基于有限元分析法的老年粗隆间骨折建模仿真

何祥鑫+李鹏飞+林梓凌

[摘要] 目的 针对国内粗隆间骨折有限元模型建立的空白，采用LS-DYNA等软件，建立粗隆间骨折模型，为粗隆间骨折的防治提供实验参考。 方法 选取2017年3～4月于广州中医药大学第一附属医院骨科住院治疗的老年单侧粗隆间骨折患者1例，获取健侧髋关节CT影像资料，导入Mimics 19.0软件中，通过区域增长、腔隙填充、编辑蒙罩等步骤，建立健侧的股骨近端仿真几何模型；经Geomagic studio 2013进行删除钉状物等模型处理；Hypermesh 14.0軟件，进行网格划分，赋予材料参数及属性，设置边界条件及载荷等，最后导入LS-DYNA软件中进行有限元分析运算，并在Hyper-View 14.0中查看运算结果。 结果 有限元模型中股骨近端内侧最先出现应力集中，持续应力下该部位开始出现断裂，骨折线由内侧往外上侧延伸，最终获得 Evans Ⅰ型粗隆间骨折模型。 结论 基于LS-DYNA软件的有限元分析法可以真实地模拟出粗隆间骨折的动态断裂情况，为揭示粗隆间骨折的发生机制及防治提供一定的实验参考。

[关键词] 有限元分析；粗隆间骨折；应力分析；骨质疏松症

[中图分类号] R683 [文献标识码] A [文章编号] 1673-7210（2017）08（c）-0088-04

[Abstract] Objective For the blank of finite element model about intertrochanteric fracture， the fracture model of the intertrochanteric fracture based on the finite element analysis softwares， to provide experimental basis for the prevention and treatment of intertrochanteric fracture. Methods From March to April 2017， in First Affiliated Hospital of Guangzhou University of Chinese Medicine， 1 elderly patient with intertrochanteric fracture was selected， the CT image data of the uninjured side was collected， the Mimics software was used to grow the contralateral area， fill the cavity， edit and rebuild the contralateral proximal femur model. Next， preprocessed it by Geomagic studio 2013. Data were imported in Hypermesh 14.0 and LS-DYNA software for meshing， and defining material properties. The failure parameters and interfacial properties were set. The load and force boundary constraints simulating the falling were simulated. The model of intertrochanteric fracture was calculated， then， the Hyper-View 14.0 software was used to check the results. Results The inside of proximal femur was the first appeared stress concentration， under the continuous stress it began to break， fracture line stretched from intside to outside of the upper， ultimately Evans Ⅰ intertrochanteric fracture model would be gained. Conclusion The finite element analysis method based on LS-DYNA software can simulate the dynamic fracture of the intertrochanteric fracture veritably， it provides experimental reference to reveal the mechanism and guides the prevention and the treatment of intertrochanteric fractures.

[Key words] Finite element analysis； Intertrochanteric fracture； Stress analysis； Osteoporosis

骨质疏松症是一种以骨量减少，骨强度降低，从而导致脆性骨折风险增加的全身性骨病[1]。脆性骨折是该病最大的危害。随着人口老龄化进程的加快，骨质疏松性骨折的发病率也逐年上升，由此给国家及家庭造成了巨额的医疗开支，其中以骨质疏松性髋部骨折为代表。Hernlund等[2]调查发现，2010年欧盟国家约有2200万女性及550万男性患有骨质疏松症，每年新发的骨质疏松性脆性骨折约有330万例，其中髋部骨折61万例，由此耗费的医疗开支超过370亿欧元。Cooper等[3]研究后预计，到21世纪中叶，全球髋部骨折的病例数可高达630万例，而发生在亚洲国家的病例数将超过一半。国际骨质疏松基金会2013年的一份调查[4]发现，中国每年因骨质疏松到导致的髋部骨折数为68.7万例。近年，有限元法逐渐在髋部骨折的研究中发挥优势，既往通过该技术，可以对各种外力作用下髋部的应力分布（Von Mises 应力）有直观的了解，对髋部骨折的发生做出准确的预测[5]。然而，髋部骨折的有限元断裂模型的建立和研究方面，国内外大多集中于股骨颈骨折的断裂模型上，李鹏飞等[6]运用LS-DYNA软件成功建立一例Garden Ⅳ型股骨颈断裂模型，与患侧骨折线的匹配率达到83%。粗隆间骨折模型的建立缺乏相关报道，其研究大部分是集中于粗隆间的应力分布[7]，及不同手术内固定方式对粗隆间应力改变的分析[8-10]。本文运用以LS-DYNA为主的有限元建模运算软件，建立粗隆间骨折模型，为粗隆间骨折的应力分析及骨折发生机制的研究提供必要的实验基础。endprint

