應用有限元法定量分析絕經后女性骨強度的研究

譚松 賈瑩 燕燕

摘要：目的? 應用有限元法計算機輔助生物力學分析法評定絕經期女性骨強度值，判斷其骨質疏松程度。方法? 收集已具有骨密度檢查結果的23名絕經后女性股骨頸CT數據，對數據進行分割處理，同時創(chuàng)建有限元數學模型，把相應數據代入ANSYS分析軟件進行結構力學分析，獲取股骨上段的應力云圖，分析研究對象的骨強度與骨密度情況。結果? 23例女性骨密度值為0.470～0.792 g/cm2，骨強度值為1094～3078 N，均低于文獻報道的正常成人左股骨上段骨強度值（約4000 N）;ANSYS分析軟件顯示，骨強度與骨密度呈正相關（r=0.617，P<0.05）。結論? 絕經期女性骨強度與骨密度均低于正常人，應用有限元法計算出的骨強度定量值與骨密度值呈正相關，有限元法可用于定量評估骨強度。

關鍵詞：絕經;股骨;有限元法;骨強度

Abstract：Objective To use the finite element method computer-aided biomechanical analysis method to evaluate the bone strength value of menopausal women and determine the degree of osteoporosis.Methods? Collecting the CT data of 23 postmenopausal female femoral necks with bone density examination results， segment the data， and create a finite element mathematical model， and substitute the corresponding data into ANSYS analysis software for structural mechanical analysis to obtain the stress cloud of the upper femur to analyze the bone strength and bone density of the research object.Results? The bone mineral density of 23 women was 0.470～0.792 g/cm2， and the bone strength value was 1094～3078 N， which were all lower than the bone strength value of normal adult left femur reported in the literature （about 4000 N）; ANSYS analysis software showed that the bone strength，there was a positive correlation with bone density （r=0.617，P<0.05）.Conclusion? The bone strength and bone density of menopausal women are lower than those of normal people. The quantitative value of bone strength calculated by the finite element method is positively correlated with the bone density value. The finite element method can be used to quantitatively evaluate bone strength.

Key words：Menopause;Femur;Finite element method;Bone strength

隨著人口老齡化的進展，骨質疏松癥已經成為我國常見慢性病，特別是絕經后女性，已成為該病高發(fā)人群。如何有效的診斷、預防、治療、評估骨質疏松癥是當前醫(yī)學關注的課題。目前判斷骨質疏松程度的方法主要是基于雙能X光吸收法（DEXA）的骨密度測量，但骨密度僅僅是判斷骨骼脆性的部分指標，單獨使用容易造成誤診。骨強度概念的引入強調了骨質量的重要性，而目前尚缺乏準確的定義。骨強度和生物力學相關，有準確的力學定量結果才有臨床意義，因此估強度策略成為臨床醫(yī)生最關心的問題之一。目前研究骨強度的文獻多為定性的評估，缺乏相關定量研究。本研究通過有限元法計算機輔助生物力學分析法計算受檢者的定量骨強度值，以此來評估其骨質疏松程度，現報告如下。

1材料與方法

1.1材料來源? 受檢者選擇：根據DEXA檢查T值評分隨機選擇正?；蚬橇繙p少或骨質疏松23名絕經后女性，年齡在52～87歲;骨密度（BMD）選擇股骨頸區(qū)域值。男性患者、絕經前患者、股骨頸骨折后的患者、長期臥床患者、繼發(fā)于其他疾病所致骨質疏松患者（比如腎性質骨質疏松、甲狀旁腺功能亢進性骨質疏松）等排除在本項研究之外。

1.2方法? 采用飛利浦Brilliance64排螺旋CT掃描受檢者髖關節(jié)，掃描參數120 KV、140 mAs、1 mm層厚、0.75 mm層間距、512×512 矩陣;掃描范圍：髖臼上方1 cm處到股骨小粗隆下方0.5 cm處。掃描完成后，導出DICOM格式圖像數據，并將之代入骨強度相關軟件處理。骨密度檢查儀為GE Lunar Prodigy DEXA機，檢查位置為受檢者股骨頸。

