兔胫骨骨折的有限元模型

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.04.009

摘要/Abstract

摘要：

背景：医学生物力学有限元分析的原始资料多为人体CT数据，大范围的CT扫描势必会对人体造成一定的射线伤害。
目的：建立兔胫骨骨折三维有限元生物力学模型。
方法：选取雄性1年龄新西兰大白兔1只，开放锯断左侧胫骨中段，MIMICS10.01软件直接读取以层厚0.625 mm对左侧胫腓骨不间断扫描得到以DICOM3.0格式刻盘保存的CT图片135张，经过定位图像、组织图片、内插值处理以及表面光滑化处理建立面网格模型，导入ANSYS10.0软件构建体并划分体网格，在MIMICS10.01中赋材质。
结果与结论：建立了外形和几何结构逼真、生物材料接近正常组织的胫骨中段骨折有限元模型，经加载分析模型真实有效。可见应用MIMICS10.01和ANSYS10.0软件能快速建立兔胫骨骨折三维有限元生物力学模型，为进一步进行实验兔骨折愈合生物力学分析奠定基础。

关键词: 骨关节植入物, 骨与关节三维有限元, 胫骨骨折, 模型, 三维有限元, 兔, 生物力学, CT, ANSYS10.0, MIMICS10.01, 其他基金, 骨关节植入物图片文章

Abstract:

BACKGROUND: The original data of the medical biomechanics finite element analysis often come from body CT images. Wide range CT scanning can cause damage to human.
OBJECTIVE: To establish a three-dimensional finite element model of rabbit tibial fracture.
METHODS: A 1-year-old male New Zealand white rabbit was selected, sawing the middle of the left tibia by surgery. Reading the 135-layer of 0.625 mm thick consecutive CT DICOM3.0 format images of rabbit left tibial with the MIMICS10.01 software directly. The surface mesh model was established by images positioning, images organizing, interpolated processing and surface smoothing processing, then the meshmodel was introduced into ANSYS10.0 software directly to mesh body, and then transferred the body mesh to MIMICS10.01 for assignment on the basis of CT values.
RESULTS AND CONCLUSION: A realistic appearance and calculation accuracy three-dimensional finite element model of rabbit tibial fracture was established. The model was real and effective by applying load and analyzing. The result showed the three-dimensional finite element model of rabbit tibial fracture could be made faster and more accurate by applying MIMICS10.01 software and ANSYS10.0 software. The establishment of the model lays a foundation for rabbit further biomechanical analysis of fracture healing.

Key words: bone and joint implants, three-dimensional finite element analysis of bone and joint, tibial fractures, model, three-dimensional finite element, rabbit, biomechanics, CT, ANSYS10.0, MIMICS10.01, other grants-supported paper, photographs-containing paper of bone and joint implants

中图分类号:

R318

李孝林，任伯绪，徐自胜. 兔胫骨骨折的有限元模型[J]. 中国组织工程研究, 2013, 17(4): 620-624.

Li Xiao-lin, Ren Bo-xu, Xu Zi-sheng. Finite element model of rabbit tibial fracture[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2013, 17(4): 620-624.

