陳海艷　白　波　彭鰜僑

(廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院骨科 廣東省矯形植入骨科重點實驗室 廣州骨科研究所， 廣東 廣州 510120)

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·醫(yī)學(xué)教育·

計算機(jī)輔助創(chuàng)建骨折內(nèi)固定有限元示教模型的研究

陳海艷白波彭鰜僑*

(廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院骨科 廣東省矯形植入骨科重點實驗室 廣州骨科研究所， 廣東 廣州 510120)

目的:利用骨折三維仿真實體模型，描述骨折內(nèi)固定有限元模型的創(chuàng)建過程，為骨科教學(xué)提供模式借鑒。方法:將Mimics17.0重建出來的完整股骨3D模型以STL格式導(dǎo)入逆向工程軟件Geomagic studio 12.0，以平面截面功能模擬截骨，再經(jīng)過“探測曲率→降級輪廓線→構(gòu)造曲面片→構(gòu)造格柵→擬合曲面”等步驟，擬合成NURBS曲面，再導(dǎo)入交互式CAD/CAM軟件UG8.0，利用建模模塊下的縫合功能縫合成三維仿真實體模型，利用三維繪圖軟件ProE5.0繪制內(nèi)固定模型，將骨折模型和內(nèi)固定模型導(dǎo)入有限元前后處理軟件Hypermesh11.0裝配成骨折內(nèi)固定系統(tǒng)，并在該軟件下最終完成有限元模型的制作。結(jié)果:成功創(chuàng)建了生動、逼真且對有限元建模學(xué)習(xí)有啟發(fā)作用的骨折內(nèi)固定模型。這種以練代教的趣味模式充分調(diào)動了學(xué)生的自主性和積極性，學(xué)習(xí)成績普遍提高。 結(jié)論:醫(yī)學(xué)生、實習(xí)生、進(jìn)修生皆可從這些虛擬建模方法中更好地鞏固生物力學(xué)知識，掌握骨科力學(xué)特征。計算機(jī)輔助教學(xué)為學(xué)生提供了廣闊的實踐平臺，是革除應(yīng)試教育弊端、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造能力的突破口，非常值得各大醫(yī)院在教學(xué)實踐中推廣。

骨折內(nèi)固定； 有限元建模； 有限元前處理； 教學(xué)研究

傳統(tǒng)的骨科帶教方法以教師授課、標(biāo)本觀察、集體查房、參觀手術(shù)等“眼看手勿動”方式為主，學(xué)生缺乏獨立操作機(jī)會；傳統(tǒng)的生物力學(xué)示教則通過尸體標(biāo)本在機(jī)械試驗平臺加載外力來測試，缺點是每套實驗工作量大、尸體標(biāo)本和應(yīng)變壓敏片費(fèi)用昂貴、同一標(biāo)本不可“再生”讓每個學(xué)生輪番上場重復(fù)使用。計算機(jī)輔助骨科技術(shù)的引進(jìn)為骨科示教注入了鮮血，本研究以骨折內(nèi)固定有限元(Finite Element,FE)模型的創(chuàng)建作為示教典范探討醫(yī)學(xué)教學(xué)改革路向。具體到學(xué)生對“內(nèi)固定”及其力學(xué)性能的理解，若僅示以“內(nèi)固定”實物并在機(jī)械試驗平臺上加載外力來講述它的穩(wěn)定性，其認(rèn)識難免膚淺；若把“內(nèi)固定”以有限元模式讓學(xué)生親手創(chuàng)建出來，不但可供反復(fù)觀摩而且可供后續(xù)力學(xué)分析，其認(rèn)識也就深刻得多。我們通過以上步驟建立了可在AnSys中求解的FE模型，該模型不僅在外觀視覺上與真實股骨具有良好的相似性，基于骨骼CT值賦材的股骨模型在內(nèi)部結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性上也與真實模型相近，通過與文獻(xiàn)[5]體外力學(xué)實驗比較驗證，相同載荷條件下兩者數(shù)據(jù)相近有效。各種部位的骨折內(nèi)固定術(shù)、骨腫瘤手術(shù)、人工假體植入、關(guān)節(jié)置換等虛擬手術(shù)均可采用本文實驗方法建模后作FE分析，故本教學(xué)方法對骨科示教能起普遍性作用。經(jīng)過本校第一臨床醫(yī)學(xué)院一年多的嘗試證明，這種教學(xué)方法對教學(xué)質(zhì)量的提高能起到一定的作用。

