骨骼生物力学被认为是生物力学中最具领导地位的一个分支,它为生物科学、医学、工业,乃至于我们的日常生活建立了无数具有划时代意义的贡献。医生和工程师们积极致力于对人类肌肉骨骼系统的组织特性、结构和功能的基本认识与改进。
近年来,随着数字及计算机技术的不断进步,有限元法成为分析骨科力学变化极为有用的工具,其模拟的条件更贴近实际,结果的可信度更高。我国学者们从各自不同的专业分别阐述了某些学科生物力学有限元的研究,然而都缺乏系统化。作者从有限元法概念及原理、骨骼生物力学中有限元研究的范围及进展等方面综述了近年来的一些研究进展。
有限元法的概念自从年Turner等提出有限元(finiteelement,FE)的概念以来,有限元理论及应用发展迅速。有限单元法(fi-niteelementmethod,FEM)是一种在工程科学技术中广泛应用的数学物理方法,用于模拟并解决各种工程力学、热学、电磁学等物理场问题。
一个结构理论上可以被分解成许多小而离散化的区域,这些小区域我们称它为有限元素。有限单元分析的方法是将弹性体离散为有限个单元组成的集合体,这些单元只在有限个节点上相交接,所有节点只具有有限个自由度,这样使得分析求解成为可能。
从数学意义上讲,是把微分方程的连续形式转化为数学方程组。此方法适用于复杂的几何形状和边界条件,而且能处理各种复杂的材料。经过长期的进化过程,人体形成了一个近乎完美的力学结构。
FEM应用于人体生物力学研究时,显示了其极大的优越性。由于通常的力学实验手法基本上无法直接应用于人体,对人体的力学行为进行有限元数值模拟就成为深化对人体认识的一种有效手段,它通过有限单元、节点、自由度等实验条件控制,应用计算机模拟人体体内的情况。
从70年代起,有限元开始应用于骨科生物力学研究,最早应用于脊柱。80年代后,其应用范围逐渐扩展到颅面骨、颌骨、四肢骨等骨性结构的生物力学研究上,并在牙齿及其附属结构、脊柱生物力学问题上得到了广泛应用。
有限元法分析的原理有限元分析是计算机力学分析的一种重要方法。随着计算机技术的飞速发展,该方法进入了工程技术的所有领域,并很快应用于医学领域,成为计算机辅助矫形外科的重要组成部分。
有限元分析基于化整为零,集零为整的基本思想,先将研究对象的连续求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互联结在一起的单元组合体,模拟成不同几何形状的求解小区域,然后对单元(小区域)进行力学分析,最后再整体分析。有限元分析的关键在于离散化过程中,单元分得越细,节点越多,计算结果就越精确。
单元分析就是求基本未知量单元节点位移和对应点应力之间的关系。根据既定的支撑条件和载前条件,利用有限元软件求解代数方程,求得所有节点的位移,反求单元应力,最终通过集中各单元的应力而获得整体应力分布情况,实现由已知的外力求出结构内部的应力分布情况。该方法在分析不规则物体的力学特点方面具有优越性。国外学者Rybicki等率先将有限元分析方法应用于骨骼的应力分析。
人体骨骼生物力学中的有限元研究3.1颅面骨、颌骨有限元研究头颅及颞下关节是有限元在生物力学中研究的重点之一。
20世纪末,我国学者们就建立了X线头颅侧位定位片硬组织形态二维有限元分析模型,之后又建立了包括鼻上颌复合体、下颌骨及牙齿在内的颅颌面硬组织形态的三维有限元模型,用来研究颅颌面硬组织在正中矢状面上的形态特征及因生长、正畸矫治、正颌手术引起的形态变化。
有研究对下颌骨坚强内固定下的应力遮挡作用进行了有限元力学分析,对下颌骨体部、角部骨折在骨愈合的不同时期、不同的咬合形式及不同的内固定方法时的应力遮挡率进行了计算分析。
周学军等建立了包括下颌骨的颞下颌关节三维有限元模型,该模型接近真实,除骨性硬组织外,还包括天然牙、牙周膜、肌肉及盘后软组织、髁突软骨前、后份、关节盘中带、后带等组织。文中还对实验条件、模型的边界约束条件及载荷条件进行了很好的假设。
