骨密度與老年髖部骨折股骨近端三維有限元模型密度的關(guān)系

骨密度與老年髖部骨折股骨近端三維有限元模型密度的關(guān)系

林梓凌李鵬飛1龐智暉李欽祿1徐浩煌1鄭曉輝杜根發(fā)1

(廣州中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院骨科，廣東廣州510405)

摘要〔〕目的探究骨密度(BMD)與老年髖部骨折股骨近端三維有限元模型密度的關(guān)系。方法選取8例老年髖部骨折，其中4例股骨頸骨折，4例股骨轉(zhuǎn)子間骨折；左側(cè)肢體3例，右側(cè)肢體5例。收集患者雙側(cè)髖關(guān)節(jié)CT資料，運(yùn)用Mimics軟件和abaqus軟件對健側(cè)股骨近端進(jìn)行重建和計算出該模型的密度，并分別測定腰椎BMD。結(jié)果股骨轉(zhuǎn)子間骨折組腰椎BMD、三維有限元模型密度，均低于股骨頸骨折組(均P<0.05)。腰椎的BMD與三維有限元模型密度成線性正相關(guān)(r=0.881，P=0.004)。結(jié)論BMD與老年髖部骨折股骨近端三維有限元模型密度成線性正相關(guān)的關(guān)系，可為進(jìn)一步用有限元分析法探討老年髖部骨折部位與BMD的關(guān)系提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞〔〕骨密度；髖部骨折；三維有限元；模型密度

中圖分類號〔〕R274.13〔文獻(xiàn)標(biāo)識碼〕A〔

基金項(xiàng)目：廣東省科技計劃項(xiàng)目(No.KFC110122K08)

1廣州中醫(yī)藥大學(xué)

第一作者：林梓凌(1972-)，男，博士，副教授，主要從事骨與關(guān)節(jié)損傷方面的研究。

髖部骨折作為骨質(zhì)疏松性骨折是老年人最常見的損傷之一。骨密度(BMD)量是早期診斷骨質(zhì)疏松，預(yù)測骨質(zhì)疏松性骨折的可靠方法之一。骨質(zhì)疏松性骨折不僅與BMD有關(guān)，還與其內(nèi)在的骨結(jié)構(gòu)以及與之相關(guān)的骨強(qiáng)度有關(guān)。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法根本無法全面、精確描述骨的應(yīng)力特性。通過計算機(jī)從生物力學(xué)的角度進(jìn)行BMD有限元分析越來越受到重視，但罕見三維有限元模型的密度與臨床BMD相關(guān)性的研究。本文擬通過有限元(FEA)建立盡可能全面反映骨應(yīng)力特性的三維模型，通過公式求出模型的密度，從而探究其與臨床腰椎BMD的關(guān)聯(lián)性。

1對象與方法

1.1臨床資料我院收治的老年髖部骨折女性患者8例，其中股骨頸骨折4例，股骨轉(zhuǎn)子間骨折4例；左側(cè)肢體3例，右側(cè)肢體5例。平均年齡為(79.50±5.58)歲，其中股骨轉(zhuǎn)子間骨折組(83.50±3.78)歲，股骨頸骨折組(76.50±4.20)歲。所有患者均為首次單側(cè)髖部骨折，對側(cè)髖部股骨完好，無損傷病史。受傷原因均為跌倒傷。受傷至就診時間從傷后15 min～2 w。患者均無嚴(yán)重心肺疾病及代謝性疾病，排除腦卒中及小兒麻痹病史。圖像及資料采集方案經(jīng)家屬知情同意。

1.2影像資料收集采用GE64排螺旋CT(廣州中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院提供)，對雙側(cè)髖關(guān)節(jié)螺旋掃描，然后以Dicom格式保存。掃描條件：155 mAs 120 kV，自股骨頭上方至小轉(zhuǎn)子下方層厚2 mm，自小轉(zhuǎn)子下方至股骨中段為8 mm，共掃描65層，長度16.6 cm。每個掃描層的像素矩陣密度大小為512×512。