1　材料與方法

1.1材料

64排螺旋CT薄層掃描的股骨圖像1例，高配置電腦1臺并裝備軟件：醫(yī)學(xué)圖像處理儀軟件Mimics-17.0、逆向工程軟件Geomagic studio-12.0、交互式CAD/CAM軟件UG(siemens NX 8.0)、三維繪圖軟件Pro/E5.0、有限元前處理軟件Hypermesh-11.0。

1.2方法

1.2.1骨折三維仿真實體模型的創(chuàng)建本文以創(chuàng)建“Pauwels-Ⅲ型(骨折線夾角>50°)股骨頸骨折、三枚拉力螺釘呈倒品字形排列固定”的有限元模型作具體介紹。CT掃描1例正常股骨并以Dicom格式保存,導(dǎo)入醫(yī)學(xué)圖像處理軟件Mimics重建出完整的股骨三維(Three Dimensions3D)模型，然后以STL格式導(dǎo)入逆向工程軟件Geomagic studio，再以平面截面功能來模擬股骨頸中部截骨，使截骨平面與水平面成55°角，經(jīng)過“探測曲率→降級輪廓線→構(gòu)造曲面片→構(gòu)造格柵→擬合曲面”等步驟，擬合成“非均勻有理B樣條”(Non-Uniform Rational B-Splines，NURBS)曲面并導(dǎo)入交互式CAD/CAM軟件UG，用該模塊下的縫合功能縫合成三維仿真實體模型，如圖1所示。3D仿真實體模型沒有福爾馬林氣味，保存在筆記本電腦成為“流動解剖實驗室”，電子標(biāo)本可平移或輪動且立體感強(qiáng)烈，可讓醫(yī)學(xué)生隨時隨地全方位觀摩，比傳統(tǒng)解剖教學(xué)模式更加便利。

1.2.2內(nèi)固定模型的繪制利用三維繪圖軟件Pro/E5.0野火版繪制拉力螺釘實體模型，螺釘螺紋部分直徑7.3 mm,無螺紋部分直徑 6.0 mm，長度90 mm，因螺紋結(jié)構(gòu)對實驗結(jié)果影響不大，故忽略螺紋細(xì)節(jié)并以同等直徑的圓柱代替。繪制好的內(nèi)固定模型如圖2所示，保存在筆記本電腦如同流動“器械庫”。電子標(biāo)本色彩鮮艷、輪廓分明，比傳統(tǒng)外科教學(xué)模式表達(dá)得更加深刻，使實習(xí)生更深入認(rèn)識內(nèi)固定的特性。

1.2.3有限元模型的創(chuàng)建FE模型的創(chuàng)建主要在有限元前后處理軟件Hypermesh11.0實現(xiàn)，此步驟也是本文敘述的重點部分。Hypermesh軟件功能強(qiáng)大，它能夠與眾多CAD系統(tǒng)有良好的集成性，可以集成的CAD圖形標(biāo)準(zhǔn)如下：UG(讀取UG/NX生成的幾何實體)、Pro/E(讀取Pro/E生成的幾何實體)、CATIA(HP，IBM，WIN，SUN，SGI)V5.0版本、ACIS、DESDXF、I-DEAS、IGES、INCA等等。本實驗的前期工作如在UG中縫合骨折模型實體、螺釘模型繪制等均以IGES格式在Hypermesh中集成。它支持很多求解器輸入輸出格式，F(xiàn)E網(wǎng)格劃分完成后再把計算模型轉(zhuǎn)化成各種求解器文件格式，并用相應(yīng)的求解器計算。正確的FE模型是精準(zhǔn)力學(xué)分析的前提條件，建模的每個步驟諸如材料屬性賦值、裝配內(nèi)固定、接觸關(guān)系設(shè)定、邊界約束及外加載荷等完全基于數(shù)字化原理，所以，醫(yī)學(xué)生通過建模操作加深了對生物力學(xué)的理解,比單純力學(xué)示教的傳統(tǒng)模式更加易懂。

