SCI论文（www.lunwensci.com）:
摘要：随着现代社会发展进程加快，高能量、暴击意外事件发生率逐年升高，导致临床骨科患病人数增加。因此，对骨损伤患者早期予以有效诊断和治疗，能够进一步提高骨科疾病诊断率和治疗率。骨科三维有限元是通过有限元数值计算、计算机仿真技术相结合建立起来的以临床骨科为研究对象的生物力学试验模型，在骨的力学发生机制及骨折固定系统的力学分析中得到广泛重视，在骨科疾病早期诊断和治疗中发挥了巨大作用，为骨科生物力学研究重要手段之一。本文就现有临床报道文献结合我院实际开展情况进行以下总结，为后续临床工作开展提供理论基础。
关键词：骨科；三维有限元；骨损伤；生物力学
本文引用格式：宫玉锁,周君，李盛华,等.骨科三维有限元研究进展[J].世界最新医学信息文摘,2019,19(93):40-41,43.
0引言
随着我国计算机技术、影像学技术不断发展，多数影像诊断图片经过电脑大型图形处理站能实时将损伤位置展现出来，方便临床医师有效诊断，为患者预后提供基础[1]。随着临床医学的发展，新型理念不断深入人心，临床对骨科新型技术应用逐渐增多，常见为数字化骨科[2]、虚拟人[3,4]、手术导航[5,6]等，是骨科逐步走向现代化的标志。随着骨科相关诊疗技术的不断完善发展，计算机技术与骨科联系日益密切。而生物力学分析技术为首的三维有限元技术在骨科中应用广泛，并受到临床医师喜爱[7-9]。骨科三维有限元具有能将骨结构、骨折力学机制、骨折固定系统力学展现出来等优势，并为后续骨科疾病相关研究的开展予以技术支持，为患者力学检查中最为重要手段[10]。本文就骨科中应用三维有限元进展进行以下综述。
1有限元发展历程
有限元法为计算机力学范畴一种方式，其应用过程中将复杂整体性状可分解为多个有限组和性状，并达到模拟、计算、分析、预测作用。上述模式早期应用于飞机制造业等工业领域中，随着我国工程学、数学、计算机技术不断发展及完善，逐渐应用于生命体生物力学相关领域中。骨计算生物学力学最早可追溯于1867年，瑞士解剖学家Von Meyer[11]发现股骨近端小梁结构图与起重机应力图很相似。
因此，在1892年提出著名骨小梁排列Wolff定律，并在1917年由Koch[12]应用简单计算方式分析股骨应力分布，上述学者提出理论、并应用于实践，促进了骨计算生物力学的发展。1956年Turner等学者利用有限元计算方式分析飞机结构应力、变化，能成功模拟计算出复杂形态弹性体及其力学特征，后推广于医学领域研究中，取得了满意成效[13]。有限元应用是指连续物体分割成简单有限个元素，将理想化、简单化单元组和代替、模拟连续弹性体，并利用数字方法对位移、应力分布变化趋势加以模拟，后将整体转化为简单元素，并预测整体特性。随着我国人工关节技术的不断发展，有限元在骨科中应用越来越广泛，为后期患者假体设计、优化、并发症管理提供理论基础。
2骨骼系统有限元模型建立、生物力学分析
随着科学技术迅猛发展，骨科新材料、新技术发展日新月异[13-15]，有限元分析方法应用于骨骼系统中，通过对有限元生物力学分析，利用个体差异建立有限元模型，实践应用过程中可为骨骼系统分析提供平台，有利于后续对人体生物力学、骨骼生理特性深入研究[16,17]，临床实际应用过程中，更加可靠、方便、简便。将有限元法应用于临床，并对相关骨骼肌肉系统建立有限元模型，进行生物力学研究。刘强等[18]研究中，通过CT对患者人体躯体进行扫描，并将有限元与工程原理相结合，通过对人体四肢骨解剖进行分析，建立躯干骨骼-肌肉-韧带符合三位模型，将人体躯干结构、后续力学特性反应出来，上述研究证实，选择合适建模方式、材料参数利于后续骨重建。
3骨折发生机制的有限元分析