芦俊鹏等根据人体脑部的螺旋CT扫描图像,利用图形处理,三维重建和有限元网络划分技术,建立了一个基于人体解剖学结构的脑部三维有限元模型。
白石柱等获取了精确的头面部多排螺旋CT扫描断层影像数据,利用所得数据建立了个节点、个单元的无牙颌上颌骨计算机模拟全口义齿修复三维有限元模型,完整重现了上颌骨复杂的形态,得到了上颌骨、颧骨、颅骨以及上颌窦、眶腔等结构鲜明、直观的印象,并得出了利用多层螺旋CT扫描数据建立上颌骨三维有限元模型的方法无需描记轮廓线、插层等人工操作,能够尽可能地排除人为的干扰,既缩短了建模时间,又提高了所建立模型的精度的结论。
3.2脊柱有限元研究脊柱生物力学仿真是有限元法在生物力学中研究的最早、分析的最多、也是临床上应用最广泛的领域。
现今研究脊柱的工作使模型不仅能逼真地模拟椎骨、椎间盘,还能将周围的韧带、肌肉直接或间接地加入模型,使模拟更加真实与完善。这些工作不仅要求建立逼真的脊椎模型,而且要求测试椎间盘、周围韧带、肌肉的各种力学性能。
颈椎枕寰枢关节各结构位置重叠,方向各异,在CT,MRI等二维图像上难以反映各结构的空间关系、长度及走行。利用计算机重建的三维影像较二维影像的优点在于可通过旋转三维影像,从任意角度或任意方向观察,详细了解解剖结构的空间关系,明确病变的范围和位置,弥补二维影像的不足,并可为外科手术入路和手术方式的选择提供重要参考。
TEO等建立短节段颈椎三维有限元模型(C4～C6),研究下段颈椎于压缩载荷下及颈椎屈伸时韧带、小关节及椎间盘髓核的生物力学特点并得出一些基本数据;其后又以颈椎模型分析寰椎发生骨的机制,发现寰椎前后弓均存在应力集中现象,特别到颈椎过伸时,寰椎的椎动脉沟处有明显的应力集中,易发生骨折。
NG则进行了下颈椎在轴向载荷下的非线形分析,实验结果提示髓核液在承载中起着重要的作用,同时实验还说明,到颈椎关节突于术中切除后,颈椎的强度会有明显的下降。胸腰椎段是脊柱段研究得较多的部位,国内学者在20世纪90年代就建立了三维人体胸腰段力学模型。
根据脊柱损伤的力学分类,施加不同的破坏性载荷,对胸腰椎的应力分布进行分析,并结合临床探讨各类型胸腰椎骨折发生的力学机制,为临床正确诊断及选择治疗方案提供理论基础与科学依据,并对腰椎间盘膨隆的力学机制与腰椎疲劳骨折分别进行了探讨。
他们所建立的三维有限元模型较为完整,更多地纳入了胸腰椎后部结构、终板、椎间盘、髓核、韧带、小关节囊等部位,所采用的材料性质与计算所用的单元类型也较前丰富,结果也更为可靠。腰椎三维有限元模型最早于年由Lin报道。
国内的戴力扬等人于年建立人腰椎三维有限元模型,并以该模型进行腰椎活动时的受力分析,SKALLI等[16]首次使用三维有限元法对脊柱内固定器械进行生物力学分析,其研究对象类似现今用于脊柱骨的后行复位固定术所用的C-D系统。
随后多位学者就不同的内固定器械进行了一系列的研究,并特别将其用于新型器械的生物力学评价。
3.3髋关节有限元研究采用有限元数值模拟力学实验是一种对人体髋关节力学结构进行研究的有效方法。
在成人髋关节方面,有限元分析最为广泛地应用于全髋关节置换的研究。近年来,随着研究的不断深入,有限元分析不仅应用于进一步研究全髋关节置换术前术后髋关节应力的分布情况,而且还应用于骨水泥残余应力等的细致分析,应力遮挡的深入研究,并对多种新设计的假体和假体优化设计方案提出了新观点,同时对全髋关节置换术后做假体表面聚乙烯磨损和假体术后脱位的研究也取得了很大进展,为假体设计提供了依据。
有限元分析还能评估髋关节的骨骼强度,预测骨折易发部位。杨展宗等对退行性关节炎与骨质疏松性股骨颈骨小梁进行有限元分析,结果证实骨髂强度与骨小梁的数量及骨密度密切相关,与骨小梁的表面积和厚度无关。
