譚松 賈瑩 燕燕

摘要：目的? 應(yīng)用有限元法計(jì)算機(jī)輔助生物力學(xué)分析法評(píng)定絕經(jīng)期女性骨強(qiáng)度值，判斷其骨質(zhì)疏松程度。方法? 收集已具有骨密度檢查結(jié)果的23名絕經(jīng)后女性股骨頸CT數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分割處理，同時(shí)創(chuàng)建有限元數(shù)學(xué)模型，把相應(yīng)數(shù)據(jù)代入ANSYS分析軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，獲取股骨上段的應(yīng)力云圖，分析研究對(duì)象的骨強(qiáng)度與骨密度情況。結(jié)果? 23例女性骨密度值為0.470～0.792 g/cm2，骨強(qiáng)度值為1094～3078 N，均低于文獻(xiàn)報(bào)道的正常成人左股骨上段骨強(qiáng)度值（約4000 N）;ANSYS分析軟件顯示，骨強(qiáng)度與骨密度呈正相關(guān)（r=0.617，P<0.05）。結(jié)論? 絕經(jīng)期女性骨強(qiáng)度與骨密度均低于正常人，應(yīng)用有限元法計(jì)算出的骨強(qiáng)度定量值與骨密度值呈正相關(guān)，有限元法可用于定量評(píng)估骨強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：絕經(jīng);股骨;有限元法;骨強(qiáng)度

Abstract：Objective To use the finite element method computer-aided biomechanical analysis method to evaluate the bone strength value of menopausal women and determine the degree of osteoporosis.Methods? Collecting the CT data of 23 postmenopausal female femoral necks with bone density examination results， segment the data， and create a finite element mathematical model， and substitute the corresponding data into ANSYS analysis software for structural mechanical analysis to obtain the stress cloud of the upper femur to analyze the bone strength and bone density of the research object.Results? The bone mineral density of 23 women was 0.470～0.792 g/cm2， and the bone strength value was 1094～3078 N， which were all lower than the bone strength value of normal adult left femur reported in the literature （about 4000 N）; ANSYS analysis software showed that the bone strength，there was a positive correlation with bone density （r=0.617，P<0.05）.Conclusion? The bone strength and bone density of menopausal women are lower than those of normal people. The quantitative value of bone strength calculated by the finite element method is positively correlated with the bone density value. The finite element method can be used to quantitatively evaluate bone strength.

Key words：Menopause;Femur;Finite element method;Bone strength

隨著人口老齡化的進(jìn)展，骨質(zhì)疏松癥已經(jīng)成為我國(guó)常見(jiàn)慢性病，特別是絕經(jīng)后女性，已成為該病高發(fā)人群。如何有效的診斷、預(yù)防、治療、評(píng)估骨質(zhì)疏松癥是當(dāng)前醫(yī)學(xué)關(guān)注的課題。目前判斷骨質(zhì)疏松程度的方法主要是基于雙能X光吸收法（DEXA）的骨密度測(cè)量，但骨密度僅僅是判斷骨骼脆性的部分指標(biāo)，單獨(dú)使用容易造成誤診。骨強(qiáng)度概念的引入強(qiáng)調(diào)了骨質(zhì)量的重要性，而目前尚缺乏準(zhǔn)確的定義。骨強(qiáng)度和生物力學(xué)相關(guān)，有準(zhǔn)確的力學(xué)定量結(jié)果才有臨床意義，因此估強(qiáng)度策略成為臨床醫(yī)生最關(guān)心的問(wèn)題之一。目前研究骨強(qiáng)度的文獻(xiàn)多為定性的評(píng)估，缺乏相關(guān)定量研究。本研究通過(guò)有限元法計(jì)算機(jī)輔助生物力學(xué)分析法計(jì)算受檢者的定量骨強(qiáng)度值，以此來(lái)評(píng)估其骨質(zhì)疏松程度，現(xiàn)報(bào)告如下。