Hangman骨折作为颈椎骨折中常见病理类型，医师早期予以患者检查过程中，Hangman骨折表现为不对称，临床发生率高达18~60%。对该病发病机制，多数学者认为系旋转暴力伴过伸、侧方压缩所致。郭新庆等[19]研究中提到，以三维有限元法为基础开展生物力学研究，对Hangman骨折相关发病机制进行研究，对临床一名正常男性予以CT扫描，并收集颈椎薄层数据，后利用Mimics 10.01软件建立枢椎皮质骨、松质骨三维模型，期间采用Ansys5.7有限元分析软件并对模型所赋予材料物理属性进行分析，后通过齿突寰齿关节面前后方向施加载荷，其中对枢椎三种不同约束条件下应力、应变分布分析，分析相应条件下枢椎可能发生骨折的类型。上述结论作为伤前颈椎侧屈状态为引起不对称性Hangman骨折的重要因素。
颈椎骨折中枢椎齿突骨折占比为9~15%，因此，为详细将齿突垂直、水平方向不同角度载荷下损伤机制、骨折类型进行讨论。欧志学等[20]研究中提出，对健康成年男子颈部进行CT扫描检查，期间采用Dicon图像数据，并采用Mimics软件进行分析，能清晰将枢椎表面三维图像展现出来，利用ANSYS ICEM CFD网格划分技术处理过后并形成皮质骨、松质骨实体模型，对不同条件下齿突应力分布情况加以分析，并探讨相关骨折类型。结果表明，通过两种力学联合加载模型，能清晰将作用力分布变化展示出来，同时将齿突骨折发生情况显示，结果表明，齿突骨折类型决定性因素为外力作用方向。
通过建立并分析三维有限元模型，从生物力学角度对骨折发生机制进行探讨，能找出容易发生骨折的部位及对骨折发生机制进行预测，从而能有效预防骨折发生，利于临床上科学、合理地对骨折进行分型，为后续治疗提供科学依据。
4有限元在骨科疾病中的应用
骨关节和力学密切相关，生物力学在骨的形成和相关疾病中发挥了重要作用。人在正常生理状况下，骨骼的结构和功能在很大程度上依赖于其所处的力学环境。有限元作为一种新的生物力学研究手段，近年来在应力分析、位移及骨科疾病诊疗方面发挥了重要作用。大量研究表明，有限元在脊柱病、骨关节病、骨病及骨创伤中得到了广泛使用[21-24]，并取得了良好的临床效果。
4.1有限元在脊柱疾病研究上的应用
有限元早期应用于骨科研究侧重点为脊柱，并随着有限元在骨科应用经验积累及计算机技术不断进步，现阶段逐步应用三维立体模型，并取代早期二维平面模型。从过去常用匀质、各向同性材料模拟过渡为非匀质、各向异性材料模拟，由简单应力分析逐步向骨折、骨病机制探讨发展。李林宏等[25]研究报道，依据人体解剖学并建立L4-L5-S1节段的有限元模型研究，并对髓核中纤维环应力、应变、位移变化加以深入分析，建立脊柱节段模型，可作为椎间盘退变、损伤危险因素分析的理论基础。肖阳[26]后续研究中提到，对矢状面、轴面测量椎弓根螺钉不同倾斜度，对松质骨、皮质骨及螺钉上几何参数、应力进行预测，能对椎弓根螺钉位置进行预测，多数情况下偏向椎体两旁置入，能减少螺钉松脱及断钉发生，能指导临床实际手术应用。但临床实际操作过程中，脊椎、解剖、生物力学等结构复杂，为有限元后续建模造成了一定困难。陶勇等[27]对颈椎生物力学现状进行研究，现阶段颈椎有限元模型建立存在局限性，需结合临床试验结果加以比较、核实。局限性体现在以下几方面：①有限元实际应用过程中，生物体本身组织活性、力学特征表现反应不明显，主要是由于因自身处于生长、成熟、衰退过程。②由于脊椎形态组成较为复杂，主要为椎体、韧带、椎间盘等组织力学结构，因此，实际操作过程中难以准确进行预测，获取可靠数据。③现阶段而言，因各个组织材料存在差异性、不均匀性，因此，结构之间难以确定之间关系。④各项条件规定未形成统一标准，如单元划分、节点选择、载荷、边界条件规定等。⑤现阶段应用时间较短，且集中于实验中。⑥现阶段有限元并不能制作完整颈椎模型。脊柱作为人体中结构复杂部位，因此，临床对脊柱病理生理研究极为重要，而通过现代数值化有限元分析，能更简单化、准确化对脊柱脊髓软组织深入研究，为脊柱骨科后续发展带来新纪元。