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2017年3～4月于广州中医药大学第一附属医院骨科住院治疗的老年单侧粗隆间骨折患者1例，患者男，72岁，经X线检查诊断为单侧股骨粗隆间骨折，采用GE 64排螺旋CT对双侧髋关节自髋臼至股骨中上段，扫描条件：155 mA 120 kV，层厚2 mm，层距4 mm，行螺旋扫描，以Dicom格式保存影像资料。患者和或家属均知情同意并签署知情同意书。

1.2 方法

1.2.1 實验软件 Mimics 19.0软件（Materialise公司，比利时），由广州中医药大学国家重点学科中医骨伤科学数字骨科与生物力学实验室提供；Geomagic studio 2013软件（Geomagic公司，美国）、Hypermesh 14.0软件（Altair公司，美国）、有限元运算软件LS-DYNA软件（LSTC公司，美国），由广州有道计算机有限公司提供。

1.2.2 三维建模 将患者CT资料，导入Mimics 19.0软件中，参考林梓凌等[11]实验建模步骤，通过区域增长、腔隙填充、编辑蒙罩等步骤，建立健侧的骨骼仿真几何模型。几何模型导入Geomagic studio 2013软件中进行删除钉状物、填充孔、编辑轮廓线、构造曲面、构造格栅、拟合曲面等步骤后建立较高生物仿真度的健侧股骨近端三维模型。

1.2.3 有限元模型建立 将上述建立的股骨近端三维模型导入Hypermesh 14.0软件中，进行四面体网格划分，参考彭睿[12]、李鹏飞等[6]研究将骨质材料定义为：plastic-kinematic材料，通过表面网格定义皮质骨、内部网格定义松质骨的方式划分骨皮质及骨松质，并分别赋予相关材料参数及属性，建立股骨近端有限元网格模型，详见图1～2（封三）。

1.2.4 设置载荷及边界条件 以股骨头局部反作用力的形式，模拟股骨近端剪切应力，边界条件设置为股骨近端固定，载荷：500 N，以Rigidbody形式作用于股骨头内上侧，详见图3（封三）。

1.2.5 有限元分析运算 将有限元模型导入运算分析软件LS-DYNA中，在Hyper-View 14.0中查看运算结果，主要观察指标：股骨近端受力分布（Von Mises云图）、骨折线起始及走行。

2 结果

股骨近端内侧最早出现应力集中，并在持续的载荷作用下最早出现断裂，骨折线由内下方至外上方延伸，最终运算得Evans Ⅰ型粗隆间骨折模型，模型运算结果详见图4～5（封三）。

3 讨论

有限元分析法的原理是将模型细分为数量庞大并由节点连接的细小单元，该分析法从首创到现在已经有70余年历史，20世纪70年代Brekelmans等[14]开创性的将该技术应用于骨科的生物力学研究，经过几十年的发展，该技术与骨科研究联系越来越密切，从简单的骨骼应力到手术内固定的选择，及动态骨折的仿真分析，有限元技术已经成为推进临床骨科发展不可忽视的力量。髋部骨折的相关研究是临床骨科研究的热点，有限元技术凭借其操作简便、仿真度高、可重复利用的优势在髋部骨折的研究中得到重视。近年来，众多学者通过建立股骨的有限元模型分析不同因素下股骨的应力分布情况[15-19]，然而骨骼作为一种生物材料，其断裂过程是在外力的不断作用下，由细微骨小梁的断裂逐渐拓展到骨质断裂而骨折发生的连续过程，这与连续损伤力学的理念相吻合[20]。骨折的有限元仿真过程引入连续损伤力学的指导，颇具必要。本研究基于连续损伤力学的指导，应用有限元分析法，成功建立一型股骨粗隆间骨折模型。在有限元模型的质量方面，该模型的建立依据患者真实的髋部CT数据，依据灰度值的大小区分骨质，通过有限元建模软件进行自动划分，整个过程缺乏人为干预，有限元模型具有较高仿真度。其次，在股骨近端应力分布及粗隆间骨折断裂模型方面，汪金平等[13]建立股骨有限元模型，施加载荷后发现，股骨颈的应力集中部位在小转子上方、偏股骨颈后方处，由此得出股骨颈处的压力骨小梁和股骨距是主要的承重结构，这与本文研究高度符合。实验运算得出的粗隆间骨折模型与临床广泛应用的Evans分型具有较高仿真度，该股骨粗隆间骨折模型对揭示粗隆间骨折的发生发展机制具有一定的临床指导价值，为后期粗隆间骨折的深入研究及防治提供实验基础。

