骨密度与老年髋部骨折股骨近端三维有限元模型密度的关系

骨密度与老年髋部骨折股骨近端三维有限元模型密度的关系

林梓凌李鹏飞1庞智晖李钦禄1徐浩煌1郑晓辉杜根发1

(广州中医药大学第一附属医院骨科，广东广州510405)

摘要〔〕目的探究骨密度(BMD)与老年髋部骨折股骨近端三维有限元模型密度的关系。方法选取8例老年髋部骨折，其中4例股骨颈骨折，4例股骨转子间骨折；左侧肢体3例，右侧肢体5例。收集患者双侧髋关节CT资料，运用Mimics软件和abaqus软件对健侧股骨近端进行重建和计算出该模型的密度，并分别测定腰椎BMD。结果股骨转子间骨折组腰椎BMD、三维有限元模型密度，均低于股骨颈骨折组(均P<0.05)。腰椎的BMD与三维有限元模型密度成线性正相关(r=0.881，P=0.004)。结论BMD与老年髋部骨折股骨近端三维有限元模型密度成线性正相关的关系，可为进一步用有限元分析法探讨老年髋部骨折部位与BMD的关系提供理论依据。

关键词〔〕骨密度；髋部骨折；三维有限元；模型密度

中图分类号〔〕R274.13〔文献标识码〕A〔

基金项目：广东省科技计划项目(No.KFC110122K08)

1广州中医药大学

第一作者：林梓凌(1972-)，男，博士，副教授，主要从事骨与关节损伤方面的研究。

髋部骨折作为骨质疏松性骨折是老年人最常见的损伤之一。骨密度(BMD)量是早期诊断骨质疏松，预测骨质疏松性骨折的可靠方法之一。骨质疏松性骨折不仅与BMD有关，还与其内在的骨结构以及与之相关的骨强度有关。传统的实验方法根本无法全面、精确描述骨的应力特性。通过计算机从生物力学的角度进行BMD有限元分析越来越受到重视，但罕见三维有限元模型的密度与临床BMD相关性的研究。本文拟通过有限元(FEA)建立尽可能全面反映骨应力特性的三维模型，通过公式求出模型的密度，从而探究其与临床腰椎BMD的关联性。

1对象与方法

1.1临床资料我院收治的老年髋部骨折女性患者8例，其中股骨颈骨折4例，股骨转子间骨折4例；左侧肢体3例，右侧肢体5例。平均年龄为(79.50±5.58)岁，其中股骨转子间骨折组(83.50±3.78)岁，股骨颈骨折组(76.50±4.20)岁。所有患者均为首次单侧髋部骨折，对侧髋部股骨完好，无损伤病史。受伤原因均为跌倒伤。受伤至就诊时间从伤后15 min～2 w。患者均无严重心肺疾病及代谢性疾病，排除脑卒中及小儿麻痹病史。图像及资料采集方案经家属知情同意。

1.2影像资料收集采用GE64排螺旋CT(广州中医药大学第一附属医院提供)，对双侧髋关节螺旋扫描，然后以Dicom格式保存。扫描条件：155 mAs 120 kV，自股骨头上方至小转子下方层厚2 mm，自小转子下方至股骨中段为8 mm，共扫描65层，长度16.6 cm。每个扫描层的像素矩阵密度大小为512×512。

1.3三维重建及FEA方法

1.3.1三维重建将数据导入Mimic 15.01软件(Materialise公司,比利时)，通过区域增长、腔隙填充、编辑蒙罩、三维重建功能，并通过通过包裹、光滑等工具对模型进行光顺，得到理想的三维有限元模型。

1.3.2体网格划分利用 Mimics软件中FEA/CAD模块下的网格重画器(Remesh)生成面网格模型并进行面网格的优化，最后在Remesh板块中体网格。

1.3.3赋材料属性将划分好体网格的模型再次导入Mimics软件界面，对模型的灰度值进行计算，统计不同部位灰度值，分别赋予10种材料属性。根据灰度值，按照Mimics 提供的经验公式分别得到10种材料属性密度、弹性模量和泊松比，并创建体现材料属性的模型。

1.3.4求出股骨三维模型的质量及密度应用大型有限元分析软件Abaqus6.12 (达索公司，法国)，根据公式自动对应地创建10种材料属性赋值。根据材料属性的模型，计算出三维模型每一材料属性的体单元数目及相应体积，每一材料属性的单元体积与密度的乘积即为该材料属性的体单元数的质量，总和即为该三维模型的质量，然后用质量总和除以体积总和，最终可获得该模型密度。见表1。

1.4BMD测定方法8例患者采用美国 Lunar公司双能X线BMD仪测腰椎的BMD值。

1.5统计学分析采用SPSS17.0软件进行单因素方差分析和线性回归分析。

2结果

2.1两组腰椎BMD比较股骨颈骨折组的腰椎BMD为〔(-3.15±0.54)g/cm2〕，与股骨转子间骨折组〔(-4.05±0.24)g/cm2〕比较差异显著(t=3.046，P=0.02)。

2.2两组三维有限元模型密度的比较股骨颈骨折组三维有限元模型密度为〔(1.34±0.06)×106〕，股骨转子间骨折组为〔(1.15±0.02)×106〕，两组差异显著(t=6.008 3，P=0.03)。BMD仪测腰椎的BMD值与股骨三维有限元模型密度呈线性正相关(r=0.881，P=0.004)。

