正常股骨头仿真三维有限元分析及有效性验证

李永斌 凌观汉(通讯作者) 潘学文 林衡锋 李远春 陆柏宇 陈昌林

(玉林市中西医结合骨科医院，广西 玉林 537000)

股骨头坏死是骨科比较常见疾病，主要发生在中青年，创伤、酗酒、大量服用激素等可能为其诱发的原因。目前早期股骨头坏死的保髋手术较多，也呈现一定的疗效，但要对股骨坏死塌陷前瞻性研究，目前以有限元分析法占主导，有限元分析对塌陷的预测及为保髋治疗提供力学依据。目前有限元分析法中出现模型的仿真度低载荷及边界的设定条件与真实情况相差较大，所以建立正常髋关节的三维高度仿真模型，为下一步前瞻性研究保髋在虚拟环境下的手术模拟及有限元生物力学研究提供基础。现就此研究报告如下。

资料与方法

1 一般资料：选取1名30岁健康男性志愿者，体质量70 kg，核磁共振检查及临床已排除畸形、无基础疾病且髋关节结构正常、无创伤及手术史，根据玉林市中西医结合骨科医院提供的64排螺旋CT扫描数据DICOM文件。

2 研究软件：三维模型建立软件Mimics16.0(比利时Materialise公司)；优化三维模型软件Geomagic Studio2014(美国Geomagic公司)；网格划分软件为Hypermesh13.0(美国Altair公司)；有限元分析软件MSC.Patran2012/MSC.Nastran2012(美国MSC软件公司)。

3 方法

3.1 三维模型建立：将CT扫描图像数据导入Mimcs16.0软件中，确定图像的Top、Bottom、Left、Right、A nterior、Posterior6个方向，与人体坐标轴方向一致。依据CT的灰度值提取骨轮廓，阈值范围为Bone(CT)124-2 803 Hu，根据图像的灰度值，分为皮质骨和松质骨，最后得到髋关节髋骨、股骨上段的三维几何模型，皮质骨设定为2mm。采用Mimics16.0软件对其进行数据提取，重建出股骨上段、髋关节等正常骨结构模型，并补充髋臼软骨、股骨头软骨等结构，一起导出STL格式文件。由三维重建得到正常髋关节(髋骨、股骨、股骨头软骨、髋臼软骨)几何模型比较粗糙，为三角面片模型，存在着畸形，扭曲，表面过于粗糙等不良结构现象。将STL文件导入Geomagic Studio2014软件，并根据国内学者[1]的三维重建方法，最终形成正常髋关节三维实体模型，如图1所示。

图1 正常髋关节三维实体模型

3.2 有限元几何模型建立：逆向处理好的正常髋关节结构模型，包含股骨上段、髋骨、髋臼软骨、股骨头软骨等，利用数字化三维CT重建技术来重建髋关节，如图2所示。

图2 正常髋关节几何模型

3.3 三维有限元模型的生成：将正常髋关节模型的STP文件导入Hypermesh13.0软件中进行网格划分，得到对应的网格划分为68088个node节点数，361980个四面体网格单元(图3)。导出BDF格式文件，最后在MSC.Patran2012/MSC.Nastran2012软件中进行材料参数设置，边界约束及荷载设定、计算工况设置，有限元后处理分析等工作。

图3 正常髋关节局部网格细部模型

3.4 材料属性赋值：根据相关研究皮质骨、松质骨及软骨的材料属性定义为各向同性的、连续的线性弹性材料，且为连续均匀的[1-3]。参考国内外相关研究数据，各结构组织相对应的材料参数[4-13]，如表1所示。

表1 各结构组织材料参数表

3.5 边界约束和荷载设置：(1)骶髂关节与耻骨联合节点的x和y方向位移进行边界约束，只发生Z方向位移。股骨远端的节点完全固定，以防止任何平移和旋转，对股骨远端面上所有节点限制其6个方向的自由度。髋臼和股骨头软骨之间的接触面定义为摩擦系数为0.01[8]。(2)根据chen等[14]研究的股骨近端的肌肉力加载条件予施加，具体如下：外展肌力：300N，角度δ20°，γ180°；髂腰肌力：188N，角度δ47°，γ262°；股外侧肌力：292N，角度δ180°，γ0°。股骨应力施加则在股骨远端对髋关节反作用力700N[15]。(3)研究中将髋关节的滑动机制定义为无摩擦接触机制，横向的关节反作用力可以被忽略掉[16]。将股骨头软骨和盂唇之间的接触定义为无摩擦接触[17]。

3.6 有限元分析结果：三维有限元模型在MSC.Patran2012/MSC.Nastran2012软件中进行条件附加后，进行正常髋关节有限元分析(图4)。对正常髋关节模型进行有限元仿真模拟，经计算分析得出正常髋关节各结构的Von Mises应力应变、Displacement位移等，如图5所示。

图4 正常髋关节模型有限元分析模拟

图5 正常股骨头VonMises应力云图(MPa)

由上图可知，在成人单腿着地时关节承载受力下股骨头Von Mises应力分布规律为：正常股骨头的应力峰值主要发生在股骨头前外侧，正常股骨头最大应力峰值约12 MPa。

4 模型有效性验证：目前国内外研究学者有较多相关这方面的研究，如李博[18]进行研究显示，正常股骨中上段三维有限元模型行走步态周期的30%加载下，股骨头与髓臼接触面积平均(391±48)mm2，股骨头负重区接触压力平均(8.32±2.31)MPa，松质骨最大应变值0.33mm。Von Eisenhart R 等[19]对8个人体髋关节标本研究，结果示各压力分布不均匀，平均最大压力为(7.7±1.95)MPa之间。Abraham CL等[20]有限元分析预测股骨头软骨较高的峰值接触应力为6.2-9.8MPa，也有学者研究[21-22]显示软骨应力值接近5MPa。Anderson AE 等[11]进行正常股骨头有限元分析分别预测峰值压力、平均压力和接触面积分别为10.8-12.7MPa、5.1-6.2MPa和304.2-366.1mm。Brown TD等[12,23]研究正常股骨头当给予1500-3000N载荷时,接触压力为4-8MPa。综合上述，峰值接触应力约为6.2-12.7 Mpa，平均接触压力约为4-10.63 Mpa。本实验数据接近此范围，据此认为本研究所建立三维有限元模型有效，可进行下一步研究。

讨 论

本研究建立的正常髋关节三维模型包含了皮质骨、松质骨、软骨及肌肉4个结构，Rushfeld等[24]认为压力分布与软骨密切相关，并尽量把载荷及边界的设定条件与真实情况接近，高度仿真模拟了正常髋关节站立位的受力状态，实验结果与国内外研究学者的结果符合，验证了模型的有效性，为下一步进行髋关节不同步态的生物力学研究提供条件，也为下一步保髋的有限元分析提供平台。