基于Hypermesh 14.0和LS-DYNA的老年转子间骨折有限元建模分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.0170

中国组织工程研究 ›› 2018, Vol. 22 ›› Issue (11): 1725-1730.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.0170

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基于Hypermesh 14.0和LS-DYNA的老年转子间骨折有限元建模分析

何祥鑫¹，林梓凌²，李鹏飞¹，杜根发¹，孙文涛¹，陈心敏¹，梁子毅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

出版日期:2018-04-18 发布日期:2018-04-18
通讯作者: 林梓凌，博士，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:何祥鑫，1989年生，江西省赣州市人，汉族，广州中医药大学在读硕士，主要从事中医药防治骨伤科疾病的研究。
基金资助:
国家自然科学基金(81673996)；广东省科技计划(2016A020215141)

Finite element analysis of intertrochanteric fractures in older adults based on Hypermesh 14.0 and LS-DYNA software

He Xiang-xin¹, Lin Zi-ling², Li Peng-fei¹, Du Gen-fa¹, Sun Wen-tao¹, Chen Xin-min¹, Liang Zi-yi¹

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

Online:2018-04-18 Published:2018-04-18
Contact: Lin Zi-ling, M.D., Chief physician, First Affiliated Hospital of Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, China
About author:He Xiang-xin, Master candidate, Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, China
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China, No. 81673996; the Science and Technology Program of Guangdong Province, No. 2016A020215141

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

股骨三维模型建立：目前实验研究中主要的建模方法有直接建模法、坐标点建模、组织切片建模、基于医学图像的建模、DICOM数据直接建模法。其中基于骨骼真实CT数据的DICOM数据建模方法因其数据来源真实、准确，建模过程缺少人为干预，三维模型仿真度高等特点，越发受到重视，成为有限元研究中最常用的几何模型建立方法。

连续损伤力学：与疲劳分析理论、断裂力学一起属于破坏力学的范畴，主要是为弥补断裂力学在材料微观劣化研究上的不足而发展起来的固体力学的一个分支，其研究包括微观裂纹萌生过程及材质劣化现象，及宏观裂纹出现后的扩展过程。

摘要

背景：目前运用有限元法分析股骨转子间骨折多局限于应力分布情况，多类型转子间骨折有限元断裂模型国内外未见报道。

目的：运用Hypermesh 14.0及LS-DYNA模拟股骨近端侧方跌倒受力建立多型转子间骨折有限元断裂模型，评估模型效果，分析转子间骨折的力学发生机制。

方法：选取1例单侧老年转子间骨折患者，获取健侧髋部CT影像资料，导入Mimics 19.0建立股骨近端几何模型，经Geomagic studio 2013光滑等处理，Hypermesh 14.0划分网格，设置材料参数，确定边界条件并赋予载荷参数，导入LS-DYNA求解器进行分析运算，在HyperView中查看运算结果。

结果与结论：①股骨近端的应力分布情况与既往研究高度符合，在持续剪切应力作用下获得Evans Ⅰ型转子间骨折模型，调整载荷后共获取6型骨折模型；②结果发现，基于Hypermesh14.0和LS-DYNA的有限元法可以较好的模拟转子间骨折断裂情况，剪切应力在转子间骨折的发生中起重要作用，以上结论可为转子间骨折防治提供一定的实验参考。

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:0000-0002-2612-2263(何祥鑫)

关键词: 骨科植入物, 数字化骨科, 老年转子间骨折, 连续损伤力学, LS-DYNA软件, 有限元分析, 国家自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: At present, finite element analysis can be used to judge intertrochanteric fractures, but mostly limited in the distribution of stress. Finite element model of various intertrochanteric fractures has not been reported in detail.

OBJECTIVE: To build various types of intertrochanteric fracture models with Hypermesh 14.0 and LS-DYNA software to simulate the falling-induced external force on proximal femur, and to evaluate the effect of models, and to analyze the biomechanical mechanism of intertrochanteric fractures.

