何 仿 1? ,茍三懷 1,卜海富 2

摘要：

目的 探討在不同的肩關(guān)節(jié)功能 位 置 上 肱 骨 骨 折 的 受 傷 應(yīng) 力 機(jī) 制,為 肱 骨 骨 折 的 治 療 提 供 理 論 依 據(jù)。?

方法 建立人體肩關(guān)節(jié)的三維有限元模型,模擬在 12個(gè)不同的肩關(guān)節(jié)功能位置上,肱骨受到軸向載荷時(shí)的應(yīng) 力、應(yīng)變狀況。

結(jié)果 所建立人體肩關(guān)節(jié)的三維有限元模型合理、準(zhǔn)確、穩(wěn)定,可以精確計(jì)算出任一個(gè) 肩 關(guān) 節(jié) 功能位置上,任一肱骨節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變、位移狀況。

結(jié)論 三維有限元分析法是研究肱骨骨折瞬時(shí)受傷機(jī)制 的理想生物力學(xué)工具。關(guān)鍵詞：肩關(guān)節(jié)；肱骨骨折；三維有限元；生物力學(xué)?

? ? ?臨床上肩關(guān)節(jié)及其鄰近部位的骨折較常見,但 目前對(duì)其確切的受傷機(jī)制缺少深入的了解,本研究 旨在運(yùn)用肩關(guān)節(jié)的三維有限元生物力學(xué)模型,分析 不同的功能位置上肱骨受到軸向載荷時(shí)的應(yīng)力、應(yīng) 變狀況,探討肱骨骨折的受傷應(yīng)力機(jī)制,以期指導(dǎo)骨 折的預(yù)防和治療。

1 材料與方法?

1.1 肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的幾何實(shí)體重建

1.1.1 肩關(guān)節(jié)幾何重建數(shù)據(jù)源 使用美國(guó)虛擬人 網(wǎng)站 (ＶｉｓｉｂｌｅＨｕｍａｎ)提供的男性人體 (亞洲 )離體標(biāo)本斷層解剖圖像,作為肩關(guān)節(jié)實(shí)體幾何重建的數(shù) 據(jù)源。?

1.1.2 主要軟件 Ｕｔｈａｓｃｓａｉｍａｇｅｔｏｏ點(diǎn)數(shù)據(jù)采集軟 件,ＣａｔｉａＶ5有 限 元 分 析 軟 件,ＡＣＤ 6.0,Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ 7.0等圖像處理軟件。?

1.1.3 計(jì)算 機(jī) 兼 容 機(jī) 性 能 參 數(shù) ＣＰＵ：Ｐ4 2.2；內(nèi) 存：1.0Ｇ；硬盤：80Ｇ；操作系統(tǒng)：ＷｉｎｄｏｗＸＰ。?

1.1.4 方法 在人體肩關(guān)節(jié)斷層解剖圖上選取自 鎖骨頂端至肱骨遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)面共 380層的斷層圖像, 層厚 1ｍｍ。在 Ｕｔｈａｓｃｓａｉｍａｇｅｔｏｏｌ圖像處理界面下 讀取鎖骨、肱骨、肩胛骨結(jié)構(gòu)邊界點(diǎn)的兩維坐標(biāo) (圖 1),包括軟骨、皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、髓腔的邊界,形成肩 關(guān)節(jié)骨性結(jié)構(gòu)和軟骨、髓腔的表面輪廓點(diǎn)陣,再以 1 ｍｍ的斷層間隔作為 Ｚ軸間隔,獲取目 標(biāo) 結(jié) 構(gòu) 的 所 有點(diǎn)的三維空間坐標(biāo),共生成11766點(diǎn),再將其逐一 輸入 ＣａｔｉａＶ5三維重建和分析軟件的運(yùn)行環(huán)境 (重 建模塊 ),生成相 應(yīng) 的 點(diǎn) 元 素 (ｐｏｉｎｔｓ),后 用 曲 線 擬 合的方式將 各 點(diǎn) 連 接 起 來,生 成 線 (ｌｉｎｅｓ),接 著 將 線按照掃掠的方式生成面 (ａｒｅａｓ),這時(shí)已初步形成肩關(guān)節(jié)的外形結(jié)構(gòu),但此外形是粗略的,因?yàn)槊媾c面 之間的連接不光順,不可以形成完整的體素,故需要 將多個(gè)面之間的連接處進(jìn)行仔細(xì)的倒角和修飾,反 復(fù)與肩關(guān)節(jié)的尸體標(biāo)本對(duì)照,直至外形非常接近肩 關(guān)節(jié)的骨性結(jié)構(gòu)為止。接著將面與面之間封閉,形 成三維體素 (ｖｏｌｕｍｎｓ),至此,肩關(guān)節(jié)的三維幾何重 建模型完成,它包括肩胛骨、鎖骨、肱骨,且按照組成 成分不同,分別顯示皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、軟骨及髓腔結(jié) 構(gòu),在 ＣａｔｉａＶ5運(yùn)行平臺(tái)上可以任意角度轉(zhuǎn)動(dòng),觀察 模型的解剖結(jié)構(gòu)和方向。見圖 2。

