单臂外固定架固定股骨粗隆间骨折肌骨三维有限元模型的建立

王爱国，谷福顺，郑昆仑，张荣位，李瑞峰，胡志刚，张　健

实验研究

单臂外固定架固定股骨粗隆间骨折肌骨三维有限元模型的建立

王爱国1，谷福顺1，郑昆仑1，张荣位1，李瑞峰1，胡志刚2，张健3

目的：运用有限元方法建立单臂外固定架固定股骨粗隆间骨折肌骨三维有限元模型。方法：将CT数据文件（DICOM文件），经Simpleware软件进行三维重建处理得到股骨及外固定架的三维几何模型。从Anybody软件中建立正常人体股骨模型，并与股骨外固定架模型(stl几何模型)一同导入Geomagic Studio软件中，将两组模型进行比对配准，将外固定架模型的位置调到与Anybody模型的位置一致。将配准好的股骨外固定架模型导入Anybody软件中。通过Simpleware得到的网格模型（inp格式）导入到Abaqus软件中，同时在模型中给各部分赋予不同的弹性模量。结果：通过几何模型生成、网格划分、几何模型配准、股骨肌肉力的提取及不同弹性模量的赋予，建立了完整的单臂外固定架固定股骨粗隆间骨折肌骨三维有限元模型。结论：相比传统的有限元模型，本模型的分析结果将更加真实可靠，为中医“筋骨”作用机制理论研究提供理论支撑。

单臂外固定架；股骨粗隆间骨折；肌骨三维有限元模型

髋部骨折的发生率目前已经占到了老年骨折的首位，而粗隆间骨折占到了老年髋部骨折的一半以上。国内外绝大多数学者认为，只要没有手术禁忌证,手术治疗应当作为首选方案[1-2]。多数老年患者常合并有全身疾患，如脑梗塞、糖尿病、心肺脑肾脏疾病等，采用内固定手术或人工关节置换可能会危及患者的生命。我们在中医“筋骨并重”理论指导下，采用单臂外固定架治疗，取得了满意的疗效[3-4]，但其作用机制尚需进一步研究。我们运用单臂外固定架固定股骨粗隆间骨折CT数据，建立了肌骨三维有限元模型，报道如下。

1　材料及方法

1.1标本健康老年人，男性，63岁。排除全身严重疾患及外伤史，行股骨正侧位X光片排除骨折。

1.2设备16排螺旋 CT扫描机（西门子）；I7/ 2.0 G CPU及2 GB内存的计算机。

1.3软件Simpleware6.0(Simpleware，英国)；Abaqus6.12(Dassault Systems，法国)；AnyBody5.3(AnyBody Technology，丹麦)。

1.4单臂外固定架材料单臂外固定架由5根不锈钢半螺纹钉、1根碳素棒及5个棒针夹钳连接而成。5根不锈钢半螺钉，直径6 mm，长度分别为2个180 mm、3个130 mm；1根碳素棒，直径11 mm，长度250 mm。

1.5单臂外固定架固定股骨粗隆间骨折示意图见图1。

图1　单臂外固定架固定股骨粗隆间骨折示意图

1.6模型中参数设计对单臂外固定架及股骨粗隆间骨折模型进行统一编号，单臂外固定架中的五根不锈钢半螺纹钉相对于人体由近及远编为1、2、3、4、5号；棒针夹钳由近及远编为6、7、8、9、10号；碳素棒编为11号。股骨粗隆间骨折也由近及远编号，12号为骨折断面以近；13号为骨折断端；14号为骨折断面已远。见表1。

表1　单臂外固定架及股骨粗隆间骨折模型编号

2　结果

2.1单臂外固定架固定骨折整体几何模型的建立几何模型生成：将CT数据文件（DICOM文件），经Simpleware软件进行三维重建处理得到股骨及外固定架的三维几何模型。

通过CT数据，分割图像，并对图像进行优化，建立每个组分独立的三维几何模型，并输出为stl格式文件。不同组分（共14个）用不同颜色表示。见图2。

图2　单臂外固定架固定股骨粗隆间骨折几何模型示意图

将模型导入Simpleware的FE模块中，设置输出单位、网格属性、材料属性以及接触对。

进行网格划分，并输出inp格式的文件，完成后的三维网格模型见图3，其节点单位数量见表2。

图3　几何模型网格划分示意图

几何模型配准：从Anybody软件中建立正常人体股骨模型，并与股骨外固定架模型(stl几何模型)一同导入Geomagic Studio软件中，将两组模型进行比对配准，将外固定架模型的位置调到与Anybody模型的位置一致。