图/表（结果） 1

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引言

材料方法

设计：单一样本有限元仿真生物力学实验。
时间及地点：实验于2011年6至10月在长江大学生物力学实验室和长江大学附属医院放射科完成。
材料：
实验动物：新西兰大耳白兔1只，雄性，1年龄，由武汉疾病控制中心提供，许可证号SCXK[鄂]20080005，实验前单笼适应饲养1周。实验过程中对动物的处置符合相关动物伦理学标准的条例。
实验设备和软件：64排螺旋CT机(Philips/Brilliance 64，飞利浦公司，荷兰)、医学3-D图像生成及编辑处理软件Mimics10.01(Materialise公司，比利时，长江大学机械工程学院提供)、大型有限元分析软件Ansys10.0(ANSYS公司，美国，长江大学机械工程学院提供)。
方法：
实验兔胫骨骨折模型的建立：采取耳缘静脉注射乌拉坦麻醉，左侧小腿脱毛，常规皮肤消毒铺孔巾，于左小腿中段偏内侧作一长约2.0 cm的皮肤切口，直达骨膜，剥离骨膜，电锯横行截断胫骨，双氧水、生理盐水冲洗切口，逐层缝合切口，骨折手法复位，左后肢全段屈膝屈踝管型石膏固定。实验兔单笼饲养，青霉素80×10⁴ U/d肌注4 d预防感染。
CT原始数据的获取：实验兔石膏固定后即进行CT扫描。扫描在长江大学附属医院CT室进行，其CT机为64排螺旋CT，扫描条件：选择骨组织窗，电压120 kV，象素大小0.43 mm，层厚0.625 mm，不间断扫描；扫描范围：以骨折线为中心的8.0 cm长的胫腓骨，共得到图片135张，以DICOM3.0格式刻盘保存。
骨折面网格模型的建立：直接将DICOM格式的CT原始图片读入到MIMICS10.01软件，经过定位图像、组织图片、内插值处理，界定阈值在226-2 450 Houns Field单位，作区域增长分割出胫腓骨骨组织，见图1，每层图像经边缘分割、选择性编辑及除噪处理，去除冗余数据，3D运算重建骨折几何模型，见图2，经过面网格划分，见图3，并给予表面光滑后将模型保存为能被ANSYS10.0识别读取的.lis格式文件。

骨折体网格模型的建立：直接读取在MIMICS软件里生成的面网格模型，将面网格转化成体模型，见图4，根据以往的建模经验采用10-nods-solid92四面体单元进行网格划分，单元边长定义为1.0 mm，采用自由网格划分方法，ANSYS程序自动划分生成体网格骨折模型，见图5，分别读出体网格模型的结点、单元和PREP7文件，并将3个文件保存在同一个文件夹内。

模型物理材质的赋予：MIMICS10.01直接读取已划分好体网格的结点、单元文件，程序根据CT图像灰度-组织力学材料性质关系公式自动赋值，将材质分为10个等级，设定骨质的泊松比为0.30，赋值后生成的有限元模型，见图6。

模型有效性验证：ANSYS 10.0读入赋值后的模型，固定约束模型下端，即各方向的位移为0，于模型上端施加10.0 N的压缩载荷，程序运算求解。
主要观察指标：①实验兔胫骨骨折的有限元模型及相关数据。②模型的初步应力分析结果。

讨论

有限元分析是近年来生物力学领域仿真人体结构力学功能研究方面的一个重要实验手段。通过建立人体有限元模型，赋予模型物理材料性质并合理模拟体内条件，可以有效地分析人体结构的物理场性质，例如结构的应力/应变、模态分析、外部冲击响应、疲劳测试等。有限元分析在骨科生物力学研究方面有着无可比拟的优势，从理论上讲，可以模拟几乎所有的有关生物力学方面的实验，而且此方法可以比实际研究更能反映出生物体内部的变化情况。

进行有限元分析的首要条件是建立精确的有限元模型，模型建立的好坏直接关系到实验结果的正确与否。以往的研究中多是直接借助真实人体CT扫描图片进行建模，而且所建模型范围逐渐扩大，比如从脊柱来看已经从单一的椎骨发展到脊柱功能节段、颈腰椎节段、整个胸廓等^[1-3]，不论是颈段、腰段还是整个脊柱在建模时都需要对相应人体进行大范围的CT扫描，尤其是为了提高建模质量，现多采取层厚0.625 mm的不间断扫描，即使是颈段和胸腰段一次扫描的图片都达上百张^[4-5]，而整个脊柱则多达500多张^[6]。

