有限元分析在骨科中的应用及研究进展

周建华，王 跃

ZHOU Jian-hua，WANG Yue

(1.遵义医学院，贵州 遵义 563000；2.四川省医学科学院·四川省人民医院骨科，四川 成都 610072)

随着计算机技术的发展，骨科学也在不断的产生新的医学理念，如机器人手术、3D打印、数字化医学、手术导航系统等出现在了临床的应用与研究中，而数字化有限元分析技术因节约成本、精准性、更能模拟机体力学等优点在国内外成为了研究热点，对于力学分析、固定装置的指导、骨折的产生机制、生物材料的研究得到了广泛的推广，并且很容易在个人电脑中得以实现操作、处理大型的医学影像数据，对临床疾病的诊治提供了准确可靠的信息。现就对有限元在骨科生物力学的应用发展做一个综述，并提出现阶段可能存在的问题以及未来在骨科领域的展望。

1 有限元分析简介

有限元法是利用数字化、数学法建模，根据已知的节点数目、各节点坐标系以及材料特性等条件，对每一单元做出一个近似解，最后推导解决这个域总的总解，进行定量分析，从而使实际复杂的问题定量化。是由1943年Coutat等首先在航空工程中提出有限元的基本思想，于1956年Turner等继承发展了Courtat的研究，将其深入应用于航空飞机邻域，成功的的将该思想拓展[1]。最后由Clough等将该基本理论命为有限元分析，从此标志着有限元的正式诞生。1972年国外首次将有限元分析应用于骨科工作的是Rybicki和Brekelmans等[2，3]，而Belytschko等成功的将有限元分析用于脊柱力学方面，成功的将有限元分析引入了骨科力学的实验研究中，奠定了骨科有限元的发展[4]。

在骨科力学方面，FEA可以施加不同的负荷、材料属性、边界条件，对应力、应变、刚度、位移情况等进行分析，解决了传统的骨科力学研究的有创性、环境影响很大、费用高、耗时长的问题，成为研究骨科力学重要的工具。

2 有限元对骨盆生物力学的分析探讨

骨盆是连接躯干和下肢的复杂枢纽地带，为一环形结构，由于骨性结构和韧带与盆腔脏器、神经血管、泌尿生殖系统紧密相邻。骨盆骨折损伤后常常伴有相关脏器、血管损伤高达11%～20.3%，其致残率相当高，保持其完整性和稳定性对于人体的生命活动起着至关重要的地位[5]，因此建立有效的骨盆模型并进行生物力学和解剖学的研究，对于分析骨盆损伤机制和指导治疗具有重要意义。Yildirim等建立髋臼横断骨折予以模拟五中固定方法，分析站立和坐姿的负荷下的骨折的移位情况，探索发现无需前后柱双钢板固定，而增加患者费用和手术创伤，而单钢板加拉力螺钉固定骨折位移最小，可以取得较好的效果[6]。Song等通过有限元方法对骶骨骨折，利用单边脊柱-骨盆固定模式(ULF)、双侧脊柱-骨盆固定模式(BLF)和单边脊柱-骨盆固定结合双侧椎弓根螺钉固定模式(UBF)三种内固定方法进行了对比分析，结果显示了BLF在稳定性和平衡性最佳[7]，Leung等利用有限元建立骨盆模型，发现骨皮质骨密度的变化对于应变影响最大，可能是造成老年骨盆不全的骨折的高危因素[8]。并且通过数字化技术的发展，有限元力学分析结合3D打印，为研究骨盆生物材料提供了重要手段方法[9]。有限元可以完成体外实验部分韧带软组织的研究，Phillips等通过构建含有部分韧带和肌肉软组织的骨盆模型，分析发现了髂骨在不同边界条件下的位移应力分布情况[10]。因此有限元方法成为了骨盆损伤、手术、生物材料设计研究可靠的重要的手段之一。

