基于LS-DYNA模拟老年股骨颈骨折的有限元分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.44.010

中国组织工程研究 ›› 2016, Vol. 20 ›› Issue (44): 6606-6611.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2016.44.010

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基于LS-DYNA模拟老年股骨颈骨折的有限元分析

李鹏飞¹，杜根发¹，林梓凌²，庞智晖²，樊粤光²，何祥鑫¹，孙文涛¹，陈锦伦¹

¹广州中医药大学，广东省广州市 510405；²广州中医药大学第一附属医院，广东省广州市 510405

修回日期:2016-08-12 出版日期:2016-10-28 发布日期:2016-10-28
通讯作者: 林梓凌，博士，副主任医师，广州中医药大学第一附属医院，广东省广州市 510405
作者简介:李鹏飞，男，1990年生，在读博士，主要研究方向为运用生物力学研究骨科疾病。
基金资助:
国家自然科学基金(81373652)；广东省科技计划(2016A020215141)

Finite element analysis of elderly femoral neck fracture based on LS-DYNA

Li Peng-fei¹, Du Gen-fa¹, Lin Zi-ling², Pang Zhi-hui², Fan Yue-guang², He Xiang-xin¹, Sun Wen-tao¹, Chen Jin-lun¹

¹Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, China; ²First Affiliated Hospital of Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, China

Revised:2016-08-12 Online:2016-10-28 Published:2016-10-28
Contact: Lin Zi-ling, M.D., Associate chief physician, First Affiliated Hospital of Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, China
About author:Li Peng-fei, Studying for doctorate, Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, China
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China, No. 81373652; the Science and Technology Project of Guangdong Province, No. 2016A020215141

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

老年股骨颈骨折：它和股骨转子间骨折同样作为髋部骨折，是老年骨质疏松性骨折的常见的一种。随着老龄化的加剧，其发生率必然增加。目前认为其发病机制多与骨密度下降和外力跌倒有关，但股骨颈骨折的不同亚型的发生机制还在探讨之中。

材料断裂力学：材料在不断负荷作用下发生微裂纹，导致材料刚度和强度等降低，微裂纹积累到一定程度就出现裂纹扩展，继而发生大面积的裂纹，进而导致材料的折断和失效。近几十年来，国内外研究者针对断裂问题进行了大量实验和研究，这使得断裂力学应运而生并得到发展。

摘要

背景：随着老龄化的加剧，骨质疏松性髋部骨折的发生率及死亡率上升，研究其发病机制和防治方法具有重大意义。目前应用有限元分析法判断骨折的依据仅限于骨折失效的起始点或剖面视图的分布走势，未能完全反映骨折断裂的实际情况。

目的：拟基于LS-DYNA有限元分析软件建立模拟跌倒外力致老年股骨颈骨折的断裂模型，评估断裂效果。

方法：选取1例老年股骨颈骨折的CT影像资料；运用Mimics软件对健侧进行区域增长、腔隙填充、编辑蒙罩、重建健侧股骨近端模型；导入Hypermesh 和LS-DYNA软件，划分网格、定义材料属性；设置失效参数和界面属性；模拟跌倒外力设置载荷和边界约束；计算出股骨颈骨折断裂模型，评估断裂效果。

结果与结论：①健侧股骨近端三维模型有效性得到验证，基于LS-DYNA的老年股骨颈骨折三维有限元断裂模型与患侧骨折线走向的匹配度接近83%；②结果发现，基于LS-DYNA有限元分析软件能够较好地模拟出股骨颈骨折断裂情况，为不同跌倒外力致股骨颈骨折分型机制的探索提供实验基础。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

ORCID: 0000-0002-3222-9112(李鹏飞)

关键词: 骨科植入物, 数字化骨科, 老年股骨颈骨折, LS-DYNA软件, 断裂, 有限元分析, 国家自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: With the increasing of aging, the incidence and mortality of osteoporotic hip fracture will rise. It is of great significance to study the pathogenesis and preventing method. At present, finite element analysis can be used to judge fracture, only for the distribution trend of fracture failure in the starting point or section view, but it cannot completely reflect actual situation of fracture.

OBJECTIVE: To build the fracture model of the femoral neck fracture caused by falling-induced external force based on the finite element analysis LS-DYNA software, and to evaluate the effect of rupture.