1.2.3.1裝配幾何體打開Hypermesh11.0，在彈出的“User Profiles”對話框中選擇“Ansys”，點擊“Import Geometry”,文件類型選擇IGES，選擇前期制作的骨折模型和螺釘模型幾何體以便將模型直接導(dǎo)入。Hypermesh提供的移動模型功能可任意轉(zhuǎn)動或平移模型，從而實現(xiàn)幾何模型的裝配。點擊工具欄中的“Geometry”,使用其中的“Translate components”和“Rotate components”功能，將螺釘移動到欲放置的位置，點擊“Tool→Organize→Copy”復(fù)制2枚螺釘。螺釘裝配方式遵循Bout[1]等股骨頸螺釘固定原則：3枚螺釘呈倒品字形排列(保持平行并盡量分散)，1枚嵌入股骨距皮質(zhì), 另 2枚分別緊貼股骨頸后上和前上側(cè)皮質(zhì),置釘角度均與股骨干縱軸成135°，如圖3所示。在計算機(jī)模版上親手裝配內(nèi)固定螺釘?shù)倪^程就是臨床鎖釘?shù)脑敿?xì)預(yù)演，至此，演習(xí)者對骨折的內(nèi)固定手術(shù)形成了初步印象，傳統(tǒng)式的“先見習(xí)后實習(xí)” 模式經(jīng)此改進(jìn)后教學(xué)時程大為縮短。

圖1　骨折模型　　　　　圖2　螺釘模型

圖3骨折內(nèi)固定模型裝配體及線框

1.2.3.2實體布爾運(yùn)算將以上裝配體以IGES格式保存，在“Geom→Solids”菜單頁面下使用實體編輯功能，令各部件由面生成體，再用“Solid edit→Boolean”功能分別去除螺釘占據(jù)部分的股骨頭和股骨干骨質(zhì)，如圖4。據(jù)學(xué)生反饋：運(yùn)算后的透明圖案比尸體標(biāo)本觀察起來更透徹。

1.2.3.3劃分實體網(wǎng)格在CAE工程技術(shù)領(lǐng)域, Hypermesh最顯著的特點是它的FE網(wǎng)格劃分前處理功能。本實驗采用由面網(wǎng)格生成體網(wǎng)格的方法，分別對各個部件劃分3D實體網(wǎng)格。將欲劃分網(wǎng)格的部件“Make current”提到當(dāng)前活動部件，在“2D”菜單下使用“Automesh”自動劃分功能劃分2D網(wǎng)格，“Surfs”選擇將要劃分網(wǎng)格的部件所有的面，劃分方式選擇“QI-optimize”網(wǎng)格質(zhì)量最優(yōu)化，單元尺寸設(shè)置為2mm，“Mesh type”選擇三角形，單元階次選擇“First order”，點擊“Mesh”完成2D網(wǎng)格的劃分，返回點擊“Qualityindex”檢查網(wǎng)格質(zhì)量，通過“Element optimize”選擇失敗的網(wǎng)格使之最優(yōu)化。 本實驗選擇8節(jié)點的四面體單元 Solid-185。依次點擊“3D→Tetramesh→ Tetra mesh”，在“Fixed trias/Quads to tetra mesh”菜單下的“Elems”選擇相應(yīng)“Component”的2D網(wǎng)格，點擊“mesh”完成3D網(wǎng)格的劃分，同理劃分其他部件3D網(wǎng)格如圖5。據(jù)見習(xí)老師們評價：網(wǎng)格劃分后的結(jié)構(gòu)圖案比尸體標(biāo)本觀察起來更形象。

圖4　布爾運(yùn)算去除螺釘占據(jù)部分的骨質(zhì)

圖52D、3D網(wǎng)格矢狀面剖面圖

1.2.3.4賦予單元和材料屬性在“3D”菜單下，點擊“ET Types”單元類型選擇Solid-185，再使用“Create property”功能創(chuàng)建一個“Solid-85p”的屬性，在“Component”工具欄下將單元類型及屬性賦予各個部件。 模型材料的賦予在軟件Mimics中完成，根據(jù)骨骼的CT值或灰度值賦予骨骼材料，這種方法比單純地把骨骼分為皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨兩種材料更能體現(xiàn)出骨骼的生物材料特性。將上述網(wǎng)格模型以FE模型文件.cdb格式導(dǎo)出，在Mimics中打開建立該股骨模型的CT圖像工程文件，將FE模型導(dǎo)入，利用Mimics提供的股骨賦材料經(jīng)驗公式：Density=131+1.067*HU；E-Modulus=0.004*density＾2.01，賦予股骨5種材料，股骨泊松比設(shè)為0.3，螺釘彈性模量190000，泊松比0.27，該數(shù)據(jù)參照前人文獻(xiàn)[2-4]。文獻(xiàn)[5]提出賦予骨骼10種材料即可達(dá)到FE分析要求，本實驗使用5種材料得出的數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[5]10種材料數(shù)據(jù)比較并無差異。為簡化實驗，減少計算量，故賦予股骨5種材料，如圖6所示?！百x材”的查閱和操作過程可引導(dǎo)演習(xí)學(xué)生深入了解骨骼的材料成分，其教學(xué)顯然是單純的課本知識講授辦不到的。