Bessbo等的研究认为,有限元分析可以准确预测骨髂强度,有助于更好地分析了解骨折时的力学变化,并对老年人股骨颈骨折作出准确预测,从而有针对性地加强预防,减少此类骨折的发生率。
用三维有限元分析研究体内髋关节的应力变化不仅有效,而且比体外生物力学实验、定量CT测定及X线骨密度测定的精确度更高。赵万鹏等[21]通过MRI三维重建,对坏死股骨头的塌陷情况作有限元分析,结果表明正常载荷(N)下股骨头坏死组织40%就有塌陷的危险,这为预见股骨头坏死进展提供了依据。张美超等[22]采用有限元分析双腿站立、髋关节呈不同外展角度时的股骨颈应力分布情况,为临床上研究股骨头坏死的最佳生物力学治疗环境提供了理论依据。
史风雷等的有限元研究证实,关节外展能改变股骨头内部的应力传导,减少股骨头内部承受的应力,因此认为髋部外展支架治疗股骨头坏死是一种较好的方法。此外,近年来有限元分析在成人髋关节方面的应用已不仅局限于骨性结构和人工假体的研究,还在髋关节软骨、髋臼盂唇及髋关节周围肌肉的力学分析上有所突破,可以预见,在髋关节有限元模型中引入肌力分析,重视髋关节周围软组织的影响,都将成为今后的研究方向。
展望虽然有限元模型存在许多的简化和假设,然而有限元模型分析法最大的优点是为临床医生解决了不能直接在人体上操作的技术问题,并利用现代计算机技术为临床的发现找到某些理论依据,指导骨与关节畸形和退行性病变的重建。
在发展中国家,肌肉、骨骼疾病,创伤和畸形是最为普遍的问题,应当用实用性的技术以最小的成本解决这些问题,使这些患者恢复工作能力。
生物力学专家恰恰能帮助临床医生实现这个目标,还能帮助改进器械设计和实施外科手术计划。医学生物力学现在正处在不断发现自我的阶段,其宏观和微观领域、新的检测工具不断完善,从更深、更精的层面去分析肌肉骨骼系统和组织。专家们还试图在细胞和亚细胞水平确定力学的地位,并相应地出现了新的计算机运算法则,可以将组织及其连接结构作为一个完整的整体去分析,以图像分析系统结合模型技术来处理患者解剖与病理的个体差异。
利用计算机进行模拟辅助生物力学分析的时代已经到来。过去我们不能将活动状态下肌肉、肌腱、韧带和关节的力拿来量化观察,现在我们有更好的模型、更好的分析技术可以实现。有限元法的应用不仅限用于骨科、牙科的研究,本作者已成功建立了人体胸廓的有限元模型,为今后探讨急诊救治中胸外按压的机制与临床效果提供生物力学基础。
01医学有限元分析服务内容针对骨学、关节外科、普外科、囗腔科等提供医学力学有限元分析仿真、培训、临床手术模拟分析等；
代做有限元：脊椎、腰椎、颈椎、上下肢、假肢、前臂、血管支架、牙齿、骨关节等；
培训：ANSYS、Abaqus有限元分析，mimics骨头模型提取，GeomagicStudio模型处理；
服务对象：各省市、自治区从事运动生物力学、生物医学工程、基础医学、临床医学、囗腔力学、骨骼力学的教学、研究与应用的教师、科研工作者、各级教练员等方面的相关人员；国内各重点大学、科研院所相关研究领域的博士、硕士相关研究生和学者等。一对一教学，随到随学！可选择线上或线下培训。
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医院：中山大学附属第一/第二/医院、中山大学附属医院、医院、广州中医院、医院、医院、医院、医院、医院、医院、中山大学光华口医院、医院、医院、医院、广东医院、医院、医院、医院、浙江中医药大学附属医院、医院。
科研院校：南方医科大学、中山大学、广州中医药大学、广州医科大学、广西医科大学、复旦大学、同济大学、华南理工大学、暨南大学、兰州大学、南昌大学、云南中医学院、工业信息化部电子第五研究所、电子五所、核动力四所、中航光电设备研究所、国科军工、中科华核电技术研究院、等。
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