3 有限元对四肢骨骨折生物力学的分析探讨

有限元分析法恰恰克服了传统力学的缺点，具有精确性、简单性、可重复性的特点，为骨折发生的机制、骨折的预防、骨折的分型、骨折的治疗、骨折的愈合提供了科学的理论依据，成为了创伤骨科研究的重要力学工具。Chen等利用有限元分析证了在应用锁定钢板和髓内钉治疗肱骨近端骨折时的力学特性，两者都能减小假体与骨之间的应力，增加稳定性，但是锁定板能提供更可靠的稳定性[11]。有限元不仅能进行分析显示力学，而且还能进行微式有限元分析，Oreilly等通过计算机微限元模拟了骨折愈合的过程，预测计算出在10天和20天时骨与软骨的空间和数量变化，并且证明了在骨折血管损伤低氧环境下软组织增生受到抑制期间发生软骨细胞肥大和软骨内成骨，为骨折愈合提供了更加准确的模型，从而可改变骨折愈合条件促进骨折愈合[12]。Wang 等用高分辨率外周定量CT(HR-pQCT)检查45例合并椎体骨折的绝经期妇女和无骨折的绝经期妇女的桡骨和胫骨，并结合数字化有限元分析方法发现在骨折组中的绝经期妇女桡骨和胫骨的刚度分别降低了18%和22%、骨皮质更薄、骨小梁的网状板更少、骨小梁棒的连接结构更少，从而分析得出骨微结构的改变可能是绝经期妇女骨折的重要机制，在绝经后的妇女更应该预防骨质疏松，加强骨质条件，防止骨折的发生[13]。Liu等利用有限元研究新型髓内钉固定股骨干骨折，在不同的轴向负荷、弯曲负荷、扭转负荷下骨折块的位移小于1 mm、最大应力的分布在正常范围，从而证明其具有可靠的抗旋转、抗弯曲、抗压缩的能力，为骨折的康复提供稳定的固定条件[14]。因此有限元在骨折的分析中举足轻重，成为了创伤骨科发展的重要工具，为骨创伤的发展带来了新的台阶。

4 有限元对脊柱生物力学的分析探讨

随着现代交通事业、信息化的发展、人均寿命的延长，脊柱创伤、脊柱退变的患者越来越多，因此研究探索脊柱生物力学对于脊柱损伤退变防治、脊柱手术、器械研发等具有重要的意义。Hector等根据人体解剖学建立L4-L5-S1节段的有限元模型研究髓核和纤维环的应力、应变、位移的变化，建立了脊柱节段的模型，并为研究人生活中椎间盘的退变和损伤的危险因素做出了理论基础[15]。在脊柱后路固定中，椎弓根螺钉固定优势明显，而Newcomb等预测了在矢状面和轴面测量椎弓根螺钉不同倾斜度对于松质骨、皮质骨和螺钉上的几何参数和应力，预测了椎弓根螺钉的位置应偏向椎体两旁植入，具有减少螺钉松动脱出和断钉的优势，指导了临床[16]。Elmasry等用微式有限元模型证明发现吸烟会减低软骨终板中65%的GAG合成，髓核血管的溶质交互作用明显降低，极大加速了椎间盘的退变，影响其稳定性[17]。而脊柱畸形矫正是脊柱的难点，为患者带来了极大的痛苦，Abolaeha等建立了2岁的侧凸脊柱和矫形棒数字化模型，测量出脊柱矫形和生长期间在模型上的力量，为脊柱辅助矫形、人为改变畸形脊柱提供了可靠的生物力学数据[18]。Nishida等模拟髓型颈椎病(CSM)三种类型脊在颈部后伸20°时，各种类型脊髓的应力分布情况，研究解释了CSM的临床症状的原因以及发现在横贯型中脊髓应力分布广泛，而在前后受到压迫时应力峰值最大，应力分布更广，临床症状更重，在临床中更应该重视，甚至需要手术干扰[19]。脊柱结构具有复杂性，研究脊柱的病理生理极其重要，而现代数值化有限元分析更能简单化、准确化进行脊柱脊髓软组织的研究，为脊柱骨科发展带来了新纪元。