1.2 肩關(guān)節(jié)三維有限元模型的構(gòu)建 肩關(guān)節(jié)的三 維實(shí)體建模完成后,根據(jù)材料特性的不同,需要對(duì)結(jié) 構(gòu)進(jìn)行分類,分別定義各自的材料力學(xué)參數(shù)。見表 1。

? ? ?考慮到肩袖結(jié)構(gòu)在肩關(guān)節(jié)的動(dòng)力性穩(wěn)定和生物 力學(xué)中的重要作用,而岡上肌是重要的外展肌,故模 型建立時(shí),必須考慮到該肌對(duì)肱骨和關(guān)節(jié)的力的作 用,故加載時(shí),根據(jù)岡上肌作用于肱骨大結(jié)節(jié)的位點(diǎn) 和主力方向,每一個(gè)功能位置上均施加 50Ｎ水平載 荷,以作為肩袖的參照應(yīng)力。

? ? ? 為了在網(wǎng)格化中精確再現(xiàn)肩關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu),本研 究選用 10節(jié)點(diǎn)的四面體單元對(duì)肱骨、肩胛骨、鎖骨 進(jìn)行網(wǎng)格劃分 (ｍｅｓｈ),以適應(yīng)人體肩關(guān)節(jié)不規(guī)則的 幾何形狀,該四面體每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有六個(gè)方向的自由 度。在 ＣａｔｉａＶ5運(yùn)行平臺(tái)上,定義肩關(guān)節(jié)的各項(xiàng)參 數(shù)和指標(biāo),選擇中上等精度的自動(dòng)網(wǎng)格劃分模式,對(duì) 肩 關(guān) 節(jié) 進(jìn) 行 自 動(dòng) 網(wǎng) 格 化,生 成 3 977 個(gè) 節(jié) 點(diǎn)(ｎｏｄｅｓ)、20919個(gè)四面體單元 (ｅｌｅｍｅｎｔｓ)。見圖 3。

1.3 肩關(guān)節(jié)不同功能位置上肱骨的三維有限元力 學(xué)分析 啟動(dòng) ＣａｔｉａＶ5的結(jié)構(gòu)模塊。根據(jù)盂肱關(guān)節(jié) 面的接觸關(guān)系,及肱骨頭的旋轉(zhuǎn)中心的確立,固定肩 胛骨相對(duì)不動(dòng),將肱骨分別從 0°位外展到 30°、45°、 60°、90°,每個(gè)位置上,分別設(shè)定三種旋轉(zhuǎn)狀態(tài)：中立 位、外旋 45°、內(nèi)旋 45°,從而將肩關(guān)節(jié)的動(dòng)態(tài)功能過 程分割成 12個(gè)不同的功能位置,分別在肱骨遠(yuǎn)端施 加軸向載荷 100Ｎ,分析其應(yīng)力、應(yīng)變、位移狀況,并 且動(dòng)態(tài)顯示加載 -形變過程,輸出 ｖｏｎＭｉｓｅｓ應(yīng)力分 布,用鼠標(biāo)任意在肩關(guān)節(jié)上取點(diǎn),求解其各項(xiàng)數(shù)值。

2 結(jié)果?

? ? ? ?以外展 60°為例：分別在中立位、內(nèi)旋、外旋時(shí), 求解加載后的肱骨及盂肱關(guān)節(jié)面的 ｖｏｎＭｉｓｅｓ三維 應(yīng)力云圖 (圖 4～6)；同時(shí)可顯示加載力的方向及加 載后 肱 骨 的 形 變 動(dòng) 態(tài) 過 程 (以 外 旋 45°為 例,見 圖 7)。?

