有限元分析法在我国脊柱外科的应用现状及医工合作前景展望

高军伟 夏英鹏 天津市人民医院 脊柱外科 （天津 300000）

内容提要： 当前，有限元分析法已经被广泛的应用到了脊柱外科领域中，应用的成效也是相对良好的，得到普遍的认可。但是不可避免的存在一些缺陷问题，诸如软硬件获取受限、通用模型匮乏以及非骨性结构建模缺少精准度等，属于对其发展构成影响的重要方面。在此文中，对于有限元分析法应用于我国脊柱外科的现状进行分析，并且提出医工合作前景的展望。

有限元分析法的优势是较多的，例如能够对骨等生物结构内部受力和形状的改变等进行展示，同时把受力、形变按照直观的图形表现出来，同时也可以将脊柱内固定物自身的受力状态进行体现，或者对于相同的脊柱模型多次的展开试验，保障各干预措施施加对象具有一致性等。所以，研究有限元分析法在我国脊柱外科的应用情况，探索未来发展的趋势意义巨大。

1.有限元分析法在我国脊柱外科的应用现状分析

（一）颈椎有限元分析法

在最初，颈椎有限元分析是对以二维模型替代椎体进行研究，之后发展为将CT扫描和三维重建技术为基础的椎体精细有限元网格构建，再发展为多节段颈椎椎体建模同时再现椎间盘、小关节、韧带等非骨性结构的过程。国内的学者所形成颈椎有限元模型[1]，是采取四面体壳单元划分，以线性黏弹性材料展开处理髓核，对不同关节的关节面属性进行定义，相关的指标相似于体外实验。也有学者形成数字力学人颈椎运动节段有限元模型、人体脊柱全颈椎三维有限元模型等[2]。实验显示，这种模型的生物逼真度是较高的。在应用方面，国外的学者经有限元方法再现颈椎间盘受力后的形变，我国学者展开深入的阐述脊髓损伤机制[3]。

（二）胸腰椎有限元分析法

我国在研究胸腰椎有限元分析法时，重点关注的方面不同于颈椎，主要是对胸椎、腰椎解剖结构等特征进行分析，和相异环境下甚至疲劳骨折或者损伤状态中的生物力学性质情况。在此前提下，学者对各种形式手术举措产生的生物力学成效进行分析。结果显示，通常模拟手术以置入内置物的操作能够得到良好的成功率。

（三）常见脊柱疾患的有限元分析法

现下，在诸多的研究领域中已经更加广泛的应用到有限元分析法，而且均是针对热点的领域，包括骨质疏松、脊柱侧凸和退行性改变等。很多专家学者通过实施这一分析方式，实现了对病椎以及伤椎相关结构的应力分布的研究，并且深入的探索骨质疏松结构改变、出现骨折的机制、脊柱疾患外科手术生物力学效果评估等等内容[4,5]。

（四）有限元分析法在脊柱内固定医疗器械的应用

有限元分析法属于数值计算中的一种离散方法，为矩阵方法于结构力学以及弹性力学中的应用以及发展，同时也为电测法、机械法以及荷光弹法以后的新型应力分析方法，可以把诸多质点所形成物体分为有限个结构形态简单同时力学特性已知的单元。近些年来，国外学者分别形成椎间盘模型、腰椎三维有限元模型、C-D系统生物力学分析，采取有限元法进行深入的分析所研究医疗器械，结果显示出一致于实验生物力学的测试结果，同时分析器械内部结构方面具有重要的优越性。例如，能够逼真构建研究对象的结构模型，显现出标本的结构形状以及材料性能等；可以实施实验条件仿真模型，模拟各种弯曲、拉伸以及扭转等力学实验；可反复的应用相同模型展开各加载和状况计算等。