2.2股骨肌肉力的提取将配准好的股骨外固定架模型导入Anybody软件中。Anybody中置换前后图像如图4所示。

表2　三维网格模型节点单元数量统计表

2.3有限元建模有限元模型生成：将通过Simpleware得到的网格模型（inp格式）导入到Abaqus软件中。如图5所示。

材料属性设置：骨折断端以近即12号及骨折断端已远即14号视为均质、各向同性、线弹性的，弹性模量为12 GPa，泊松比为0.3；1～5号（不锈钢半螺纹钉）光滑圆柱体模型，弹性模量110 GPa，泊松比为0.3[5]；6～10号（棒针夹钳）规则长方体模型，弹性模量110 GPa，泊松比为0.3；11号（碳素棒连杆）圆柱体模型，弹性模量44.3 GPa，泊松比为0.3；骨折断端即13号赋予弹性模量0.01 MPa[6]。

3　讨论

筋骨并重是中医伤科疾病的重要病机，是对人体中骨与软组织关系处理的准则[7-8]。其实质是由始至终在诊断、复位、固定、康复各个治疗阶段中都强调要筋骨并重，就是要尽可能的减少损伤程度与再损伤的发生，特别是对软组织要充分加以合理维护，其在骨折治疗当中具有十分重要的作用。筋是指筋络、筋膜、肌腱、韧带、肌肉、关节囊、关节软骨等的总称。《灵枢·经脉》说：“筋为刚”。《素问·五藏生成论》曰：“诸筋者皆属于节”。《素问·痿论》曰：“宗筋束骨而利关节也”。《正骨心法要旨》对其论述更为详细，如髌骨“有筋联属，其筋上过大腿……下过胫骨”，跟骨“其筋从跟骨过踝至腿肚里”。从古人的文献中我们可以得知人体的筋都附着于骨上，且筋的功能坚劲刚强，能约束骨骼，主司关节活动。因此在股骨粗隆间骨折的治疗当中，应充分运用中医骨伤“筋骨并重”理论，考虑“筋”对骨折固定及术后康复的影响。

图4　几何模型股骨肌肉力提取过程示意图

图5　几何模型导入Abaqus软件示意图

外固定属于中医固定骨折的一种方法。早在1742年吴谦等编著的《医学金鉴·正骨心法要旨》，就记载有我国古代曾使用的外固定器，名抱髌器，书中曰：“抱髌者，有四足之竹圈也。以竹片作圈，较膝盖稍大些许，再用竹片四根，以麻线紧缚圈上作四足之形，将白布条通缠于竹圈及四足之上，用于膝盖，虽拘制而不致痛苦矣”。其治疗骨折，不破坏骨折周围组织及血供，不剥离骨膜，无骨皮质萎缩,骨折周围血肿依靠骨外膜的成骨细胞侵入形成外骨痂。其治疗骨折是顺乎自然，合乎生理,符合生物力学,适应骨组织的生物性能[9]。其最大特点为既有固定作用又有复位作用，属于弹性固定，可在功能锻炼过程中利用生理应力自身磨造，使骨折复位更臻完善。同时使卧床时间明显减少,将复位和固定融为一体,有利于早期功能锻炼,并能在骨折断端产生一定的生理应力刺激,充分体现了中医伤科的基本原则：筋骨并重。符合微创理念，继承和发扬了CO（Chinese orthopedics）学派的“有限手术论”,减少了软组织与血供的损伤,且保留关节的活动,使骨折愈合与功能康复同步进行[10]。

人体运动仿真模型是人体计算分析的革命性的技术，使人机工程学成为一门定量的学科，利用计算机辅助手段进行生物力学分析，通过软件提供的系统建模方法及患者的CT扫描图像，建立患者完整的骨肌系统。它通过软件进行计算机辅助人机工程学方面模拟研究，用于计算人体对于环境的反应，兼与人机工程学和生物力学分析，为人体运动建模、人机工程学产品性能改进和生物医学工程研究提供了一个新颖的平台[11]。袁高翔等[12]运用有限元方法建立了一种新的股骨转子间骨折模型，认为其模型划分的网格更密、单元个数更多，能更好地反映股骨转子间骨折的真实情况，可指导临床治疗。与以往利用结构正常的尸体股骨人为制成一种简单的股骨转子间骨折模型进行有限元分析的模式相比，具有更接近临床实际真实情况。张凯瑞等[13]利用不同材质CT图像的灰度值不同分配材料的弹性模量并赋予泊松比，提高了股骨转子间骨折模型的精确度。同时利用专业网格划分软件Hypermesh 10.0，划分单元质量高，单元大小合理，网格模型形态与实体模型形态一致，计算结果更精确。但以上模型均只考虑骨的情况，没有涉及肌肉的影响。