METHODS: Normal side CT image data of one case of elderly intertrochanteric fracture were collected and imported into Mimics software to establish the proximal femur geometric models, were then analyzed and operated by LZ-DYNA solver after imported into Geomagic studio 2013 and Hypermesh 14.0 for smoothing and meshing. Before analysis, the material parameters were set, the boundary conditions were confirmed, and given the loading parameters. The operating results were checked in Hyper View.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) The distribution of stress of proximal femur exactly matched to the previous study. EvansⅠtype intertrochanteric fracture model was obtained under continuous shear stresses, and six types of fractures were obtained by adjusting the load. (2) These results manifest that based on the Hypermesh 14.0 and LS-DYNA software, the finite element can well simulate the intertrochanteric fractures, and shear stress plays an important role in intertrochanteric fractures, which can provide experimental basis for the prevention and treatment of intertrochanteric fractures.

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: Femur, Fractures, Bone, Finite Element Analysis, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

何祥鑫，林梓凌，李鹏飞，杜根发，孙文涛，陈心敏，梁子毅. 基于Hypermesh 14.0和LS-DYNA的老年转子间骨折有限元建模分析[J]. 中国组织工程研究, 2018, 22(11): 1725-1730.

He Xiang-xin, Lin Zi-ling, Li Peng-fei, Du Gen-fa, Sun Wen-tao, Chen Xin-min, Liang Zi-yi. Finite element analysis of intertrochanteric fractures in older adults based on Hypermesh 14.0 and LS-DYNA software[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2018, 22(11): 1725-1730.

图/表（结果） 1

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引言

髋部骨折是骨质疏松最严重的并发症之一，随着全球人口老龄化的加剧，这一问题也愈发严重。Hernlund等^[1]基于欧洲27国骨质疏松发病人数及医疗支出的研究发现，2010年欧盟国家，约有2 200万女性及550万男性患有骨质疏松症，每年新发的骨质疏松性脆性骨折约有330万例，其中髋部骨折61万例，由此耗费的医疗开支超过370亿欧元。同期，仅美国就有超过25万的老年人因髋部骨折入院^[2]，据预计，到2050年全球髋部骨折人数可达626万^[3]。骨质疏松性髋部骨折俨然成为老年人身体健康的一大重要威胁^[4-7]，探究其发生机制从而积极有效的防治髋部骨折具有重要的现实意义。

转子间骨折是髋部骨折的一大类，其分型标准多样，常用的有AO、EVANS、Evans-Jensen等分型。目前其发生机制多与髋部骨质疏松、骨密度下降，导致骨的脆性增加及跌倒撞击有关，而详细的分型发生机制尚在讨论中。近年来，随着数字有限元技术在骨科生物力学研究中的兴起，为髋部骨折的应力发生机制提供了新的途径^[8]。然而受跨学科技术能力等相关因素的限制，其运用多集中于骨骼的应力分布(Von Mises 应力分布)上，以此来对骨折发生部位做出初步的预测^[9]，及判断各种手术内固定器材的力学效能^[10-11]，对骨折完整的发生发展过程缺乏模拟。骨骼作为一种生物材料，骨折过程同样遵循断裂力学准则，但是断裂不仅仅是肉眼可见的宏观裂纹到失效断裂的过程，在此之前，还发生有裂纹萌生过程及材质劣化现象，连续损伤力学即是为了弥补传统断裂力学在这一过程中的不足而发展起来的^[12]。依据连续损伤力学，可以将脆性骨折的发生过程细化为：骨密度降低-骨小梁微损伤-裂纹拓展-微骨折-骨质断裂的一个完整过程。Griffith理论也考虑到了材料内部的微观结构，认为材料结构的破坏最早在结构的缺陷端开始，只要缺陷处有足够高的张拉应力，就会导致裂纹的出现^[13]。然而该理论局限于裂纹的初始破坏阶段，缺乏对裂纹的宏观把握。材料在不断负荷作用下发生微裂纹，导致材料强度等降低，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。经研究发现，骨质疏松骨骼的内部骨小梁裂纹扩展演变过程大致为：骨小梁排列稀疏、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加上横向纤维方向改变，骨小梁交接点萌生初始裂纹，导致黏合线分离，在负荷继续作用下，裂纹出现扩展、增宽，形成主裂纹，最后板层骨黏合线广泛分离^[14]。骨微损伤主要包括线性微破裂和弥散性微损伤两种类型，其中以骨横断面上轮廓锐利、50-100 μm的线性微破裂最为常见^[15-16]，因其破坏细微，常借助Micro-CT进行观察。

