黃小龍 王拓 劉飛 胡華輝 全仁夫*

有限元分析在髖關節(jié)生物力學中的研究進展

黃小龍 王拓 劉飛 胡華輝 全仁夫*

髖關節(jié)（hip joint），由股骨頭與髖臼相對構成，起著不可或缺的支撐和活動作用。其生物力學研究近年來受到普遍關注。有限元分析法是研究髖關節(jié)受力的一種重要方法，較以往的生物力學方法具有明顯的優(yōu)勢，已成為髖關節(jié)生物力學研究的熱點［1］。本文對有限元分析在髖關節(jié)生物力學中的相關應用及進展進行綜述。

1　有限元方法應用概述

有限元分析法作為數(shù)值計算中的一種離散化方法，是矩陣方法在結構力學和彈性力學等領域中的發(fā)展和應用，是將一個由無數(shù)個質(zhì)點組成的自由連續(xù)體劃分為有限個小單元體所組成的集合體。對每一單元假定一個合適的較簡單的近似解，然后推導求解這個域總的滿足條件，從而得到問題的解（近似解）。針對人體的有限元分析概括起來大體上包括圖像掃描-三維重建-體網(wǎng)格劃分-賦予材料屬性-有限元分析等基本步驟。而今，隨著計算機技術的發(fā)展，更加先進﹑精確的分析程序的開發(fā)，有限元法的應用，從最初的簡單應力分析功能不斷地完善與擴大。隨著新一代具備強大圖像處理功能的醫(yī)學有限元分析軟件的出現(xiàn)，以及有限元方法和其他虛擬數(shù)字技術的相結合，功能更強大的計算機和軟件能夠自動從CT/MRI或虛擬數(shù)據(jù)中提取特征性參數(shù)或重要幾何細節(jié)，從而直接產(chǎn)生有限元模型。而且，有限元分析法（FEA）實現(xiàn)從二維到三維的飛躍，取得較多新進展。Andriacchi等［2］最早采用二維有限元研究全髖關節(jié)置換后早期股骨干疲勞骨折的影響因素。二維有限元分析法建模比較簡單，構建不規(guī)則形態(tài)和多種材料復合物模型過程相對復雜，錯誤率高，存在影像重疊失真的問題。而三維有限元分析法建模得出的結果更準確，但由于其運算量較大，對計算機的硬件配置要求較高。除建模方式的與時俱進，處理分析數(shù)據(jù)的相關軟件也組建多樣化。今后有限元模型的發(fā)展勢必將走向智能化﹑網(wǎng)絡化﹑集成化﹑面向臨床應用。

作者單位：310053 浙江中醫(yī)藥大學 （黃小龍 王拓 劉飛 胡華輝）311200 杭州市蕭山中醫(yī)院 （全仁夫）*通訊作者

2　有限元分析法在髖關節(jié)領域的應用及進展

2.1髖關節(jié)有限元模型建立 在髖關節(jié)中，股骨最早被應用于有限元分析，股骨有限元模型的建立為其生物力學研究展現(xiàn)了一個全新的舞臺［3］。有限元分析方法對髖關節(jié)的結構形狀﹑載荷邊界條件﹑材料性能極其復雜的構件進行應力應變分析，可通過改變其中任何一參數(shù)來觀察其對整個結構的影響，從而對髖關節(jié)復雜的結構有較好的適應性，能夠模擬較多的臨床狀態(tài)，從而更好地分析髖關節(jié)在生理與病理過程中的力學變化。且具有實驗時間短﹑費用少﹑力學性能測試全面及可重復實驗等突出優(yōu)點等。周納新等［4］基于正常人體的髖關節(jié)CT片，應用CAD造型軟件minics 10.1﹑magics13.0軟件和abaques 6.9 軟件，采用四面體網(wǎng)格劃分方法，建立人工全髖關節(jié)三維有限元模型，較好的顯示皮質(zhì)骨，松質(zhì)骨，韌帶（髂股韌帶﹑股骨頭韌帶﹑恥骨韌帶﹑坐骨韌帶﹑輪匝韌帶）之間界面的形態(tài)，相比其它的模型更加接近真實。李永獎等［5］采用活體髖關節(jié)為標本，應用 CT 掃描技術及圖形數(shù)字化方法獲取髖關節(jié)的三維坐標，輸入有限元分析軟件，并通過確定材料特性參數(shù)和網(wǎng)格化，建立髖關節(jié)的三維有限元模型。亦有學者嘗試建立包含肌肉﹑韌帶組織等軟組織在內(nèi)的骨盆髖臼3D有限元模型，為觀察髖關節(jié)內(nèi)各關節(jié)活動﹑骨盆力學環(huán)境的變化提供模型基礎［6］。

