有限元分析在骨科应用的研究进展

有限元分析在骨科应用的研究进展

发表时间：2019-05-28T10:33:45.563Z 来源：《药物与人》2019年2月作者：陈禺[导读] 随着科技的发展，有限元分析在骨科及分支学科中得到了充分应用，两者结合作为一种新兴的方法，由于其具有精确性、可靠性等优势并且不断被完善和创新，已经骨科基础研究与临床工作中被广泛应用。

贵州省骨科医院陈禺摘要：随着科技的发展，有限元分析在骨科及分支学科中得到了充分应用，两者结合作为一种新兴的方法，由于其具有精确性、可靠性等优势并且不断被完善和创新，已经骨科基础研究与临床工作中被广泛应用。相比于传统骨科的研究模式，该方法具有明显的技术优点。本研究以有限元分析在骨科基础研究与临床工作中的优势作为基础，分析有限元分析在骨科学中的概况和进展。

关键词：有限元分析；生物力学；创伤骨科；脊柱外科；关节外科 [中图分类号]R687 [文献标识码]A [文章编号]1439-3768-（2019）-02-CR 有限元分析是一种工程力学研究方法，Brekelmans[1]在1972年，首次在骨科生物力学中运用有限元分析。该方法对于形状各异、性能多样、载荷复杂的结构具有独特的计算能力，适用于各种复杂的生物力学分析，为医学尤其是骨科学生物力学的发展起到了积极的推动作用。目前在有限元分析已经扩展到脊柱、四肢骨与关节、韧带及半月板，甚至骨小梁等显微骨结构的分析中，下面详细介绍其进展。

1 有限元分析的思路、方法、

在生物力学理论中，有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。从而使模型的拟真度得到很大提高。

其基本过程包括：将整体离散化；确定单元计算函数；建立单元及整体刚度矩阵；求解并计算位移和应力分布等。发展至今天，有限元分析的基本步骤一般如下：样品→三维扫描→点云数据→构建曲面→形态优化建立三维数据模型→模型材料赋值→模拟计算分析，甚至可以进一步进行计算机辅助设计，经逆向反求技术达到快速成型制造的目的。

2 目前有限元分析在骨科的应用进展

借助计算机技术的发展，有限元分析在骨科的应用得到了广发应用，在图像数据获取、数据算法、计算机软件和硬件、数据模型的稳定性和仿真性等各方面都在不断进步，主要体现在以下方面。

2.1有限元分析在脊柱外科上的应用

有限元分析在骨科学的分支中，早期主要应用与脊柱外科领域。与以往的研究手段相比，颈椎有限元分析法可以解决颈椎复杂的几何形状，材料的不均匀一致性，负载的更改；边界条件，线形结构与非线性结构等复杂问题。在仿真实验中，对模型进行实验条件仿真，模拟拉伸、弯曲、扭转、抗疲劳等力学实验，可以求解在不同实验条件下模型任意部位变形、应力一应变分布、内部能量变化、极限破坏析等变化情况。Wu W等采用有限元模型比较了一种新型的前椎弓根螺钉人工椎体系统与传统的前牙螺钉钢系统在下颈椎固定的生物力学性能，获得良好的仿真性和可重复性。有限元模型也在脊柱力学行为研究中得到了广泛的应用，Wu Y等采用有限元分析对L4-5 和 L5-S1椎间盘变性的力学进行分析，表明该部位的椎间盘退变的机制与相应下腰椎有关，为临床干预提供了依据。

2.3有限元分析在骨病中的应用

基于X线平片或者低分辨率CT扫描来评估骨病，如肿瘤。骨质疏松等，从而诊断的方法早已应用于临床。但是骨肿瘤的体积对手术方案的选择和治疗有着很大的影响。肿瘤形状的多样化和不规则给临床治疗带来了难点。而数字骨科中的图像分割技术可以快速，准确且重复的测量出骨肿瘤的体积，有效的为临床治疗方案的确定提供了依据，该技术可方便、可靠地应用于复杂的外科手术过程。另一方面，基于高分辨率影像扫描的三维有限元分析可以很好地模拟骨骼不同部位的应力特性和材料分布。这使得对骨质疏松患者的诊断、评估、治疗和随访更加精确有效。这些研究表明，有限元分析已经与骨科的各分支学科研究互相渗透发展。

2.4 有限元分析在骨创伤研究中的应用

在传统的骨科诊疗中，临床医师在术前虽然可以依靠传统的影像学资料，例如X线片，CT及MRI等，对患者的骨折分型，拟定手术方案。但由于本身缺乏实物形式，一方面难以对患者骨折情况进行真实，客观的展示，容易导致医患双方对骨折治疗的要求，预后的标准产生偏差；另一方面，过于抽象的图像，也不困扰着术者得到类似术中的骨折整体认识并做出准确判断.随着近二十年数字化医学的发展，为解决这一难题提供了便利。在骨科创伤领域，有限元分析早已经应用于骨折相关的生物力学评估和内固定设计、优化的常规手段；近年来甚至对内固定治疗骨折的机制进行了研究。目前国内外研究人员建立骨折与内固定模型, 通过应用有限元分析，对骨折内固定术式的选取，起到了很有意义的参考。张岩等通过有限元法和实验生物力学方法观察胫骨平台后外侧骨折模型的不同固定效果，对比 3 种轴向载荷下不同固定方式的稳定性，为临床胫骨平台后外侧骨折的治疗提供依据。将有限元分析与创伤骨科结合起来，有助于深入了解跟骨骨折的发生机制及分类，更有效的制定内固定手术方案。

3 有限元分析在骨科中应用的展望

随着有限元分析在骨科各分支学科中的不断扩展，高质量、包含多组织结构的大块数据模型的建立和应用，将为骨科医学基础与临床研究开拓新的方向，最终将形成完整的理论体系与临床体系，为传统骨科进展掀开新的篇章。

参考文献：

1 Brekelmans W A M, Poort H W, Slooff T J J H. A New Method to Analyse the MechanicalBehaviour of Skeletal Parts[J]. Acta Orthopaedica, 1972, 43(5):301-17.