1.3圖像處理? 電腦硬件：英特爾 Core i7-7700 3.60 GHz四核中央處理器;金士頓 DDR4 2666MHz 4×16G 64 G內存;東芝 DT01ACA200 2 TB硬盤;AMD Barco MXRT 2600 2 GB顯卡。操作系統：Windows 10 教育版，應用軟件：交互式醫(yī)學圖像控制系統MIMICS 17.0、有限元分析軟件ANSYS 16.0。將CT掃描數據代入MIMICS，進行分割、填充、編輯后獲得股骨上段的三維模型，同時進行網格化處理（圖1），并將網格化的數據以element格式輸入到ANSYS軟件進行有限元分析，獲得應力云圖（圖2），并計算出相應的應力值——骨強度值，單位為牛頓（N）。

1.4統計學分析? 運用IBM SPSS Statistics 26統計學軟件對所測得的骨密度值與計算出的骨強度進行相關性分析。

2結果

23例女性骨密度值為0.470～0.792 g/cm2，骨強度值為1094～3078 N，均低于文獻報道的正常成人左股骨上段骨強度值（約4000 N），具體年齡、骨密度及骨強度結果見表1。相關性分析顯示，骨強度與骨密度呈正相關（r=0.617，P<0.05）。

3討論

骨質疏松癥是由于多種原因導致的骨密度和骨質量下降，骨微結構破壞，造成骨脆性增加、骨強度降低，從而容易發(fā)生骨折的全身性骨病。目前用于診斷骨質疏松的主要檢查手段為基于雙能X光吸收法的骨密度測量，由于其經濟簡便安全、重復性較好等優(yōu)勢在臨床廣泛應用，也是世界衛(wèi)生組織推薦的測量骨強度的重要方法;其他較常用的方法還有CT定量骨密度檢測法（QCT），該方法排除了軟組織以及骨皮質的干擾，測出的骨密度值能夠更加準確、客觀的反映人體骨礦物質的代謝情況，目前已經逐漸獲得醫(yī)學界的認可。骨密度全稱是骨骼礦物質密度，是骨骼強度的一個重要指標，在臨床使用骨密度值時由于各種骨密度檢測儀器的絕對值不同，通常使用T值判斷骨密度是否正常。骨密度廣泛用于骨質疏松癥診斷和骨折風險評估，其可以較好的預測骨質疏松的人群發(fā)病趨勢，但對于識別處于危險狀態(tài)的個體并不敏感。

近年來，有限元法（FEM）在生物力學方面受到了廣泛關注，最常見的臨床應用是利用髖關節(jié)CT數據的有限元模型來評估骨強度[1]。骨強度主要由骨密度和骨質量兩部分決定，骨密度可以通過DEXA、QCT等直接測定，但骨質量如何測定是當前的一個醫(yī)學難題。骨質量的影響因素包括骨結構、骨轉換、礦化程度、損傷累計、膠原特性等，目前的研究大都停留在定性評估上，定量評估多是在離體解剖標本上進行的生物力學研究，幾乎沒有在活體上無損的、可靠的定量評估方法。

有限元分析是計算機輔助運用數學模型對物理系統的近似模擬，利用有限的單元去探知無限未知量的真實世界的方法。其基本原理是將采集到的真實系統數據進行規(guī)范分割，應用矢量分析軟件給分割采樣的數據賦值，并建立網格化數學模型，最后應用有限元分析軟件對數學模型進行計算，獲取所需要的相應數據。這是一個類似求解連續(xù)閾的計算方法，網格化就是把真實的連續(xù)型結構轉化為節(jié)點狀的離散型結構的過程;矢量化就是對離散結構的每一個節(jié)點所構建單元選定的函數關系賦值的過程，因此有限元分析計算出的結果只能是整個求解域上的近似解。在生物力學中，有限元分析法可根據需要產生各種各樣的生物模型，對模型進行實驗條件仿真，在不同實驗條件下模擬任意部位變形（拉伸、彎曲、扭轉等），從而分析其中的應力應變分布、內部能量變化、極限破壞分析、強度分析、穩(wěn)定性和疲勞損傷以及壽命的預測等。有限元法目前已成為工程科學技術中用于模擬并解決各種工程力學等物理問題的最好方法之一[2]。

