2.1  在相同输出条件下采用不同赋值方法股骨模型的Mise应力值与分布云图  见图4-6。

如图4所示，在人体处于单足站立状态下，均一材料赋值模型、皮-松质骨赋值模型和灰度赋值模型输出的应力值分别为17.27，23.22和28.64 MPa。依据陈国栋等^[9]的研究结果显示，股骨模型有限元分析Mises应力值合理范围为0-50 MPa，从而说明3种赋值方法建立的有限元股骨模型输出结果都在合理范围。并且均一材料赋值股骨模型与灰度赋值模型输出的应力值相差约34%，皮-松质骨赋值模型与灰度赋值模型输出的应力值相差约22%。另外3种模型的应力云图分布差异较大，皮-松质骨赋值的股骨模型应力分布范围最大，均一材料赋值股骨模型次之，而灰度赋值的股骨模型应力分布范围最小，见图5，6。但是均一材料赋值股骨模型与皮-松质骨赋值的股骨模型最大应力主要分布于股骨干部位，而灰度赋值的股骨模型最大应力分布范围在股骨颈处，这一结果与谢亮文^[20]的研究结果基本一致，见图6。

2.2  在相同输出条件下采用不同赋值方法股骨模型的位移值与分布云图  见图7，8。

如图7所示，均一材料赋值股骨模型、皮-松质骨赋值模型和灰度赋值模型输出的位移值分别为1.645，2.366和2.332 mm；皮-松质骨赋值模型和灰度赋值模型输出的位移值基本一致，而均一材料赋值的股骨模型最小与其他2种模型位移量相差40%左右。并且皮-松质骨赋值模型和灰度赋值模型的位移分布云图也与基本一致，见图8B，C。

随着数字化骨科技术的不断发展，通过利用计算机数字化技术对骨科领域中的相关问题进行仿真分析研究，避免了传统的试验方法中的成本高周期长等要求，从而成为了骨科领域中重要的研究方法之一^[1]。数字化骨科技术应用范围非常广泛，包括了手术计划的制定、术前模拟、术中指导^[2-3]、假体设计与优化^[4-5]、生物力学仿真分析以及性能评估等多个方面^[6-7]。股骨作为是人体最长的管状骨，上端以股骨头与髋臼构成髋关节，下端与膑骨、胫骨上端构成膝关节，支撑全身体质量，在负荷体质量方面起着举足轻重的作用。通过利用人体CT、MRI等数据图像重建出人体骨骼模型，并应用有限元方法对模型进行人体不同运动状态条件下的生物力学仿真分析，从而指导骨科类手术方案的制定以及假体设计与优化有着重要意义^[8]。

有限元方法将医学与工程力学相结合，将生物力学研究从传统的试验技术方法向理论模拟的有限元法不断发展，从而缩减了生物力学问题研究的周期与成本^[9]。另外有限元分析方法可以针对骨骼模型的复杂结构、不同材料性质以及复杂的载荷条件状态等各方面进行研究^[10]。然而，在有限元模型建立过程中需要对重建的三维模型进行有限元网格单元划分，模型材料属性赋予和边界条件定义等设置，并且不同的设置会直接影响仿真分析结果的准确性。伴随着科技水平的进步，有限元技术的兴起，现在又大量学者将有限元分析应用于研究人体股骨的生物力学性能。由于人体骨骼结构复杂，由骨膜、皮质骨和松质骨构成，并且不同骨质的材料属性差异很大，然而在很多生物力学分析过程中为了简化模型，提高分析效率，很多学者在进行生物力学仿真研究中对骨骼模型采用了不同的赋值方法，如汪金平等^[11-12]将人体股骨模型定义为均值材料，对皮质骨与松质骨进行材料赋值研究股骨的生物力学特性；唐勇涛等^[13-14]通过利用胫骨CT数据中的灰度值对胫骨模型进行材料属性赋值，从而探究了胫骨有限元建模型方法；刁小明等^[15]通过试验测试的方法研究了人体股骨的弹性模量与泊松比等材料属性。给股骨分配不同的材料属性便成为了建立个性化有限元模型的基本步骤，而且材料属性分配将对分析结果产生很大的影响。但是目前有关不同赋值方法对人体骨科生物力学仿真分析研究的影响还很少有全面系统的研究。