1材料與方法

1.1材料來(lái)源? 受檢者選擇：根據(jù)DEXA檢查T(mén)值評(píng)分隨機(jī)選擇正?；蚬橇繙p少或骨質(zhì)疏松23名絕經(jīng)后女性，年齡在52～87歲;骨密度（BMD）選擇股骨頸區(qū)域值。男性患者、絕經(jīng)前患者、股骨頸骨折后的患者、長(zhǎng)期臥床患者、繼發(fā)于其他疾病所致骨質(zhì)疏松患者（比如腎性質(zhì)骨質(zhì)疏松、甲狀旁腺功能亢進(jìn)性骨質(zhì)疏松）等排除在本項(xiàng)研究之外。

1.2方法? 采用飛利浦Brilliance64排螺旋CT掃描受檢者髖關(guān)節(jié)，掃描參數(shù)120 KV、140 mAs、1 mm層厚、0.75 mm層間距、512×512 矩陣;掃描范圍：髖臼上方1 cm處到股骨小粗隆下方0.5 cm處。掃描完成后，導(dǎo)出DICOM格式圖像數(shù)據(jù)，并將之代入骨強(qiáng)度相關(guān)軟件處理。骨密度檢查儀為GE Lunar Prodigy DEXA機(jī)，檢查位置為受檢者股骨頸。

1.3圖像處理? 電腦硬件：英特爾 Core i7-7700 3.60 GHz四核中央處理器;金士頓 DDR4 2666MHz 4×16G 64 G內(nèi)存;東芝 DT01ACA200 2 TB硬盤(pán);AMD Barco MXRT 2600 2 GB顯卡。操作系統(tǒng)：Windows 10 教育版，應(yīng)用軟件：交互式醫(yī)學(xué)圖像控制系統(tǒng)MIMICS 17.0、有限元分析軟件ANSYS 16.0。將CT掃描數(shù)據(jù)代入MIMICS，進(jìn)行分割、填充、編輯后獲得股骨上段的三維模型，同時(shí)進(jìn)行網(wǎng)格化處理（圖1），并將網(wǎng)格化的數(shù)據(jù)以element格式輸入到ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析，獲得應(yīng)力云圖（圖2），并計(jì)算出相應(yīng)的應(yīng)力值——骨強(qiáng)度值，單位為牛頓（N）。

1.4統(tǒng)計(jì)學(xué)分析? 運(yùn)用IBM SPSS Statistics 26統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件對(duì)所測(cè)得的骨密度值與計(jì)算出的骨強(qiáng)度進(jìn)行相關(guān)性分析。

2結(jié)果

23例女性骨密度值為0.470～0.792 g/cm2，骨強(qiáng)度值為1094～3078 N，均低于文獻(xiàn)報(bào)道的正常成人左股骨上段骨強(qiáng)度值（約4000 N），具體年齡、骨密度及骨強(qiáng)度結(jié)果見(jiàn)表1。相關(guān)性分析顯示，骨強(qiáng)度與骨密度呈正相關(guān)（r=0.617，P<0.05）。

3討論

骨質(zhì)疏松癥是由于多種原因?qū)е碌墓敲芏群凸琴|(zhì)量下降，骨微結(jié)構(gòu)破壞，造成骨脆性增加、骨強(qiáng)度降低，從而容易發(fā)生骨折的全身性骨病。目前用于診斷骨質(zhì)疏松的主要檢查手段為基于雙能X光吸收法的骨密度測(cè)量，由于其經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便安全、重復(fù)性較好等優(yōu)勢(shì)在臨床廣泛應(yīng)用，也是世界衛(wèi)生組織推薦的測(cè)量骨強(qiáng)度的重要方法;其他較常用的方法還有CT定量骨密度檢測(cè)法（QCT），該方法排除了軟組織以及骨皮質(zhì)的干擾，測(cè)出的骨密度值能夠更加準(zhǔn)確、客觀(guān)的反映人體骨礦物質(zhì)的代謝情況，目前已經(jīng)逐漸獲得醫(yī)學(xué)界的認(rèn)可。骨密度全稱(chēng)是骨骼礦物質(zhì)密度，是骨骼強(qiáng)度的一個(gè)重要指標(biāo)，在臨床使用骨密度值時(shí)由于各種骨密度檢測(cè)儀器的絕對(duì)值不同，通常使用T值判斷骨密度是否正常。骨密度廣泛用于骨質(zhì)疏松癥診斷和骨折風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，其可以較好的預(yù)測(cè)骨質(zhì)疏松的人群發(fā)病趨勢(shì)，但對(duì)于識(shí)別處于危險(xiǎn)狀態(tài)的個(gè)體并不敏感。

