表面髋关节置换三维有限元模型的建立及意义

doi:10.3969/j.issn.1673-8225.2010.43.003

摘要/Abstract

摘要：

背景：目前髋关节的三维有限元模型大都是基于人体尸骨数据或通过CAD重建获得的，其效果不够理想。
目的：通过64排螺旋CT扫描提供数据，建立表面髋关节置换的三维有限元模型，拟为生物力学实验提供标准数学模型。
方法：选择1名行表面髋关节置换后的成年男性志愿者，经X射线检查排除健侧髋关节疾患。螺旋CT扫描表面髋关节置换后患者所得数据导入Mimics软件。采用域值法建立三维立体模型，之后导入Abaqus软件，进行网格划分。建立起表面髋关节置换术后的三维有限元模型。
结果与结论：建立了表面髋关节置换术后三维几何和有限元模型。表面髋关节置换模型分为三维六面体单元165 886个，节点213 343个。可见，通过Mimics软件、Abaqus软件可以利用表面髋关节置换术后患者薄层断面图像构建出其三维几何模型与三维有限元模型。该模型具有较高的形态学及力学仿真度。

关键词: 表面髋关节置换, CT图像, Mimics, 有限元模型, 力学仿真

Abstract:

BACKGROUND: Current hip three-dimensional finite element model is established based on human corpse data or CAD reconstruction, but the effect is not satisfactory.
OBJECTIVE: To establish three-dimensional finite element model of surface hip arthroplasty using 64-slice spiral CT scanning data to provide a standard mathematical model for further biomechanical study.
METHODS: An adult male volunteer who underwent surface hip arthroplasty was selected with no disease in the intact hip confirmed by X-ray. CT data of surface hip arthroplasty were imported into Mimics software. Three-dimensional model was established by threshold method and converted to volumetric mesh in the Abaqus software. So the three-dimensional finite element model of surface hip arthroplasty was established.
RESULTS AND CONCLUSION: The three-dimensional geometry and finite element model of surface hip arthroplasty was established. The model included 165 886 hexahedron elements and 213 343 nodes. The three-dimensional geometry and finite element model can be constructed from slice section images with Mimics and Abaqus software. The model has a high degree of morphological and mechanical simulation.

中图分类号:

R318

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参考文献

引言

材料方法

讨论

3.1 建立有限元模型的意义 有限元方法是一种普遍应用的实验研究的方法，广泛应用于力学实验研究，临床主要用于骨科及口腔科生物力学试验。由于通常的生物力学方法基本上无法直接应用于人体，对人的力学实验进行有限元数值模拟就成为研究人体结构的一种有效手段。20世纪70年代起，有限元技术开始应用于与骨科生物力学相关的研究，其最大的优势在于可以反映机体结构内部的应力变化情况，这是其他实验方法难以做到的，有限元分析应用于医学生物力学后，取得了很大的进步与发展，显示了极大的优越性。有限元模型的建立可以有效的解决现在标本少的问题，而且可以解决很多在体实验无法检测的指标，同时也可以对内植物的有效性进行评价，并对内植物进行有效的改造，减少应力集中和疲劳，从而为临床作出一定的指导^[15-16] 。
3.2 表面髋关节置换术的三维有限元模型建立的临床意义 临床中股骨头缺血性坏死及髋关节骨性关节炎较为常见，其晚期结果是导致髋关节疼痛和严重的功能障碍。在减轻疼痛和改善患者的生活质量方面，全髋关节置换术的效果是显著的。一些作者发表的数据显示：年龄低于40岁的患者在行传统的全髋关节置换术后的10~12年随访，其失败率大都在30%~56%。这就留给患者和外科医生一个难题：翻修手术成功概率远小于初次手术。全髋关节翻修术在技术上难度较大，外科医生还经常面临软组织瘢痕粘连，骨量不足等难题。与传统的全髋关节置换术比较，表面髋关节置换有很多优势，如保留股骨头，股骨颈，方便于日后翻修，保存了股骨近端的生理力学分布。新一代表面髋关节置换术的早期临床效果是令人鼓舞的，其并发症发生率较低。表面髋关节置换已成为年轻或对髋关节活动度要求较高的髋关节骨关节炎终末期患者更具吸引力的手术治疗方式。
人工髋关节置换的有限元分析已由简单的二维模型演变到几何模型精确复杂的三维模型^[17-18] ，并运用适量的生理载荷进行分析。基于CT图像建立的三维模型更能准确计算个体应力。但建立髋关节组织结构三维有限元模型难度很大。目前的重建主要是基于对人体尸骨的测量数据进行的，或者通过CAD进行重建获得的，由于尸体与活体股骨的干湿情况不同，CAD软件曲面拟合的效果不同均会使重建的效果不够理想,甚至不能进行后续计算。而通过64排螺旋CT可提供当前最薄层的CT图像及数据精度，将CT图像输入MIMICS11.11软件,通过其以CT下灰度值为域值进行的三维重建，并重建出假体，骨水泥及松质骨，皮质骨等部件，最大限度的实现模型与真实标本的相似性，改善了以往通过轮廓线无法完整描述复杂外形的缺点，简化了建模中提取轮廓线的过程、缩短了建模时间，整个重建过程最大限度的排除了人为的干扰，从而便捷、高效、准确、高度自动化地建立了表面髋关节置换术后的三维模型，以期能为精确重建提供一条思路。实验建立表面髋关节置换术有限元模型可对表面髋关节置换后生物力学改变进行深入研究，为改善材料的生物力学相容性提供参考，为表面髋关节置换术在临床的应用推广提供理论指导，为表面髋关节置换手术适应证选择和操作规范制订提供生物力学依据。目前表面髋关节置换术后的生物力学研究多采用实体标本^[19-20] ，运用本研究方法建立的计算机模拟三维有限元模型与实体标本相比有很好的可重复性,而且可以扩展到建立髋关节各种术式术前术后的三维有限元模型的建立。对计算机分析及研究该模型局部结构在各种受力情况下的生物力学表现创造条件。
3.3 该表面髋关节置换术的有限元模型特点和局限性 该表面髋关节置换术后有限元模型的建立具有诸多的优点：①精度的提高：利用64层螺旋CT薄层扫描技术，层厚0.625 mm，保证三维重建精度。②Dicom医学数字图像通讯标准的原始图像在预处理时无需进行任何形式图像转换而是直接应用，没有掺杂人为因素,大大减轻了工作量。③Mimics能够自动识别Dicom格式的CT图,可以设置图像识别范围、自动识别像素间距、图像层距等参数,运行一次程序可识别数百张图片；利用Mimics软件的自动建模功能,完全不需要手工确定节点坐标及其它处理，极大提高了建模的速度。并可将识别的数据三维重建后进行面网格优化后直接转换为Abaqus三维有限元软件可识别的格式。④建模过程引进基于CT阈值对髋关节赋材料方法，使物质材料特性分布更加科学。⑤真实性强，本模型单元和节点都要比当前国内外所报道的有限元模型的单元和节点更为丰富^[13，21] ，按有限元分析原理，单元与节点数量越多就越具有真实性。
本实验最大限度实现了模型与真实标本的相似性，改善以往通过轮廓线无法完整描述复杂外形的缺点，简化建模中提取轮廓线过程、缩短建模时间，整个重建过程最大限度的排除了人为干扰，从而便捷、高效、准确、高度自动化地建立了表面髋关节置换后的三维有限元模型。

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