橈骨頭三維有限元模型建立及生物力學(xué)分析

張子清+郭淑女+古漢南

【摘要】 目的：構(gòu)建起肘關(guān)節(jié)三維有限元模型，借助三維有限元法對橈骨頭在各種損傷程度下、各種位置上及肘關(guān)節(jié)各種屈曲程度下生物力學(xué)改變的情況進(jìn)行分析，為研究橈骨頭病理形態(tài)及生理功能變化提供實(shí)驗依據(jù)。方法：將1名身體健康的成人志愿者作為研究對象，不考慮肘部的所患有的疾病，前薄層掃描CT圖像掃描右肘及前臂，在軟件中導(dǎo)入Mimics、ANASY、LS.DYNA97數(shù)據(jù)以構(gòu)建起肘關(guān)節(jié)三維模型，開展裝配、分配網(wǎng)格、將屬性賦予材料以及有限元計算等工作。結(jié)果：所構(gòu)建起來的肘關(guān)節(jié)三維有限元無限接近實(shí)體解剖標(biāo)本，對橈骨頭實(shí)際解剖狀態(tài)與生物力學(xué)行為進(jìn)行了全面真實(shí)的體現(xiàn)，同時與CT切片圖相對比以驗證了其精確性。結(jié)論：借助三維有限元模型將生物力學(xué)模型可以為橈骨頭正常力學(xué)行為以其病變、損傷的臨床診療提供病理形態(tài)及生理功能變化基礎(chǔ)，為臨床診療奠定更堅實(shí)基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】 橈骨頭； 肘關(guān)節(jié)； 三維模型； 有限元分析

【Abstract】 Objective：To establish a three-dimensional finite element model of the elbow joint by using three-dimensional finite element method，to analyze the change of the radial head at various positions in different damage degree，and various degrees of elbow joint flexion biomechanics，and to provide the experimental basis for the physiological and pathological changes of morphology and function of radial head.Method：One healthy adult volunteer was regarded as the research object，excluding the elbows which were suffering from the disease，before scanning CT image scanning in the software right elbow and forearm.The software of Mimics，ANASY，LS.DYNA97 import data were used to construct the 3D model of the elbow joint，assemble，distribution grid，given the materials properties and finite element calculation work.Result：the constructed elbow joint three-dimensional finite element entity infinitely was close to the dissection of the radial head anatomy and biomechanical behavior of the actual state of the embodiment of comprehensive real.And the comparison with CT image could prove its accuracy.Conclusion：the biomechanical model can be used to provide the normal mechanical behavior of the radial head and the clinical treatment of the injury by means of three-dimensional finite element model and put forward the development of radial diseases.

【Key words】 Radial head； Elbow joint； Three-dimensional model； Finite element analysis

First-authors address：Longgang Orthopedics Hospital of Shenzhen，Shenzhen 518116，China

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2017.13.009

橈骨頭的生理功能具體指的是傳遞應(yīng)力以及保持肘關(guān)節(jié)外側(cè)處于穩(wěn)定狀態(tài)，在維持肘關(guān)節(jié)穩(wěn)定與功能方面發(fā)揮著舉足輕重的作用[1]。橈骨頭骨折屬于一種關(guān)節(jié)內(nèi)部發(fā)生骨折，相當(dāng)于肘部骨折的30%左右，其骨折過程實(shí)際上是肘關(guān)節(jié)所在的部位稍微彎曲、前臂旋轉(zhuǎn)到前位過程中手掌以較大力度與地面貼合在一起，引發(fā)肱骨小頭與橈骨頭受到猛烈碰撞而導(dǎo)致骨折[2]。對于橈骨頭的治療手段，從剛開始的非手術(shù)治療逐步演變到在內(nèi)部固定、切除橈骨頭、以人工假體進(jìn)行代替等，但治療方案的選擇大多以臨床實(shí)踐為基礎(chǔ)，治療后常遺留較為嚴(yán)重的后遺癥[3]。近年來，有限元法在骨科領(lǐng)域的研究越來越多，國內(nèi)外學(xué)者也提出了不少腕關(guān)節(jié)的數(shù)字模型[4-7]，其基本原理是根據(jù)幾何外形、材料性質(zhì)以及受力條件等因素將彈性物體劃分成有限數(shù)量且互相連續(xù)的單元，在不傷害身體組織的前提下重新創(chuàng)建復(fù)雜構(gòu)建的構(gòu)造、外形、所能承受的重量以及材料力學(xué)性能，使傳統(tǒng)實(shí)驗生物力學(xué)能夠重復(fù)與不具有可比性、對身體組織造成傷害的缺點(diǎn)得到較大彌補(bǔ)。所以，本實(shí)驗在建立肘關(guān)節(jié)三維有限元模型的基礎(chǔ)上，立足于各個層面對橈骨的生物力學(xué)做了全面深入的研究與分析，而且通過多個側(cè)面給出了治療橈骨骨折的手段，同時為更加深入地探究做好鋪墊，現(xiàn)報道如下。

