有限元分析法在我國脊柱外科的應用現(xiàn)狀及醫(yī)工合作前景展望

高軍偉 夏英鵬 天津市人民醫(yī)院 脊柱外科 （天津 300000）

內(nèi)容提要： 當前，有限元分析法已經(jīng)被廣泛的應用到了脊柱外科領(lǐng)域中，應用的成效也是相對良好的，得到普遍的認可。但是不可避免的存在一些缺陷問題，諸如軟硬件獲取受限、通用模型匱乏以及非骨性結(jié)構(gòu)建模缺少精準度等，屬于對其發(fā)展構(gòu)成影響的重要方面。在此文中，對于有限元分析法應用于我國脊柱外科的現(xiàn)狀進行分析，并且提出醫(yī)工合作前景的展望。

有限元分析法的優(yōu)勢是較多的，例如能夠?qū)堑壬锝Y(jié)構(gòu)內(nèi)部受力和形狀的改變等進行展示，同時把受力、形變按照直觀的圖形表現(xiàn)出來，同時也可以將脊柱內(nèi)固定物自身的受力狀態(tài)進行體現(xiàn)，或者對于相同的脊柱模型多次的展開試驗，保障各干預措施施加對象具有一致性等。所以，研究有限元分析法在我國脊柱外科的應用情況，探索未來發(fā)展的趨勢意義巨大。

1.有限元分析法在我國脊柱外科的應用現(xiàn)狀分析

（一）頸椎有限元分析法

在最初，頸椎有限元分析是對以二維模型替代椎體進行研究，之后發(fā)展為將CT掃描和三維重建技術(shù)為基礎的椎體精細有限元網(wǎng)格構(gòu)建，再發(fā)展為多節(jié)段頸椎椎體建模同時再現(xiàn)椎間盤、小關(guān)節(jié)、韌帶等非骨性結(jié)構(gòu)的過程。國內(nèi)的學者所形成頸椎有限元模型[1]，是采取四面體殼單元劃分，以線性黏彈性材料展開處理髓核，對不同關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)面屬性進行定義，相關(guān)的指標相似于體外實驗。也有學者形成數(shù)字力學人頸椎運動節(jié)段有限元模型、人體脊柱全頸椎三維有限元模型等[2]。實驗顯示，這種模型的生物逼真度是較高的。在應用方面，國外的學者經(jīng)有限元方法再現(xiàn)頸椎間盤受力后的形變，我國學者展開深入的闡述脊髓損傷機制[3]。

（二）胸腰椎有限元分析法

我國在研究胸腰椎有限元分析法時，重點關(guān)注的方面不同于頸椎，主要是對胸椎、腰椎解剖結(jié)構(gòu)等特征進行分析，和相異環(huán)境下甚至疲勞骨折或者損傷狀態(tài)中的生物力學性質(zhì)情況。在此前提下，學者對各種形式手術(shù)舉措產(chǎn)生的生物力學成效進行分析。結(jié)果顯示，通常模擬手術(shù)以置入內(nèi)置物的操作能夠得到良好的成功率。

（三）常見脊柱疾患的有限元分析法

現(xiàn)下，在諸多的研究領(lǐng)域中已經(jīng)更加廣泛的應用到有限元分析法，而且均是針對熱點的領(lǐng)域，包括骨質(zhì)疏松、脊柱側(cè)凸和退行性改變等。很多專家學者通過實施這一分析方式，實現(xiàn)了對病椎以及傷椎相關(guān)結(jié)構(gòu)的應力分布的研究，并且深入的探索骨質(zhì)疏松結(jié)構(gòu)改變、出現(xiàn)骨折的機制、脊柱疾患外科手術(shù)生物力學效果評估等等內(nèi)容[4,5]。

（四）有限元分析法在脊柱內(nèi)固定醫(yī)療器械的應用

有限元分析法屬于數(shù)值計算中的一種離散方法，為矩陣方法于結(jié)構(gòu)力學以及彈性力學中的應用以及發(fā)展，同時也為電測法、機械法以及荷光彈法以后的新型應力分析方法，可以把諸多質(zhì)點所形成物體分為有限個結(jié)構(gòu)形態(tài)簡單同時力學特性已知的單元。近些年來，國外學者分別形成椎間盤模型、腰椎三維有限元模型、C-D系統(tǒng)生物力學分析，采取有限元法進行深入的分析所研究醫(yī)療器械，結(jié)果顯示出一致于實驗生物力學的測試結(jié)果，同時分析器械內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面具有重要的優(yōu)越性。例如，能夠逼真構(gòu)建研究對象的結(jié)構(gòu)模型，顯現(xiàn)出標本的結(jié)構(gòu)形狀以及材料性能等；可以實施實驗條件仿真模型，模擬各種彎曲、拉伸以及扭轉(zhuǎn)等力學實驗；可反復的應用相同模型展開各加載和狀況計算等。

