骨骼有限元精確建模方法及骨水泥斷裂和疲勞傷研究.pdf

1、生物力學(xué)是運(yùn)用力學(xué)的原理和方法對(duì)生物體中的力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行定量研究。其廣泛的研究和應(yīng)用興起于上個(gè)世紀(jì)60年代，發(fā)展至今已成為一門(mén)獨(dú)立的交叉類學(xué)科。在生物力學(xué)研究的眾多分支中，臨床骨科生物力學(xué)的研究和應(yīng)用是非?；钴S的領(lǐng)域。骨科中的常見(jiàn)病和多發(fā)病嚴(yán)重威脅人們的健康，影響著人們的生活質(zhì)量，臨床上迫切需要在診斷、治療和預(yù)防上對(duì)此能有更準(zhǔn)確以及定量的認(rèn)識(shí)。
　　 試驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值分析是生物力學(xué)研究的兩大主要手段。采用體外(也稱離體，invitr

2、o)生物力學(xué)試驗(yàn)可以直觀地獲得生物力學(xué)性能信息，得到的結(jié)果和結(jié)論具有通用的參考價(jià)值，但對(duì)病人個(gè)體缺乏全面、客觀的信息支持。與生物力學(xué)試驗(yàn)相比，有限元法用于形狀、結(jié)構(gòu)、材料和載荷情況極其復(fù)雜的在體(in vivo)骨骼的分析具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其模擬成本低，無(wú)試驗(yàn)誤差，力學(xué)性能測(cè)試全面，“非破壞性”的試驗(yàn)使“樣本”可無(wú)限次重復(fù)使用，更重要的是可以建立具有生物力學(xué)復(fù)雜材料特性的逼真的在體骨骼模型，可以施加符合實(shí)際生理環(huán)境的邊界和載荷條件，個(gè)性化

3、分析結(jié)果可以直接用于輔助臨床診斷、手術(shù)預(yù)案分析、術(shù)后評(píng)估、外科整形、假體設(shè)計(jì)與制造等。
　　 自1972年Brekelmans和Rybicki分別率先將有限元方法應(yīng)用于椎骨和股骨的生物力學(xué)研究以來(lái)，該技術(shù)的應(yīng)用陸續(xù)覆蓋了人體所有骨骼。早期的數(shù)值分析方法在骨科的應(yīng)用上僅局限于二維模型、簡(jiǎn)單載荷和邊界條件的線性問(wèn)題分析，分析結(jié)果與實(shí)際情況相去甚遠(yuǎn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的提高和數(shù)值分析理論的完善，其應(yīng)用有了質(zhì)的飛躍，對(duì)骨科生物力學(xué)中存在的復(fù)

4、雜非線性和多介質(zhì)耦合等問(wèn)題都有了較為成熟的應(yīng)用。實(shí)踐證明，只要模擬條件與實(shí)際情況的近似度越高，獲得的分析結(jié)果就越真實(shí)、可靠。
　　 目前，常用的骨骼組織幾何建模方法是基于CT圖像的Marching Cube法(MC)，該方法對(duì)復(fù)雜三維骨骼結(jié)構(gòu)的解析常存在幾何上的歧義，容易導(dǎo)致后續(xù)有限元網(wǎng)格劃分的困難或失敗；試驗(yàn)表明骨骼材料表現(xiàn)為非均質(zhì)和各向異性的特點(diǎn)，而非簡(jiǎn)單的密質(zhì)骨和松質(zhì)骨之分，如何獲取精確骨骼的幾何和材料信息，構(gòu)建精確的骨骼

5、有限元模型生成系統(tǒng)依然非常重要。
　　 臨床骨外科假體置換術(shù)中還有一類問(wèn)題如：強(qiáng)度、穩(wěn)定性和疲勞損傷及壽命的定量分析迫切需要相關(guān)的理論指導(dǎo)。置換術(shù)中的界面是置換系統(tǒng)中薄弱環(huán)節(jié)，是系統(tǒng)斷裂破壞主要的萌生地，由此容易誘發(fā)假體下沉、松動(dòng)甚至斷裂等術(shù)后并發(fā)癥，其斷裂分析可以借助界面斷裂力學(xué)方法。人體骨骼的蜂窩狀結(jié)構(gòu)、骨水泥氣泡的陷入、假體微缺陷的存在等諸多因素也是影響未來(lái)系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定性的主要因素，這些內(nèi)部的微缺陷和微裂紋在生產(chǎn)、制造和使