1.3三維重建及FEA方法

1.3.1三維重建將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimic 15.01軟件(Materialise公司,比利時)，通過區(qū)域增長、腔隙填充、編輯蒙罩、三維重建功能，并通過通過包裹、光滑等工具對模型進(jìn)行光順，得到理想的三維有限元模型。

1.3.2體網(wǎng)格劃分利用 Mimics軟件中FEA/CAD模塊下的網(wǎng)格重畫器(Remesh)生成面網(wǎng)格模型并進(jìn)行面網(wǎng)格的優(yōu)化，最后在Remesh板塊中體網(wǎng)格。

1.3.3賦材料屬性將劃分好體網(wǎng)格的模型再次導(dǎo)入Mimics軟件界面，對模型的灰度值進(jìn)行計算，統(tǒng)計不同部位灰度值，分別賦予10種材料屬性。根據(jù)灰度值，按照Mimics 提供的經(jīng)驗(yàn)公式分別得到10種材料屬性密度、彈性模量和泊松比，并創(chuàng)建體現(xiàn)材料屬性的模型。

1.3.4求出股骨三維模型的質(zhì)量及密度應(yīng)用大型有限元分析軟件Abaqus6.12 (達(dá)索公司，法國)，根據(jù)公式自動對應(yīng)地創(chuàng)建10種材料屬性賦值。根據(jù)材料屬性的模型，計算出三維模型每一材料屬性的體單元數(shù)目及相應(yīng)體積，每一材料屬性的單元體積與密度的乘積即為該材料屬性的體單元數(shù)的質(zhì)量，總和即為該三維模型的質(zhì)量，然后用質(zhì)量總和除以體積總和，最終可獲得該模型密度。見表1。

1.4BMD測定方法8例患者采用美國 Lunar公司雙能X線BMD儀測腰椎的BMD值。

1.5統(tǒng)計學(xué)分析采用SPSS17.0軟件進(jìn)行單因素方差分析和線性回歸分析。

2結(jié)果

2.1兩組腰椎BMD比較股骨頸骨折組的腰椎BMD為〔(-3.15±0.54)g/cm2〕，與股骨轉(zhuǎn)子間骨折組〔(-4.05±0.24)g/cm2〕比較差異顯著(t=3.046，P=0.02)。

2.2兩組三維有限元模型密度的比較股骨頸骨折組三維有限元模型密度為〔(1.34±0.06)×106〕，股骨轉(zhuǎn)子間骨折組為〔(1.15±0.02)×106〕，兩組差異顯著(t=6.008 3，P=0.03)。BMD儀測腰椎的BMD值與股骨三維有限元模型密度呈線性正相關(guān)(r=0.881，P=0.004)。

表1　三維模型的材料屬性

3討論

骨折的危險系數(shù)既和外載荷有關(guān)，也和骨頭的承載能力有關(guān)。股骨的承載能力和很多因素有關(guān)，主要分內(nèi)部因素和外部因素〔1〕。內(nèi)部因素主要是指BMD和骨結(jié)構(gòu)，關(guān)于BMD對股骨頭承載能力的影響，許多學(xué)者已進(jìn)行了廣泛的研究〔2,3〕。在臨床上，女性的BMD已用來預(yù)測骨折發(fā)生的危險性。外在因素包括一些載荷條件，如載荷位置，載荷方向也極大地影響著股骨的承載能力，從而對髖部骨折的臨床診斷也起很大作用。