近年來(lái)，有限元法（FEM）在生物力學(xué)方面受到了廣泛關(guān)注，最常見(jiàn)的臨床應(yīng)用是利用髖關(guān)節(jié)CT數(shù)據(jù)的有限元模型來(lái)評(píng)估骨強(qiáng)度[1]。骨強(qiáng)度主要由骨密度和骨質(zhì)量?jī)刹糠譀Q定，骨密度可以通過(guò)DEXA、QCT等直接測(cè)定，但骨質(zhì)量如何測(cè)定是當(dāng)前的一個(gè)醫(yī)學(xué)難題。骨質(zhì)量的影響因素包括骨結(jié)構(gòu)、骨轉(zhuǎn)換、礦化程度、損傷累計(jì)、膠原特性等，目前的研究大都停留在定性評(píng)估上，定量評(píng)估多是在離體解剖標(biāo)本上進(jìn)行的生物力學(xué)研究，幾乎沒(méi)有在活體上無(wú)損的、可靠的定量評(píng)估方法。

有限元分析是計(jì)算機(jī)輔助運(yùn)用數(shù)學(xué)模型對(duì)物理系統(tǒng)的近似模擬，利用有限的單元去探知無(wú)限未知量的真實(shí)世界的方法。其基本原理是將采集到的真實(shí)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范分割，應(yīng)用矢量分析軟件給分割采樣的數(shù)據(jù)賦值，并建立網(wǎng)格化數(shù)學(xué)模型，最后應(yīng)用有限元分析軟件對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，獲取所需要的相應(yīng)數(shù)據(jù)。這是一個(gè)類(lèi)似求解連續(xù)閾的計(jì)算方法，網(wǎng)格化就是把真實(shí)的連續(xù)型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)狀的離散型結(jié)構(gòu)的過(guò)程;矢量化就是對(duì)離散結(jié)構(gòu)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)所構(gòu)建單元選定的函數(shù)關(guān)系賦值的過(guò)程，因此有限元分析計(jì)算出的結(jié)果只能是整個(gè)求解域上的近似解。在生物力學(xué)中，有限元分析法可根據(jù)需要產(chǎn)生各種各樣的生物模型，對(duì)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)條件仿真，在不同實(shí)驗(yàn)條件下模擬任意部位變形（拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)等），從而分析其中的應(yīng)力應(yīng)變分布、內(nèi)部能量變化、極限破壞分析、強(qiáng)度分析、穩(wěn)定性和疲勞損傷以及壽命的預(yù)測(cè)等。有限元法目前已成為工程科學(xué)技術(shù)中用于模擬并解決各種工程力學(xué)等物理問(wèn)題的最好方法之一[2]。