一次如此大范围的CT扫描无疑对被扫描者造成很大的伤害，Diederich等^[7]学者研究估计成年人一次胸部CT检查的有效辐射当量为3- 27 mSv，据Golding等^[8]学者研究认为具有10 mSv有效剂量的成人腹部检查会增加致癌风险1/2 000。可见利用人体作为原始资料的建模方法确实存在伦理学以及人体射线伤害的弊端。对于有些可以应用动物作为实验对象的研究直接对实验动物进行CT扫描不失为一种比较好的替代方法。国外已经进行了比较多的研究，比如Maikos等^[9]构建大鼠脊椎有限元模型研究脊髓损伤；Farke^[10]构建了山羊头颅有限元模型用于额窦和头顶的力学分析；国内也有人进行了尝试，比如Chen等^[11]构建猪下颌骨有限元模型研究弹道损伤；李志香等^[12]应用工业CT对实验兔进行扫描建立了兔股骨三维有限元模型并用于振动对骨丢失影响的研究；史俊等^[13]建立了兔下颌骨骨折三维有限元模型用于下颌骨骨折愈合的研究；李岩峰等^[14]建立了犬下颌骨节段缺失有限元模型并对下颌骨进行生物力学模拟研究。纵观国内外研究现状目前对于四肢骨折的动物有限元模型尚未见报道。

此模型是在研究者以往有限元建模以及分析基础上为观察骨折愈合生物力学而建立的。在建模时将骨质的材料属性按CT灰度值应用材料公式依据MIMICS软件的material功能自动赋值，并将材料特性划分为10等级而不是简单的区分为皮质骨和松质骨，使其材料属性更加接近于真实。而且应用动物作为实验对象和直接将人作为实验对象相比具有射线损伤小、可重复率高、不受伦理约束以及模型可控性强等优点。尤其是作为研究骨折的模型由于动物骨折愈合周期比人要短，这就缩短了研究时间，而且骨折的类型、骨折的部位、骨折固定的方法等都可以人为的控制，这样也节省了研究的人力、物力。

有限元分析本来就是一种新的生物力学研究方法，而应用动物作为研究对象更是少见，从本研究所建模型来看尚存在以下问题需要进一步验证：①实验动物用于骨折生物力学研究的可靠性：兔为爬行动物，和直立的人相比在站立和行走时骨骼的受力是不相同的；兔为四肢着地行走，在实验研究中是应用前肢还是后肢比较合适尚没有定论，作者考虑到动物在爬行时后肢主要起到向前蹬的作用，骨骼主要受到压应力而选用了后肢；实验兔后肢骨骼较短，且固定骨折使用的是石膏外固定，为更好的维持骨折的稳定性而选择后肢的胫骨中段折骨。②CT灰度值材质公式参数：以往的人体建模在赋材质时使用的是相应的比较成熟的人体经验公式，但由于动物建模少见报道，而且动物的骨骼和人体相比其弹性模量和泊松比应该会不一样，本研究考虑到兔骨骼的弹性较大而使用了较小的参数。当然作为一种新兴的研究方法，还有很大的发展空间。相信经过不断的探索实践以及不断的结合临床必定会不断完善，从而起到指导临床、与临床治疗相辅相成的作用。

基金资助：荆州市科技局课题基金([2010]14号16)，长江大学博士启动基金。
致谢：感谢长江大学生物力学实验室和长江大学附属医院放射科对本研究的支持。
作者贡献：实验设计为李孝林，实验实施为李孝林、徐自胜，实验评估为李孝林，资料收集为徐自胜。李孝林、任伯绪成文，任伯绪审校，李孝林对文章负责。
利益冲突：课题未涉及任何厂家及相关雇主或其他经济组织直接或间接的经济或利益的赞助。
伦理要求：实验过程中对动物的处置符合2009年《Ethical issues in animal experimentation》相关动物伦理学标准的条例。
作者声明：文章为原创作品，数据准确，内容不涉及泄密，无一稿两投，无抄袭，无内容剽窃，无作者署名争议，无与他人课题以及专利技术的争执，内容真实，文责自负。

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