因此，通过目前广泛采用的均一材料赋值、皮-松质骨赋值和灰度赋值等股骨赋值方法对人体股骨模型进行材料属性赋予，并建立股骨有限元模型；研究股骨模型不同材料赋值方法对股骨生物力学性能仿真分析的影响，为骨骼生物力学性能的有限元分析方法提供指导与理论依据。

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

1.1  设计  有限元静力学分析。

1.2  时间及地点  于2019年3至8月在邯郸市中心医院骨一科完成。

1.3  对象  实验数据来自于成年健康男性者，体质量60 kg。在征得志愿者同意后，按照医疗机构管理条例的相关要求与其签署知情同意书，报备伦理委员会批准同意。

1.4  方法 首先利用CT数据重建软件Mimics 19.0 (Materialise公司，比利时)将体质量60 kg健康志愿者的股骨断层扫描CT数据进行阈值分割以及蒙版创建，从而建立三维股骨stl三角面片模型，见图1。将股骨三维模型stl数据导入Hypermesh 14.0(Altair，美国)软件中进行网格划分，选择单元类型为C3D10M四面体网格，单元尺寸为1 mm^[16-17]。首先，在有限元前处理软件Hypermesh 14.0中，对股骨模型依据刁小明等^[15]通过试验测试出股骨等效的均一材料属性：弹性模量和泊松比分别为16.9 GPa和0.264，建立各向同性材料的股骨模型，见图2A。另外将股骨模型分别依据皮质骨与松质骨在Hypermesh 14.0软件中，依据其中COMPLETO等^[18]采用的皮质骨弹性模量为16.7 GPa，松质骨弹性模量为1.55 GPa，泊松比均取值0.3，建立处皮-松质骨赋值法股骨模型，见图2B。最后将网格划分完成的股骨模型导入到Mimics 19.0软件中进行灰度赋值，依据股骨材料属性公式密度与灰度的关系：ρ=0.04+0.000 8 HU (g/cm³)，密度与弹性模量的关系：E=10 200ρ^2.01(MPa)，泊松比μ=0.3^[19]，建立灰度赋值法股骨模型，见图2C。

将通过不同赋值方法定义材料属性的股骨模型导入Abaqus 6.14(Simulia公司，法国)中建立股骨有限元模型；股骨模型下端建立固定约束，从而限制其6个方向的自由度。在股骨模型股骨头与髋臼窝接触的位置建立参考点，将参考点与股骨头定义耦合约束，并将该点作为载荷点沿重力方向施加600 N的力，从而模拟人体在单足站立状态^[20]，建立股骨静力学有限元模型，见图3。

1.5  主要观察指标  通过CT扫描获得人体股骨的三维模型，将其导入Hypermesh中进行网格划分，并利用不同赋值方法对股骨进行材料的赋值，将通过不同赋值方法定义材料属性的股骨模型导入Abaqus 6.14中建立股骨有限元模型，比较不同赋值方法对人体单足站立状态下股骨所受应力及位移的影响。

随着医学影像技术、医学工程学、计算机导航技术及更合理内固定材料的应用与研发，极大地推动着骨科的发展，使得临床对疾病的认识及诊治水平较20世纪有了很大的改变。由于人体股骨在生理载荷下的应力应变通过实验测量手段很难精确的测定，早期在没有有限元软件的仿真下，经常是使用一些具有副反应的方法测量骨应力，因而现在不被广泛应用。计算机辅助技术和有限元方法的出现使得通过计算机模拟人体关节形态和材料属性并计算力学参数成为了现实。人体骨骼由皮质骨与松质骨2种骨质组成，并且2种骨质均由板层骨构成，差异主要在于骨板的排列方式以及空间结构，从而使骨骼可以承受复杂的外部载荷条件^[20-23]。Wolff定律提出了骨的结构与其承受的运动载荷以及骨强度密切相关^[24-25]，因此人们对人体骨骼生物力学性能进行了广泛地探究；同时随着计算机辅助技术的不断发展，其中有限元仿真方法在人体骨骼受力仿真分析研究中已经得到广泛认可和使用，也为骨科生物力学的研究提供了条件^[26-29]。