2.2髖關節(jié)相關疾病的有限元分析 有限元分析現(xiàn)已被越來越多應用于人體骨骼﹑關節(jié)和肌肉的相關研究，在骨科生物力學領域占有重要的地位［7，8］。有限元分析對人體髖關節(jié)相關疾病的研究有明顯的優(yōu)越性。在對人體髖關節(jié)正常生理及病理力學結構進行研究時幾乎無法直接進行力學實驗，而采用有限元數(shù)值模擬力學實驗已成為一種有效的方法，既可為髖關節(jié)疾病的力學分析提供理論平臺，又可為判斷疾病的進展及預后的評估和治療方法的選擇提供更為科學理論依據(jù)。（1）股骨頭壞死有限元分析：股骨頭壞死會導致壞死區(qū)的逐漸塌陷。周建偉等［9］采用球囊擴張骨水泥填充治療股骨頭缺血壞死，后進行有限元分析和生物力學研究，從而得出：球囊擴張骨水泥填充股骨頭壞死區(qū)域，增強股骨頭的支撐能力，能夠有效抵抗股骨頭塌陷，可能避免股骨頭塌陷進一步進展。林永亮等［10］創(chuàng)建不同大小的股骨頭壞死病灶，及各病灶鉭棒植入后的三維有限元模型，觀察鉭棒植入手術對不同分期的股骨頭壞死應力集中的影響，確定最佳的手術時機，指導臨床上應用該術式治療股骨頭壞死。龐智暉等［11］基于患者圍塌陷期股骨頭壞死的CT和MRI資料，應用Mimics軟件進行三維重建和壞死區(qū)的形態(tài)學定量研究，建立股骨頭壞死個體化三維有限元模型，應用ABAQUS軟件進行量化的有限元分析和保髖手術規(guī)劃。完善股骨頭壞死圍塌陷期“圍觀辨證論治體系”體系，有助于進一步明確保髖手術指證﹑優(yōu)化保髖方案，并提高保髖療效。趙萬鵬等［12］通過MRI三維重建，對壞死股骨頭的塌陷情況作有限元分析，結果表明正常載荷（300N）下股骨頭壞死組織≥40%就有發(fā)生塌陷的危險，壞死組織＜ 40%時則在較大載荷下才發(fā)生塌陷的危險，這為預見股骨頭壞死進展提供了依據(jù)。（2）髖關節(jié)骨折有限元分析：骨折是日常生活中多發(fā)的髖關節(jié)創(chuàng)傷疾病，了解骨折好發(fā)的位置以及相關機制十分重要。骨盆﹑髖臼作為人體承上啟下的重要結構，在人體活動過程中處于重要地位，其解剖不規(guī)則，導致骨盆髖臼骨折的治療對于骨科醫(yī)生依然是一大挑戰(zhàn)［13］。