5 有限元在人工关节中的运用探索

人体关节及其复杂，要不断地适应人体活动需要，因此关节假体更是需要严格的研究才能用于关节置换替代关节，否则会导致假体松动、断裂、异物排斥、骨折等严重并发症，而数值化有限元的运用使得关节假体的发展迈进了新的台阶。Zhao等进行有限元分析模拟PS假体置换的膝关节与正常膝关节对比在0～135°屈曲情况下PS置换膝有一定向前移位、股骨“后滚”不足，因此建议对于更进一步改善假体表明，完善PS假体的力学要求至关重要[20]。Wong等发现反肩置换假体在肱骨和肩甲盂的位置对肩峰应力分布有一定影响，可以减少肩峰骨折发生，研究假体分别在肩甲盂的下方(0、+2.5 mm、5.5 mm)，旁侧(0、5 mm、10 mm)，肱骨的旁侧(0、-5 mm、+5 mm)的位置，加载上肢外展(0～120°)的三角肌力的肩峰应力分布特点，认为在肱骨的外侧时肩峰应力最大，发生肩峰骨折的概率最大，以指导临床运用[21]。Miles等在模拟非骨水泥早期的全髋置换股骨假体周围骨折，并尸体力学进行验证，证实了在有限元模型中可以运用单元失活技术除了模拟骨折危险因素外，更能够模拟关节假体、骨骼的刚度，为临床预防假体周围骨折奠定了理论基础[22]。Terrier等认为目前全踝关节置换仍然存在很多问题，通过建立全踝关节置换的数值化的有限元模型，加载相关负荷，研究假体周围骨的应力-应变，为踝关节置换的普遍化应用、器械研制奠定了基础[23]。通过现代显示和微式有限元的发展不仅对于人体进行研究，而且带动了人工关节的发展，解决人类的疾苦。

6 有限元对于关节的生物力学探讨

人体关节具有多方向的自由度，其生物力学更为复杂，然而关节损伤退变很常见，因此研究关节生物力学对于关节的保护治疗极其重要。近年来随着数字化的发展，人体大关节不仅得以深入研究，而且腕、踝、肘关节也得以发展。Bhatia等在与尸体力学验证方法比较，证明有限元建模的有效性与准确性，并预测了在机体负荷的情况下腕关节桡骨远端表面的应变分布情况与骨量和骨密度、机体活动呈负相关[24]。Norman等考虑松质骨的粘弹性的特点，采用有限元进行分析骨粘弹性对于全髋置换股骨假体松动的影响，经过长期和短期的研究发现认为骨蠕动对于股骨假体柄的下沉有一定的促进作用，这与长期观察的临床效果一致[25]。Hadid等探索背包的重量和肩关节内部应变的关系，模型了外界载荷下肩部软组织和臂丛神经的变形情况，这种方法将允许进一步开发新的背包肩带结构和材料，以减轻对肩部软组织压力[26]。而早在1976年Chand和Maquet等就对膝关节的接触应力、面积在膝内侧分布较大，甚至对畸形腿做出了深入的力学研究探索[27，28]。然而Bae等通过数字化有限元发现当内侧半月板完全切除后其膝关节力学和应力-应变的改变，加速膝关节退变的可能，而且通过此种方法可以探索髋部机械力学的改变和研制开发出人工软骨治疗人体退行性骨关节炎可能性[29]。通过有限元法能够分析复杂的人体关节，使得复杂的关节力学为人类发现，对于关节疾病的诊断治疗具有重要的意义。

7 展望

综上所述，有限元在骨科近40年来的应用得到了飞速的发展和认可，不仅从线性分析发到非线性分析，从静态分析到动态分析，而且从单纯的骨骼模型到包含肌肉、韧带、血管等软组织的完整模型分析，使得结果更加准确可靠，成为骨科生物力学的研究重要手段之一，对于骨科手术技术、器械的研发、骨折机制探索，人工植入物的进步、固定模式的选择、快速康复、3D打印等具有重要意义。虽然有限元分析方法理论上能够模拟任何复杂的结构使得结果，但是FEA目前对材料属性的假设、边界条件设定、单元数目划分等均有一定的限制，使得结果不能完全达到精准，但是仍然为临床指导研究提供了可靠的参考。而且有限元分析需要大量的软件支持如mimics、SolidWorks、ansys等，这常常限制了临床医生研究的开展，其复杂的过程需要影像学、运动学、计算机等与临床医生紧密配合共同协作，多学科合作才能真正发挥有限元的巨大潜力，才能真正克服目前的缺点造福人类。

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