相较于股骨颈骨折，股骨粗隆间骨折的力学发生机制较为复杂，模拟难度加大，这也是粗隆间骨折模型缺乏报道的一大原因。要准确模拟出粗隆间骨折，要解决的问题包括两大方面。一方面是，力学载荷。临床中，大部分粗隆间骨折的发生是因跌倒所致，老年人骨质疏松，髋部肌肉松弛，跌倒后大转子局部受到暴力撞击，首股骨颈干角及前倾角等特殊结构的影响，撞击力沿大粗隆、粗隆间区、股骨颈及股骨头传导后，受髋臼的顶托作用后，往往形成对股骨近端的剪切效应，并在应力集中的区域出现应力失效而骨折。另外方面，粗隆间骨折患者多数有骨质疏松的情况，股骨近端骨量减少，骨强度减弱，抗应力能力不足，在一定大小的外力作用下股骨近端较容易出现应力性骨折。Kayak[21]在1998年及2001年的两次实验研究也验证了该论述。国内陈振沅[7]的关于粗隆间骨折分型机制研究也验证了剪切力和骨强度在粗隆间应力分析中的重要性。髋关节是人体最大的关节，运动功能丰富，肌肉组织多。要准确的模拟出跌倒过程中股骨近端的力学情况较为困难，Bessho等[22]在应用有限元法预测股骨近端骨折的实验中，采取大粗隆部固定，股骨头内侧施加载荷的方式，对粗隆间骨折的发生做出预测。结合上述，本文在骨强度模拟上，建立区分皮质及松质的股骨近端有限元模型，根据老年人的骨强度特点，赋予相应密度及泊松比等参数，尽可能真实的模拟骨质疏松性股骨近端的骨强度特点。此外，采取股骨近端固定、股骨头内外侧施加载荷的方式，模拟跌倒过程中的剪切作用。

本研究的不足及未来改进方向：第一，本研究建立的股骨近端有限元模型，大致区分骨皮质及骨松质，赋予不同的密度、泊松比、弹性模量等材料参数而同一的材料属性，对股骨近端一些特殊的力学结构缺乏有效仿真。未来期望通过对股骨近端不同部位的力学性能加于研究，赋予不同的力学材料及性质，建立多种材料组成的股骨近端有限元模型，以达到更佳的仿真效果。第二，有限元分析法本身的局限方面，虽然有限元分析法在众多的实验研究中被证实是预测骨折发生的一种新的有效手段，但是有限元模型都是建立于人体外的数字模型，模型计算的结论有待于实体验证。未来拟运用实体骨，对相关边界及载荷限定条件下粗隆间骨折的模型进行验证。第三，在股骨近端受力的分析中，本研究为简化运算，参考国外相关研究，仅赋予一项载荷，对跌倒过程中各功能肌肉的肌肉收缩力缺乏模拟。未来拟在各肌肉起始点施加相应载荷，更真实的模拟股骨近端的受力情况。最后，本研究仅模拟出粗隆间骨折中的一种类型，后期研究拟强化对股骨近端应力情况的分析，完善有限元模型，模拟更多的粗隆间骨折分型。为系统的揭示粗隆间骨折的发生机制及防治提供更丰富的实验参考。endprint

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（收稿日期：2017-05-29 本文編辑：苏 畅）endprint