何榮新等［14］研究認為全髖置換前股骨近端的股骨距與粗隆下區(qū)域應力較高，當大轉子處突然受到較高的暴力時容易造成轉子的骨折。陳振沅等［15］建立股骨近段三維有限元模型，探討股骨轉子間六部分骨折分型的產(chǎn)生機制及臨床意義，顯示骨轉子間六部分骨折分型符合人摔倒時轉子部所受的復雜應力情況，結合CT三維重建，較以往的分型更加直觀，并可根據(jù)不同分型選擇手術方式。Keyak等［16］評估基于定量CT的股骨近端有限元模型預測站立及側身跌倒時骨折部位和類型的能力，認為有限元分析預測股骨骨折部位的準確率約60%～70%。王煒等［17］通過Evans-Jensen's Ⅰ﹑Ⅱb型股骨轉子間骨折的滑動髖螺釘（DHS）﹑股骨近端防旋髓內(nèi)釘（PFNA）內(nèi)固定有限元模型，通過4種模型有限元分析﹑對比研究股骨小轉子在該類骨折中的維穩(wěn)作用和模型中內(nèi)固定的安全性發(fā)現(xiàn)在有限元角度，股骨小轉子在股骨轉子間骨折內(nèi)固定手術中具有穩(wěn)定支持作用，在Evans-Jensen'sⅡb型骨折中應用DHS系統(tǒng)進行內(nèi)固定是不安全的，PFNA是比較理想的內(nèi)固定器械。（3）髖關節(jié)發(fā)育不良（DDH）有限元分析：DDH是一種臨床較為常見的髖關節(jié)畸形，國外文獻報道發(fā)展中國家DDH發(fā)病率0.5%～2%，我國約1‰［18］。因此，有限元分析在髖關節(jié)發(fā)育不良方面的應用近年來已越來越引起重視，成為新的研究領域。李冬松等［19］對成人髖臼發(fā)育不良內(nèi)壁內(nèi)移截骨的有限元分析發(fā)現(xiàn)，髖臼內(nèi)壁截骨的內(nèi)移最佳位置在完全陷入骨盆腔1mm處。劉桂奇等［20］通過CroweⅣ型髖關節(jié)發(fā)育不良骨盆有限元模型的構建，探索出一種快速建立骨盆三維有限元模型的方法，并對發(fā)育性髖關節(jié)脫位患者假髖臼周圍的受力情況進行初步分析。李長有等［21］分別建立正常﹑髖臼發(fā)育不良及髖臼過度覆蓋的髖關節(jié)三維有限元模型，結果顯示髖臼覆蓋程度降低所致生物力學改變在髖關節(jié)繼發(fā)性骨關節(jié)炎中起重要作用。