脊柱作为人体中结构复杂部位，因此，临床对脊柱病理生理研究极为重要，而通过现代数值化有限元分析，能更简单化、准确化对脊柱脊髓软组织深入研究，为脊柱骨科后续发展带来新纪元。
4.2有限元在骨关节疾病研究中的应用
有限元伴随着人工关节技术不断发展、进步，常用于关节假体设计、优化、术后并发症管理。临床研究表明[28]，首次将CT扫描所得出数据用于股骨近端三维有限元模型，同时对髋关节实施三维有限元模型分析，所得出结果将应力分布、假体特性清晰显示出来。朱海明等[29]研究中利用生物性假体髋关节置换前后股骨三维有限元加以分析得出，患者站立状态，对应力分布变化、骨与假体界面变化状况进行评估，结果提示，与传统力学实验结果符合良好。随着近些年来有限元发展迅速，加强对髋关节评估，并不断优化研究，更加深层次进行探讨。现阶段有限元逐渐广泛用于骨科，成为人工关节设计、应用、并发症防治研究必备手段。
4.3有限元在骨病研究中应用
骨质疏松临床诊断方式主要为X线平片、低分辨率CT，并利用骨质量诊断，并广泛运用于临床。随着近些年来高分辨率CT影像扫描，通过重建分析技术显示骨的显微结构，并将其用于骨质疏松患者诊断、评估、治疗。牛雷等[30]研究中尝试采用股骨近端三维有限元模型分析，比较正常儿与脑瘫儿股骨近端受力变化、股骨前倾角发育情况，数据模型建立过程中考虑股骨头软骨生发层应力形态破坏对股骨颈生长方向的影响，结果提示，6个月后予以脑瘫患儿、正常儿有限元模拟计算，发现股骨前倾角增加1°，同期正常儿减少2°，与临床实际所得结果一致。上述研究报道提示，有限元数据分析与生物力学研究相互渗透并逐步发展。
4.4有限元在骨创伤疾病研究中的应用
在骨创伤疾病中，有限元应用于其中，能正确将骨折内固定反应出来，能评估临床治疗中的生物力学，为后续内固定器材设计、优化提供证据。随着临床研究不断深入，并逐步应用于骨折机制探讨中。蒋利锋等[31]研究对一种新型内固定装置PC-FIX内固定效果进行分析，表明上述固定装置应用效果良好。而赵庆华等[32]对桡骨远端骨折三维有限元模型进行分析，利用生理力学特征可寻找出最优固定方式。谢强[33]研究在采用跟骨三维有限元对站立状态下跟骨中应力传导方向进行计算，与跟骨解剖标本切片研究相对比，可发现解剖切片中四组骨小梁排列，两组承载压应力，另两组承载张力，发现骨小梁排列方向与有限元模拟计算主要应力传导方向基本一致，首次在跟骨上应用有限元，并验证Wolff定律。上述发现有助于后续学者对跟骨的解剖，跟骨骨折发生机制、分类深入了解。三维有限元对骨创伤患者而言，不仅仅可将内部骨折形态、位置正确反映出来，通过开展生物力学评估，能对骨折内部植入物设计、形态优化提供依据，促进骨折的预后。
5小结
近年来骨科生物力学逐渐兴起并应用于骨科，随着现代手术技术、手术器械及人工植入物大力发展，骨生物力学临床相关研究对多数骨科相关技术发展起着促进作用，如骨折固定模式、人工关节组件设计等。近40年来有限元在骨科中得到飞速发展及获得普遍认可，不仅从线性分析发展至非线性分析，由静态分析逐步转变为动态分析，而且从单纯骨骼模型发展至包含肌肉、韧带及血管等软组织完整模型，使结果更加准确可靠，成为后续骨科生物力学研究的重要手段。虽然现阶段有限元临床应用能将任何复杂结构加以模拟、分析，但现阶段有限元对材料属性假设、边界条件设定、单元数目划分上仍然有一定限制，使得结果不能达到精准，但是仍然为临床后续指导研究提供参考。因临床实际开展应用中，三维有限元需结合大量软件分析，限制临床医师实际应用，同时，对于部分复杂骨折端三维有限元建立需结合多个学科，如影像学、运动学、计算机学等，与临床实践应用紧密相结合。因此，后续开展中可通过多学科合作将有限元潜力发挥出来，为人类造福。