1 材料與方法

1.1 研究對象 將1名身體健康的成人志愿者作為研究對象，男，31歲，身高：175 cm，體重：74 kg，不考慮肘關(guān)節(jié)與前臂受到的損傷及其他疾患。該研究已經(jīng)倫理學(xué)委員會批準(zhǔn)，患者知情同意。

1.2 設(shè)備與軟件 Philips 64排螺旋CT掃描機(jī)。軟件為Mimics 16.0（比利時Materialise公司）、Hypermeshl 0.0（美國Altair 司）和LS.DYNA971（美國LSTC公司）。

1.3 數(shù)據(jù)獲得 志愿者身穿防護(hù)鉛衣，應(yīng)當(dāng)借助64排雙螺旋CT分別實(shí)施0°、30°、60°、90°以及120°彎曲度的薄層掃描，并以DICOM格式保存，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 16.0。

1.4 建立肘關(guān)節(jié)的三維模型 在三維軟件Mimics中導(dǎo)入CT數(shù)據(jù)，對圖像進(jìn)行仔細(xì)篩選，將四周組織圖像完全剔除，同時設(shè)定目標(biāo)圖像的閾值，重新構(gòu)建肘關(guān)節(jié)、肱骨下部、橈骨、尺骨上部以及環(huán)形韌帶的三維圖像，而且將邊界坐標(biāo)完全對外輸出。借助普遍使用的Auto CAD造型軟件Unigraphics NX當(dāng)做實(shí)體搭建模型的平臺。導(dǎo)入由Mimics產(chǎn)生的輪廓數(shù)據(jù)，進(jìn)而形成三維實(shí)體模型，提高模型的光滑度，將它承受重力的一面與接觸面都成為平面。此外借助Hypermesh軟件把相對的肘關(guān)節(jié)輪廓線I GES線條全部連接以后成為平面，再將幾何模型的表面以單元大小1 mm為單位進(jìn)行面網(wǎng)格劃分，最后采用四面體實(shí)體網(wǎng)格劃分技術(shù)生成四面體，也就是在對模型的線條、平面以及體進(jìn)行有關(guān)操作的基礎(chǔ)上得到肘關(guān)節(jié)三維有限元模型，同時劃分有限元網(wǎng)格，構(gòu)建起有限元網(wǎng)格模型。

1.5 將材料屬性賦予有限元模型 開展有限元分析與計算，將密度、彈性模量、泊松比等各種材料屬性都賦予有限元模型中的所有單元，進(jìn)而成功搭建起材料性質(zhì)非均勻特點(diǎn)的有限元模型。本實(shí)驗把模型所包含的組織材料都精簡成具有相同屬性的均勻彈性材料。按照相關(guān)文獻(xiàn)資料開展材料屬性賦值，從而構(gòu)建起肘關(guān)節(jié)三維有限元模型，見表1。

1.6 負(fù)荷加載實(shí)驗 為了對模型的有效程度進(jìn)行檢驗，針對模型實(shí)施負(fù)載實(shí)驗，把獲得的結(jié)果和過去得到的實(shí)驗數(shù)據(jù)相互比較對模型的有效性進(jìn)行驗證。固定好模型肱骨一端，通過腕關(guān)節(jié)對尺骨施加100 N垂直負(fù)載，將有限元計算軟件LSDYNA971導(dǎo)入以后對前臂旋前位肘關(guān)節(jié)進(jìn)行0°、30°、60°、90°以及120°彎曲角度下肘關(guān)節(jié)橈骨與尺骨關(guān)節(jié)面承受力與力量分布進(jìn)行分析，見表2。