2.3有限元分析法在髖關節(jié)置換領域中的應用 有限元分析最為廣泛地應用于人工髖關節(jié)置換的研究，分析人工髖關節(jié)置換術前術后應力的分布情況［22］。以往有對假體置換后的有限元分析首先建立正常股骨的三維有限元模型，體外假體模型，按照股骨頭假體置換的手術安裝步驟，應用計算機模擬切割安裝，建立髖關節(jié)置換后的有限元模型，研究全髖關節(jié)置換術前術后髖關節(jié)應力的分布情況［23］?，F(xiàn)今有限元分析還用于骨水泥殘余應力的細致分析﹑應力遮擋的深入研究，并對很多種新設計的假體和假體優(yōu)化設計方案提出新觀點，同時在髖關節(jié)置換術后假體表面聚乙烯磨損和脫位的研究也取得進展。（1）有限元分析法在全髖關節(jié)置換中股骨假體的應用： Andriacchi等［24］最早采用二維有限元研究全髖關置換后早期股骨干疲勞骨折的影響因素。劉文廣等［25］對水泥型人工髖關節(jié)置換治療老年Evans Ⅰ～Ⅲ型粗隆間骨折股骨假體的生物力學特性研究發(fā)現(xiàn)：股骨假體的應力分布和人工全髖關節(jié)置換后股骨假體的應力分布情況相似；長柄股骨假體的各應力集中峰值比短柄股骨假體高，但均未超過金屬斷裂的應力極值。鐘務學等［26］通過采用體繪制建立股骨三維模型，所建實體模型可以反映股骨內(nèi)結構，生物仿真度高，再利用其有限元分析方法可以模擬股骨在不同狀態(tài)下的力學載荷，精準模擬反映股骨應力分布。郝思春等［27］建立股骨偏心距對全髖關節(jié)置換術中應力水平影響的三維有限元分析模型，得出結論：股骨偏心距對THA應力水平的影響巨大，重建股骨偏心距有利于恢復外展肌力臂﹑重建正常髖關節(jié)的生物力學。呂大偉等［28］對老年人股骨頸骨折股骨頭置換術中短柄假體進行有限元分析，結果顯示短柄假體所受最大mises應力較常規(guī)股骨假體明顯減小，力學傳導模式仍為遠端應力集中，最大mises 應力仍出現(xiàn)在張力側。顯示出老年人股骨頸骨折關節(jié)置換術中短柄假體力學特性優(yōu)越。王宇等［29］同樣建立表面髖關節(jié)置換三維有限元模型，為今后髖關節(jié)表面置換提供可靠的股骨生物力學依據(jù)。（2）有限元分析法在髖臼假體研究方面的應用：髖臼和股骨假體的準確植入是全髖關節(jié)置換術成功的關鍵。現(xiàn)有的THA的假體研究大部分集中于股骨端假體的優(yōu)化研究。而大量長期隨訪顯示，髖臼假體相對于股骨端假體有較高的松動和翻修率，髖臼假體的體內(nèi)駐存率明顯低于股骨干假體。Hedia等［30］通過軸對稱有限元模型分析骨水泥型金屬臼杯所受應力情況，認為金屬臼杯設計時的厚度不應保持一致，臼杯弧頂部應加厚而邊緣應變薄，這樣可防止假體周圍部骨-水泥及水泥-金屬之間的疲勞破損，且防止對髖臼弧頂部的應力遮擋。有限元三維重建髖臼模型對于復雜髖臼重建的術前計劃提供較大幫助。Patil等［31］對髖臼假體置入位置的有限元分析研究表明，髖臼假體放置位置對假體磨損影響較大。許杰等［32］建立髖臼發(fā)育不良者全髖置換中置入不同直徑髖臼杯的有限元分析模型，結果發(fā)現(xiàn)：髖臼發(fā)育不良患者全髖關節(jié)置換時應在保證骨床包容的前提下，選擇較大直徑的髖臼杯，這樣有利于應力的均勻分布，同時應盡量避免或減少擴大磨銼髖臼骨床所導致的髖臼內(nèi)壁穿破。潘浩等［33］利用三維有限元仿真的方法研究全髖關節(jié)置換術治療成人髖關節(jié)發(fā)育不良時3 種不同髖臼假體位置與髖臼假體初始穩(wěn)定的相關性，研究表明髖臼假體在真臼位置安放的解剖重建，出現(xiàn)應力集中和大剪切應力的可能性最小，穿透內(nèi)移安放的模擬應力分布略高于真臼重建，而在假體上移高位安放的模擬則出現(xiàn)預測應力大幅增加。Korhonen等［34］經(jīng)有限元分析發(fā)現(xiàn)，髖臼杯設的幾何形態(tài)﹑厚度和外展角，甚至股骨頭與髖臼杯的間隙改變，均會影響應力分布。