METHODS: CT image data of one case of elderly femoral neck fracture were collected. Using Mimics software, region growth of the contralateral area, cavity filling, editing, rebuilding the contralateral proximal femur model were conducted. Data were imported in Hypermesh and LS-DYNA software for meshing, and defining material properties. The failure parameters and interfacial properties were set. The load and force boundary constraints simulating the falling were simulated. The model of femoral neck fracture was calculated. Rupture effect was evaluated.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) The validity of contralateral proximal femur three-dimensional model was verified. Based on the finite element analysis software LS-DYNA, the femoral neck fracture model matched the actual fracture line to a degree of close to 83%. (2) Above results confirmed that based on the finite element analysis, LS-DYNA software can well simulate the femoral neck fracture, which provides experimental basis to the exploration of femoral neck fracture classification mechanism caused by different falling-induced external forces.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

Key words: Femoral Neck Fractures, Aged, Finite Element Analysis, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

李鹏飞，杜根发，林梓凌，庞智晖，樊粤光，何祥鑫，孙文涛，陈锦伦. 基于LS-DYNA模拟老年股骨颈骨折的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2016, 20(44): 6606-6611.

Li Peng-fei, Du Gen-fa, Lin Zi-ling, Pang Zhi-hui, Fan Yue-guang, He Xiang-xin, Sun Wen-tao,Chen Jin-lun. Finite element analysis of elderly femoral neck fracture based on LS-DYNA[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2016, 20(44): 6606-6611.

图/表（结果） 2

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引言

随着骨质疏松症发病率的提高必然会引起相应的骨质疏松性脆性骨折发病率的升高。英国每年有约5万例桡骨骨折，6 000例的髋部骨折，4万例的临床诊断的脊椎骨折^[1]。据2013年国际骨质疏松基金会亚洲调查估计，中国、印度和日本每年因骨质疏松发生的髋部骨折数分别为68.7万、44万和11.79万例^[2]。髋部骨折作为骨质疏松性骨折代表之一，特别是老年股骨颈骨折，随年龄增长其发生率及死亡率急剧上升^[3]。Cooper等^[4]提出到2050年，全球将约有630万人遭受髋部骨折，其中约有320万将发生在亚洲。因高发生率、高病死率、高花费得到广大研究者的关注，采取科学有效的干预及预防措施，对国内髋部骨折的防治工作具有重大的意义。

随着学科信息交互的发展，有限元分析以其独到的优势在骨科领域的力学研究得到广泛运用^[5]。骨质疏松性骨折除了骨密度、骨小梁及骨微结构之外，还与骨所受应力大小及方向有关。有限元分析应用在骨质疏松性骨折的优势在于能精确而全面地描述骨在应力下的特性，并将不同状态下的骨应力分布和位移及其总体趋势很好地表现出来，所以有限元分析可以模拟各种骨折，并据此分析其损伤的发生机制。目前运用有限元分析法研究老年股骨颈骨折，主要是考虑跌倒外力后判断骨折发生机制，通过计算骨质受力分布(Von Mises 等效应力)，结合骨折失效的准则，但判断的依据仅限于骨折失效的起始点^[6]，未完全反映骨折断裂实际情况。目前的研究更多的是集中于骨本身的骨强度、骨质量等静态分析，而结合断裂力学分析：骨小梁微损伤-裂纹扩展-微骨折-骨折断裂这一过程尚且欠缺。连续损伤力学可直接分析构件的受力和破坏过程，是工程力学领域关注的热点^[7]。骨折的发生可看作是骨质材料破坏的过程。安兵兵等^[8]采用牛皮质骨进行疲劳裂纹扩展实验，通过断裂力学方法研究了皮质骨的横向和纵向疲劳裂纹扩展特性。他们还根据线弹性断裂力学应用有限元法建立了皮质骨的应力强度与裂纹长度的关系。总之，材料在不断负荷作用下发生微裂纹，导致材料刚度和强度等降低，微裂纹积累到一定程度就出现裂纹扩展，继而发生大面积的裂纹，进而导致材料的折断和失效。近几十年来，国内外研究者针对断裂问题进行了大量实验和研究，这使得断裂力学应运而生并得到发展。

LS-DYNA软件是世界上最著名的通用显式动力分析程序，能够模拟真实世界的各种复杂问题，特别适合求解各种非线性结构的非线性动力冲击问题。目前LS-DYNA软件在汽车碰撞、地震工程、动力分析、跌落试验等领域应用广泛^[9-12]，甚至在模拟肌肉的主动响应力也有涉及^[13-14]。文章拟基于LS-DYNA软件模拟1例因跌倒外力致老年股骨颈骨折的断裂模型，并评估其断裂模型效果。