6、用過(guò)程中是不可避免的，因?yàn)樗鼈兊漠a(chǎn)生存在著很大的隨機(jī)性和差異性，在數(shù)值分析建模時(shí)，骨骼、骨水泥和假體通常作為連續(xù)介質(zhì)來(lái)對(duì)待；但是，研究連續(xù)介質(zhì)的斷裂時(shí)，由于裂紋源未知，裂紋擴(kuò)展方向未知，不能采用基于經(jīng)典斷裂力學(xué)的數(shù)值分析方法；因此，非常有必要研究一種在裂紋源未知的構(gòu)件內(nèi)確定斷裂可能發(fā)生的地點(diǎn)、估算構(gòu)件強(qiáng)度和使用壽命的方法。粘聚元耦合有限元技術(shù)在復(fù)合材料界面斷裂分析中已得到廣泛應(yīng)用，基于這一思路，在連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的研究框架下，引入損傷力學(xué)的

7、損傷變量概念，在連續(xù)介質(zhì)中插入反映潛在的裂紋路徑的粘聚元，通過(guò)粘聚元上、下表面的分離表示連續(xù)介質(zhì)斷裂產(chǎn)生的不連續(xù)位移場(chǎng)，可以實(shí)現(xiàn)斷裂分析的模擬。基于強(qiáng)度弱化和剛度劣化理論，還可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)連續(xù)介質(zhì)從累積損傷到斷裂整個(gè)疲勞過(guò)程的模擬。
　　 針對(duì)以上問(wèn)題，本文主要研究了如下內(nèi)容：
　　 (1)構(gòu)建了骨骼有限元精確模型生成框架
　　 針對(duì)面繪制MC法處理復(fù)雜骨組織時(shí)容易產(chǎn)生幾何上的歧義問(wèn)題，本文采取了圖像預(yù)處理的方法

8、，制定了首先分割得到感興趣區(qū)域(region of interest，ROI)，將分割得到的ROI疊砌為VOI(volume of interest)，然后將VOI進(jìn)行表面化處理、順滑，獲得三維模型閉合面域的策略；進(jìn)一步研究了將VOI直接轉(zhuǎn)換為有限元網(wǎng)格模型的方法(voxel-based-mesh model)；編制了質(zhì)心、節(jié)點(diǎn)、柵格中心多種材料性能映射方法程序；因某些骨骼試樣難以采集導(dǎo)致現(xiàn)有的骨骼材料模型大多呈現(xiàn)非連續(xù)性，針對(duì)該問(wèn)題，

9、本文研究了采用順滑算子的方法減少材料性能大的梯度跳躍；鑒于平均分組方法會(huì)低估或高估某些材料的性能，本文提出了基于單元體積的Kmean聚類材料分組算法；最后，根據(jù)商用Abaqus軟件的數(shù)據(jù)格式，研究組裝分析模型的方法并編制了相應(yīng)程序。對(duì)比商用軟件，該框架避免了復(fù)雜骨結(jié)構(gòu)建模時(shí)常出現(xiàn)的網(wǎng)格劃分困難，增加了材料映射、順滑和聚類方法，可以賦予骨模型非均質(zhì)和各向異性特性。整個(gè)框架提供了開(kāi)放式平臺(tái)，用戶根據(jù)需要方便自行擴(kuò)充。
　　 (2)基

10、于上述框架，采用有限元方法分析
　　 ①優(yōu)化設(shè)計(jì)了定制型大塊股骨缺損假體
　　 本案例分析中首次提出了基于個(gè)體股骨質(zhì)量和有限元分析的骨水泥型假體設(shè)計(jì)理念；建立股骨大塊缺損置換前、后有限元分析模型，為使分析結(jié)果對(duì)比更加全面和客觀，置換前、后股骨模型采用了一致網(wǎng)格技術(shù)，本文詳細(xì)闡述了該技術(shù)具體的實(shí)施方法。分析了有、無(wú)肌肉力兩種情況下正常行走、爬樓兩個(gè)日常動(dòng)作；修正應(yīng)力屏蔽信號(hào)為應(yīng)變能偏移率，分析了骨組織的應(yīng)力屏蔽效應(yīng)及其未來(lái)