本研究主要運(yùn)用有限元分析受檢者股骨頸的CT數(shù)據(jù)，建立數(shù)學(xué)模型，通過(guò)計(jì)算機(jī)虛擬股骨頸數(shù)字模型的在外部壓力的施加下，其內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生的變化情況，計(jì)算出其能夠承受的最小斷裂力，即骨強(qiáng)度的定量值?；贑T圖像的有限元法的因素整體個(gè)性化評(píng)估骨強(qiáng)度，是一種具有無(wú)創(chuàng)性、定量分析、早期綜合評(píng)估骨強(qiáng)度，預(yù)測(cè)骨折風(fēng)險(xiǎn)和部位的方法[3]。本研究初步發(fā)現(xiàn)在應(yīng)力云圖上股骨粗隆間及股骨頸頭下部分顯示的骨強(qiáng)度最低，與臨床上股骨頸骨折常見(jiàn)發(fā)生部位相吻合，從結(jié)構(gòu)力學(xué)的層面上解釋了其內(nèi)在聯(lián)系，究其原因可能和其應(yīng)力塑形、幾何形態(tài)、皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨的比例等因素有關(guān)，具有個(gè)性化的傾向。本研究結(jié)果顯示，23名女性骨密度值為0.470～0.792 g/cm2，骨強(qiáng)度值為1094～3078 N，均低于文獻(xiàn)報(bào)道的正常成人左股骨上段骨強(qiáng)度值（約4000 N），其骨強(qiáng)度與骨密度呈正相關(guān)（r=0.617，P<0.05），因此從總體上看，骨密度降低時(shí)骨強(qiáng)度也隨之降低。有限元分析大多數(shù)為靜態(tài)分析其應(yīng)力-應(yīng)變分布的狀態(tài)[4]，其在運(yùn)動(dòng)中的生物力學(xué)分析稍顯不足，這使仿真分析的準(zhǔn)確度和效率降低。在仿真分析的過(guò)程中，其結(jié)果本身的精確度受到很多因素的影響，特別是有限單元的分割對(duì)仿真計(jì)算的結(jié)果影響就很大。合理的單元形狀和尺寸能極大提高分析結(jié)果的精度和可行度，反之則影響精度。因此分割步驟是有限元分析過(guò)程中的關(guān)鍵元素，由于骨質(zhì)量的降低和關(guān)節(jié)間隙的狹窄，在關(guān)節(jié)退變的病例中具有很大的挑戰(zhàn)性。因?yàn)樾枰罅康氖謩?dòng)交互來(lái)保證有限元模型創(chuàng)建的合適幾何形狀，所以骨骼分割被認(rèn)為是最耗時(shí)的步驟[5]?？焖贉?zhǔn)確的圖像分割、合理有效的邊界條件及載荷是決定有限元分析的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，邊界條件和載荷的合理設(shè)定是保證有限元分析正確性的決定因素。有限元模擬的邊界條件被定義為復(fù)制髖關(guān)節(jié)的側(cè)向下移，這被認(rèn)為是低強(qiáng)度創(chuàng)傷性髖關(guān)節(jié)骨折最相關(guān)的加載模式。本研究中，有限元模型圖像平面的內(nèi)側(cè)及外側(cè)的X軸以及Y軸被定義為外力沖擊方向。本研究也存在一定的不足之處：只有23名受檢者數(shù)據(jù)，所使用的標(biāo)準(zhǔn)參考值均為國(guó)外的生物力學(xué)研究數(shù)值，是否適合我國(guó)人群還需進(jìn)一步探討。隨著人們對(duì)生物力學(xué)的認(rèn)識(shí)加深，計(jì)算機(jī)技術(shù)及軟件的進(jìn)一步發(fā)展，相信今后骨質(zhì)疏松癥研究的前景會(huì)更加廣闊，通過(guò)有限元分析方法對(duì)骨質(zhì)疏松性股骨上段生物力學(xué)進(jìn)行分析，為疾病的發(fā)生、發(fā)展提供生物力學(xué)和形態(tài)學(xué)上的數(shù)據(jù)支持;有限元分析還可以從生物力學(xué)的角度分析骨折術(shù)后生物力學(xué)變化的影響，能夠?qū)膊〉念A(yù)后提供準(zhǔn)確的參考方向。下一步的研究需要搜集健康國(guó)人的相關(guān)資料，建立標(biāo)準(zhǔn)化的國(guó)人左側(cè)股骨頸骨強(qiáng)度的數(shù)據(jù)庫(kù)，為進(jìn)一步研究骨質(zhì)疏松時(shí)骨強(qiáng)度的變化做好理論基礎(chǔ)。

綜上所述，本研究發(fā)現(xiàn)絕經(jīng)期女性骨強(qiáng)度與骨密度均低于正常人，應(yīng)用有限元法計(jì)算出的骨強(qiáng)度定量值與骨密度值呈正相關(guān)，該法可用于定量評(píng)估骨強(qiáng)度。

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收稿日期：2020-02-28;修回日期：2020-04-13

編輯/成森