3 討論

圖 7 外旋 45°加載后肱骨的應(yīng)力和形變動(dòng)態(tài)過程

3.1 本研究中采用的三維有限元方法的原理 本 研究采用間接建模法重建肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)模型,即先獲 得肩關(guān)節(jié)表面輪廓關(guān)鍵點(diǎn)的空間坐標(biāo),然后通過有 限元軟件將采集點(diǎn)轉(zhuǎn)化成需要重建的模型。目前, 獲得目標(biāo)結(jié)構(gòu)的各采集點(diǎn)的準(zhǔn)確空間位置的方法有 兩種,一種直接用三維空間數(shù)字儀在標(biāo)本的表面描 計(jì),從而獲得所采集點(diǎn)的空間坐標(biāo),如 Ｋｌｅｉｎｅｔａｌ [1] 采用空間數(shù)字儀描計(jì)尸體肩關(guān)節(jié)的,重建肩關(guān)節(jié)的 三維有限元模型；而本研究采用間接方法,先采集關(guān) 鍵點(diǎn)的坐標(biāo),再根據(jù)該平面在參考坐標(biāo)系中的位置, 確定各采集點(diǎn)的空間坐標(biāo) [2-3]。在此方法中,層面 之間間隔越小,越能較精確反映骨骼表面的狀況,以 此形成的三維有限元模型研究越準(zhǔn)確。本研究采用 層面間隔為 1ｍｍ的高分辨率的肩關(guān)節(jié)解剖橫斷面 圖作為肩關(guān)節(jié)三維有限元模型重建的數(shù)據(jù)源,以此 獲得的肩關(guān)節(jié)三維模型清晰、精確、逼真,能夠滿足 有限元分析要求。

3.2 肩關(guān)節(jié)不同功能位置上肱骨三維有限元力學(xué) 分析的意義 肩 關(guān) 節(jié) 的 運(yùn) 動(dòng) 可 以 劃 分 成 外 展 和 內(nèi) 收、前屈和后伸、內(nèi)旋和外轉(zhuǎn)三部分,它們之間不同 組合,構(gòu)成肩關(guān)節(jié)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)模式 [4]。對(duì)于日常活 動(dòng)而言,肩部的外展是上肢發(fā)揮功能的基礎(chǔ)姿勢(shì),另 外,肩關(guān)節(jié)全范圍生理狀態(tài)外展時(shí),肱骨頭必須同時(shí) 伴有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才能完成,所以,在有限元分析時(shí),將 肩關(guān)節(jié)的功能位置簡(jiǎn)化成外展和旋轉(zhuǎn)的不同組合, 是符合人體肩關(guān)節(jié)基本的運(yùn)動(dòng)模式的 [5]。此外,本 研究中所采用的三維有限元軟件可以實(shí)現(xiàn)在三維空 間中模擬肩關(guān)節(jié)不同的功能位置,因而更加符合肱 骨受力的生理狀況。

? ? ? 根據(jù)結(jié)果,我們可以看出,在相同的軸向載荷下 (模擬人體摔倒時(shí)肱骨受到的間接暴力 ),肱骨和盂 肱關(guān)節(jié)面的應(yīng)力出現(xiàn)可重復(fù)性的、不均勻的變化,以肱骨外科頸與外科頸相移行的骨干部應(yīng)力最大,以 盂肱關(guān)節(jié)面與外科頸之間的區(qū)域應(yīng)力最小,提示在 在此區(qū)域最易形成高應(yīng)力帶,一旦超過骨極限強(qiáng)度, 即發(fā)生骨折 [6]。即便在高應(yīng)力區(qū)沒有發(fā)生骨折,其 骨小梁也會(huì)發(fā)生小的形變,這種形變與小梁的微骨 折無特定界限,是具有臨床和研究意義的。采用試 驗(yàn)力學(xué)的方法,是無法直接觀察到骨形變的,而有限 元分析可以直觀地顯示骨形變位置和程度,有利于 判斷骨折的位置和骨折線形態(tài)的估計(jì) [7]。例如：當(dāng) 60°外展時(shí),三種不同的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下,骨形變區(qū)以內(nèi) 旋位最大,外旋時(shí)骨形變其次,中立位相對(duì)最小；內(nèi) 旋時(shí),偏向于前內(nèi)側(cè),說明前內(nèi)側(cè)是骨折初始斷裂的 位置,骨折線走行自后外至前內(nèi)。其他功能位置的 力學(xué)狀態(tài)均可通過類似的方法獲得。此外,強(qiáng)大的 有限元分析功能使我們能夠輕易用鼠標(biāo)取值,獲得 肱骨及盂肱關(guān)節(jié)面上任一節(jié)點(diǎn) (包括結(jié)構(gòu)的深部節(jié) 點(diǎn) )應(yīng)力、位移、矢量數(shù)值,并且可以根據(jù)統(tǒng)計(jì)需要, 繪制載荷 -應(yīng)變或應(yīng)力 -應(yīng)變曲線。尤其值得一提 的是,三維有限元可以顯示加載力的方向及加載后 肱骨的形變動(dòng)態(tài)過程,這種計(jì)算機(jī)的模擬,可以形象 而又直觀地展示骨骼在承受載荷后,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的 變化過程,顯然這是計(jì)算機(jī)技術(shù)與骨科生物力學(xué)的 巧妙結(jié)合的成果。

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