参考文献
[1]谢强,王智慧,刘文一,等.三维有限元分析钢板踝关节融合后的力学稳定性[J].中国组织工程研究,2018,22(3):392-397.
[2]Groeneveld B,Melles M,Vehmeijer S,et al.Developing digital applications for tailored communication in orthopaedics using a Research through Design approach.Digit Health[J].2019,24;5:2055207618824919.
[3]Kuang S,Tang Y,Lin A,et al.Intelligent Control for Human-Robot Cooperation in Orthopedics Surgery[J].Adv Exp Med Biol,2018,1093:245-262.
[4]Wu JY,Yuan Q,Liu YJ,et al.Robot-assisted Percutaneous Transfacet Screw Fixation Supplementing Oblique Lateral Interbody Fusion Procedure:Accuracy and Safety Evaluation of This Novel Minimally Invasive Technique[J].Orthop Surg,2019.
[5]Bosma SE,Wong KC,Paul L,et al.A Cadaveric Comparative Study on the Surgical Accuracy of Freehand,Computer Navigation,and Patient-Specific Instruments in Joint-Preserving Bone Tumor Resections[J].Sarcoma,2018,4065846.
[6]Lee SS,Kwon KB,Lee YI,et al.Navigation-Assisted Total Knee Arthroplasty for a Valgus Knee Improves Limb and Femoral Component Alignment[J].Orthopedics,2019,14:1-7.
[7]刘刚.三维有限元技术在创伤骨科教学中的应用和优势[J].中国卫生产业,2018,15(23):141-142.
[8]郭前进,陈鹏,陈宏峰,等.闭合复位髌骨针钢丝张力带内固定治疗TossyⅢ型肩锁关节脱位[J].中国骨与关节损伤杂志,2018,33(03):303-304.
[9]张天一,董巍,米盼盼,等.三维有限元分析大转子骨瓣转移治疗股骨头缺血坏死应力分布变化[J].中国组织工程研究,2018,22(07):1090-1095.
[10]谢强.三维有限元生物力学分析后交叉韧带断裂后膝关节内翻及外旋时的应力[J].中国组织工程研究,2017,21(7):1036-1040.
[11]Von Meyer GH,Die architektur der spongiosa[J].Arch Anat Physiol Wiss Med.1867;34:615-28.
[12]Koch J.The lawsof architecture[J].Americ J of Anatomy,1917,21:177-201.
[13]周宇宁,张宏,陈相春,等.建立足部三维有限元数字模型[J].中国组织工程研究,2015,19(5):662-666.
