胸腰椎體壓縮性骨折三維有限元 模型的建立和分析
來(lái)源：王 健 等. 胸腰椎體壓縮性骨折三維有限元模型的建立和分析[J]. 中國(guó)矯形外科雜志, 2016, 24(16):6.
摘 要: ［目的］ 建立胸腰椎體壓縮性骨折三維有限元模型，探索胸腰段椎體壓縮性骨折三維有限元模型的建模方法和有限元方法在胸腰段椎體壓縮性骨折臨床治療中的應(yīng)用前景。［方法］ 在正常胸腰椎三維非線性有限元模型的基礎(chǔ)上結(jié)合臨床胸腰椎壓縮性骨折實(shí)際病例，運(yùn)用有限元軟件，建立胸腰椎椎體骨折壓縮1/3、1/2 有限元模型，進(jìn)行有限元分析，測(cè)量并比較正常胸腰椎模型及胸腰椎椎體骨折壓縮 1/3、1/2 模型在屈、伸、側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)等工況下的活動(dòng)度 ( ＲOM) 。［結(jié)果］ 胸腰椎壓縮性骨折有限元模型外觀逼真，幾何相似性好，各個(gè)工況下的活動(dòng)度較正常胸腰椎模型明顯增大，并且隨著椎體壓縮程度的增加，活動(dòng)度相應(yīng)增大，尤其是前屈分別增加了 1. 13° ( 椎體骨折壓縮1/3) 、2. 14° ( 椎體骨折壓縮 1/2) ; 后伸增加了 0. 66° ( 椎體骨折壓縮 1/3) 、0. 94° ( 椎體骨折壓縮 1/2) 。［結(jié)論］ 胸腰段椎體壓縮性骨折三維有限元模型能夠較好的模擬胸腰椎壓縮性骨折實(shí)際病例，可用于臨床對(duì)胸腰椎壓縮性骨折患者的生物力學(xué)分析，其結(jié)果可以指導(dǎo)制定胸腰椎壓縮性骨折的治療策略。
胸腰椎壓縮性骨折，是脊柱骨折中較多見(jiàn)的損傷類型。胸腰椎壓縮性骨折可引起患者背痛，妨礙站立行走，嚴(yán)重影響患者日常生活; 對(duì)椎體壓縮 ＞ 1/3 的嚴(yán)重壓縮性骨折需手術(shù)治療。有限元方法作為一種新的生物力學(xué)研究方法，近些年越來(lái)越多應(yīng)用于胸腰椎生物力學(xué)分析，然而針對(duì)胸腰椎壓縮性骨折的有限元研究目前國(guó)內(nèi)外鮮有報(bào)道。
本研究在正常胸腰段三維有限元模型基礎(chǔ)上結(jié)合臨床常見(jiàn)胸腰椎壓縮性骨折病例建立胸腰椎壓縮性骨折三維非線性有限元個(gè)體化模型 ( 以下簡(jiǎn)稱胸腰椎壓縮性骨折有限元模型) ，并對(duì)其進(jìn)行有限元分析，探索胸腰椎壓縮性骨折有限元模型的建模方法和有限元方法在胸腰椎壓縮性骨折臨床治療中的應(yīng)用前景。
1 材料與方法1. 1 正常胸腰椎三維有限元模型的建立
健康男性志愿者，32 歲，身高 172 cm，體重 66kg，X 線檢查排除胸腰椎畸形。從 T 12 ～ L 2 椎體用 GELightspeed 64 排螺旋 CT 掃描獲得體層圖像，掃描條件( 140 kV，200 mA，層厚 0. 625 mm，武警上海市總隊(duì)醫(yī)院放射科提供) ，以 512 × 512 像素 Dicom 格式保存。運(yùn)用醫(yī)學(xué)有限元建模軟件 Mimics 10. 01 將 CT 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為 STL 格式數(shù)據(jù)，通過(guò) Geomagic 2012 對(duì)數(shù)據(jù)中的圖像進(jìn)行修補(bǔ)、去噪、鋪面并轉(zhuǎn)化為 NUＲBS 曲面模型。有限元分析前處理在大型前處理軟件 Hy-permesh 11. 0 中完成。最后運(yùn)用有限元軟件 Abaqus6. 9 進(jìn)行有限元計(jì)算求解。相關(guān)設(shè)置如下。
1. 1. 1 關(guān)節(jié)間相互作用關(guān)系?