2 結(jié)果

利用計算機(jī)輔助技術(shù)手段與軟件Mimics、Hypermesh，完成了肘關(guān)節(jié)與橈骨三維有限元模型構(gòu)建，也就是獲得在各種肘關(guān)節(jié)彎曲程度下，肘關(guān)節(jié)的五大有限元模型。成功建立模型以后通過肘關(guān)節(jié)各種程度旋轉(zhuǎn)的縱向負(fù)載實(shí)驗獲得有關(guān)數(shù)據(jù)，與實(shí)際解剖的結(jié)果比較接近，從而對模型的有效性進(jìn)行了科學(xué)檢驗。本研究借助即時掃描與保存的方式，有效地防范了收集數(shù)據(jù)過程中核心信息的流失，而且保證了以全數(shù)字化方式構(gòu)建模型，使模型的建立更加精準(zhǔn)。

3 討論

3.1 構(gòu)建橈骨三維模型的意義 橈骨遠(yuǎn)端骨折在臨床常見，約占所有骨折10%，且隨著老齡化加劇，骨質(zhì)疏松患者增加，更加劇了橈骨遠(yuǎn)端骨折的趨勢，故對這方面的研究也顯得更加必要[9-13]。尤其對于不穩(wěn)定類型的橈骨遠(yuǎn)端骨折，手術(shù)行復(fù)位治療是最佳選擇，但是各種并發(fā)癥也屢見不鮮[14-18]。過去人們對骨骼骨折與固定的相關(guān)情況實(shí)施有限元分析過程中，由于形態(tài)不規(guī)整大部分只做簡單處理，把骨的形狀看作圓柱體，同時將其等同于一個剛體來分析它的應(yīng)力，導(dǎo)致骨骼腔的存在被忽視，分析得到的結(jié)果將不可避免地存在偏差，并且與其相關(guān)的骨折或內(nèi)部固定的探究與分析都需要重新審視[19]。為了保證計算模型體現(xiàn)現(xiàn)實(shí)狀況，本論文將橈骨的物理外形作為分析目標(biāo)，以構(gòu)建起肘關(guān)節(jié)三維有限元模型，而且通過實(shí)驗獲得的橈骨負(fù)載的重力，按照橈骨的真實(shí)部位在橈骨模型上進(jìn)行添加，進(jìn)行有限元分析，具有精度高、成本低、可重復(fù)等優(yōu)點(diǎn)，為橈骨頭的生物力學(xué)分析及疾病治療等奠定基礎(chǔ)。

