股骨骨折髓内钉置入内固定后1年骨愈合有限元模型的快速建立

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.39.011

中国组织工程研究 ›› 2013, Vol. 17 ›› Issue (39): 6926-6931.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2013.39.011

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股骨骨折髓内钉置入内固定后1年骨愈合有限元模型的快速建立

周江军¹，朱治宇¹，赵敏¹，严亚波²，雷伟²，吕仁发¹，余维涛¹，张立¹，陈荣剑¹

¹解放军第184医院骨科，江西省鹰潭市 335000；²解放军第四军医大学西京医院骨科，陕西省西安市 710032

出版日期:2013-09-24 发布日期:2013-09-24
通讯作者: 赵敏，硕士，副主任医师，解放军第184医院骨科，江西省鹰潭市 335000 zhaomin184@sina.com
作者简介:周江军★，男，1981年生，江西省万年县人，汉族，2011年解放军第四军医大学毕业，硕士，主治医师，主要从事数字骨科、创伤骨科方面的研究。 zhoujiangjun@hotmail.com
基金资助:
南京军区医学科技创新课题资助项目(10MA058)*

Fast establishment of bone healing finite element model of femoral fracture treated by intramedullary nail fixation for 1 year

Zhou Jiang-jun¹, Zhu Zhi-yu¹, Zhao Min¹, Yan Ya-bo², Lei Wei², Lü Ren-fa¹, Yu Wei-tao¹, Zhang Li¹, Chen Rong-jian¹

¹Department of Orthopedics, the 184th Hospital of PLA, Yingtan 335000, Jiangxi Province, China; ² Department of Orthopedics, Xijing Hospital, the Fourth Military Medical University, Xi’an 710032, Shaanxi Province, China

Online:2013-09-24 Published:2013-09-24
Contact: Zhao Min, Master, Associate chief physician, Department of Orthopedics, the 184th Hospital of PLA, Yingtan 335000, Jiangxi Province, China zhaomin184@sina.com
About author:Zhou Jiang-jun★, Master, Attending physician, Department of Orthopedics, the 184th Hospital of PLA, Yingtan 335000, Jiangxi Province, China zhoujiangjun@hotmail.com
Supported by:
Nanjing Military Medical Technology Innovation Project, No. 10MA058*

摘要/Abstract

摘要：

背景：当前判断内固定取出后正常站立情况下股骨是否断裂仅依靠X射线或CT数据。
目的：通过有限元方法对股骨骨折髓内钉置入内固定1年取出内固定后的骨愈合模型进行分析，探讨该方法是否能判定内固定取出后骨折断端断裂。
方法：运用Mimics、Geomagic Studio、Abaqus等软件采用快速个体化建模方法对股骨骨折髓内钉置入内固定1年取出内固定后的骨愈合多层螺旋CT数据进行模型快速建立，并采取4种方法处理模型，分别为不作模型简化；对骨愈合区以外的模型表面网格给予50%简化；对骨愈合区以外的模型表面网格给予20%简化；对骨愈合区以外的模型表面网格给予10%简化。对于以上4种模型进行有限元分析，施加3，9倍重力载荷和约束，观察米赛斯应力最大值及其所处部位。
结果与结论：按照材料属性进行区别显示米赛斯应力的最大值及最小值，在不同应力载荷下，术后各类型材料的米赛斯应力最大值及最小值部位相同，各类型材料中，最大值均未位于骨折断端，不同方法的最大应力值部位相近，均在中远端1/4交界处，其中表面网格简化10%模型的数值偏倚小，网格处理、材料赋值及有限元分析运算时间最短。采用适当的个体化建模方法可以对骨折内固定取出后的骨折模型进行有限元分析，快速判断内固定取出是否导致骨折断端断裂。

关键词: 骨关节植入物, 骨科植入物, 有限元分析, 生物力学, 快速建模, 股骨骨折, 髓内钉, 骨愈合模型, 个体化, 简化模型, 其他基金

Abstract:

BACKGROUND: X-ray and CT data are common approaches for judging whether femur can be disrupted or not after removing fixation under normal standing.
OBJECTIVE: To analyze the bone healing model through finite element method after treated with intramedullary nail fixation for 1 year, and to investigate whether this method can judge disrupt or not on the fracture site after removing fixation.
METHODS: Depend on fast individual establishment method, bone healing model of femur fracture were constructed based on data from multi-slice spiral CT with Mimics, Geomagic Studio and Abaqus softwares. And then four kinds of methods were used: no reduce; the surface mesh excluding healing area reduced for 50%; the surface mesh excluding healing area reduced for 20%; the surface mesh excluding healing area reduced for 10%. Finite element analysis was performed on the four models above. The models were loaded with 3 or 9 times weight loads and constraints to observe the maximum von Mises stress and the location.
RESULTS AND CONCLUSION: According to material properties, the node of the maximum and minimum Mises stress of different kinds of materials were same under different stress loadings. The maximum von Mises stress in different materials appeared in the fracture site, and the nodes of maximum von Mises stress of different methods were similar, both in the middle and distal 1/4 junction part. The value of model with surface meshing reduced for 10% was minimum, and time of meshing, assigning material and finite element analysis were shortest. Appropriate individual modeling method can rapidly judge whether disrupt or not in the fracture site after removing fixation through finite element analysis on the fracture model.

中图分类号:

R318

周江军，朱治宇，赵敏，严亚波，雷伟，吕仁发，余维涛，张立，陈荣剑. 股骨骨折髓内钉置入内固定后1年骨愈合有限元模型的快速建立[J]. 中国组织工程研究, 2013, 17(39): 6926-6931.

Zhou Jiang-jun, Zhu Zhi-yu, Zhao Min, Yan Ya-bo, Lei Wei, Lü Ren-fa, Yu Wei-tao, Zhang Li,Chen Rong-jian. Fast establishment of bone healing finite element model of femoral fracture treated by intramedullary nail fixation for 1 year[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2013, 17(39): 6926-6931.

图/表（结果） 5

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引言

股骨中段或中下段骨折常采用钢板或髓内钉内固定治疗^[1-3] ，而髓内钉具有有效维持骨长度，轴向稳定，抗扭转力强，应力遮挡效应微弱，手术创伤小，骨膜很少损伤剥离甚至无损伤剥离，固定牢固、早期膝关节功能锻炼和部分负重等优点，其骨折愈合率及愈合时间较钢板固定优势明显，骨愈合时间在1年左右，越来越多地被医生所采用。
当前临床对于骨折愈合情况仅凭有经验的临床医生对X射线或CT评价以确定骨折愈合情况，依靠经验来判定取出内固定后是否会断裂，并没有一个确切的数字化方法。随着电脑硬件设备的高速更新及软件技术的飞速进步，目前个人电脑已经可以在Windows系统平台上顺利完成骨骼三维重建及相应的有限元力学分析^[4-8] 。但是这些文献所建立的模型都是单纯的把股骨分为松质骨和皮质骨，将其看做均质来进行运算。
Wang等^[9-10]尝试采用个体化建模的方式对骨盆的有限元模型进行了实体验证，通过将非均质有限元模型皮质骨弹性模量由国外的17 GPa设置为12 GPa后，其模型获得的主应变与实验测得的结果保持很好的一致性。但由于骨皮质并非均质，因此这种方法也并不完全符合实际情况。
文章尝试利用Mimics、Geomagic Studio及Abaqus对股骨骨折髓内钉内固定后1年取出内固定后的股骨CT数据采用根据灰度值个体化赋值的方式进行建模，针对骨质的不均质性通过经验公式的计算进行赋值。采用这种方法，网格化越精细，数量越多，那么模型就越加贴近实体^[11] ，但是，过多的网格给有限元的计算、分析和计算机带来沉重的负担，严重影响每一步的处理速度。
因此，作者针对股骨骨折骨愈合模型的实际需求，通过Geomagic软件将骨愈合区给予最大可能的细化处理，而骨愈合区以外的骨骼模型采取多种规格的简化，以期将建模、计算、分析的时间减小到最低又不影响最后结果的准确性。

