Chinese Journal of Tissue Engineering Research ›› 2018, Vol. 22 ›› Issue (11): 1762-1767.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.0176
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Zhang Zhan-yue, Dong Le-le, Zuo Qiang, Guo Peng-nian, Lv Guo-dong, Liu Rui
Online:
2018-04-18
Published:
2018-04-18
Contact:
Dong Le-le, the First Affiliated Hospital of Baotou Medical University, Baotou 014010, Inner Mongolia Autonomous Region, China
About author:
Zhang Zhan-yue, Master candidate, the First Affiliated Hospital of Baotou Medical University, Baotou 014010, Inner Mongolia Autonomous Region, China
Supported by:
the Scientific Research Foundation for the Youth of Baotou Medical University, No. BYJJ-QM2016108
CLC Number:
Zhang Zhan-yue, Dong Le-le, Zuo Qiang, Guo Peng-nian, Lv Guo-dong, Liu Rui. Finite element analysis applied in the biomechanical study of hallux valgus: reliability and room for improvement[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2018, 22(11): 1762-1767.
2.1 拇外翻有限元模型的建立与验证 2.1.1 有限元建模的数据采集 有限元模型的数据采集方法多种多样,包括X射线、三维激光扫描、CT图像、核磁图像等,目前在骨科应用最广泛的是计算机断层扫描(CT)和磁共振成像(MRI)图像数据,至于超声重建二维模型极其少见。早期有限元模型建立利用X射线图 像[2],虽然X射线成像有成本低、直观等优势,但是它所产生的投影图像精度低,难以区分不同组织,现已弃用。使用CT和MRI数据建立的有限元模型更有效、更完整。对于整个足部几何重建的三维逼真模型的设计,CT数据数据更适合骨成像,而MRI数据更适合软组织重建。利用CT数据建模,价格较MRI便宜,扫描时间较快,对骨骼重建有着明显的优势。对于CT扫描参数的基本要求包括:患者非负重踝关节中立位;记录层厚、床进速度、间隔、范围、二维扫描断层图像的分辨率、数量;最后CT扫描数据以DICOM(Digital Imaging and Communications in Medicine)格式存储到可读写光盘。目前在拇外翻有限元研究中最常用的是使用CT数据建立模型。 2.1.2 建立几何模型的工具 获得患者扫描数据后,利用计算机建立完整的有限元模型需要多种软件联合去实现,其中包括辅助工具和有限元软件。 辅助工具:①Mimics,它是Materialise公司的一款通过输入DICOM格式的扫描数据建立三维模型的软件。Mimics软件在FEA模块中进行网格划分,并对模型进行材料分配,定义不同材料的弹性模量和泊松比,最后用有限元分析的格式输出。其具有操作简单、容易上手和运算时间短等优点;②Geomagic Studio,这是一款逆向工程软件,可以把三维扫描数据和点云数据生成三角片,然后进入多边形阶段,定义边界条件创建曲面,最后自动转化成NORBS曲面并以Iges格式输出用于有限元分析。