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材料方法

1.1 设计 有限元分析实验。

1.2 时间及地点 于2015年5至11月在广州中医药大学国家重点学科中医骨伤科学数字骨科与生物力学实验室完成。

1.3 材料

实验仪器及软件：Mimics 15.01软件(Materialise公司，比利时)，由广州中医药大学国家重点学科中医骨伤科学数字骨科与生物力学实验室提供；GE 64排螺旋CT，由广州中医药大学第一附属医院提供；Hypermesh 13.0软件(Altair公司，美国)，由西安达索软件科技有限公司提供；大型有限元分析软件LS-DYNA软件(LSTC公司，美国)，由西安达索软件科技有限公司提供。

1.4 对象 选取1例老年股骨颈骨折患者，女性，76岁，获得患者知情同意并签署知情同意书。采用GE 64排螺旋CT对双侧髋关节螺旋扫描(患者仰卧位)，然后数据以Dicom格式保存。扫描条件：扫描电压120 kV，扫描电流250 mA，自髋臼至股骨中上段层厚2 mm，层距5 mm，每个扫描层的象素矩阵密度大小为512×512。

1.5 方法

1.5.1 三维重建将Dicom格式数据导入Mimics 15.01软件，参照林梓凌等^[15]的方法进行区域增长、腔隙填充、编辑蒙罩、Calculate 3D重建，并通过包裹、光滑等工具对模型进行光顺，得到理想的健侧股骨近端三维有限元模型。

1.5.2 老年股骨颈骨折模型的建立

划分网格、定义材料属性：将数据导入Hypermesh 13.0软件中完成网格划分，采用四面体网格划分方式，网格既定尺寸为1.5-2.0 mm。根据彭睿^[16]的描述定义材料属性：弹塑性材料模型来定义其材料属性，骨骼系统的材料特性定义为plastic-kinematic，见图1。

设置失效参数和界面属性：建立材料的失效信息，采用关键字*MAT_ADD_EROSION失效方式为应变失效，设置参数大小，此方法为直接设置失效。设置模型的界面属性*SECTION_SOLID为常应力体单元。

分析步、边界约束与载荷：设置为准静态分析，模拟跌倒受力，将模型的股骨远端完全被固定，在股骨头与矢状位呈20°夹角，自上而下施加750 N载荷，见图2。

1.5.3 提交及分析结果将数据导入大型有限元分析软件LS-DYNA计算，得出基于应力-位移曲线关系的股骨颈骨折断裂模型，并与患侧真实骨折线轮廓走向相比对，评估断裂模型的效果。

1.6 主要观察指标 应力-位移曲线关系，网格化断裂模型和应力云图下的断裂模型。

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讨论

许多研究已通过建立股骨模型，从而分析不同因素导致股骨近端的力学变化趋势^[19-22]，但因为所建立的股骨颈模型是完整的，只反映大体的应力集中，所以详细准确的应力分布不确切，对模拟真实的股骨颈骨折有所偏颇。损伤力学研究的是材料从变形至破坏，损伤逐渐积累的整个过程，连续损伤力学理论引入损伤变量很好地解决了损伤过程中裂纹不连续问题。国外有学者对此理论有所研究，Hambli等^[23]对3D模型设为准脆性材料断裂法则来模拟准静态载荷下股骨近端骨折开始和多重裂纹拓展，实现了股骨颈骨折的断裂模型，该模型基于连续损伤力学(CDM)的概念，并通过10个尸体骨做力学实验来验证，以应力-位移曲线和断裂边界为对比，相符率为优(R²=0.943 2)。Mengoni教授等^[24]应用连续损伤力学理论分析2D股骨模型的结构演变，发现与前人结果一致并且收敛速率更加快速和平稳。鉴于此，作者认为引入连续损伤力学在有限元分析软件作为指导的实验方法具有合理性。跌倒致骨骼断裂是非线性动力学问题，LS-DYNA软件在汽车、航空、国防等方面应用广泛，作者此次实验中通过此软件的非线性动力分析显示了股骨颈骨折断裂过程，突破了Von Mises 等效应力分析应力最高点判断骨折可能性，高度符合实际骨折的发生发展，对探讨跌倒外力影响股骨颈骨折的分型提供了基础。