本次单臂外固定架固定股骨粗隆间骨折肌骨三维有限元模型的建立，将安装外固定架后的股骨，替换AnyBody人体模型正常股骨，得到我们所要研究的患者模型，得到患者外固定架固定以及附着在股骨上的髂腰肌、阔筋膜张肌、臀中肌、臀大肌、梨状肌、股方肌等肌肉，从而为有限元计算确立了完整的、真实的载荷环境。相比传统的有限元特定值载荷分析，本模型的分析结果将更加真实可靠，从而为中医“筋骨”作用机制理论研究提供了科学的数据支撑。其优势在于，在下一步研究工作中能模拟患者各种日常姿态和行为活动（如静态站立、步态行走等），还可以研究骨骼肌肉与周围环境（如内植入物、外固定架等）的交互影响。通过软件的逆向动力学算法，可以分析肌肉与骨骼受力特性，计算模型中各骨骼、肌肉和关节的受力，肌腱的弹性能、拮抗肌肉作用和其它有用信息[14-15]。

[1]Cole RE.Clinical strategies to address patients’concerns in osteopo⁃rosis management with bisphosphonates[J].Postgrad Med，2011，123(2)：131-144.

[2]Hughson J，Newman J，Pendleton RC．Hip fracture management for the hospital-based clinician：a review of the evidence and best practicesHosp Prac[J].Hosp Pract(1995)，2011，39(1)：52-61．

[3]谷福顺,王爱国,郑昆仑,等.手法复位加单臂外固定架治疗高龄股骨粗隆间骨折96例[J].中国中医骨伤科杂志,2010,18（6）:20-21.

[4]郑昆仑,王爱国,谷福顺,等.手法复位加单臂外固定架治疗高龄股骨转子间骨折的临床研究[J].中医正骨，2011，23（7）：483-485.

[5]Bryan R,Nair PB,Taylor M.Use of a statistical model of the whole femur in a large scale，multi-model study of femoral neck fracture risk[J].J Biomech,2009,42(13):2171-2176.

[6]杨黎明.后冠状位劈裂的股骨转子间骨折有限元分析及病理汇报[J].衡阳:南华大学,2010：1-53.

[7]高泉阳，赵俊峰，郝军.筋病理论在骨折治疗中的应用[J].中医正骨,2014,26(1):72-73.

[8]薛少驰，张德林，王辉，等.浅述“筋骨并重”[J].河南中医,2014,34 (10):1944-1945.

[9]李跃飞，田贺，张文泰.中西医结合治疗四肢骨折[J].长春中医药大学学报,2015,31(2):316-317.

[10]Tang SJ.Discussion on the theory of paying equal attention to sin⁃ew and bone in China osteosynthesis[J].J Acupunct Tuina Sci,2015,13(5):328-331.

[11]王佳蕾,刘奇.人体个性化模型快速构建及骨骼匹配与运动仿真[J].中国医学影像技术,2014，30(10)：1579-1582.

[12]袁高翔，王蕾，张伟滨，等.动力髋螺钉与股骨近端防旋髓内钉治疗骨质疏松性股骨转子间骨折的有限元比较研究[J].中华创伤骨科杂志,2012,14(10):876-881.

[13]张凯瑞，余斌，戴海飞,等.动力髋螺钉与经皮加压钢板固定股骨转子间骨折的三维有限元分析[J].中国矫形外科杂志,2012,20 (6):537-540.

[14]刘书朋,司文,严壮志,等.基于AnyBodyTM技术的人体运动建模方法[J].生物医学工程学进展，2010，31（3）：131-134.

[15]单丽君，胡忠安.基于AnyBody的髋关节康复训练肌肉力的分析[J].大连交通大学学报，2014，35（1）：50-52.