BMD量是早期診斷骨質(zhì)疏松、預(yù)測骨質(zhì)疏松性骨折的可靠方法之一。骨質(zhì)疏松性骨折不僅與BMD有關(guān)，還與其內(nèi)在的骨結(jié)構(gòu)以及與之相關(guān)的骨強(qiáng)度有關(guān)。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法根本無法全面、精確地描述骨的應(yīng)力特性。將有限元數(shù)值模擬分析技術(shù)應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的一大進(jìn)步。有限元分析可以數(shù)學(xué)形式對試件的各種性能、條件進(jìn)行概括。三維有限元分析在表現(xiàn)骨與關(guān)節(jié)等組織應(yīng)力分布的總體趨勢〔4〕上有著很大的優(yōu)勢,主要表現(xiàn)在三維有限元分析可以很好地顯示出骨骼各部位的應(yīng)力特性以及受力分析。隨著技術(shù)的發(fā)展，多數(shù)的骨強(qiáng)度評價方法已經(jīng)是建立在CT 掃描基礎(chǔ)上的FEA。自FEA 應(yīng)用以來，不僅范圍越來越廣泛，而且技術(shù)也得到了進(jìn)一步提高，使其更適于臨床的應(yīng)用。在椎體研究方面，Homminga 等〔5〕將 49 人分成了正常、骨量減少及骨質(zhì)疏松3 組，分別進(jìn)行CT 掃描，建立有限元模型以及進(jìn)行生理性壓力、拉力的有限元分析，表明3 組間椎體負(fù)荷分布無差別，對骨折沒有差異性影響。但與其他兩組相比，骨質(zhì)疏松組小梁骨量的減少增加了骨折的危險性。Crawford 等〔6〕對13 塊椎體標(biāo)本實(shí)施了QCT掃描，取得BMD并建立了有限元模型，分析得出，與BMD相比椎體強(qiáng)度與有限元分析結(jié)果更具有相關(guān)性。Mimics 根據(jù)骨骼不同區(qū)域的灰度值以及灰度值-密度值-力學(xué)屬性的經(jīng)驗(yàn)公式可賦予材料屬性〔7〕，很好地解決了為模型分配材料屬性的問題。在賦值數(shù)目上，參照張國棟等〔4〕利用醫(yī)學(xué)三維重建軟件Mimics 根據(jù)灰度值確定材料屬性的功能，對12例新鮮股骨上段標(biāo)本進(jìn)行三維重建后賦予2 種(密質(zhì)骨及松質(zhì)骨)及10、20、50、100、200、400 種材料屬性，進(jìn)行有限元分析。結(jié)果認(rèn)為賦予骨骼10 種材料屬性即可滿足有限元分析的需求，而無需更細(xì)分以致加大運(yùn)算量及數(shù)據(jù)統(tǒng)計量。所建模型結(jié)構(gòu)包含皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、骨髓，與真實(shí)的人體股骨結(jié)構(gòu)形狀較吻合，符合股骨解剖學(xué)結(jié)構(gòu)。通過上述方法構(gòu)建了人體股骨三維有限元實(shí)體模型。但目前尚未有報道研究由這些方法建立起來的模型能否真實(shí)反映臨床患者的BMD。

本研究基本符合之前學(xué)者〔8〕對髖部骨折的流行性病學(xué)研究。本研究的局限性：(1)病例數(shù)有限，在今后的研究中，需擴(kuò)大樣本量，進(jìn)一步探討臨床BMD與三維有限元模型BMD的關(guān)聯(lián)性；(2)臨床骨密度與三維有限元模型BMD的關(guān)系只是研究運(yùn)用有限元方法研究BMD與髖部骨折部位的基礎(chǔ)，接下來需模擬患者跌倒姿態(tài)進(jìn)行邊界設(shè)置及骨折應(yīng)力分析，對應(yīng)力分析結(jié)果與患側(cè)骨折實(shí)際情況進(jìn)行驗(yàn)證；(3)本模型只涉及骨骼，未來可以通過對肌肉、筋膜、韌帶等軟組織的試驗(yàn)力學(xué)測試，獲得相關(guān)的材料參數(shù)后，可以將肌肉、韌帶等軟組織的有限元模型建立起來，繼而進(jìn)行力學(xué)分析，獲得更接近人體真實(shí)情況的分析結(jié)果。

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〔2014-07-15修回〕

(編輯李相軍/滕欣航)