HYPERMESH是美国ALTAIR公司研发的CAE应用软件，是一部具有高效能高质量的有限元前处理器，其最大的优势是快速且高质量的网格划分。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，适合求解各种二维、三维非线性结构的动力冲击问题研究，在工程应用领域其计算可靠性被广泛认可，得到众多对比试验的证实^[17-18]。基于上述理论和有限元分析软件的指导、运用，团队成员李鹏飞等^[19]成功的模拟出Garden Ⅳ型股骨颈断裂模型，在与患侧骨折线的配准中其配置率高达83%，为运用有限元法模拟分析髋部骨折提供的实验方法参考。然而，转子间骨折因力学发生机制相较复杂，其有限元断裂模型国内外报道较为缺乏。Bessho等^[20]在应用有限元法预测股骨近端骨折的实验中，对转子间骨折的发生做出预测，但未模拟出完整的断裂模型。国内陈振沅^[21]的关于转子间骨折分型机制的力学研究认为剪切力和骨强度在转子间骨折的发生中具有重要作用，另外所见的关于转子间骨折的研究多数是转子间骨折内固定的力学效果分析，研究所采用的转子间骨折模型多数通过有限元软件自带的裁剪功能进行标准化建立^[22-24]。

文章针对国内外转子间骨折有限元模型建立的缺乏，采用LS-DYNA等分析处理软件建立多型转子间骨折模型，为运用有限元法分析股骨转子间骨折的力学发生机制及其预防提供一定的实验参考。

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材料方法

1.1 设计 有限元分析建模实验。

1.2 时间及地点 于2017年2至6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

1.3.1 建模软件见表1。

1.3.2 实验仪器 GE 64排螺旋CT由广州中医药大学第一附属医院提供。

1.4 对象 选择2017年2至3月于广州中医药大学第一附属医院创伤骨科住院的男性患者1例，年龄70岁，身高 171 cm，体质量65 kg，有明确的外伤史，查体可见髋部肿胀，局部叩击痛，经髋部X射线检查诊断为老年单侧股骨转子间骨折，对侧髋部、股骨无损伤病史，同时排除结核、转移瘤及放化疗史，中度骨质疏松，签署CT扫描知情同意书。患者仰卧位，采用GE 64排螺旋CT对健侧髋关节螺旋扫描，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 股骨近端三维模型的建立将患者健侧髋部CT资料，导入Mimics 19.0软件中，通过阈值分割、区域增长、腔隙填充、编辑蒙罩、包裹等步骤，建立健侧的骨骼仿真几何模型，实验步骤参考李鹏飞^[19]、林梓凌等^[25]实验建模方法。几何模型以STL格式导入Geomagic studio 2013软件中，进行光顺、删除钉状物、填充孔、编辑轮廓线、构造曲面、构造格栅、拟合曲面等步骤后建立较高生物仿真度的健侧股骨近端三维模型。

1.5.2 有限元网格化模型的建立及分析前处理

网格划分、材料参数设置：将上述建立的股骨近端三维模型导入Hypermesh 14.0软件中，利用3D tetramesh功能进行四面体网格划分，Element size设置为3。参考彭睿^[26]、李鹏飞等^[19]研究将骨质材料定义为plastic-kinematic材料，利用delete、mask功能，通过表面网格定义皮质骨、内部网格定义松质骨的方式划分骨皮质及骨松质，并分别赋予相关材料参数及属性，建立股骨近端有限元网格模型，如图1，2所示；皮质骨、松质骨材料参数见图3，4。

