有限元分析在髋关节生物力学中的研究进展

黄小龙 王拓 刘飞 胡华辉 全仁夫*

有限元分析在髋关节生物力学中的研究进展

黄小龙 王拓 刘飞 胡华辉 全仁夫*

髋关节（hip joint），由股骨头与髋臼相对构成，起着不可或缺的支撑和活动作用。其生物力学研究近年来受到普遍关注。有限元分析法是研究髋关节受力的一种重要方法，较以往的生物力学方法具有明显的优势，已成为髋关节生物力学研究的热点［1］。本文对有限元分析在髋关节生物力学中的相关应用及进展进行综述。

1　有限元方法应用概述

有限元分析法作为数值计算中的一种离散化方法，是矩阵方法在结构力学和弹性力学等领域中的发展和应用，是将一个由无数个质点组成的自由连续体划分为有限个小单元体所组成的集合体。对每一单元假定一个合适的较简单的近似解，然后推导求解这个域总的满足条件，从而得到问题的解（近似解）。针对人体的有限元分析概括起来大体上包括图像扫描-三维重建-体网格划分-赋予材料属性-有限元分析等基本步骤。而今，随着计算机技术的发展，更加先进﹑精确的分析程序的开发，有限元法的应用，从最初的简单应力分析功能不断地完善与扩大。随着新一代具备强大图像处理功能的医学有限元分析软件的出现，以及有限元方法和其他虚拟数字技术的相结合，功能更强大的计算机和软件能够自动从CT/MRI或虚拟数据中提取特征性参数或重要几何细节，从而直接产生有限元模型。而且，有限元分析法（FEA）实现从二维到三维的飞跃，取得较多新进展。Andriacchi等［2］最早采用二维有限元研究全髋关节置换后早期股骨干疲劳骨折的影响因素。二维有限元分析法建模比较简单，构建不规则形态和多种材料复合物模型过程相对复杂，错误率高，存在影像重叠失真的问题。而三维有限元分析法建模得出的结果更准确，但由于其运算量较大，对计算机的硬件配置要求较高。除建模方式的与时俱进，处理分析数据的相关软件也组建多样化。今后有限元模型的发展势必将走向智能化﹑网络化﹑集成化﹑面向临床应用。

作者单位：310053 浙江中医药大学 （黄小龙 王拓 刘飞 胡华辉）311200 杭州市萧山中医院 （全仁夫）*通讯作者

2　有限元分析法在髋关节领域的应用及进展

2.1髋关节有限元模型建立 在髋关节中，股骨最早被应用于有限元分析，股骨有限元模型的建立为其生物力学研究展现了一个全新的舞台［3］。有限元分析方法对髋关节的结构形状﹑载荷边界条件﹑材料性能极其复杂的构件进行应力应变分析，可通过改变其中任何一参数来观察其对整个结构的影响，从而对髋关节复杂的结构有较好的适应性，能够模拟较多的临床状态，从而更好地分析髋关节在生理与病理过程中的力学变化。且具有实验时间短﹑费用少﹑力学性能测试全面及可重复实验等突出优点等。周纳新等［4］基于正常人体的髋关节CT片，应用CAD造型软件minics 10.1﹑magics13.0软件和abaques 6.9 软件，采用四面体网格划分方法，建立人工全髋关节三维有限元模型，较好的显示皮质骨，松质骨，韧带（髂股韧带﹑股骨头韧带﹑耻骨韧带﹑坐骨韧带﹑轮匝韧带）之间界面的形态，相比其它的模型更加接近真实。李永奖等［5］采用活体髋关节为标本，应用 CT 扫描技术及图形数字化方法获取髋关节的三维坐标，输入有限元分析软件，并通过确定材料特性参数和网格化，建立髋关节的三维有限元模型。亦有学者尝试建立包含肌肉﹑韧带组织等软组织在内的骨盆髋臼3D有限元模型，为观察髋关节内各关节活动﹑骨盆力学环境的变化提供模型基础［6］。