表1　三维模型的材料属性

3讨论

骨折的危险系数既和外载荷有关，也和骨头的承载能力有关。股骨的承载能力和很多因素有关，主要分内部因素和外部因素〔1〕。内部因素主要是指BMD和骨结构，关于BMD对股骨头承载能力的影响，许多学者已进行了广泛的研究〔2,3〕。在临床上，女性的BMD已用来预测骨折发生的危险性。外在因素包括一些载荷条件，如载荷位置，载荷方向也极大地影响着股骨的承载能力，从而对髋部骨折的临床诊断也起很大作用。

BMD量是早期诊断骨质疏松、预测骨质疏松性骨折的可靠方法之一。骨质疏松性骨折不仅与BMD有关，还与其内在的骨结构以及与之相关的骨强度有关。传统的实验方法根本无法全面、精确地描述骨的应力特性。将有限元数值模拟分析技术应用于生物医学领域是现代医学的一大进步。有限元分析可以数学形式对试件的各种性能、条件进行概括。三维有限元分析在表现骨与关节等组织应力分布的总体趋势〔4〕上有着很大的优势,主要表现在三维有限元分析可以很好地显示出骨骼各部位的应力特性以及受力分析。随着技术的发展，多数的骨强度评价方法已经是建立在CT 扫描基础上的FEA。自FEA 应用以来，不仅范围越来越广泛，而且技术也得到了进一步提高，使其更适于临床的应用。在椎体研究方面，Homminga 等〔5〕将 49 人分成了正常、骨量减少及骨质疏松3 组，分别进行CT 扫描，建立有限元模型以及进行生理性压力、拉力的有限元分析，表明3 组间椎体负荷分布无差别，对骨折没有差异性影响。但与其他两组相比，骨质疏松组小梁骨量的减少增加了骨折的危险性。Crawford 等〔6〕对13 块椎体标本实施了QCT扫描，取得BMD并建立了有限元模型，分析得出，与BMD相比椎体强度与有限元分析结果更具有相关性。Mimics 根据骨骼不同区域的灰度值以及灰度值-密度值-力学属性的经验公式可赋予材料属性〔7〕，很好地解决了为模型分配材料属性的问题。在赋值数目上，参照张国栋等〔4〕利用医学三维重建软件Mimics 根据灰度值确定材料属性的功能，对12例新鲜股骨上段标本进行三维重建后赋予2 种(密质骨及松质骨)及10、20、50、100、200、400 种材料属性，进行有限元分析。结果认为赋予骨骼10 种材料属性即可满足有限元分析的需求，而无需更细分以致加大运算量及数据统计量。所建模型结构包含皮质骨、松质骨、骨髓，与真实的人体股骨结构形状较吻合，符合股骨解剖学结构。通过上述方法构建了人体股骨三维有限元实体模型。但目前尚未有报道研究由这些方法建立起来的模型能否真实反映临床患者的BMD。

本研究基本符合之前学者〔8〕对髋部骨折的流行性病学研究。本研究的局限性：(1)病例数有限，在今后的研究中，需扩大样本量，进一步探讨临床BMD与三维有限元模型BMD的关联性；(2)临床骨密度与三维有限元模型BMD的关系只是研究运用有限元方法研究BMD与髋部骨折部位的基础，接下来需模拟患者跌倒姿态进行边界设置及骨折应力分析，对应力分析结果与患侧骨折实际情况进行验证；(3)本模型只涉及骨骼，未来可以通过对肌肉、筋膜、韧带等软组织的试验力学测试，获得相关的材料参数后，可以将肌肉、韧带等软组织的有限元模型建立起来，继而进行力学分析，获得更接近人体真实情况的分析结果。

4参考文献

1Lefauveau P,Fardellone P.Extraskeletal risk factors for fractures of the proximal femur〔J〕.Joint Bone Spine,2004;71(1):14-7 .

2Wachter NJ,Augat P,Hoellen IP,etal.Predictive value of singh index and bone mineraldensity measured by quantitative computed tomography in determining the local cancellous bone quality of the proximal femur〔J〕.Clin Biomech (Bristol,Avon),2001;16(3):257-62.

3Lotz JC,Cheal EJ,Hayes WC.Fracture prediction for the proximal femur using finite element models:Part Ⅰ——Linear Analysis〔J〕.J Biomechan Engineer,1991;113(4):353-60.

4张国栋,廖维靖,陶圣祥,等.股骨有限元分析赋材料属性的方法〔J〕.中国组织工程研究与临床康复,2009;13(43):8436-41.

5Homminga J,Weinans H,Gowin W,etal.Osteoporosis changes the amount of vertebraltrabecular bone at risk of fracture but not the vertebral load distribution〔J〕.Spine,2001;26(14):1555-61.

6Crawford RP,Cann CE,Keaveny TM,etal.Finite element models predict in vitro vertebralbody compressive strength better than quantitative computed tomography〔J〕.Bone,2003;33(4):744-50.

7Taylor WR,Roland E,Ploeg H,etal.Determination of orthotropic bone elastic constants using FEA and modal analysis〔J〕.J Biomech,2002;35(6):767-73.

8韦正超,蔡道章,戌利民,等.老年髋部骨折的病因与年龄、性别、骨折部位的关系:243例回顾性分析〔J〕.中国临床康复,2004;8(32):7110-1.

〔2014-07-15修回〕

(编辑李相军/滕欣航)