3.2 橈骨受力的分析 通過本實(shí)驗分析研究可得到以下結(jié)論：肘關(guān)節(jié)在0°、30°、60°、90°以及120°彎曲角度下，橈骨頭的負(fù)荷分別是57.8 N、59.8 N、55.1 N、47.3 N、49.5 N。橈骨頭傳遞應(yīng)力的大小由于肘關(guān)節(jié)位置不同而有所差別，如果位于前臂旋轉(zhuǎn)伸軸時，橈骨頭將發(fā)揮杠桿功能，對肘關(guān)節(jié)負(fù)載的重力進(jìn)行傳遞，同時對肘關(guān)節(jié)加以固定，在肘關(guān)節(jié)傳遞應(yīng)力與保持肘關(guān)節(jié)外側(cè)穩(wěn)定性方面，橈骨頭有著非常關(guān)鍵的作用。橈骨頭在很大程度上決定了肱尺遲關(guān)節(jié)外側(cè)應(yīng)力的傳遞，而且肱尺關(guān)節(jié)外側(cè)面深受橈骨頭的作用，二者相輔相成、緊密聯(lián)系。肱尺關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)面與尺骨鷹嘴中間嵴應(yīng)力傳遞的變化并不明顯，發(fā)揮分散和平衡肘部應(yīng)力的功能，其他國家的研究人員在對負(fù)荷容器傳導(dǎo)器與肱橈關(guān)節(jié)之間的應(yīng)力傳導(dǎo)情況進(jìn)行分析研究的基礎(chǔ)上，獲得的結(jié)論是：肘關(guān)節(jié)在0°～30°前臂向前旋轉(zhuǎn)時通過橈骨頭傳導(dǎo)的應(yīng)力最大，當(dāng)前臂向后旋轉(zhuǎn)與肘關(guān)節(jié)彎曲角度提高時通過橈骨頭傳導(dǎo)的應(yīng)力逐步削弱，如果肘關(guān)節(jié)完全處于水平狀態(tài)時，肘關(guān)節(jié)接觸面積超過彎曲時的接觸的面積，經(jīng)橈骨頭傳導(dǎo)的應(yīng)力亦較大[20]。說到穩(wěn)定性，如果內(nèi)側(cè)副韌帶抗外翻穩(wěn)定性是最重要的結(jié)構(gòu)，那么重要性緊隨其后的就是橈骨頭，其在維護(hù)肘關(guān)節(jié)后外側(cè)旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性方面同樣發(fā)揮著重要作用[21]。另外，橈骨頭的尺寸也關(guān)系到前臂軸向穩(wěn)定性，在置換人造關(guān)節(jié)時，假體尺寸必須與橈骨頭完全吻合[22]。Takatori等[23]為代表的研究人員利用觸感傳感裝置、壓力敏感膜、三維有限元分析法對肱橈關(guān)節(jié)之間應(yīng)力的分布情況進(jìn)行分析，得到的結(jié)論是當(dāng)橈骨頭前臂向后旋轉(zhuǎn)時應(yīng)力大部分分布在橈骨頭外側(cè)，當(dāng)前臂向前旋轉(zhuǎn)與保持在中間位置時應(yīng)力大部分分布于橈骨頭內(nèi)側(cè)。同時我國學(xué)者對肘關(guān)節(jié)處于水平位置時橈骨頭應(yīng)力傳導(dǎo)的情況作了研究與剖析[24]，切除橈骨小頭以后，肘關(guān)節(jié)負(fù)載的應(yīng)力全部加載到肱尺關(guān)節(jié)上，肱尺關(guān)節(jié)外側(cè)將發(fā)生較為突出的應(yīng)力集中的現(xiàn)象，繼而使其退變更加嚴(yán)重。這有力驗證了在肘關(guān)節(jié)傳導(dǎo)應(yīng)力過程中，橈骨頭發(fā)揮著重要作用，其對保持肘關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的關(guān)鍵作用。

3.3 本研究的意義 對于發(fā)生橈骨頭骨折以后是否需要切除，人們并未形成一致認(rèn)識，站在解剖學(xué)與生理學(xué)的立場進(jìn)行分析，功能完善的肘關(guān)節(jié)可以更順利地發(fā)揮它的功能和作用。本論文以三維重新構(gòu)建與有限元分析作為切入點(diǎn)，有力地證明了在維持肘關(guān)節(jié)的功能方面，橈骨頭發(fā)揮著舉足輕重的作用。

總之，本論文構(gòu)架起的肘關(guān)節(jié)三維有限元模型接近于人體解剖的現(xiàn)實(shí)情況，肘關(guān)節(jié)有限元接觸模型能夠?qū)Ω麝P(guān)節(jié)之間接觸范圍與應(yīng)力的調(diào)整進(jìn)行更科學(xué)地分析與計算。對肘關(guān)節(jié)進(jìn)行力學(xué)分析可知橈骨頭在肘關(guān)節(jié)的應(yīng)力傳導(dǎo)及穩(wěn)定性方面起到重要作用，應(yīng)避免在肘關(guān)節(jié)屈曲0°～60°時受到較大暴力，或者受到外力作用時應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)的保護(hù)措施加以保護(hù)，防止損傷關(guān)節(jié)或造成骨折，臨床上出現(xiàn)的多種橈骨頭損傷應(yīng)當(dāng)盡量重構(gòu)建橈骨頭，預(yù)防由于橈骨頭損傷引發(fā)相應(yīng)的并發(fā)癥，將肘關(guān)節(jié)的穩(wěn)定與完整性恢復(fù)到正常水平。

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（收稿日期：2017-03-17） （本文編輯：周亞杰）