A B C

圖6A:FE模型導(dǎo)入Mimics;B:模型賦材;C:網(wǎng)格模型

1.2.3.5約束接觸施加載荷賦予模型材料后再導(dǎo)回Hypermesh，設(shè)置骨折面接觸關(guān)系：假設(shè)骨折面完全斷裂，兩骨折端處于接觸狀態(tài)，在Contact manager下建立骨折兩端的接觸狀態(tài)，摩擦系數(shù)為0.2[6]，接觸單元選擇Targe-170/Conta-174；設(shè)螺釘與股骨釘?shù)罒o相互錯動，設(shè)置為“bonded”綁定接觸。 本實驗?zāi)M體重為70kg的成人單足站立時骨折內(nèi)固定系統(tǒng)的受力情況，此時整個上身加單腿的重力作用于站立側(cè)的股骨頭上的力約為600N，相當(dāng)于對股骨頭部垂直向下均勻施加600N應(yīng)力，在“Analysis”菜單下點擊“Forces”，選擇股骨頭頂端與髖臼接觸部位的節(jié)點,將600N應(yīng)力平均施加于這些節(jié)點之上；點擊“Constraints”施加約束，選擇股骨遠(yuǎn)端一定范圍的節(jié)點，約束其XYZ方向的自由度均為0。最后在“Control Cards”菜單下定義求解選項：ANTYPE/AUTOTS:OF/KBC:0/NLGEOM:ON//SOLU/NSUBST:2/OUTRES/SOLVE/TIME:1。以.cdb格式導(dǎo)出保存。對約束及載荷的規(guī)劃過程使實驗者對骨折手術(shù)的理解達(dá)到運(yùn)動醫(yī)學(xué)的高度，應(yīng)用一年后，這種緊跟信息時代以練代教的實習(xí)模式深受師生的喜愛。

2　結(jié)　果

本研究充分利用臨床醫(yī)學(xué)院現(xiàn)存的資源和公共軟件配置，建立了骨折三維仿真實體模型，讓醫(yī)學(xué)生隨時隨地全方位觀摩，比傳統(tǒng)解剖教學(xué)模式更加便利；制出內(nèi)固定模型，保存在筆記本電腦如同流動“器械庫”，電子標(biāo)本色彩鮮艷、輪廓分明；并創(chuàng)建了可供力學(xué)分析的有限元模型，通過建模操作加深了學(xué)生對生物力學(xué)的理解,比單純力學(xué)示教的傳統(tǒng)模式更加易懂。

這一系列環(huán)節(jié)被設(shè)置成可供操作的程序，醫(yī)學(xué)生可在教師指導(dǎo)下逐步制作虛擬“成品”并親身體驗自己的“成果”，學(xué)生從“要我學(xué)習(xí)”變成“我要學(xué)習(xí)”，自然反饋了這種教育模式較之舊版“填鴨教育”具有無與倫比的趣味性。 經(jīng)此模式改進(jìn)后的教程大為縮短，在單位時間內(nèi)增加了學(xué)習(xí)內(nèi)容量的同時，對人體骨骼成分、解剖結(jié)構(gòu)的講解也有了質(zhì)的飛躍，教學(xué)效率獲得了前所未有的提高。

3　討　論

既往外科“骨折”這一章節(jié)采取課堂講授形式，“內(nèi)固定”這一章節(jié)的演示采取參觀手術(shù)的形式，“骨折內(nèi)固定力學(xué)特征”這一章節(jié)更是停留于口頭講解，三個章節(jié)抽象難懂、各自孤立、不易聯(lián)系到一塊。我們設(shè)計出可供學(xué)生操作的“創(chuàng)建骨折內(nèi)固定有限元示教模型”程序的初衷就是把三個章節(jié)有機(jī)組合成為有限元分析的前奏，培養(yǎng)學(xué)生獨立的邊思考邊創(chuàng)作的能力。有限元分析(Finite Element Anaysis, FEA)利用既簡單又可互動的單元以近似方法模擬真實物體,以有限未知量逼近無限未知量, 實現(xiàn)數(shù)值求解的標(biāo)準(zhǔn)化，它的基本思路就是化整為零,集零為整。Hypermesh是有限元分析前的后處理軟件，它具有以下鮮明特點：(1)直接輸入CAD幾何模型或FE模型，減少重復(fù)建模的時間和費(fèi)用；(2)集成系統(tǒng)支持廣泛的求解器，確保任何情形下都有適用的求解器；(3)高速度、高質(zhì)量的自動網(wǎng)格劃分簡化了復(fù)雜幾何體的FE建模工序。這樣，在計算機(jī)軟件的輔助下，學(xué)生的操作效率大大提高，示教效果也大有改善。