它具有界面简洁、功能强大等优点,比CAD软件(Computer Aided Drafting)的效率更高;③MATLAB,它是美国MathWorks公司出品的一款软件,它集数值分析、矩阵运算、非线性控制设计等功能于一身,是一种高级技术语言,在数值计算方面独具优势。但是这款软件对于非专业人员来说相对较难,必须具有计算机语言基础才能掌握,所以在有限元分析建模的应用上少见;④FreeForm(3D触觉式设计系统),它利用触觉式设计工具重建三维模型,再输入到CAD软件中对数据进行处理分析,它具有建模制作周期短、功能简单灵活、操作界面直观等特点;⑤UG(Unigraphics NX),它是Siemens PLM Software公司的一个产品,它可轻松构建各种实体的模型,功能强大。既能解偏微分方程又可自适应网格加密,该软件也得到了不少学者的青睐。除了以上几款常用建立有限元的辅助工具,还有SolidWorks,HyperMesh、Vtk等软件,这几款软件功能侧重点不同,应用不广泛。 有限元软件:比较常见的是ANSYS和ABAQUS这两款软件。①ANSYS,1970年由美国ANSYS公司开发的应用于有限元分析的一款大型软件,具有功能强大、操作简单等特点。目前是国际上成为最流行的有限元分析软件。它可以进行结构静力分析、结构动力分析、结构非线性分析、动力学分析等,同时可对CAD模型进行高质量、便捷的自适应网格划分。经过不停的优化,现已更新到ANSYS 14.0版本。其中ANSYS的Workbench界面与其经典界面相比,具有简洁并能更加正确的导入大多数建模软件建立模型,明显提高计算的效率的优点,但同时在一定程度上对功能也进行了简化;②ABAQUS,1978年由HKS公司开发的另一款常用的有限元分析软件,它也可对复杂的非线性问题进行求解,致力于更复杂的工程问题,现已更新到6.13版。 目前常见建模方法:利用Mimics和Geomagic Studio两款软件建立实体模型后导入ANSYS或者ABAQUS建立有限元模型。这种联合建模方式具有分工明确、方便快捷、精度较高、贴近临床等特点。 2.1.3 建立有限元模型 建立有限元模型,首先要选择合适的网格划分方式,定义不同组织单元属性,进而进行网格划分控制,从而利用XMESH命令进行网格划分。拇外翻模型在承受外力后,内部组织之间的力学尤为重要,所以采用耦合和约束方程进行网格划分。拇外翻的骨骼、肌腱等组织较复杂,可在有限元网格划分方面,分为有限的四面体网格或六面体网格,目前国内大多数均采用四面体网格划分。 对于拇外翻模型的材料定义,部分学者将足部的组织均被看作是均质连续、各向同性的线性弹性单元。这种材料定义方式明显减少了建模的难度和工作量,但是同时也降低了模型的仿真度。因此,把足部的不同组织区分定义为不同的材料属性可以把仿真度增大,进而更加贴近临床。对于软骨和关节,把大关节或者在运动中具有重要意义的关节定义为非均质、各向异性的材料更为可靠[3]。但是为了使计算结果的难度降低,可以把在力学分析中影响较小的关节定义为非线性,比如远端趾间关节等;对于矢状面微动关节,像跗跖关节和跗骨关节,有学者把其进行弹性软骨融合;对于趾骨间关节和跖趾关节,有研究进行非线性超弹性软骨连接。对于材料属性的设定,本文综合了国内外的研究常用数据[4-12],见表1。 "
2.1.4 加载模型和确定边界约束 成功建立拇外翻有限元模型后,对其进行加载和约束。为了使微分方程组能顺利求解,同时排除分析时的非主要的因素,需要确定模型的边界条件。对跟骨上表面进行完全约束,固定内侧楔骨和其远侧为活动端[13-14]。还有学者对胫骨远端、腓骨及跟骨底部进行完全约束[15]。于踝关节静态中立位垂直加载人体重力,对单足加载1/2体质量的力。设定支持结构:定义平行于足底的面、矢状面、冠状面及垂直于矢状面和冠状面的面[16-17]。 2.1.5 模型有效性的验证 由于拇外翻足结构的复杂性、计算机软硬件的局限性及有限元方法固有的限制,模型的建立结果不能完全反应真实的力学特性。多数使用力板测试技术或标本生物力学测试[18-19]。证明有限元模型的可靠性是利用它分析问题的前提,常见用于验证模型有效性的方法有:①同一例患者静止站立在Footscan平板压力测试系统上测量出来的足底受力数据与三维有限元模型足底压力对照(图2),以验证所建模型的有效性[14]。Footscan平板系统具有测试简单、可重复性好、方法可靠的优点。它不仅能提供直观的图形,也可提供准确的数值,因此成为临床常用的验证有限元模型的有效性的方法;②如无条件进行Footscan平板压力测试对比,则可与高质量文献的类似建模结果数据进行对比[20]。"