采用 2 節(jié)點(diǎn)非線性彈簧單元建立 7 種關(guān)鍵韌帶，采用非線性面面通用接觸關(guān)系模擬關(guān)節(jié)間的相互作用。用 T3D2 單元建立前縱韌帶 ( ALL) 、后縱韌帶 ( PLL) 、橫突間韌帶 ( ITL) 、棘突間韌帶 ( ISL) 、棘上韌帶 ( SSL) 、關(guān)節(jié)囊韌帶( CL) 、黃韌帶 ( FL) 共 7 種韌帶。在本例中，參考已有文獻(xiàn)，分別對(duì)不同韌帶賦值賦予不同的彈性模量和橫截面積，橫截面積需用總的橫截面積除以每種韌帶的根數(shù)。
1. 1. 2 材料屬性
皮質(zhì)骨采用平均厚度為 1 mm 的C3D6 單元，松質(zhì)骨采用 C3D4，終板采用 0. 5 mm 厚的 C3D8 單元; 韌帶采用只有軸向拉伸、雙節(jié)點(diǎn)的T3D2 單元進(jìn)行劃分。椎間盤 ( 含髓核和纖維環(huán)) 以及終板，采用增強(qiáng)沙漏控制的三維六面體減縮積分C3D8Ｒ ( 沙漏控制可減少單元大變形產(chǎn)生的體積自鎖) 。纖維環(huán)基質(zhì)和髓核是不可壓縮的具有超彈性質(zhì)的材料。
在本例中，參考 Micheal Lu和 Won Man Park等的研究，纖維環(huán)基質(zhì)分為 8 層，沿徑向由髓核向外輻射，內(nèi)部有相互交叉的膠原纖維網(wǎng)絡(luò)，填充在基質(zhì)層之間，膠原纖維和纖維環(huán)基質(zhì)網(wǎng)格做共節(jié)點(diǎn)處理，與周向的夾角從 ± 24°變化到 ± 46°，體積分?jǐn)?shù)從在外層的 23% 變化到內(nèi)層的 5%。用 T3D2 單元模擬膠原纖維，不同層之間的膠原纖維剛度比例關(guān)系，參考 Sharma M 等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 ( 表 1) 。
1. 1. 3 網(wǎng)格劃分
在 Hypermesh 10. 0 強(qiáng)大的拓?fù)浞謪^(qū)及網(wǎng)格劃分功能支持下，網(wǎng)格質(zhì)量 Jacobian 比控制在 0. 6 以上。采用一階的六面體網(wǎng)格，這是因?yàn)樵谙嗤A數(shù)下，它們相對(duì)于三角形殼網(wǎng)格與四面體網(wǎng)格有更高的精度與更小的計(jì)算代價(jià); 采用減縮積分單元是因?yàn)樵搯卧愋驮诖笞冃喂r下能有效減少單元 “沙漏”現(xiàn)象的產(chǎn)生，防止由于單元的剪切自鎖而導(dǎo)致的計(jì)算結(jié)果不收斂。
1. 1. 4 載荷與邊界條件 約束 L 2 下終板全部 6 個(gè)自由度作為邊界條件。在 T 12 旋轉(zhuǎn)軸上選擇一參考點(diǎn)，建立此參考點(diǎn)與 T 12 上表面所有單元節(jié)點(diǎn)的 Distribution Coupling ( 該約束方式可以將參考點(diǎn)上的受力情況換算成均布載荷施加于 T 12 所有從節(jié)點(diǎn)上) 。對(duì)參考點(diǎn)施加扭矩為 7. 5 Nm ［7］ ，方向分別為 X、Y、Z 全局坐標(biāo)的純扭矩 ( X － Y 平面為水平面、X － Z 為冠狀面、Y－ Z 為矢狀面) ( 圖 1) 。
1. 2 構(gòu)建胸腰椎壓縮性骨折有限元模型
本研究構(gòu)建的胸腰椎壓縮性骨折模型是典型的胸腰椎壓縮性骨折模型，是經(jīng)過(guò)嚴(yán)格驗(yàn)證的胸腰椎三維非線性有限元模型為基礎(chǔ)，結(jié)合臨床實(shí)際壓縮性骨折病例，而構(gòu)建出的與臨床實(shí)際病例相符合的個(gè)體化胸腰椎壓縮性骨折模型。本研究在原正常驗(yàn)證過(guò)的有限元模型基礎(chǔ)上，利用 Hypermesh 強(qiáng)大的對(duì)網(wǎng)格變形技術(shù)，將傷椎 ( L 1 ) 的高度調(diào)整到正常高度的1/2或 1/3，模擬壓縮性骨折后的椎體高度。刪除椎體前方部分皮質(zhì)骨，模擬骨折后的骨折線。
1. 3 有限元模型驗(yàn)證和分析