[14]李玉敏.竹纤维为人工骨骼材料开辟新来源[J].世界竹藤通讯,2017,15(01):59.
[15]陈盛贵,孙振忠.基于生物相容性材料的3D打印骨骼修复技术的研究与应用[J].塑料工业,2017,45(03):165-167+137.
[16]Araujo-Monsalvo VM,González-Aréas MG,Martínez-Coria E,et al.Effect of insertion angle on the stability of orthodontic mini-implants in a rabbit tibia model:A finite element analysis[J].Cir Cir,2019,87(2):190-195.
[17]Sas A,Pellikaan P,Kolk S,et al.Effect of anatomical variability on stress-shielding induced by short calcar-guided stems:Automated finite element analysis of 90 femora[J].J Orthop Res,2019.
[18]刘强,张军,孙树椿,等.有限元在脊柱生物力学中的应用[J].中国骨伤,2017,30(2):190-194.
[19]郭新庆,赵为民,周海洋,等.骨质疏松股骨转子间不稳定型骨折人工股骨头置换的三维有限元应力分析[J].中国组织工程研究,2016,20(9):1261-1267.
[20]欧志学,凌观汉,姚兰,等.三维有限元法分析钽棒置入治疗个体化股骨头坏死的力学效能[J].中国组织工程研究,2017,21(31):4983-4988.
[21]文毅,苏峰,刘肃,等.L_(4-5)椎体有限元模型建立及退变椎间盘力学分析[J].中国组织工程研究,2019,23(08):1222-1227.
[22]徐志庆,刘云鹏,华国军,等.舞蹈演员跖趾关节炎发生机制的有限元分析[J/OL].中国现代医学杂志,2019(03):93-96.
[23]Musapoor A,Nikkhoo M,Haghpanahi M.A finite element study on intra-operative corrective forces and evaluation of screw density in scoliosis surgeries[J].Proc Inst Mech Eng H,2018,232(12):1245-1254.
[24]Vilela ABF,Soares PBF,de Oliveira FS,et al.Dental trauma on primary teeth at different root resorption stages-A dynamic finite element impact analysis of the effect on the permanent tooth germ[J].Dent Traumatol,2018.
[25]李林宏,钱学华,周庭永，等.1例脊柱腰段的三维重建可视化及有限元研究[J].中国急救医学,2017,37(z1):295-296.
[26]肖阳,徐秀林.基于爬行运动的脊柱康复训练仪的设计[J].生物医学工程研究,2017,36(1):77-82.
[27]陶勇,吴云乐,宗少晖，等.基于有限元分析腰椎内固定的生物力学特
征[J].中国组织工程研究,2016,20(13):1932-1938.
[28]周秉正,白伦浩,李彬，等.单髁置换与全膝置换：假体接触表面的应力分析[J].中国组织工程研究,2015,19(22):3467-3471.
[29]朱海明,丁亮,张东，等.胸腰椎爆裂性骨折短节段伤椎固定三维有限元模型构建及生物力学比较研究[J].中国矫形外科杂志,2015,23(10):917-920.
[30]牛雷,贺瑞,张文志，等.枕寰枢关节三维有限元模型的建立及其有效性验证[J].实用骨科杂志,2018,24(5):427-430.
[31]蒋利锋,章淼锋,朱苏南，等.活动平台单髁假体的三维有限元模型建立及受力分析[J].生物骨科材料与临床研究,2015,12(2):69-72.
[32]赵庆华,李吉鹏,张永兴，等.用三维有限元方法评价并改进全脊椎切除术后内固定模式[J].中华医学杂志,2015,95(13):978-982.
[33]谢强.前侧钢板结合后外侧螺钉踝关节融合的三维有限元分析[J].中国组织工程研究,2017,21(35):5697-5702.
关注SCI论文创作发表，寻求SCI论文修改润色、SCI论文代发表等服务支撑，请锁定SCI论文网！ 文章出自SCI论文网转载请注明出处：https://www.lunwensci.com/yixuelunwen/23762.html