2.我國脊柱外科應用有限元分析法的障礙問題探究

（一）缺少脊柱通用模型

雖然脊柱外科領(lǐng)域中應用有限元分析法已經(jīng)相對普遍，但是依然具有數(shù)據(jù)積累有限的問題需要解決。主要的表現(xiàn)諸如，賦值脊柱周圍韌帶和椎間盤等結(jié)構(gòu)期間，僅僅依靠經(jīng)驗公式的借鑒，而忽略嚴謹?shù)目紤]個體差異性情況。另外，部分試驗的醫(yī)務人員通常是僅重視學習以及應用各種軟件，不重視科學的選擇經(jīng)驗公式以及驗證，進而引發(fā)試驗不具有牢固性，缺少科學的方法基礎，最終對結(jié)果精準度造成不同程度的影響。而且如果對每一項研究均展開實體驗證，則會產(chǎn)生多次的建模問題，也會產(chǎn)生浪費資源的問題。所以，急需構(gòu)建起普遍公認的模型，得到最佳的傳輸以及應用成效。

（二）脊柱非骨性結(jié)構(gòu)建模缺少精確度

我國所應用的有限元分析法主要是在椎體以及小關(guān)節(jié)等骨性的結(jié)構(gòu)中進行實踐，在建模期間，建構(gòu)骨性結(jié)構(gòu)通常是可以精確至毫發(fā)的，但是僅可以對于脊柱周圍的軟組織以類似性質(zhì)材料實施取代。只有做到科學的簡化，才能夠達到有限元分析方法處在正確步驟中的狀態(tài)，但是對于椎間盤以及脊柱周圍韌帶等結(jié)構(gòu)來說，在很多的方面上（記住穩(wěn)定性維持以及脊柱運動等）施展的作用是較大的，甚至要超出骨性結(jié)構(gòu)。另外，多數(shù)的實驗對于精細結(jié)構(gòu)內(nèi)固定物展開的各種簡化操作，并不能夠完全的保障簡化結(jié)構(gòu)有無正確性，以及簡化至怎樣的狀態(tài)下才能夠確保不對實驗結(jié)果構(gòu)成影響，相關(guān)報道尚不充足。

（三）應用軟硬件獲取及相關(guān)軟件具有限制

有限元分析法對計算機性能提出極高的要求標準，特別是體現(xiàn)在脊柱方面上，因為具有眾多的小結(jié)構(gòu)以及復雜的解剖結(jié)構(gòu)，而且非骨性結(jié)構(gòu)具有繁雜的種類以及密度多變，運算期間會產(chǎn)生眾多的數(shù)據(jù)[6]。這就必須要確保擁有先進的、高配置計算機，保障軟件可以平穩(wěn)順利的工作，規(guī)避影響因素。但是，有限元分析法對軟件要求也是具有苛刻性的，例如力學分析期間，需要采取ANSYS等軟件的應用，但是價格昂貴，普通的醫(yī)療機構(gòu)很難承受。另外，在得到有關(guān)軟件基礎上，還需要試驗者的大量學習，但是當前機構(gòu)間正式展開合作的模式是較少的。

3.醫(yī)工合作的現(xiàn)狀及前景展望

（一）大力發(fā)展新脊柱外科研究領(lǐng)域

理工科的研究人員，通常有限元分析法是在一些大型的工程中進行應用，諸如飛機和橋梁等工程，在脊柱外科領(lǐng)域中引進以后，對象就是人體骨骼或生物醫(yī)學材料，這些材料相對更小，但是卻具有較高的精度要求，而且材質(zhì)多變以及形狀是不規(guī)整的。如何有效的將此問題進行解決，是今后促使深入發(fā)展有限元分析法的重要途徑和動力。

（二）提供給跨學科發(fā)展重要的基礎依據(jù)

我國醫(yī)務人員進行研究有限元分析法時，通常是具有較強的試驗目的性，例如為了評級定級、畢業(yè)設計等，但是真正是為了自身興趣而研究的少之又少，在結(jié)束試驗以后，可能迅速的回歸到臨床中。同時輔助實施試驗的理工科人員由于不再受到需要，所以也不會繼續(xù)發(fā)展醫(yī)學相關(guān)研究。但是，在脊柱外科有限元研究領(lǐng)域，包括全頸椎甚至全脊柱有限元模型的建立和驗證、更精細動態(tài)響應模型的過渡和升級等在內(nèi)的需要解決的問題依然較多，必須要加強醫(yī)工之間的緊密聯(lián)系以及合作，促使更多精通數(shù)字骨科技術(shù)的跨學科科研人員加入到研究中來。

（三）保障研究的準確性以及合法性

理工院校軟件資源是提供給醫(yī)學專業(yè)應用的，保障脊柱外科有限元分析法研究基于合法的基礎上進行應用最新數(shù)字骨科軟件版本至關(guān)重要，可以推動相關(guān)技術(shù)健全完善。而且如果實現(xiàn)理工科人員輔助下共同的對試驗流程進行設計，是有效實現(xiàn)平穩(wěn)展開試驗的途徑，能夠維護試驗結(jié)果的準確性。另外，為了讓醫(yī)工合作行為更具備規(guī)范性，需要進行簽訂協(xié)議等方式，確定好分工以及責任等，防止后期糾紛問題。

4.結(jié)語

在脊柱外科領(lǐng)域中，以及廣泛的應用到有限元分析法解決各種問題，優(yōu)勢顯著。而且在醫(yī)工合作不斷深入發(fā)展的形勢下，醫(yī)工合作已經(jīng)更加密切，不斷的健全并完善研究的方法。面對有限元分析法的不足問題，需要引起較高的重視度。未來應該更加深刻的探究，醫(yī)療工作者以及理工科人員加強聯(lián)系和交流，各自發(fā)揮出潛力，提供給脊柱外科臨床實踐更好的參考依據(jù)。