本研究采用的是在相同載荷下，將正常胸腰椎有限元模型的活動(dòng)度與近年已發(fā)表文獻(xiàn)的胸腰椎有限元模型活動(dòng)度進(jìn)行比較以驗(yàn)證模型的有效性。加載 7. 5 Nm 的扭矩，運(yùn)用有限元軟件 Abaqus6. 9 進(jìn)行有限元計(jì)算，測(cè)量并比較同樣載荷下正常胸腰椎模型和胸腰椎椎體骨折壓縮 1/3、1/2 模型在屈、伸、側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)等工況下的活動(dòng)度 ( ＲOM) 。
2 結(jié) 果
本研究所建立的正常胸腰椎有限元模型 ( 圖 2) ，共包含 250 064 單元，64 294 個(gè)節(jié)點(diǎn)。
通過(guò)與已發(fā)表參考文獻(xiàn)的胸腰椎有限元模型結(jié)果進(jìn)行比較驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)本模型可滿足有限元分析的幾何相似性以及力學(xué)相似性要求 ( 表2) 。
通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)過(guò)嚴(yán)格驗(yàn)證的正常胸腰椎有限元模型基礎(chǔ)上建立的胸腰椎椎體骨折壓縮 1/3、1/2 模型 ( 圖 3、4) ，外觀逼真，幾何相似性好，能模擬臨床胸腰椎壓縮性骨折的一般情況，可以應(yīng)用于臨床分析。
本研究通過(guò)測(cè)量和比較 7. 5 Nm 扭矩下正常胸腰椎模型和胸腰椎椎體骨折壓縮 1/3、1/2 模型在屈、伸、側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)等工況下的活動(dòng)度 ( ＲOM) ( 表 3) ，
發(fā)現(xiàn)胸腰椎骨折模型在各個(gè)工況下的活動(dòng)度較正常胸腰椎模型明顯增大，并且隨著椎體壓縮程度的增加，活動(dòng)度相應(yīng)增大，尤其是前屈分別增加了 1. 13° ( 椎體骨折壓縮 1/3) 、2. 14° ( 椎體骨折壓縮 1/2) ; 后伸增加了 0. 66° ( 椎體骨折壓縮 1/3) 、0. 94° ( 椎體骨折壓縮 1/2) 。
3 討 論3. 1 胸腰椎壓縮性骨折有限元模型的建立及其特點(diǎn)
有限元分析方法是一種在工程學(xué)中廣泛應(yīng)用的數(shù)學(xué)物理分析方法。1972 年，Brekelmans 等將該方法引入生物力學(xué)領(lǐng)域。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元模型單元越分越細(xì)，建立的模型日趨逼真，越來(lái)越多地應(yīng)用于人體生物力學(xué)分析，尤其是脊柱的生物力學(xué)分析。
胸腰椎的生物力學(xué)模型已經(jīng)趨于成熟，PolikeitA 、Knop C? 及余列道等建立了包括前縱韌帶、后縱韌帶、橫突間韌帶、棘突間韌帶、棘上韌帶、關(guān)節(jié)囊韌帶、黃韌帶等結(jié)構(gòu)在內(nèi)的較為完善的胸腰椎有限元模型，并且得到很好的驗(yàn)證。本研究通過(guò)參考上述模型的建模方法，建立了正常胸腰椎有限元模型，模型分析結(jié)果與參考文獻(xiàn)所建立的有限模型分析結(jié)果相吻合。
胸腰椎壓縮性骨折的有限元研究國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)報(bào)道。本研究在經(jīng)過(guò)驗(yàn)證有效的正常胸腰椎有限元模型基礎(chǔ)上，利用 Hypermesh 強(qiáng)大的對(duì)網(wǎng)格變形技術(shù)，將傷椎 ( L 1 ) 的高度調(diào)整到正常高度的 1/2 或 1/3，模擬壓縮性骨折后的椎體高度。刪除椎體前方部分皮質(zhì)骨，模擬骨折后的骨折線。
本研究具有以下特點(diǎn):( 1) 胸腰椎壓縮性骨折的有限元模型國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)未見(jiàn)報(bào)道，本研究首次探討胸腰椎壓縮性骨折模型的建模方法，模型外觀逼真，幾何相似性好; ( 2) 采用正常有限元模型與臨床實(shí)際病例相結(jié)合建立的胸腰椎壓縮性骨折模型，能夠較好的模擬臨床個(gè)體胸腰椎壓縮性骨折病例，進(jìn)行術(shù)前生物力學(xué)分析，指導(dǎo)制定胸腰椎壓縮性骨折的個(gè)體化治療策略，有較好的臨床應(yīng)用前景; ( 3) 胸腰椎壓縮性骨折的有限元分析是對(duì)胸腰椎壓縮性骨折生物力學(xué)分析的一個(gè)重要補(bǔ)充，可以克服尸體實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)取材難、費(fèi)用高、可重復(fù)差等缺點(diǎn)，同時(shí)有限元方法還可以研究局部和內(nèi)部的反應(yīng)，是其他實(shí)驗(yàn)技術(shù)無(wú)法獲得的; ( 4) 模型可以反復(fù)調(diào)整，任意切割，可通過(guò)調(diào)整模型幾何及材料參數(shù)模擬不同類型的胸腰椎壓縮性骨折，做到個(gè)體化生物力學(xué)分析。