2.我国脊柱外科应用有限元分析法的障碍问题探究

（一）缺少脊柱通用模型

虽然脊柱外科领域中应用有限元分析法已经相对普遍，但是依然具有数据积累有限的问题需要解决。主要的表现诸如，赋值脊柱周围韧带和椎间盘等结构期间，仅仅依靠经验公式的借鉴，而忽略严谨的考虑个体差异性情况。另外，部分试验的医务人员通常是仅重视学习以及应用各种软件，不重视科学的选择经验公式以及验证，进而引发试验不具有牢固性，缺少科学的方法基础，最终对结果精准度造成不同程度的影响。而且如果对每一项研究均展开实体验证，则会产生多次的建模问题，也会产生浪费资源的问题。所以，急需构建起普遍公认的模型，得到最佳的传输以及应用成效。

（二）脊柱非骨性结构建模缺少精确度

我国所应用的有限元分析法主要是在椎体以及小关节等骨性的结构中进行实践，在建模期间，建构骨性结构通常是可以精确至毫发的，但是仅可以对于脊柱周围的软组织以类似性质材料实施取代。只有做到科学的简化，才能够达到有限元分析方法处在正确步骤中的状态，但是对于椎间盘以及脊柱周围韧带等结构来说，在很多的方面上（记住稳定性维持以及脊柱运动等）施展的作用是较大的，甚至要超出骨性结构。另外，多数的实验对于精细结构内固定物展开的各种简化操作，并不能够完全的保障简化结构有无正确性，以及简化至怎样的状态下才能够确保不对实验结果构成影响，相关报道尚不充足。

（三）应用软硬件获取及相关软件具有限制

有限元分析法对计算机性能提出极高的要求标准，特别是体现在脊柱方面上，因为具有众多的小结构以及复杂的解剖结构，而且非骨性结构具有繁杂的种类以及密度多变，运算期间会产生众多的数据[6]。这就必须要确保拥有先进的、高配置计算机，保障软件可以平稳顺利的工作，规避影响因素。但是，有限元分析法对软件要求也是具有苛刻性的，例如力学分析期间，需要采取ANSYS等软件的应用，但是价格昂贵，普通的医疗机构很难承受。另外，在得到有关软件基础上，还需要试验者的大量学习，但是当前机构间正式展开合作的模式是较少的。

3.医工合作的现状及前景展望

（一）大力发展新脊柱外科研究领域

理工科的研究人员，通常有限元分析法是在一些大型的工程中进行应用，诸如飞机和桥梁等工程，在脊柱外科领域中引进以后，对象就是人体骨骼或生物医学材料，这些材料相对更小，但是却具有较高的精度要求，而且材质多变以及形状是不规整的。如何有效的将此问题进行解决，是今后促使深入发展有限元分析法的重要途径和动力。

（二）提供给跨学科发展重要的基础依据

我国医务人员进行研究有限元分析法时，通常是具有较强的试验目的性，例如为了评级定级、毕业设计等，但是真正是为了自身兴趣而研究的少之又少，在结束试验以后，可能迅速的回归到临床中。同时辅助实施试验的理工科人员由于不再受到需要，所以也不会继续发展医学相关研究。但是，在脊柱外科有限元研究领域，包括全颈椎甚至全脊柱有限元模型的建立和验证、更精细动态响应模型的过渡和升级等在内的需要解决的问题依然较多，必须要加强医工之间的紧密联系以及合作，促使更多精通数字骨科技术的跨学科科研人员加入到研究中来。

（三）保障研究的准确性以及合法性

理工院校软件资源是提供给医学专业应用的，保障脊柱外科有限元分析法研究基于合法的基础上进行应用最新数字骨科软件版本至关重要，可以推动相关技术健全完善。而且如果实现理工科人员辅助下共同的对试验流程进行设计，是有效实现平稳展开试验的途径，能够维护试验结果的准确性。另外，为了让医工合作行为更具备规范性，需要进行签订协议等方式，确定好分工以及责任等，防止后期纠纷问题。

4.结语

在脊柱外科领域中，以及广泛的应用到有限元分析法解决各种问题，优势显著。而且在医工合作不断深入发展的形势下，医工合作已经更加密切，不断的健全并完善研究的方法。面对有限元分析法的不足问题，需要引起较高的重视度。未来应该更加深刻的探究，医疗工作者以及理工科人员加强联系和交流，各自发挥出潜力，提供给脊柱外科临床实践更好的参考依据。