2.2髋关节相关疾病的有限元分析 有限元分析现已被越来越多应用于人体骨骼﹑关节和肌肉的相关研究，在骨科生物力学领域占有重要的地位［7，8］。有限元分析对人体髋关节相关疾病的研究有明显的优越性。在对人体髋关节正常生理及病理力学结构进行研究时几乎无法直接进行力学实验，而采用有限元数值模拟力学实验已成为一种有效的方法，既可为髋关节疾病的力学分析提供理论平台，又可为判断疾病的进展及预后的评估和治疗方法的选择提供更为科学理论依据。（1）股骨头坏死有限元分析：股骨头坏死会导致坏死区的逐渐塌陷。周建伟等［9］采用球囊扩张骨水泥填充治疗股骨头缺血坏死，后进行有限元分析和生物力学研究，从而得出：球囊扩张骨水泥填充股骨头坏死区域，增强股骨头的支撑能力，能够有效抵抗股骨头塌陷，可能避免股骨头塌陷进一步进展。林永亮等［10］创建不同大小的股骨头坏死病灶，及各病灶钽棒植入后的三维有限元模型，观察钽棒植入手术对不同分期的股骨头坏死应力集中的影响，确定最佳的手术时机，指导临床上应用该术式治疗股骨头坏死。庞智晖等［11］基于患者围塌陷期股骨头坏死的CT和MRI资料，应用Mimics软件进行三维重建和坏死区的形态学定量研究，建立股骨头坏死个体化三维有限元模型，应用ABAQUS软件进行量化的有限元分析和保髋手术规划。完善股骨头坏死围塌陷期“围观辨证论治体系”体系，有助于进一步明确保髋手术指证﹑优化保髋方案，并提高保髋疗效。赵万鹏等［12］通过MRI三维重建，对坏死股骨头的塌陷情况作有限元分析，结果表明正常载荷（300N）下股骨头坏死组织≥40%就有发生塌陷的危险，坏死组织＜ 40%时则在较大载荷下才发生塌陷的危险，这为预见股骨头坏死进展提供了依据。（2）髋关节骨折有限元分析：骨折是日常生活中多发的髋关节创伤疾病，了解骨折好发的位置以及相关机制十分重要。骨盆﹑髋臼作为人体承上启下的重要结构，在人体活动过程中处于重要地位，其解剖不规则，导致骨盆髋臼骨折的治疗对于骨科医生依然是一大挑战［13］。何荣新等［14］研究认为全髋置换前股骨近端的股骨距与粗隆下区域应力较高，当大转子处突然受到较高的暴力时容易造成转子的骨折。陈振沅等［15］建立股骨近段三维有限元模型，探讨股骨转子间六部分骨折分型的产生机制及临床意义，显示骨转子间六部分骨折分型符合人摔倒时转子部所受的复杂应力情况，结合CT三维重建，较以往的分型更加直观，并可根据不同分型选择手术方式。Keyak等［16］评估基于定量CT的股骨近端有限元模型预测站立及侧身跌倒时骨折部位和类型的能力，认为有限元分析预测股骨骨折部位的准确率约60%～70%。王炜等［17］通过Evans-Jensen's Ⅰ﹑Ⅱb型股骨转子间骨折的滑动髋螺钉（DHS）﹑股骨近端防旋髓内钉（PFNA）内固定有限元模型，通过4种模型有限元分析﹑对比研究股骨小转子在该类骨折中的维稳作用和模型中内固定的安全性发现在有限元角度，股骨小转子在股骨转子间骨折内固定手术中具有稳定支持作用，在Evans-Jensen'sⅡb型骨折中应用DHS系统进行内固定是不安全的，PFNA是比较理想的内固定器械。（3）髋关节发育不良（DDH）有限元分析：DDH是一种临床较为常见的髋关节畸形，国外文献报道发展中国家DDH发病率0.5%～2%，我国约1‰［18］。因此，有限元分析在髋关节发育不良方面的应用近年来已越来越引起重视，成为新的研究领域。李冬松等［19］对成人髋臼发育不良内壁内移截骨的有限元分析发现，髋臼内壁截骨的内移最佳位置在完全陷入骨盆腔1mm处。刘桂奇等［20］通过CroweⅣ型髋关节发育不良骨盆有限元模型的构建，探索出一种快速建立骨盆三维有限元模型的方法，并对发育性髋关节脱位患者假髋臼周围的受力情况进行初步分析。李长有等［21］分别建立正常﹑髋臼发育不良及髋臼过度覆盖的髋关节三维有限元模型，结果显示髋臼覆盖程度降低所致生物力学改变在髋关节继发性骨关节炎中起重要作用。