3　展望

髖關節(jié)具有獨特的解剖學特點及復雜的生理功能，其生物力學研究已日益受到重視。有限元方法作為一種新興方法，不僅降低實驗成本﹑節(jié)省時間﹑消除標本間個體差異，還可以靈活控制實驗條件，重復或通過調(diào)節(jié)物質(zhì)的材料屬性，既可以測得實驗對象的外部受力情況，又可分析實驗對象內(nèi)部的應力變化，進而提高臨床診斷的準確性。從理論上講，這可彌補動物實驗﹑物理實驗和體外實驗的不足，為制定髖關節(jié)最佳手術方案提供最有價值的信息。隨著有限元分析法的發(fā)展和計算機技術的日益成熟，所應用的軟件不斷升級，建模方法也日益多樣化，仿真度也不斷提高，建立的髖關節(jié)有限元模型模擬不僅是髖部的鋼性結構部分，也觀察髖關節(jié)周圍的軟組織對關節(jié)活動的影響情況，以建立完整的骨骼肌肉髖關節(jié)模型。

現(xiàn)有的髖關節(jié)置換術假體有限元分析大部分集中于股骨側假體的優(yōu)化研究，在髖臼假體研究方面的應用相對較少，而大量的長期隨訪結果顯示，髖臼假體的松動和翻修相對高于股骨側假體，髖臼假體的體內(nèi)駐存率明顯低于股骨假體。在今后的科研中希望可以應用有限元分析法，嘗試進行相關研究，探討髖關節(jié)發(fā)育不良繼發(fā)骨關節(jié)病，特別是高位髖關節(jié)脫位患者的最佳髖臼重建方法，從而指導臨床工作，降低聚乙烯磨損所致的關節(jié)假體的松動率與假體翻修率。

1徐靈軍，朱海波，張銀網(wǎng)，等.人工髖關節(jié)活體有限元建模及應力學分析.中國組織工程研究，2012， 16（26）：4770～4775.

2Andriacchi TP， Galante JO. Belytschko TBA stress analysis of the femoral stem in total hip prostheses.J Bone Joint Surg Am， 1976， 58（5）：618～624. 3 張思能，黃潮桐，陳隆福，等.股骨生物力學有限元分析研究進展.中國骨科臨床與基礎研究雜志，2013，5（6）：368～373.

4周納新， 樊繼波， 鮑同柱，等.髖關節(jié)有限元模型的建立與分析.頸腰痛雜志，2011，32（6）：455～458.

5李永獎，張力成，楊國敬，等.人體髖關節(jié)三維有限元模型的建立及其生物力學意義.溫州醫(yī)學院學報，2007，37（5）：458～461.

6劉欣偉，閆寒，劉中洋，等.包含肌肉韌帶組織的骨盆髖臼3D有限元模型的構建.臨床軍醫(yī)雜志，2014，42（4）：331～335.

7聶涌，石小軍，裴福興.步態(tài)分析應用于全髖關節(jié)置換的研究進展.中國矯形外科雜志，3013，11：1106～1110.

8Norman TL，ShuHz T，Noble G，et al.Bone creep and short and long term subsidence after cemented stem total hip arthroplasly（THA） .J Biomech，2013，5：949～955.

9周建偉，吳繼功，張美超，等.球囊擴張骨水泥填充治療股骨頭缺血壞死的有限元分析和生物力學研究.南方醫(yī)科大學學報，2011，31（10）：1724～172.

10林永亮.股骨頭壞死區(qū)鉭棒植入前后的應力分布的三維有限元分析.山東大學，2013，10.

11龐智暉，何偉.基于三維重建和有限元分析的股骨頭壞死圍塌陷期保髖新技術的臨床應用.2013，7（3）：301～308.

12趙萬鵬，林峰，盧清萍，等.三維重建及有限元分析預測股骨頭壞死塌陷.中國生物醫(yī)學工程學報，2005，24（6）：784～787.

13Liu XW， Xu SG， Zhang CC， et al. Application of a shape memory alloy internal fixator for treatment of acetabular fractures with a follow-up of two to nine years in China.Int Orthop，2010，34（7）：1033-1040.

14何榮新，羅銀森，嚴世貴，等.Elite全髖置換前后股骨應力變化的三維有限元分析.中華醫(yī)學雜志，2004，84（18）：1519～1553.

15陳振沅，李開南，張之璽.股骨轉子間六部分骨折分型產(chǎn)生機制的有限元分析.中華創(chuàng)傷骨科雜志， 2015，17（5）433～437.