3. 2 胸腰椎壓縮性骨折有限元模型的臨床應(yīng)用前景
胸腰椎壓縮性骨折類型較多，個(gè)體差異較大。本研究構(gòu)建的胸腰椎壓縮性骨折有限元模型是與臨床實(shí)際病例相結(jié)合的個(gè)體化胸腰椎壓縮性骨折模型，隨著計(jì)算機(jī)和有限元軟件的發(fā)展，利用此建模方法，有望在臨床上快速構(gòu)建胸腰椎壓縮性骨折患者的個(gè)體化骨折模型。
臨床上對(duì)胸腰椎壓縮性骨折患者，特別是急性損傷患者，進(jìn)行動(dòng)力位 X 線片檢查極易導(dǎo)致醫(yī)源性脊髓損傷，該檢查往往是禁忌的。而胸腰椎壓縮性骨折模型的有限元分析不存在上述風(fēng)險(xiǎn)，可以提供有效的胸腰椎穩(wěn)定性評(píng)估，為臨床制定治療策略提供參考。
本實(shí)驗(yàn)選取了臨床常見(jiàn)的胸腰椎椎體骨折壓縮 1/3 以及1/2 的病例，有限元分析結(jié)果提示此種壓縮性骨折狀況下，胸腰椎的活動(dòng)度 ( ＲOM) 較正常胸腰椎模型明顯增大，并且隨著椎體壓縮程度的增加，活動(dòng)度相應(yīng)增大，對(duì)于胸腰椎壓縮性骨折患者的治療策略制定有一定的參考意義。此外，個(gè)體化胸腰椎壓縮性骨折有限元模型還可以加載椎體后凸成形置入人工骨或骨水泥以及內(nèi)固定，術(shù)后模擬胸腰椎生物力學(xué)改變，可對(duì)術(shù)后穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。
3. 3 胸腰椎壓縮性骨折模型構(gòu)建中存在的問(wèn)題
雖然理論上有限元方法在生物力學(xué)分析中可以取得很好的結(jié)果，但要想真正應(yīng)用于胸腰椎壓縮性骨折的臨床治療分析，仍有許多問(wèn)題需要解決:?
( 1) 有限元模型能夠反映某一個(gè)體，某一刻，某一點(diǎn)的力學(xué)特性，但胸腰椎壓縮性骨折的分型較多，骨折程度個(gè)體差異較大，韌帶等軟組織的損傷程度不同，有限元模型很難完全模擬實(shí)際情況 ;?
( 2)有限元模型還有待進(jìn)一步完善，肌肉、椎體、韌帶、椎間盤組織相當(dāng)復(fù)雜，組織特性并非均一，本模型忽略了肌肉等軟組織，對(duì)組織內(nèi)部采取均一特性假定，與生理實(shí)際情況有一定差距。
( 3) 由于有限元模型建立和分析需要大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算，建立模型耗時(shí)較長(zhǎng)，臨床應(yīng)用受到限制。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和對(duì)各類組織特性的認(rèn)識(shí)提高，有限元模型會(huì)不斷完善，有限元分析方法也會(huì)不斷提高，這些問(wèn)題有望得到解決。
參考文獻(xiàn)：略
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PART? 01
針對(duì)骨學(xué)、關(guān)節(jié)外科、普外科、囗腔科等提供醫(yī)學(xué)力學(xué)有限元分析仿真、培訓(xùn)、臨床手術(shù)模擬分析等；
代做有限元：脊椎、腰椎、頸椎、上下肢、假肢、前臂、血管支架、牙齒、骨關(guān)節(jié)等；
服務(wù)對(duì)象：各省市、自治區(qū)從事運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、囗腔力學(xué)、骨骼力學(xué)的教學(xué)、研究與應(yīng)用的教師、科研工作者、各級(jí)教練員等方面的相關(guān)人員；國(guó)內(nèi)各重點(diǎn)大學(xué)、科研院所相關(guān)研究領(lǐng)域的博士、碩士相關(guān)研究生和學(xué)者等。