2.3有限元分析法在髋关节置换领域中的应用 有限元分析最为广泛地应用于人工髋关节置换的研究，分析人工髋关节置换术前术后应力的分布情况［22］。以往有对假体置换后的有限元分析首先建立正常股骨的三维有限元模型，体外假体模型，按照股骨头假体置换的手术安装步骤，应用计算机模拟切割安装，建立髋关节置换后的有限元模型，研究全髋关节置换术前术后髋关节应力的分布情况［23］。现今有限元分析还用于骨水泥残余应力的细致分析﹑应力遮挡的深入研究，并对很多种新设计的假体和假体优化设计方案提出新观点，同时在髋关节置换术后假体表面聚乙烯磨损和脱位的研究也取得进展。（1）有限元分析法在全髋关节置换中股骨假体的应用： Andriacchi等［24］最早采用二维有限元研究全髋关置换后早期股骨干疲劳骨折的影响因素。刘文广等［25］对水泥型人工髋关节置换治疗老年Evans Ⅰ～Ⅲ型粗隆间骨折股骨假体的生物力学特性研究发现：股骨假体的应力分布和人工全髋关节置换后股骨假体的应力分布情况相似；长柄股骨假体的各应力集中峰值比短柄股骨假体高，但均未超过金属断裂的应力极值。钟务学等［26］通过采用体绘制建立股骨三维模型，所建实体模型可以反映股骨内结构，生物仿真度高，再利用其有限元分析方法可以模拟股骨在不同状态下的力学载荷，精准模拟反映股骨应力分布。郝思春等［27］建立股骨偏心距对全髋关节置换术中应力水平影响的三维有限元分析模型，得出结论：股骨偏心距对THA应力水平的影响巨大，重建股骨偏心距有利于恢复外展肌力臂﹑重建正常髋关节的生物力学。吕大伟等［28］对老年人股骨颈骨折股骨头置换术中短柄假体进行有限元分析，结果显示短柄假体所受最大mises应力较常规股骨假体明显减小，力学传导模式仍为远端应力集中，最大mises 应力仍出现在张力侧。显示出老年人股骨颈骨折关节置换术中短柄假体力学特性优越。王宇等［29］同样建立表面髋关节置换三维有限元模型，为今后髋关节表面置换提供可靠的股骨生物力学依据。（2）有限元分析法在髋臼假体研究方面的应用：髋臼和股骨假体的准确植入是全髋关节置换术成功的关键。现有的THA的假体研究大部分集中于股骨端假体的优化研究。而大量长期随访显示，髋臼假体相对于股骨端假体有较高的松动和翻修率，髋臼假体的体内驻存率明显低于股骨干假体。Hedia等［30］通过轴对称有限元模型分析骨水泥型金属臼杯所受应力情况，认为金属臼杯设计时的厚度不应保持一致，臼杯弧顶部应加厚而边缘应变薄，这样可防止假体周围部骨-水泥及水泥-金属之间的疲劳破损，且防止对髋臼弧顶部的应力遮挡。有限元三维重建髋臼模型对于复杂髋臼重建的术前计划提供较大帮助。Patil等［31］对髋臼假体置入位置的有限元分析研究表明，髋臼假体放置位置对假体磨损影响较大。许杰等［32］建立髋臼发育不良者全髋置换中置入不同直径髋臼杯的有限元分析模型，结果发现：髋臼发育不良患者全髋关节置换时应在保证骨床包容的前提下，选择较大直径的髋臼杯，这样有利于应力的均匀分布，同时应尽量避免或减少扩大磨锉髋臼骨床所导致的髋臼内壁穿破。潘浩等［33］利用三维有限元仿真的方法研究全髋关节置换术治疗成人髋关节发育不良时3 种不同髋臼假体位置与髋臼假体初始稳定的相关性，研究表明髋臼假体在真臼位置安放的解剖重建，出现应力集中和大剪切应力的可能性最小，穿透内移安放的模拟应力分布略高于真臼重建，而在假体上移高位安放的模拟则出现预测应力大幅增加。Korhonen等［34］经有限元分析发现，髋臼杯设的几何形态﹑厚度和外展角，甚至股骨头与髋臼杯的间隙改变，均会影响应力分布。

3　展望

髋关节具有独特的解剖学特点及复杂的生理功能，其生物力学研究已日益受到重视。有限元方法作为一种新兴方法，不仅降低实验成本﹑节省时间﹑消除标本间个体差异，还可以灵活控制实验条件，重复或通过调节物质的材料属性，既可以测得实验对象的外部受力情况，又可分析实验对象内部的应力变化，进而提高临床诊断的准确性。从理论上讲，这可弥补动物实验﹑物理实验和体外实验的不足，为制定髋关节最佳手术方案提供最有价值的信息。随着有限元分析法的发展和计算机技术的日益成熟，所应用的软件不断升级，建模方法也日益多样化，仿真度也不断提高，建立的髋关节有限元模型模拟不仅是髋部的钢性结构部分，也观察髋关节周围的软组织对关节活动的影响情况，以建立完整的骨骼肌肉髋关节模型。

现有的髋关节置换术假体有限元分析大部分集中于股骨侧假体的优化研究，在髋臼假体研究方面的应用相对较少，而大量的长期随访结果显示，髋臼假体的松动和翻修相对高于股骨侧假体，髋臼假体的体内驻存率明显低于股骨假体。在今后的科研中希望可以应用有限元分析法，尝试进行相关研究，探讨髋关节发育不良继发骨关节病，特别是高位髋关节脱位患者的最佳髋臼重建方法，从而指导临床工作，降低聚乙烯磨损所致的关节假体的松动率与假体翻修率。

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浙江省卫生和计划生育委员会医药卫生科技计划基金项目（2014KYA191）