一方面，实现股骨的断裂与骨骼本身的材料属性密切相关，因此对骨骼材料的仿真研究和数值分析是有限元分析的准备条件^[25-26]。作者认为基于Mimics软件根据CT资料的灰度值进行重建能真实反映患者的骨骼条件，在有限元分析过程中骨骼设置的材料属性将对断裂的发生发展产生影响。根据骨骼的形变率及骨骼特性，骨骼的断裂主要有骨骼受到创伤性载荷作用发生的断裂和受到交变载荷作用发生的断裂，因此不应该忽视骨骼的弹塑性特征。人体骨骼系统严格意义上说在运动时属于非线性、黏弹性、各向异性材料更为贴切^[27]，尽管Peng等^[28]对股骨比较了各向同性和正交各向异性差别，得出的结论是差异性小，所以认为计算时可以将各向异性材料属性假定为各向同性，但杨海胜^[29]认为两种材料属性模型的力学分析结果对那些材料主方向定义比较敏感的区域的差别会比较大。股骨颈在形态上剪切效果大，对方向的敏感度高，所以参照Mustafy教授^[30]选用弹塑性材料属性，这也解释了von Mises失效准则适用于各向同性材料，因此用来预测股骨失效，其结果将有一定差距。经研究发现，在骨质疏松的骨小梁裂纹扩展演变过程大致为：骨小梁排列稀疏及应力减少等损伤积累阶段，骨小梁中的板层骨及胶原纤维变形，横向纤维方向改变，骨小梁之间交接处萌生初始裂纹，粘合线分离，疲劳负荷的继续加载，裂纹扩展、增宽，主裂纹形成，板层骨粘合线广泛分离^[31]。而骨微损伤主要包括线性微破裂和弥散性微损伤两种类型，其中以线性微破裂最为常见^[32]。主要指骨横断面上轮廓锐利、 50-100 μm的细小破裂^[33]。一定程度上说，骨密度变化与骨骼的材料属性密切相关^[34]，已有研究通过股骨髓腔闪烁指数明确与股骨颈密度的关系，骨骼的骨质量水平同时影响骨折愈合，指导选择髋部骨折的植入物和术后康复^[35-38]。

另一方面，实现股骨的断裂与外力条件直接相关。跌倒外力是引起老年股骨颈骨折的关键因素，应用有限元分析法可很好地反映跌倒后股骨近端的力学变化。孙培栋^[20]通过利用有限元法模拟侧方跌倒时股骨近端受力情况，股骨颈为冲击中的应力集中部位，冲击过程中股骨头的相对扭转增加股骨颈部位所承受力矩，增加转子间骨折类型的发生风险。李正东等^[21]将有限元分析用于事故鉴定及法医损伤鉴定，根据所分析的股骨骨折形态及程度来反推股骨损伤的过程，在3种不同加载条件成功地重建了股骨的节段性骨折。彭国常^[22]利用有限元模型研究不同体位人体股骨颈区的应力分布情况，并探讨股骨颈骨折解剖分型和受伤时体位之间的相关性。本研究模拟不同于既往的跌倒边界条件——股骨侧方跌倒于地面时股骨与地面的作用力^[39]，而是直接让股骨头从上方受力，充分考虑股骨头本身的形态对受力的影响，因为研究表明股骨近端的颈干角、扭转角及弹性模量会影响股骨头受力^[40-41]，因此由此边界条件得出股骨颈断裂结果似乎更为合理。

本项研究的局限性及未来解决办法：第一，只用患侧二维骨折线走向作为比对研究来评估断裂效果，需要真实的骨折三维有限元模型来验证可能更合理；第二，断裂分析中只设置一种载荷矢量，需增加不同载荷方向和力量造成股骨颈不同类型骨折，这样模拟不同跌倒外力造成的断裂对理解股骨颈骨折的发生机制大有帮助；第三，老年股骨颈骨折作为骨质疏松性骨折，骨小梁有微损伤和微骨折的存在，直接失效判定断裂可能太绝对，下一步研究将探讨裂纹材料中的传播和扩展规律，以预测、防止和控制股骨颈骨折的发生；第四，同为股骨近端骨折，因性别或者年龄的差异，骨折类型也会有差异。因为对于股骨近端不同骨折类型的发生机制目前仍不明确，下一步将对股骨颈骨折与股骨转子间骨折的不同机制进一步研究。

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