边界条件及载荷设置：边界条件设置为股骨近端固定，单元dof1-dof6设置为0，以股骨头局部反作用力的形式，模拟股骨近端剪切应力，载荷F1大小为455 N，以Rigidbody形式均匀分布作用于股骨头内上侧，如图5，6所示。为模拟多型转子间骨折，考虑到股骨矩在股骨近端的力学支撑作用，对小转子局部范围进行约束，同时适当调整股骨远端边界条件，参考李平^[27]关于跌倒姿势与转子间骨折的研究，在大转子后外侧施加第二载荷F2，大小为400 N，模拟侧方跌倒时大转子局部撞击受力。并依据实验结果对载荷大小适当进行调整。

1.5.3 有限元运算分析将上述设置好分析条件的有限元模型依次导入LS-DYNA中进行运算，在HyperView 14.0中查看运算结果。

1.6 主要观察指标 股骨近端受力分布(Von Mises云图)、骨折起始点及完整的骨折线。

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

讨论

股骨转子间骨折是老年人常见的骨折，多与侧方跌倒或者车祸等直接暴力密切相关，相较于股骨颈骨折，转子部的血运丰富，发生骨折不愈合及骨质缺血性坏死的可能性较低，但因其多发于老年人群，老年人基础疾病较多，若不采取积极有效的治疗，预后也较差。Lin等^[31]报道近一半的保守治疗患者会发生髋内翻等并发症，同时保守治疗的死亡率高达35%，对于无明显禁忌证的老年转子间骨折，国内外现多采取手术治疗^[32-35]，临床中为指导髋部骨折的治疗，采用了一些转子间骨折分型，通常认为转子间骨折的发生由直接暴力和间接暴力两种类型的外力造成，同时髋部肌肉组织较多，在外暴力作用的同时，肌肉的收缩力也是髋部骨折产生不同分型的重要原因，陈振沅^[21]的关于转子间骨折六部分骨折分型机制相关研究也证实了上述观点，但是该研究仅局限于股骨近端的应力集中，以此来判断骨折的可能性较大，未能将骨折的动态发生过程进行模拟，也未能建立较为真实的骨折断裂模型。国内针对转子间骨折模型的研究相对较缺乏，有报道的研究以转子间骨折的各种内固定治疗的优异性为主，而研究中建立的转子间骨折模型多是通过有限元软件自带的裁剪功能进行标准化的裁剪，仿真度有待商榷。王磊等^[36]利用mimics 13.0的裁剪功能建立转子间骨折模型以此来分析股骨近端防旋髓内钉对转子间骨折的固定效果。窦庆寅等^[37]报道了通过将模型局部的材料参数进行调整简化的办法，消除其力学性能建立骨折模型。国外关于髋部骨折的有限元分析方面，以骨折预测的应用为主也验证了有限元法是一种方便高效的预测方法^[9^、^38]，股骨颈骨折建模仿真方面，Hambli等^[39]应用有限元法成功建立完整的股骨颈骨折有限元模型，在和实体骨的实验对比中，具有高度的一致性，该实验为揭示股骨颈骨折的力学发生机制提供了较为充实的实验依据，同时为应用有限元法模拟其他类型髋部骨折提供了实验指导。作者在前期研究中运用有限元分析法，模拟髋臼对股骨头的反作用力，成功模拟出EVAN Ⅰ型转子间骨折模型^[40]，为后续的多型骨折模型的建立提供了必要的实验基础，然而多型的转子间骨折有限元建模仿真鉴于实验难度及技术能力的限制，暂未见报道。可见，转子间骨折有限元仿真模型的建立，在揭示转子间骨折的力学发生机制、为疾病的防治提供实验基础方面具有重要意义，同时该研究也具有一定的创新性和开拓性。