目前采用有限元方法进行人体骨骼模型力学分析时，很多学者为避免模型的复杂性，对骨骼模型均采用较为简单的均值赋值法^[30-33]。此文为探究不同赋值方法对骨骼模型力学仿真分析的影响，通过利用Mimics 19.0软件，将人体股骨CT数据重建出股骨模型，并采用均一材料赋值、皮-松质骨赋值和灰度赋值定义股骨模型材料属性，建立人体单足站立状态下股骨静力学有限元模型进行有限元仿真分析，从而对比不同赋值方法建立的股骨有限元模型仿真结果之间的差异，获得更为合理的股骨生物力学仿真的建模方法。通过不同赋值的股骨模型应力值对比发现，虽然输出结果都在合理范围；并且灰度赋值的股骨模型输出的最大Mises应力值最大(图4)；但是均一材料赋值股骨模型与皮-松质骨赋值的股骨模型最大应力主要分布于股骨干部位，而灰度赋值的股骨模型最大应力分布范围在股骨颈处(图6C)。因此，Mises应力值输出结果显示，灰度赋值建立的股骨模型的生物力学分布更接近于人体股骨实际状态下的承载情况^[34]，这也与现实状态下股骨骨折部位主要出现于股骨颈部位所吻合^[35-37]。另外，通过在相同载荷条件下3种不同赋值的股骨模型位移输出结果发现，均一材料赋值模型由于材料属性一致，从而位移变化量较小；采用皮-松质骨赋值方法定义股骨模型材料属性时，由于皮质骨与松质骨之间弹性模量相差较大^[38]，而导致位移量最大。然而通过灰度值进行定义股骨模型的材料属性，从而根据股骨CT数据灰度值进行梯度赋值，使得股骨模型材料属性分布更接近骨骼真实的材料属性，更能合理反映出股骨模型的力学性能^[39]。

文章通过利用有限元软件ABAQUS建立了采用不同赋值方法制备的均一材料股骨模型、皮质骨-松质骨材料股骨模型和灰度赋值股骨模型，并模拟人体的单足站立状态进行股骨静力学有限元仿真分析。此次研究通过对3种股骨模型不同赋值方法输出的最大Mises应力值与位移结果对比发现，灰度赋值法建立的股骨有限元模型输出结果更为合理。这是因为10种材料赋值建模分析更好地模拟了真实股骨的构造情况，符合真实生物力学特征，这也为骨科生物力学进行有限元仿真建模提供了重要理论依据，为医生选择不同赋值方法提供了理论参考。

现在大多数研究者和学者在做研究时，由于实验测试的成本过于昂贵和消耗时间过长，所以会使用一些有限元软件进行模拟分析及测试，这说明有限元软件的仿真结果是可以使研究者和学者接受的，但毕竟不是在体内进行的试验，结果肯定会有一些误差，这些都是不可避免的。往往研究者都会进行一些减少实验误差的方法，比如进行收敛性实验，多次进行有限元分析，使有限元结果的值浮动小于10%。当然临床问题仅通过有限元分析实验来衡量和验证也是不完善的，患者自身疾病的复杂性、患者个体体质的差异均可影响手术治疗时机、方法的选择。所以，此次研究结果也仅仅是提供一种参考和建议。

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

文题释义：
材料赋值：由于人体骨骼结构复杂，由骨膜、皮质骨和松质骨构成，并且不同骨质的材料属性差异很大，因此在很多生物力学分析过程中为了简化模型，提高分析效率，很多学者在进行生物力学仿真研究中对骨骼模型采用了不同的赋值方法。
股骨模型材料赋值：给股骨分配不同的材料属性成为建立个性化有限元模型的基本步骤，而且材料属性分配将对分析结果产生很大的影响。但是目前有关不同赋值方法对人体骨科生物力学仿真分析研究的影响还很少有全面系统的研究。

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