本研究主要運用有限元分析受檢者股骨頸的CT數據，建立數學模型，通過計算機虛擬股骨頸數字模型的在外部壓力的施加下，其內部應力發(fā)生的變化情況，計算出其能夠承受的最小斷裂力，即骨強度的定量值?；贑T圖像的有限元法的因素整體個性化評估骨強度，是一種具有無創(chuàng)性、定量分析、早期綜合評估骨強度，預測骨折風險和部位的方法[3]。本研究初步發(fā)現在應力云圖上股骨粗隆間及股骨頸頭下部分顯示的骨強度最低，與臨床上股骨頸骨折常見發(fā)生部位相吻合，從結構力學的層面上解釋了其內在聯系，究其原因可能和其應力塑形、幾何形態(tài)、皮質骨與松質骨的比例等因素有關，具有個性化的傾向。本研究結果顯示，23名女性骨密度值為0.470～0.792 g/cm2，骨強度值為1094～3078 N，均低于文獻報道的正常成人左股骨上段骨強度值（約4000 N），其骨強度與骨密度呈正相關（r=0.617，P<0.05），因此從總體上看，骨密度降低時骨強度也隨之降低。有限元分析大多數為靜態(tài)分析其應力-應變分布的狀態(tài)[4]，其在運動中的生物力學分析稍顯不足，這使仿真分析的準確度和效率降低。在仿真分析的過程中，其結果本身的精確度受到很多因素的影響，特別是有限單元的分割對仿真計算的結果影響就很大。合理的單元形狀和尺寸能極大提高分析結果的精度和可行度，反之則影響精度。因此分割步驟是有限元分析過程中的關鍵元素，由于骨質量的降低和關節(jié)間隙的狹窄，在關節(jié)退變的病例中具有很大的挑戰(zhàn)性。因為需要大量的手動交互來保證有限元模型創(chuàng)建的合適幾何形狀，所以骨骼分割被認為是最耗時的步驟[5]?？焖贉蚀_的圖像分割、合理有效的邊界條件及載荷是決定有限元分析的兩個關鍵點，邊界條件和載荷的合理設定是保證有限元分析正確性的決定因素。有限元模擬的邊界條件被定義為復制髖關節(jié)的側向下移，這被認為是低強度創(chuàng)傷性髖關節(jié)骨折最相關的加載模式。本研究中，有限元模型圖像平面的內側及外側的X軸以及Y軸被定義為外力沖擊方向。本研究也存在一定的不足之處：只有23名受檢者數據，所使用的標準參考值均為國外的生物力學研究數值，是否適合我國人群還需進一步探討。隨著人們對生物力學的認識加深，計算機技術及軟件的進一步發(fā)展，相信今后骨質疏松癥研究的前景會更加廣闊，通過有限元分析方法對骨質疏松性股骨上段生物力學進行分析，為疾病的發(fā)生、發(fā)展提供生物力學和形態(tài)學上的數據支持;有限元分析還可以從生物力學的角度分析骨折術后生物力學變化的影響，能夠對疾病的預后提供準確的參考方向。下一步的研究需要搜集健康國人的相關資料，建立標準化的國人左側股骨頸骨強度的數據庫，為進一步研究骨質疏松時骨強度的變化做好理論基礎。

綜上所述，本研究發(fā)現絕經期女性骨強度與骨密度均低于正常人，應用有限元法計算出的骨強度定量值與骨密度值呈正相關，該法可用于定量評估骨強度。

參考文獻：

[1]Engelke K，Lang T，Khosla S，et al.Clinical Use of Quantitative Computed Tomography-Based Finite Element Analysis of the Hip and Spine in the Management of Osteoporosis in Adults：the 2015 ISCD Official Positions-PartⅡ[J].Journal of Clinical Densitometry，2015，18（3）：359-392.

[2]倪鵬輝，張鷹，楊晶，等.臨床骨科中應用的有限元分析法：新理論與新進展[J].中國組織工程研究，2016，20（31）：4693-4699.

[3]仰嘉軒，郭海玲，毛敦，等.骨質疏松癥患者腰椎有限元模型的建立與骨骼強度分析[J].中國中醫(yī)骨傷科雜志，2016，25（5）：13-17.

[4]萬義文.基于股四頭肌有限元模型的推拿揉法生物力學參數研究[D].成都中醫(yī)藥大學，2016.

[5]Schwarzenberg P，Dailey HL.Elementwise material assignment in reconstructed or transformed patient-specific FEA models developed from CT scans[J].Computer Methods in Biomechanics&Biomedical Engineering，2019（2019）：92-102.

收稿日期：2020-02-28;修回日期：2020-04-13

編輯/成森