“骨折內(nèi)固定”僅是基礎(chǔ)內(nèi)容，示教模型的創(chuàng)建屬于有限元分析過程的啟蒙步驟，而外科是個龐大的醫(yī)學(xué)體系，對于更復(fù)雜的環(huán)節(jié)如脊柱、頜面力學(xué)，非FEA不足以深入解析，計算機(jī)輔助醫(yī)學(xué)示教模式潛力無窮；中國醫(yī)學(xué)院數(shù)以千計，而生物力學(xué)和解剖是各大專業(yè)的必修科，充分發(fā)揮計算機(jī)輔助力學(xué)示教模式的優(yōu)勢具有廣闊的應(yīng)用前景。在國外，這種創(chuàng)造導(dǎo)向的啟迪教育技術(shù)從小學(xué)開始，國內(nèi)慣用的制造導(dǎo)向的應(yīng)試教育技術(shù)必須以計算機(jī)輔助教學(xué)為契機(jī)徹底扭轉(zhuǎn)。 美國芝加哥大學(xué)僅僅一家醫(yī)學(xué)院就誕生了12位諾貝爾獲獎人，而泱泱中國至今才出現(xiàn)1位，如何看待這一可悲現(xiàn)狀？作為研究生導(dǎo)師，作者認(rèn)為高等教育失敗的禍?zhǔn)资恰敖倘眲?chuàng)意、學(xué)缺新意”，其中作為主要矛盾的“教”在教學(xué)中占據(jù)著引導(dǎo)地位，我們不妨以提供學(xué)生廣闊的實踐平臺為突破口大膽革除應(yīng)試教法。本文以力學(xué)建模為個案對“骨折內(nèi)固定”教學(xué)作深入淺出的探討，證明了計算機(jī)輔助教學(xué)的普遍價值。

4　結(jié)　論

前文論述的這一具有虛擬手術(shù)和力學(xué)分析用途的建模過程，具備計算機(jī)基本技能的讀者都能輕松讀懂，醫(yī)學(xué)生、實習(xí)生、進(jìn)修生皆可根據(jù)這些實驗方法親自動手分析骨科力學(xué)特征，這種模式有利于“學(xué)”；計算機(jī)輔助教學(xué)模型廉價、具體、形象、生動、高效，比傳統(tǒng)式的大課講授更加優(yōu)越，這種模式有利于“教”。隨訪醫(yī)務(wù)高管、實習(xí)師生等，這一示教模型的作用得到一致公認(rèn)，“計算機(jī)輔助創(chuàng)建骨折內(nèi)固定有限元教學(xué)模型”值得各大醫(yī)院在外科教學(xué)實踐中推廣。

[1] Bout CA,Cannegieter DM, Juttmann JW.Percutaneous cannu lated Screw fixation of femoral neck fractures the three point principle[J]. Infury-international Journal of the Care of the Injuned,1997,28(2):135-139.

[2] Sitthiseripratip K,Van Oosterwyck H, Vander Sloten J,et al. Finite element study of trochanteric gamma nail for trochanteric fracture[J]. Med Eng Phys，2003，25(2)：99-106.

[3] Kobayashi E,Wang TJ,Doi H,Yoneyama T, Hamanaka H. Mechanical properties and corrosion resistance of Ti-6Al-7Nb alloy dental castings[J]. J Mater Sci Mater Med，1998，9(10):567-574.

[4] Pioletti DP,Rakotomanana LR. Can the increase of bone mineral density following bisphosphonates treatments be explained by biomechanical considerations?[J]. Clin Biomech (Bristol, Avon)，2004，19(2):170-174.

[5] 張國棟,廖維靖,陶圣祥,等. 股骨頸有限元分析的賦材料屬性方法探討及有效性驗證[J]. 中國組織工程研究與臨床康復(fù),2009,13(52):10263-10268.

[6] Paul S Robinson, Rick Placide, Louis J Soslowsky,et al.Mechanical strength of repairs of the hip piriformis tendon. The Journal of Arthroplasty，2004，19(2):204-210.

(本文編輯:董莉)

10.3969/j.issn.1008-1836.2016.02.029

廣東省科技廳公益研究能力建設(shè)基金(2014A020215035)；廣州市教育局高教“十二五”規(guī)劃重點項目(1201420813)；廣州市教育局高校科技計劃項目(08A021)

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2095-9664(2016)02-0107-04

2016-02-15)