（收稿：2015-02-06修回：2015-04-26）

（责任编辑李秀兰）

文稿所含图表的具体要求

本刊采用三横线表，如遇有合计和统计学处理内容（如t值、P值等），则在此行上面加一条分界横线；表内数据要求同一指标有效位数一致，一般按标准差的1/3确定有效位数。表格中注释用的角码符号采用单个角码的形式，按a、b、c、d、e、f…顺序选用，在表注中依先纵后横的顺序依次标出。单一角码用于表示P＜0.05；若用表示P＜0.01，则用双角码，如“aP＜0.05；aaP＜0.01”。线条图的高宽比例以5∶7为宜。

图片要求有良好的清晰度和对比度，建议采用tif格式，按其在正文中出现的先后次序连续编码。组织（病理）学图片应注明染色方法和放大倍数。图片若为人像，应征得本人的书面同意，或遮盖其能被辨认出系何人的部分。

照片的大小以9 cm×6 cm为宜，每幅照片的背面应贴上在正文中出现的序码并注明上下方向。大体标本照片应有尺度标记。照片中需标注的符号(包括箭头)请另用纸标上，不要直接写在照片上，照片不可折损。机上下载的大体和组织、细胞图片应改拍为像片刊出。

数字的具体要求

表示特定起点与终点定界的时间段时，起点与终点之间以一字线即“—”为分隔符，而不再用波纹线即“～”表示，如2008—2011年(不再用2008～2011年)。除上述时间段之外的其他计数、计量范围的表示，仍然用波纹线“～”，如2～6 kg。表示百分数的范围和偏差时，前一个数字的百分符号不能省略，如：5%～95%不能写成5～95%，（50.2±0.6）%不能写成50.2±0.6%，37℃± 1℃不能写成37±1℃。附带尺寸单位的数值相乘，按下列方式书写：4 cm×3 cm×5 cm，不能写成4×3×5 cm3。幂次相同的参数范围，前一个参数的幂次不能省略，如3×109～5×109不能写成3～5×109，但可写成(3～5)×109。数字的有效位数一般按标准差的1/3来确定，如(3.6±0.42)kg，标准差的1/3为0.14，有效位数在小数点后1位，故应取小数点后1位，即(3.6±0.4)kg；又如(8.61±0.27)cm，标准差的1/3为0.09，有效位数在小数点后2位，故应取小数点后2位，即(8.61±0.27)cm。百分数的有效位数要以分母确定：分母＜10，不用百分数表示，宜用分数表示，如5/7；分母10～99，百分数到个位，如57%；分母100～999，百分数到数点后1位，如57.0%，其余以此类推。

The Model of Musculoskeletal Three-dimensional Finite Element in Fixtion of Intertrochanteric Fracture about Single Arm External Fixation Frame

WANG Ai-guo,GU Fu-shun,ZHENG Kun-lun,et al. Second Affiliated Hospital of Tianjin University of TCM，Tianjin(300150),China

ObjectiveTo establish the model of musculoskeletal three-dimensional finite element in fixa⁃tionofintertrochantericfractureaboutsinglearmexternalfixationframebyfiniteelementmethod. MethodsTo reconstruct the three-dimensional geometric model of the femoral and external fixator by CT data file(DICOM)in Simpleware software.To establish the model of normal human femur in Anybody software import the Geomagic Studio software together with femoral external fixator(stl geometric model),The two groups of mod⁃el calibration were compared,the position of the external fixator model was transferred to the location of the Any⁃body model.The calibration femoral external fixator model was imported to anybody software.The mesh model (inp format)of simpleware was imported into the Abaqus software,at the same time to give the parts of the mod⁃el in different modulus of elasticity were given.ResultsThrough reconstruct geometric model,mesh genera⁃tion,model calibration,the extraction of femoral muscle force and different modulus of elasticity given,a three-dimensional musculoskeletal finite element model was obtained.ConclusionCompared with the tradi⁃tional finite element model,the model analysis results will be more reliable,thus providing theoretical support for"jingu"mechanism of traditional Chinese medicine.

Single arm external fixation fram;intertrochanteric fracture;musculoskeletal three-dimensional finite element model

R683.42

A

1007-6948(2015)06-0592-05

10.3969/j.issn.1007-6948.2015.06.013

天津中医重点专科；天津市中医管理局中医、中西医结合科研课题（13106）；天津市高等学校科技发展基金计划项目（20120217）

1.天津中医药大学第二附属医院（天津 300150）

2.河南科技大学医学技术与工程学院（洛阳 471003)

3.上海硅步科学仪器有限公司（上海 200030）

谷福顺，E-mail：gufushun@126.com