有限元法最早于20世纪70年代开始运用于骨科生物力学的研究中^[41]，凭借准确、简便、可重复性等优点在骨科研究中得到迅速发展。股骨三维模型的建立是研究的前提条件，目前实验研究中主要的建模方法有直接建模法、坐标点建模、组织切片建模、基于医学图像的建模、DICOM数据直接建模法^[42-44]。其中基于骨骼真实CT数据的DICOM数据建模方法因其数据来源真实、准确，建模过程缺少人为干预，三维模型仿真度高等特点，越发受到重视，成为有限元研究中最常用的几何模型建立方法。骨折的发生是一个由细微到显著的过程，外暴力从作用于骨质局部到力学传导，最后到骨质断裂发生骨折也是一个持续进展的过程。如何将骨折断裂直观、完整的变现出来一直是有限元研究的热点，为此，本研究引入LS-DYNA软件，该软件尤适合各种二维、三维非线性结构的动力冲击问题研究，同时本研究在力学加载中，为了更真实的模拟侧方跌倒股骨近端的受力情况，在Hypermesh中以力学载荷曲线的形式，以规定时间内由小到大的赋予载荷力。本研究基于HYPERMESH、LS-DYNA软件，参考临床中常见的侧方跌倒引起转子间骨折的病例，模拟侧方跌倒中的股骨近端受力情况，成功模拟出5种转子间骨折模型，及1型转子下骨折模型，部分模型较符合临床常用分型有一定相似度，为转子间骨折的应力发生机制研究提供了一定的实验参考。通过本研究的实验结果，可以发现由大转子部的直接暴力及股骨头部位的反作用力所形成的剪切力，在转子间骨折的发生中起至关重要的作用。

本研究存在的不足及改进方向：①模型的材料方面，本研究建立的股骨近端模型，较为简便的区分骨皮质及骨松质，赋予两种不同的材料参数，对股骨近端一些较为特殊的力学结构缺乏针对性的处理，既往有研究表明，将骨骼赋予10种材料属性更能够达到有限元分析的要求^[45]。为此下一步的研究中，将在骨骼材料中进一步完善。其外，严格意义上骨骼材料属于各向异性材料^[46]，本研究为简化运算，参考既往研究^[19^，^23]，将骨骼材料定义为各向同性，这必然会对运算结果的准确性产生一定的影响；②髋部软组织方面，髋部各型功能肌群较多，在跌倒过程中受视觉感官等刺激，髋部肌肉主动收缩，考虑到股骨近端是众多肌肉的起始附着点，肌肉的收缩对转子间骨折的发生发展有较大影响，本研究暂未涉及软组织，后期拟建立肌肉主动力模型、建立关节囊及关节软骨，以强化仿真效果； ③老年转子间骨折是骨质疏松性骨折的一种，骨折的发生有骨小梁及微骨折的损伤为基础，后期拟对模型进行细化，分析转子间骨折的裂纹拓展规律，为早期干预转子间骨折的发生发展提供实验参考；④模型的边界条件方面，本研究借鉴既往研究，采取股骨远端固定，远端单元活动度设置为0的方法设置边界条件，在模拟复杂的转子间骨折类型中，为了避免股骨干骨折的发生，适当增大了股骨远端的约束范围，这对股骨近端的应力集中有一定影响，后期拟提高几何模型建模质量的同时，对模型的边界条件设置进行更加深入的分析，以尽可能的优化；⑤本研究获得的骨折模型与临床常用骨折分型仍有一定差距，而且未获得小转子撕脱的骨折模型，为此，作者认为，标准的骨折分型的建立需要尽可能的设置股骨近端的复杂应力情况，在尤其是跌倒撞击的外力过程中，肌肉的主动收缩对股骨近端的力学影响，小转子是重要的肌肉附着点，肌肉的收缩牵拉，是其撕脱分离的重要原因，后期拟在这方面进一步完善。

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

基于Hypermesh 14.0和LS-DYNA的老年转子间骨折有限元建模分析

Finite element analysis of intertrochanteric fractures in older adults based on Hypermesh 14.0 and LS-DYNA software

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