材料方法

设计：三维重建，有限元分析。

时间及地点：于2009年1月至2012年12月在解放军第184医院骨科完成。

对象：股骨数据选取股骨中下段骨折行髓内钉置入内固定志愿患者1例，男，40岁，身高165 cm，体质量70 kg，行内固定后1年，内固定前X射线已确定能够取出内固定装置，于取出内固定后进行患肢股骨全长CT扫描。志愿者对试验方案知情同意，且得到医院伦理委员会批准。

方法：

模型建立：将股骨CT文件导入Mimics软件，根据Mimics设定的骨骼阈值，通过蒙罩编辑、轮廓线填补空洞功能填补闭合空洞，生成三维模型，导入Geomagic Studio中，表面光顺化处理后导出表面网格，通过Abaqus转换为体网格。

材料属性赋值：将体网格后的文件再次导入Mimics，按照Mimics提供的经验公式完成弹性模量赋值^[12-13]：Density=-13.4+1 017×Gray value，E-Modulus= -388.8+ 5 925× Density，泊松比0.3^[14]，材料分为10种^[15]。密度负值时，取弹性模量为1 000 Pa，泊松比0.3。

有限元分析及数据采集：将所生成的有限元股骨髓内钉取出前后的模型进行非线性屈曲分析，选取股骨头上方直径3 cm的区域表面上所有节点施加静力载荷，载荷值取体质量的3，9倍^[16]，即2 100 N，6 300 N，方向为重力方向向下，约束条件为股骨髁下方2 cm高度区域表面所有节点，各项自由度均为0，将运算结果以应力云图的方式直观显示应力分布规律。

在Geomagic Studio软件表面光滑处理时，对距离骨折断端远近3 cm区域定义为骨愈合区，通过分割的方式采用4种方法处理模型^[17-18]：未简化组：不做模型简化；50%表面网格简化组：对骨愈合区以外的模型表面网格简化为50%；20%表面网格简化组：对骨愈合区以外的模型表面网格简化为20%；10%表面网格简化组：对骨愈合区以外的模型表面网格简化为10%。