11、破裂的風(fēng)險(xiǎn)；綜合考察分析結(jié)果，最終確定了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。
　　 ②比較了治療頸椎不穩(wěn)寰椎側(cè)塊.樞椎椎弓根(C1LM-C2P)和寰椎側(cè)塊一樞椎椎板(C1LM-C2L)兩種后路固定術(shù)
　　 本案例首先解剖量化了個(gè)體寰樞錐結(jié)構(gòu)，確定實(shí)施兩種手術(shù)具有足夠的空間，并首次建立了包含寰齒前車(chē)軸關(guān)節(jié)和寰樞摩動(dòng)關(guān)節(jié)的C1LM-C2P和C1LM-C2L固定術(shù)的精細(xì)有限元分析模型，兩種固定術(shù)中寰樞錐采用了一致網(wǎng)格技術(shù)；分析模擬了人體寰樞椎的七個(gè)

12、日常動(dòng)作：前移，后伸/前屈，側(cè)彎(左、右)和旋轉(zhuǎn)(左、右)；考察釘棒結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和表征系統(tǒng)穩(wěn)定性的位移、剛度和主應(yīng)變等參量，與相關(guān)生物力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，得出了一致性的結(jié)論。
　　 (3)分析評(píng)估了大塊股骨缺損的骨水泥型假體置換系統(tǒng)的穩(wěn)定性
　　 首先應(yīng)用三明治試驗(yàn)方法測(cè)試了骨水泥/假體界面的剪切強(qiáng)度，首次采用端邊切口試驗(yàn)(End-notched flexure test，ENF)結(jié)合柔度標(biāo)定法測(cè)量了骨水泥/假體界

13、面的剪切斷裂韌性，避開(kāi)了測(cè)量閉合裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度變化的難題，求解獲得了界面剪切斷裂韌性解析解；建立了粘聚元耦合有限元ENF試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，分析獲得了界面剪切斷裂韌性數(shù)值解，并將兩種解與相關(guān)試驗(yàn)進(jìn)行了比較。在以上工作的基礎(chǔ)之上，引入粘聚元耦合有限元技術(shù)，定量分析了假體表面質(zhì)量對(duì)大塊股骨缺損骨水泥型假體置換系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，為臨床預(yù)案和術(shù)后評(píng)估提供了理論指導(dǎo)。
　　 (4)利用粘聚元耦合有限元技術(shù)，分析了骨水泥斷裂過(guò)程及斷裂性能
　　

14、 根據(jù)作用載荷的性質(zhì)，本文研究了一種在連續(xù)介質(zhì)中設(shè)置通用潛在裂紋路徑的方法，并開(kāi)發(fā)了基于該法和商用軟件Abaqus四面體單元的斷裂分析模型自動(dòng)生成程序。建立了骨水泥材料斷裂分析模型，模擬了在拉載荷作用下骨水泥的斷裂過(guò)程。分析了該斷裂過(guò)程中應(yīng)力場(chǎng)和損傷場(chǎng)的變化規(guī)律，深入探究了潛在裂紋路徑的數(shù)量以及含裂紋構(gòu)件中不同裂紋形態(tài)對(duì)斷裂機(jī)理和斷裂性能的影響。對(duì)比相關(guān)試驗(yàn)，驗(yàn)證了粘聚元耦合有限元技術(shù)分析連續(xù)脆性介質(zhì)的斷裂過(guò)程的可行性。為了提高計(jì)算效率

15、，本文利用了危險(xiǎn)區(qū)概念。將容易發(fā)生斷裂的區(qū)域采用粘聚元耦合有限元技術(shù)建模，其他區(qū)域采用傳統(tǒng)有限元技術(shù)建模。
　　 (5)利用粘聚元耦合有限元技術(shù)，建立了骨水泥疲勞損傷模型，研究其疲勞損傷過(guò)程
　　 以準(zhǔn)脆性材料骨水泥拉伸疲勞為例，基于強(qiáng)度弱化理論，將粘聚元引入了連續(xù)介質(zhì)(骨水泥)的疲勞累積損傷分析中。將疲勞損傷過(guò)程分為無(wú)疲勞裂紋萌生、疲勞裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展三個(gè)階段，研究了不同階段中材料性能的變化和損傷程度的變化，首次提出