2.2 有限元分析方法在拇外翻中的应用 2.2.1 拇外翻病因学研究 拇外翻的成因诸多,包括遗传因素、长期穿高跟鞋或尖头鞋和足部结构异常等可导致拇趾向足外侧过度倾斜的因素。国内外学者通过有限元分析法对拇外翻的病因进行多方面的研究报导:①王旭等[15]通过建立正常足的三维有限元模型,进而对第一跖列进行有限元分析,得出第一跖列反复负重可能是拇外翻发生的因素之一的结论;②Morales-Orcajo等[21]采用有限元分析10个拇趾近节趾骨模型中的应力分布模式进行了定性比较,认为它们的几何形状是拇外翻的潜在病因;③足的第一跖列有着减震和负重的重要功能;Wong等[22]对跖楔角和跖趾关节在韧带松弛的情况下进行了有限元研究,结果表明,第一跖列的过度活动增加了跖楔角和跖趾关节的负荷,从而造成了跖骨旋转,发生跖内翻,这是拇外翻产生的重要因素;④Kai等[23]建立有限元分析模型观察第一跖骨和内侧跖楔关节之间的应力应变,证明第一跖列运动范围和拇趾外翻存在一定的联系。 2.2.2 拇外翻治疗的研究 在有限元分析应用于拇外翻矫正手术之前,外科医生经常通过足部X射线片凭经验进行拇外翻矫形手术,仅仅是通过截骨恢复拇趾形态和足弓生物力学的结构去获得疗效,往往没有一个相对客观的标准去评价手术效果。如今学者把有限元分析法高效的应用于拇外翻的治疗评估当中:①孙卫东等[24]对中西医结合微创技术治疗拇外翻采用第一跖骨头颈部截骨方式,通过建立拇外翻有限元模型,模拟截骨线与第1跖骨轴线在矢状面上的7个截骨角度,最后证明了第一跖骨在矢状面从远端背侧向近端跖侧方向进行60°的截骨最具稳定性。他们还建立模拟第一跖骨颈部截骨和绷带外固定的有限元模型,证明这种截骨和固定方式联合治疗拇外翻的有效性[25];②毕春强等[26]静态分析建立的第一跖骨头颈部截骨后应用绷带外固定的有限元模型,从而证明这种方法可显著减少截骨端的位移,应力适中,对骨折的愈合起到很好的效果;③Matzaroglou等[27]通过对拇外翻患者进行改良的90°-Choven截骨进行有限元分析,与经典的60°-Choven截骨相比,90°-Choven截骨在两截骨端的接触应力方面更具优势;④跖楔关节融合术是矫正拇趾外翻的外科手术方法之一,特别是对那些具有第一跖列失稳的患者,由于第一跖列失稳是导致拇外翻的因素之一。Wong等[28]通过对1名28岁的女性磁共振成像的足部有限元模型的建立,模拟跖楔关节融合术并进行周期步态分析,证明了跖楔关节融合术可以恢复第一跖列的承重能力;⑤金立夫等[14]对1例微创截骨术后2年出现转移性跖骨痛的患者进行CT数据建模,分析表明引起转移性跖骨痛的一个可能成因是第一跖楔关节失稳,并提醒医生需高度注意术前拇外翻患者有无第一跖楔关节失稳,必要时加做跖楔关节融合术,预防术后转移性跖骨痛;⑥Kristen等[29]建立了拇外翻的模型,对3种截骨术式进行力学分析,比较不同拇外翻截骨术式的稳定性。 2.2.3 关于拇外翻其他方面的研究 ①跖腱膜在模型建立方面,陶凯等[13]通过建立1名志愿者足的有限元模型,对比分析模型中不建立跖腱膜和韧带对足部力学分布的影响,并推测其他忽略的组织在建模中的重要性;②边蔷等[30]研究新鲜离体足部9个肌腱样本,对其进行测量和加载,最后得出相应的弹性模量。但在足部组织弹性模量的测定方面,国内相关研究少见;③对于跖腱膜的研究,牛文鑫等[19]通过建立3种跖腱膜的末端连接的位置模型,包括跖腱膜末端分别与两侧趾骨、趾骨以及跖骨头连接,最后综合解剖和可靠的实验结果证明了,跖腱膜末端连接在跖骨头上的模型更合理。"
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