主要观察指标：对4种方法处理后的模型按照材料属性进行区别显示，观测各类型材料米赛斯应力的最大值及其所分布的部位。

讨论

经过多年的临床疗效证明，通过髓内钉置入内固定治疗股骨干骨折具有较多优势，因该治疗方式术中剥离骨膜少甚至不需剥离骨膜，且具有良好的轴向稳定性，往往愈合时间较钢板固定短[1-3]。但是如何判定愈合情况，取出内固定后下地负重活动骨折断端是否会断裂，目前仍然沿用较传统的方法，主要是通过临床医师的阅片来判断是否能够取出内固定，其判断的标准主要是通过骨折线和骨痂愈合生长情况来确定骨折愈合与否，从而确定是否取出内固定，但是没有一个确切的方法或数据来判定取出内固定后正常行走骨折断端是否会断裂，若碰到一些复杂的或者畸形愈合的骨折情况就更加难以判断。
有限元分析的方法是1960年由Clough教授提出将复杂问题分界为有限的多个较简单问题再求解的方法，其得出的数值为近似解。随着多年有限元学科的发展，现在已经广泛应用于结构的应力分析、热传导、电磁场、流体力学、成形工艺等连续问题，医学有限元的建模、网格生成技术及运算方法等越来越成熟^[19-21] 。
传统股骨有限元方法通常将骨骼简单区分成密致骨和松质骨，分别赋予弹性模量和泊松比等材料属性后进行有限元分析^[4-8] 。然而，由于骨骼是由多种材料构成的复合体，并非单一均质材料，仅仅是骨皮质也有不同属性分别，因此这种方法仅仅用来模拟某些材料或结构的性能，或者对某些产品性能的简单预计，而无法实现单个个体的个性化的性能评估。
因此课题组预期希望通过个体化有限元方法来建立模型，对股骨骨折骨愈合后的实体进行研究分析。文章采用Mimics、Geomagic Studio及Abaqus等目前公认的软件进行建模及材料赋值，赋值方法也取自股骨常用的经验公式^[12-13] ，针对不均质的骨质通过CT灰度值进行计算赋值，这样可以实现个体化的建模^[22]，也就能够对患者实现个体化的计算并得到结果。但是由于骨松质、骨皮质、骨痂的屈服强度计算方法不同及不均质性，用手动赋值的方式与实际情况并不相符。
由于骨痂形成期不同期计算方式也不同，如果区别计算相应的屈服强度及安全系数会令计算过程相当复杂。目前很多学者采用的是手动赋值的方式来模拟计算^[23-24] ，国内外针对骨痂计算仅仅处于动物实验阶段^[25-27] ，更有一些学者对比了显微CT度量法和有限元反分析法来对骨痂进行研究^[28] ，发现有限元反分析法适用于纵向效应和治疗效应，而显微CT度量则只能用于骨愈合早期。
为解决骨痂赋值的问题，作者尝试采取按照材料种类(即按密度分类)来查看应力集中点，也就是将密度相近的骨质看做性能相近，即同等屈服强度、弹性模量及泊松比，赋予相同的材料属性。随着骨量的不断沉积，骨质密度不断增加，CT中骨质的灰度值也会相应提高，采用作者的方法赋值后，密度高的骨痂则赋予相应弹性模量的数值。
因骨痂区处于骨愈合区，属于课题中的重点观察区域，其结构形态、骨质密度直接影响到了分析结果，为此作者采用Geomagic Studio软件中的分割、优化功能^[17-18,29] ，将骨折线远近3 cm区域定义为骨愈合区，该部分的网格化最大可能的细化，该部分结构及材料赋值将更加贴近实际情况。同时作者将骨愈合区以外的部位进行网格简化及优化^[29] ，从实验实际操作来看，在Mimics中赋值，Abaqus中网格划分、有限元计算、分析及显示等，计算机的操作速度显著提升。简化后的模型对计算机的性能要求显著降低，分析、显示结果更加流畅。
从Mimics自动赋值材料属性(表2)来看，由于术后的赋值材料有三四种，实际骨质赋值自动分为六七种，而既往研究中管状骨三维模型建立、赋值一般按照股骨头松质骨、股骨颈松质骨、股骨干松质骨、股骨皮质骨等进行赋值^[30] ，对比其材料密度及弹性模量来看，基本相符^[4-8] ，但是本文的划分更加细致。因此，课题组认为本文的赋值应该是更加符合实际情况。
文章结果发现术后各种材料分型中，应力集中点均没有位于骨折断端周围，而是在骨愈合区以外，且4组模型的结果都是一致的，股骨整体的最大应力值均位于股骨中下1/4交界部位。术后患者恢复良好，正常行走，也证实了该试验结果。与未简化相比，简化后的米赛斯应力最大值偏倚分别为16.2%，15.8%，-14.2%，这可能与材料的赋值有关系。由于最大应力值部位均一致，因此，作者认为10%表面网格简化组行10%简化的模型能够满足实际的计算要求。而简化后的模型显著节约了操作及运算时间。
研究组采用的是个人移动图形工作站平台，采用Mimics、Geomagic Studio及Abaqus三大软件进行运算处理，技能熟练的工程师操作需要四五个小时的时间可以完成单次模型的建模、有限元分析结果，虽然较以往试验时间显著提高，但是在临床应用上还欠缺时效性。课题组将继续改进操作方法或试验方法，缩短实验时间，增强临床应用效率。
文章对股骨骨折1年后临床骨愈合的临床判定从有限元分析的角度进行了初步的数字化分析，能够初步判定骨愈合区域稳定性。但是，如何缩短判定时间、提高准确度等问题将在后续的研究中进一步改进和探索。

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