16Keyak JH， Rossi SA， Jones KA， et al.Prediction of fracture location in the proximal femur using finite element models.Med Eng Phys，2001，23（9） ：657～664.

17王煒， 周鵬鶴， 酈志文，等.股骨小轉子在轉子間骨折內(nèi)固定術中作用的有限元研究.現(xiàn)代實用醫(yī)學，2013，25（1）：14～17.

18徐永勝.成人髖關節(jié)發(fā)育不良的診斷與治療進展.內(nèi)蒙古醫(yī)學雜志，2012，44（4）：458～461.

19李冬松，李叔強，蔡波，等.成人髖臼發(fā)育不良髖臼內(nèi)壁內(nèi)移截骨的有限元分析.中國組織工程研究與臨床康復，2010，14（48）：9104～9108.

20劉桂奇，周勇剛.CroweⅣ型髖關節(jié)發(fā)育不良骨盆有限元模型的構建.中國組織工程研究與臨床康復，2010，14（30）：5511～5514.

21李長有，王禹祥，范廣宇.髖臼發(fā)育不良性髖關節(jié)的三維有限元非線性接觸壓力分析.醫(yī)用生物力學，2005，20（1）：18～24.

22丁峻宏，丁海.人體生物力學研究中的有限元仿真計算.計算機研究與發(fā)展，2010，31（2）：31～35.

23Viceconti M， Testi D， Simeoni M， et al. An automated method to position prosthetic components within multiple anatomical spaces. Comput Methods Programs Biomed. 2003，70（2）： 121～127.

24Andriacchi T P. A stress analysis of the femoral stem in the total hip protheses.Bone Joint Surg ，1976，58 （1） ：618～619.

25劉文廣，劉勝厚，殷慶豐，等.水泥型人工髖關節(jié)置換治療老年EvansⅠ～Ⅲ型粗隆間骨折股骨假體的生物力學特性.中國醫(yī)學科學院學報，2013，35（1）：108～111.

26鐘務學，張銀網(wǎng)，朱海波，等.采用體繪制方法建立人股骨三維有限元模型及其應力分析.中國組織工程研究，2012，16（17）：3048～3051. 27 郝思春，蔣建農(nóng)，陳俊，等.股骨偏心距對全髖關節(jié)置換術中應力水平影響的三維有限元分析.中華關節(jié)外科雜志，2013，7（5）：700～704. 28 呂大偉，蘇琴，姚詠明，等，老年人股骨頸骨折股骨頭置換術中短柄假體的有限元分析.創(chuàng)傷外科雜志，2015，17（2）138～140.

29王宇，王芳，韋葛堇，等.表面髖關節(jié)置換三維有限元模型的建立及意義.中國組織工程研究與臨床康復，2010，14（43）：7987～7990.

30Hedia HS， Abdel-Shafi AA， Fouda N.Shape optimization of met al backing for cemented acetabular cup.Biomed Mater Eng， 2000， 10（2）： 73～83.

31Patil S，Borgula A， Chen PC， et al.Polyethylene wear and acetabular component orientation.J Bone Joint Surg Am， 2003，85（4）：56～63.

32許杰，馬若凡，蔡志清，等.髖臼發(fā)育不良者全髖置換中置入不同直徑髖臼杯的力學分析.中國組織工程研究，2014，18（13）：1969～1973.

33潘浩，肖魯偉，賈高永，等.髖關節(jié)發(fā)育不良髖臼假體位置與穩(wěn)定的三維有限元分析.浙江醫(yī)學，2015，3（1）：44～48.

34Korhonen RK， Koistinen A， Konttinen YT， et al.The effect of geometry and abduction angle on the stresses in cemented UHMWPE acetabular cups-finite element simulations and experimental tests. Bioned Eng Online，2005，4（32）：1～14.

浙江省衛(wèi)生和計劃生育委員會醫(yī)藥衛(wèi)生科技計劃基金項目（2014KYA191）