别是远离转子 间线)的截骨，螺钉固定失败的风险较髙，而dhs能提供较好的稳定性和避免固定失败,这与临 床观察结果一致。总的说来，fem有许多独特的优点，能定量获得模型内部的应力变化，在骨折治疗中的应 用范围在横向和纵向上均迅速拓展。但fem:计算结果与有限元模型的质量高低(即与真实 体的相似度)、计算机能力、模型分网程度密切相关,只有在解剖学水平上建立标本模型，增加

13、计算机容量和计算能力才能为临床工作提供更准确的资料;属于理论性分析,其结论只有与 其它研究资料和临床检测结果相结合,才能真实地反映标本的受力状况。目前fem与传统生 物力学方法相结合，在骨科的基础和临床研究中正发挥着越來越大的作用。随着计算机硬件 和软件性能的提高,将來会产生各个患者特异性的模型，并能用于病情评价和制定术前、术后 计划。1李苏皖，卜海富，何 仿，等.正常双腿站立位股骨上段应力分布的三维有限元分析j临床骨科杂志,2003, 61 ： 1 4.2 taylor me, tanner ke, freeman ma.stress and strain distributionwilhi

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22、提出wolff定律以来，人们对股 骨的生物与力学特征进行了广泛研究例如，koch证实骨小梁按主应力迹线排布，当荷载变 化时，骨小梁将按新的应力迹线重新取向3,4. carte:等研究提出股骨小梁体系受力并不 遵从wb班的主应力迹线定律.文献6,7】详细地研究了骨小梁结构与力学性能的关 系.mullende:等8提出骨结构优化的自组织控制模型，并结合有限元方法模拟了股骨结构的 受力过程.keyak等9通过试验和有限元方法模拟研究了静载和冲击荷载下股骨的破坏行 为.cody等io提出应用有限元方法预测股骨颈的断裂强度比应用qct和dxa方法更为有 效.keyak等川利用ct扫描技术构建了股骨结构有

23、限元模型，并利用该模型定量分析了股 骨的破坏荷载.bayraktar等12系统地总结了股骨组织力学性质的实验数据和测试方法，通 过试验详细地测量骨皮质的弹性模量、屈服应变，为准确预测骨组织的破坏性质提供了参考. 王远亮等4系统地总结和分析了骨组织生物力学的研究.王以进等13研究了扭矩对股骨的 破坏作用吴维才等14通过试验研究了扭转荷载下股骨的力学性质.赵宝林等通过试验 研究了股骨下端松质骨的拉伸、扭转、剪切、弯曲等力学性能.李德源等16利用数值模拟方 法分析了撞击荷载作用下具有横观各向同性松质骨的动力响应特征.3 koch jc. the law of bone architecture. a

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